Молекулярная механика биополимеров
Покупка
Основная коллекция
Издательство:
НИЦ ИНФРА-М
Автор:
Костюков Виктор Валентинович
Год издания: 2023
Кол-во страниц: 140
Дополнительно
Вид издания:
Монография
Уровень образования:
Дополнительное профессиональное образование
ISBN: 978-5-16-014913-4
ISBN-онлайн: 978-5-16-107409-1
Артикул: 703614.02.01
Доступ онлайн
В корзину
Монография посвящена моделированию молекулярной механики биологически значимых полимеров - белков и нуклеиновых кислот. Показано, что алгоритмы, основанные на классических законах движения Ньютона, при качественной параметризации и достаточных вычислительных ресурсах способны корректно воспроизводить и предсказывать структуру и динамику макромолекул в водном растворе. Кратко изложены путь развития молекулярной механики биополимеров, ее теоретические основы, современное состояние и перспективы дальнейшего прогресса.
Может быть полезна научным работникам, специализирующимся в области молекулярной биофизики и молекулярной биологии, а также студентам старших курсов высших учебных заведений, обучающимся по биофизическим и смежным направлениям подготовки.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 06.03.01: Биология
- 12.03.04: Биотехнические системы и технологии
- ВО - Магистратура
- 06.04.01: Биология
- 12.04.04: Биотехнические системы и технологии
- ВО - Специалитет
- 06.05.01: Биоинженерия и биоинформатика
- Аспирантура
- 06.06.01: Биологические науки
- 12.06.01: Фотоника, приборостроение, оптические и биотехнические системы и технологии
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
Москва ИНФРА-М 202МОЛЕКУЛЯРНАЯ МЕХАНИКА БИОПОЛИМЕРОВ В.В. КОСТЮКОВ МОНОГРАФИЯ
УДК 577.32(075.4) ББК 28.071 К72 Костюков В.В. К72 Молекулярная механика биополимеров : монография / В.В. Костюков. — Москва : ИНФРА-М, 2023. — 140 с. — (Научная мысль). — DOI 10.12737/1010677. ISBN 978-5-16-014913-4 (print) ISBN 978-5-16-107409-1 (online) Монография посвящена моделированию молекулярной механики биологически значимых полимеров – белков и нуклеиновых кислот. Показано, что алгоритмы, основанные на классических законах движения Ньютона, при качественной параметризации и достаточных вычислительных ресурсах способны корректно воспроизводить и предсказывать структуру и динамику макромолекул в водном растворе. Кратко изложены путь развития молекулярной механики биополимеров, ее теоретические основы, современное состояние и перспективы дальнейшего прогресса. Может быть полезна научным работникам, специализирующимся в области молекулярной биофизики и молекулярной биологии, а также студентам старших курсов высших учебных заведений, обучающимся по биофизическим и смежным направлениям подготовки. УДК 577.32(075.4) ББК 28.071 ISBN 978-5-16-014913-4 (print) ISBN 978-5-16-107409-1 (online) © Костюков В.В., 2020 Р е ц е н з е н т ы: Барановский С.Ф., доктор физико-математических наук, профессор кафедры физики Севастопольского государственного университета; Мозолевская Т.В., кандидат технических наук, профессор кафедры физики и общетехнических дисциплин Черноморского высшего воен- но-морского училища имени П.С. Нахимова
Список условных обозначений БД – броуновская динамика ВДВ – ван-дер-ваальсовские (взаимодействия) ВСЭ – возмущение свободной энергии ИК – инфракрасный КМ – квантовомеханические (вычисления) МД – молекулярная динамика МИД – модель индуцированного диполя МК – Монте-Карло (метод) МКОД – модель классического осциллятора Друде MM – молекулярная механика МНР – метод Ньютона-Рафсона МНС – метод наискорейшего спуска МСГ – метод сопряженных градиентов МФЗ – модель флуктуирующего заряда НК – нуклеиновые кислоты ПАМ – постоянный атомный мультиполь ПГУ – периодические граничные условия СД – статистическая динамика CП – силовое поле ТИ – термодинамическое интегрирование CMAP – correction map (карта поправок для углов и пептидных групп) PME – particle mesh Ewald (метод Эвалда для расчета элек- тростатических взаимодействий) RESP – restrained electrostatic potential (метод расчета атомных зарядов)
