WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

При отсутствии в начальной конфигурации замкнутой цепи выраженных дефектов упорядоченные структуры формируются в произвольных участках цепи. Изгиб цепи под острым углом в данной модели инициирует образование спиральных структур непосредственно на месте внесенного дефекта.

В линейной цепи с резким изгибом также происходит инициирование структурообразования на месте конфигурационного дефекта.

Серия вычислительных экспериментов для линейных цепей из звеньев с изгибами под углами от 60 до 165 с шагом 15 показала, что инициирование формирования структуры в середине цепи эффективнее всего происходило при значении = 60°. При дальнейшем увеличении, вплоть до 180°, специальная роль середины цепи в формировании конечной структуры постепенно уменьшалась.

Таким образом, в рамках данной модели процесс структурной самоорганизации и конечная структура зависят не только от параметров системы, но и от начального состояния.

Также было показано, что при взаимодействии двух цепей формируются спиральные структуры, подобные двойным спиралям ДНК.

В одном варианте начального состояния концевой участок первой цепи сближен с концевым участком другой цепи (Рис. 2 (а)). При такой начальной конфигурации цепи в процессе сворачивания меняют взаимную ориентацию, то есть изначально сближенные концы цепи оказываются на противоположных концевых участках двойной спирали. Одна цепь движется вдоль другой, в результате чего в системе накапливается внутреннее напряжение, которое может в последствии исказить структуру двойной спирали.

а) б) Рис. 2 Процесс формирования в двойной спирали при взаимодействии двух цепочек с различными вариантами начального состояния ситемы:

а) Концевые участки цепей сближены. Сверху вниз: 0 пс, 40 пс, 260 пс, 340 пс.

б) Цепи параллельны. Сверху вниз: 0 пс, 30 пс, 695 пс, 1495 пс, 1495 пс, 1562 пс.

Во втором варианте начальное состояние системы сформировано расположенными параллельно цепями (Рис. 2 (б)). Двуспиральные структуры при указанных параметрах взаимодействия формируются за короткие времена (десятки пс) независимо от длины цепей. В силу сферической симметрии LD-потенциалов полимерные цепи могут формировать структуры, в которых чередуются левые и правые двойные спирали, разделенные короткими неспирализованными участками. Система стремится преобразовать такую структуру в однородную, содержащую либо левую, либо правую двойную спираль. Перестройка структуры происходит за сравнительно длительные времена Кроме того, была рассмотрена способность простого модельного полимера к рефолдингу при взаимодействии со вспомогательной структурой.

В качестве базовой модели системы способствующей быстрой специфической укладке полимерной цепи независимо от начальной кофигурации, была рассмотрена нанотрубка, взаимодействующая с линейным полимером. При определенных параметрах LD-взаимодействия, полимерная цепь, проходя через нанотрубку, разворачивается, а затем формирует новую упорядоченную структуру. Система функционирует только при определенном строении поверхности потенциальной энергии взаимодействия модельной нанотрубки с цепью (Рис 3).

Рис. 3 Процесс рефолдинга полимерной цепочки при взаимодействии с нанотрубкой в разные моменты времени.

Энергетическая поверхность системы формирует «ущелье», которое расширяется ближе к выходу из нанотрубки. Также для выхода полимерной цепи важно, чтобы уровень потенциальной энергии на входе в нанорубку был выше, чем на выходе. После окончания сборки, взаимодействие между полимерной цепью и нанотрубкой должно быть отключено, то есть данный процесс является энергозависимым.

В результате структурной самоорганизации полимера при отключенном столкновительном термостате формируются плоские структуры, если начальная конфигурация является плоской. Такие структуры, по-видимому, соответствуют седловой точке на энергетической поверхности полимера. В данной системе, в силу симметрии используемых потенциалов, правые левые спиральные структуры равны по энергии, и они соответствуют локальным минимумам на энергетической гиперповерхности.

Далее, в главе рассмотрены основные факторы, ответственные за формирование модельными полимерами тех или иных структур.

Регулярные пространственные укладки, формируемые цепями из леннард-джонсовских частиц, рассматриваются с помощью элементарных структурных элементов, формируемых четырьмя звеньями. Показано, что если вдоль цепи равновесная длина связи между соседними звеньями и равновесный леннард-джонсовский радиус мономерного звена постоянны, то существует только 6 типов указанных структурных элементов (Рис. 4).

Рис. 4 Шесть типов элементарных тетраэдрических структурных элементов, из которых может быть составлена устойчивая конфигурация линейной неразветвленной цепи. Жирными линиями обозначены связи между соседними звеньями в цепи Рассмотренный выше процесс структурной самоорганизации при вытянутой начальной конфигурации цепи является поэтапным.

