WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     ||
|

Разработанный программный модуль BioMolDiagrams реализует возможность графического изображения молекул, но поскольку изучаемые системы – клеточные мембраны, представляют громоздкие конструкции, то возникает необходимость уменьшать размеры объектов. Поэтому жидкостно-мозаичная структура мембраны дифференцируется на небольшие составляющие фрагменты – белки, липиды и углеводы, а для упрощения составления моделей полипептидов, в программном модуле реализована настройка выбора аминокислот из списка, это позволяет сэкономить время при работе с макросистемами. Хранение всего списка осуществляется в таблицах «базовые параметры» (рис. 2).

Входными параметрами модуля BioMolDiagrams являются:

  • вычисленные геометрические параметры молекулы в виде z-матрицы для конкретного метода расчета по программе Mopac;
  • вычисленные энергетические и зарядовые характеристики молекулы в программе Mopac;
  • квантово-химический метод расчета;
  • название, формула и тип соединения.
  • Выходными данными модуля являются:
  • таблица оптимизированных геометрических параметров молекулы;
  • минимизированные энергетические параметры молекулы;
  • зарядовые характеристики молекулы;
  • двухмерная молекулярная модель.

При формировании схем молекулярных диаграмм большое внимание уделяется результатам квантово-химического расчета, которые должны быть сопоставимы с экспериментальными или справочными данными. Поэтому выбор метода расчета осуществляется как в пользу сходимости данных, так и в пользу количества затрачиваемого времени на расчеты.

В качестве белкового компонента выбрана молекула пентапептида, содержащая различные группировки (рис. 3).

Рис. 3. Модель пентапептида

В таблице 1 приведен сравнительный анализ геометрических показателей индивидуальных молекул, входящих в состав пентапептида с известными данными. В таблице курсивом выделены те результаты, которые максимально близко сопоставимы со справочными.

Таблица 1

Сравнение результатов расчета геометрии индивидуальных молекул и модели пентапептида методами PM3 и HF/6-31G*.

Параметры

Справочные результаты

Результаты расчетов индивидуальных молекул

PM3

HF/6-31G*

N-ацетилглицин

l(С1С2),

1,510±0,04

1,513

1,505

l(С1=O39),

1,190±0,03

1,219

1,209

l(С1O38),

1,310±0,03

1,351

1,349

l(С10N9),

1,320±0,005

1,436

1,364

O39C1O38,

124,00±3

116,26

122,75

С2N9C10,

120,00±3

120,21

121,64

п-крезол

l(СарH),

1,110±0,02

1,095

1,072

l(С6O40),

1,360±0,01

1,369

1,381

l(СарСар),

1,392±0,005

1,395

1,388

СарCарСар,

120,00

120,00

120,00

метилмеркаптан

l(С13S14),

1,810±0,001

1,801

1,882

l(S14H),

1,329±0,004

1,306

1,334

Из таблицы видно, что PM3 метод хорошо воспроизводит параметры СС, СарO, С=O, СH и СS связей. Намного сложнее метод описывает связи с гетероатомами, сопряженными с другими функциональными группами, например, длина связи NC в пептидной группе завышена на 0,1, а валентный угол, включающий атом азота или атом кислорода, как правило, оказывается, занижен на 5–9. Расширенный базис в хартри-фоковском приближении намного лучше воспроизводит длину связей и валентные углы с гетероатомами, но напротив не рассчитан на описание серосодержащих и ароматических соединений (табл. 1).

Аналогично проведены расчеты для липидной составляющей – структуры моноглицерида, диглицерида, триглицерида и углеводной составляющей – олигосахарид, лактоза. Сопоставление результатов, позволило установить правомерность использования PM3 метода и расширенного базиса 6-31G* в хартри-фоковском приближении. Однако полуэмпирический метод, в отличие от расширенного базиса, справляется с поставленной задачей в течение нескольких минут. В таблице 2 приведены данные по затрате времени для установления равновесной конфигурации биополимеров мембраны разными подходами.