Формирование регулярных зародышевых структур начинается с наиболее подвижных участков цепи, и постепенно затрагивает все более обширные области. На начальном этапе структура формируется только на коротких участках полимерной цепи, затем в процесс структурной самоорганизации включаются более дальние взаимодействия.

Описанный последовательный характер структурной самоорганизации принципиально отличается от ситуации, когда в сворачивании полимера участвуют все звенья одновременно. Отрезки цепи разной длины могут формировать различные структуры. Вследствие этого, в процессе формирования регулярной структуры полимерная цепь претерпевает ряд последовательных перестроек (Рис. 5).

t = 0 пс t = 2 пс t = 10 пс t = 18 пс Рис. 5 Последовательные структурные перестройки в процессе сворачивания линейной цепи.

Жирными линиями обозначены связи между соседними звеньями цепи, красными – парные расстояния, равные rmin.

Перестройки пространственной конфигурации приводят к формированию характерных для данного сочетания параметров элементарных структур, из которых будет составлена конечная структура.

Путем аналитических расчетов для короткой цепи из пяти звеньев была обоснована связь формируемых ею устойчивых структур со значениями параметров взаимодействия между звеньями. При решении задачи считалось, что в структуре, соответствующей минимальному значению энергии, только одно парное расстояние между звеньями принимает неравновесное значение.

Для каждого соотношения параметров rmin/b было рассчитано данное расстояние, и его значение определяло потенциальную энергию всей системы (вклад каждого равновесного парного расстояния в потенциальную энергию системы считался равным нулю).

В данной задаче достаточно рассмотреть 4 группы структур, в которых неравновесными принимаются расстояния между звеньями с индексами 2 и 4; 1 и 5; 1 и 3 (аналогично случаю, когда неравновесным является расстояние между звеньями 3 и 5); 1 и 4 (аналогично случаю, когда неравновесным является расстояние между звеньями 2 и 5) (Рис. 6).

Рис. 6 Способы укладки цепи из пяти звеньев. Жирными линиями обозначены связи между соседними звеньями, равные b, тонкими линиями отмечены парные расстояния, равные r. Черным пунктиром обозначены парные расстояния, принимающие неравновесные значения.

В зависимости от того, какое парное расстояние принимает неравновесное значение, для каждого сочетания параметров rmin и b могут быть получены различные структуры с различными значениями потенциальной энергии. Структура с наименьшим значением энергии будет формироваться с наибольшей вероятностью при данном соотношении параметров rmin/b. Схема решения задачи подробно описана в приложении к диссертации. Результат расчетов в виде графиков функций U(r/b) для всех случаев представлен на Рис. 7. Из данных графиков была определена наиболее энергетически выгодная структура для каждого набора параметров.

Рис. 7 Графики зависимости значения потенциальной энергии (в единицах ) от соотношения параметров rmin/b для разных пространственных структур, формируемых цепочкой из пяти звеньев.

В работе также описан вычислительный эксперимент по определению устойчивости результата самосборки цепи при флуктуации параметров взаимодействия. Была сконструирована серия полимерных цепей, в вытянутой начальной конфигурации, у которых параметр rmin отличается от значения, соответствующего спиральной конфигурации на случайную величину. Для каждого значения амплитуды флуктуации параметров была рассчитана серия траекторий МД для получения статистически достоверных результатов.

Анализ результатов расчетов показал, что доля спирализованных участков при увеличении амплитуды флуктуации значений параметра уменьшается экспоненциально (Рис. 8). Это свидетельствует о том, что система чувствительна к изменению параметров взаимодействия мономерных звеньев цепи, то есть параметрическая устойчивость системы не наблюдается.

0.0.0.0.0.0.0.0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 Амплитуда флуктуаций значений Rmin, А Рис. 8. Зависимость доли спиральной конфигурации в конечной структуре гетерополимерных цепей от амплитуды флуктуации значений параметра rmin. Каждая точка графика получена в результате усреднения по ансамблю данных анализа 10 траекторий МД.

Биополимеры, как правило, представляют собой гетерополимеры, то есть они состоят из различных мономеров. Боковые заместители аминокислот, составляющих белки и полипептиды, имеют различные размеры и заряды. Хорошо известно, что отдельные элементы вторичной структуры белков могут быть сформированы аминокислотами с сильно различающимися параметрами. Это свидетельствует об устойчивости данных структурных элементов к флуктуации параметров мономеров, входящих в их состав. Между тем, в третичной структуре биополимеров, как правило, присутствует несколько различных элементов вторичной структуры, определяемых первичной последовательностью мономеров.