Таблица 2

Техническая характеристика применимости методов

Молекула

Время расчетов, ч

PM3

HF/6-31G*

1

Пентапептид

0,16

528

2

Моноглицерид

0,03

0,66

3

Диглицерид

0,06

4,50

4

Триглицерид

0,10

11,33

5

Олигосахарид

0,03

2,33

Из таблицы 2 следует, что использование результатов расчета (6-31G*) для формирования схем молекулярных диаграмм может быть ограничено только по времени. В результате, для всех биополимеров в программном модуле BioMolDiagrams составлены молекулярные диаграммы, которые могут быть представлены в виде наглядных иллюстраций (рис. 4).

диаграмма пентапептида

диаграмма диглицерида

диаграмма олигосахарида

Рис. 4. Молекулярные диаграммы пентапептида, диглицерида и олигосахарида

По выбору пользователя молекулярная диаграмма может содержать информацию о длинах связей, о зарядах на атомах и многое другое, то есть те параметры, которые позволяют выявить функциональность атомов в молекуле.

В третьей главе представлена реализация предложенного алгоритма моделирования взаимодействия диоксида серы со структурными компонентами мембраны. Созданная база данных хранит информацию о параметрах взаимодействующих структур. Приведённая на рисунке 5 схема иллюстрирует связывание данных в таблицах.

Рис. 5. Схема связей данных взаимодействующих молекул

Энергетические параметры образующейся адсорбционной системы приведены в таблице interaction. Параметры электронной плотности, зарядовые характеристики атомов и информация об их реакционной способности хранится в таблице atom_two. Все параметры получены из текстового файла программы Gamess. Таблица connection_two содержит информацию о длине образующейся связи при взаимодействии молекул.

Принцип подготовки входных данных при работе с адсорбционными системами остается таким же, как и при работе с одной структурой. Программный модуль ModelInteractions реализует расчёт энергии формирования данных систем (Eадс) и величины переноса зарядов (q) на диоксиде серы, а анализ параметров позволяет оценить активность атомов в макромолекулах и графически сформировать схемы взаимодействия. В результате, статическая модель включает специальные обозначения активности атомов (, ).

Входными параметрами модуля ModelInteractions являются:

  • геометрические параметры системы в виде z-матрицы для конкретного метода расчета по программе Mopac;
  • вычисленные энергетические и зарядовые характеристики системы в программе Mopac;
  • квантово-химический метод расчета;
  • название и формула соединения;
  • длина связи между атомами взаимодействующих молекул.

Выходными данными модуля являются:

  • таблица оптимизированных геометрических параметров системы;
  • минимизированные энергетические параметры системы;
  • зарядовые характеристики атомов в системе;
  • характеристика активности атомов;
  • двухмерная молекулярная модель взаимодействия.

Важной особенностью адсорбционных взаимодействий является то, что адсорбирующаяся молекула – диоксид серы взаимодействует не с одним центром на поверхности адсорбента, а со многими соседними центрами. Поэтому при моделировании изучаются всевозможные варианты образующихся систем и устанавливаются наиболее устойчивые и энергетически выгодные конфигурации.

Рассмотрим модели адсорбционных систем и схемы взаимодействий пентапептида (цистеинил-фенилаланил-аланил-гомоцистеинил-тирозин). Для уменьшения загромождения в системы введены обозначения R, R', обозначающие остаток углеродного скелета.

Система 1

Система 2

Система 3

В таблице 3 приведена сравнительная характеристика геометрических и энергетических параметров изучаемых адсорбционных систем 13, полученных PM3 методом.

Таблица 3

Параметры адсорбционных систем «пентапептидSO2»

Системы

r,

q, е

DEадс, кДж/моль

1

O37...S2 / H48...O1

1,832/1,784

-0,210

-37,12

2

H45...O1

1,803

0,022

-32,84

Pages:     ||
|



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.