Для более корректного воспроизведения структур, формируемых биополимерами, модель требует дальнейшего усложнения, в ней должна присутствовать основная цепь, определяющая способность системы к структурной самоорганизации, и различающиеся по параметрам взаимодействия боковые радикалы, которые определяют конечную гетерогенную структуру биополимера и стабилизируют отдельные структурные элементы.

в цепи Доля спиральной конфигурации Изучение модельных полимерных цепей из леннард-джонсовских частиц с боковыми заместителями показало следующее. На выборке из траекторий при вариации трех параметров взаимодействия наблюдался самопроизвольный переход из вытянутой конфигурации в более компактные варианты укладки цепей. Варьировались следующие параметры:

Равновесная длина связей (b2) между звеньями основной цепи и боковыми заместителями принимает одно из десяти значений от 0,2 до с интервалом 0,2.

Параметр rmin взаимодействия Леннард-Джонса между звеньями основной цепи (r1) принимает одно из десяти значений от 2,1 до 3 с интервалом 0,1.

Параметр rmin взаимодействия Леннард-Джонса между боковыми заместителями (r2) принимает одно из двадцати значений от 2,2 до 6 с интервалом 0,2.

Равновесная длина связей (b1) между соседними звеньями основной цепи для всех полимерных цепей составляет 2.

Анализ конечных структур показал, что боковые заместители изменяют диапазон параметров взаимодействия, при которых происходит формирование того или иного типа пространственной структуры. Причем, взаимодействие боковых заместителей может приводить к формированию уникальных типов структур, не наблюдаемых у неразветвленных цепей, таких как плоские структуры, схожие с -структурами белков и полипептидов (Рис. 9) Рис. 9. Фрагмент одной из конечных структур, формируемых полимером с боковыми заместителями. В данной пространственной укладке зарегистрирована большая доля плоских структурных элементов.

В третьей главе описаны результаты численных экспериментов с полноатомными моделями белков и пептидов.

Для оценки устойчивости -спиралей была проведена серия расчетов молекулярной динамики для следующих олигопептидов: Arg12, Asn12, Asp12, Cys12, Gln12, Glu12, Gly12, Ile12, Leu12, Lys12, Met12, Phe12, Pro12, Ser12, Thr12, Tyr12, Val12. Все указанные пептидные цепочки находились в -спиральной начальной конформации. Расчет проводился в столкновительной среде при 300K в силовом поле Amber 99. По окончании расчетов был проведен анализ изменения во времени пространственной конфигурации каждого пептида.

Для всех гомопептидов устойчивость -спиральной конфигурации оказалась различной. В частности, полиаргинин в -спиральной конфигурации является устойчивым, а -спиральная конфигурация полиглутаминовой кислоты разрушается в силу электростатического отталкивания боковых радикалов. Полиглицин не формирует устойчивых структур. Формирование наиболее устойчивой -спиральной конфигурации наблюдалось у полиаланина. Причем, короткие цепи полиаланина способны самопроизвольно переходить из распрямленной конфигурации -нити в спиральную конформацию подобно простым полимерным цепям из леннардджонсовских частиц. Для цепи из 12 остатков Ala данный процесс завершался в течение примерно 80 пикосекунд (Рис. 10). Конечная пространственная укладка является устойчивой, при частичном разворачивании -спираль восстанавливается.

0 пс 48 пс 77 пс 82 пс Рис. 10. Различные этапы спонтанного перехода цепи Alа12 из -конформации в конформацию.

Анализ матриц парных расстояний между C-атомами показывает, что в процессе фолдинга цепь полиаланина претерпевает ту же последовательность структурных перестроек, что и простая полимерная цепочка леннард-джонсовских частиц.

В работе методами неравновесной, или управляемой, молекулярной динамики были также исследованы внутренние силы, ответственные за формирование биополимерами пространственных структур различных уровней путем направленного растяжения цепи.

Изучалась зависимость удлинения -спирали полипептида Ala12 от величины силы, прилагаемой к ее N- и C-концевым участкам в разные стороны. Расчет проводился в столкновительной среде. Зависимость удлинения молекулы от внешней силы дает эффективный коэффициент жесткости молекулы на растяжение вдоль главной оси kII143 пн/, что согласуется со значением kII = 167±34 пн/, рассчитанным для додекааланина, исходя из данных, представленных в литературе (Adamovic et al, 2008).

Растяжение белка de novo, альбебетина, выполнялось двумя способами.

При растяжении с постоянной скоростью был выявлен последовательный характер разрушения исходной пространственной укладки альбебетина:

Pages:     | 1 || 3 |






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