Введение Взаимодействия атомов в молекуле имеет существенно квантовую природу. Однако молекула биополимера (нукле- иновой кислоты, белка, полисахарида) состоит из десятков и сотен тысяч атомов. Поэтому квантовомеханическое опи- сание взаимодействий в ней представляет собой сложнейшую вычислительную задачу, часто неразрешимую на совре- менном этапе развития компьютерной техники. Возникает вопрос, можно ли для уменьшения ресурсоемкости расчетов описать данные взаимодействия при помощи классической механики? Впервые такой подход был реализован в 1966 г. Даймондом (Diamond) при построении математических мо- делей белков [1]. Для поиска устойчивых конформаций мио- глобина, лизозима и гемоглобина использовалось их механи- ческое описание. Валентные связи рассматривались как пру- жины, соединяющие соседние атомы. При этом допускались их деформации – как сжатия и растяжения, так и кручения. В 1968 г. Лифсон (Lifson) и Варшел (Warshel) сформулиро- вали единообразный способ описания взаимодействий между атомами в молекуле, предложив концепцию «согласованного силового поля» (consistent force field, CFF) как сочетания энергетических функций и их оптимизированных параметров. Вначале данный подход использовался для описания малых молекул – алканов и циклоалканов [2], но вскоре был применен и к белкам: Лифсон и Левитт (Levitt) использовали его для нахождения устойчивых конформаций миоглобина и лизоцима [ 3]. Эти работы заложили основу важнейшего направления молекулярного моделирования – молекулярной механики биополимеров. Ее развитие неразрывно связано с прогрессом в области вычислительной техники. За 50 лет своего существования молекулярная механика прошла долгий путь от оптимизации геометрии в вакууме систем из нескольких
Молекулярная механика биополимеров десятков атомов до моделирования динамики белков в микросекундном диапазоне [4] и явного задания водного окружения из тысяч молекул воды с учетом их поляризации [5]. В настоящей монографии кратко изложены путь развития молекулярной механики биополимеров, ее теоретические основы, современное состояние и перспективы дальнейшего прогресса.
Глава 1 ТЕОРИЯ СИЛОВОГО ПОЛЯ В основе методов молекулярной механики (ММ) лежат три гипотезы: термодинамическая, аддитивности и переносимости [ 6]. Согласно термодинамической гипотезе, истинному состоянию моделируемой системы соответствует минимум ее потенциальной энергии. Гипотеза аддитивности подразумевает, что полная потенциальная энергия может быть представлена в виде суммы слагаемых, описывающих взаимодействия между всеми возможными парами атомов системы. Связь между всеми этими слагаемыми отсутствует, и все они могут быть вычислены независимо. Это предположение в общем случае неверно. Например, электростатические взаимодействия между двумя атомами могут повлиять на распределение зарядов на других атомах посредством их поляризации. Поэтому в выражение для потенциальной энергии должны также входить и взаимодействия между несколькими атомами. Гипотеза переносимости утверждает, что свойства атомов в большой молекуле идентичны их свойствам в аналогичном окружении, но в малых молекулах. Данный подход применяется при разработке всех современных силовых полей (CП). 1.1. ПОНЯТИЕ СИЛОВОГО ПОЛЯ Основой СП является взаимосвязь между координатами атомов моделируемой системы и ее потенциальной энергией V. Например, идея оптимизации структуры молекулы основана на существовании неких равновесных («естественных») значений длин связей и углов. Эти значения и соответствующие силовые константы, используемые в функциях V, называются
Молекулярная механика биополимеров параметрами СП. Любое отклонение от равновесных значений «штрафуется по энергии», т.е. приводит к увеличению V. Поэтому минимум V соответствует оптимизированной молекуле с «идеальной» геометрией. Сама по себе энергия V не имеет физического смысла. Большинство СП были разработаны применительно к широкому набору органических соединений и малых молекул (так называемые поля 1-го класса). Однако существуют и узкоспециализированные СП со сложными усовершенствованными функциями энергии для более точных вычислений (так называемые поля 2-го класса). Например, к ним относится MMFF (Merck Molecular Force Field) химико-фармацевтической компании Merck [7]. Данное СП параметризовано преимущественно на основе квантовомеханических (КМ) расчетов. Целью создания и использования MMFF является учет всех представляющих интерес функциональных групп при моделировании молекул лекарственных препаратов – от малых молекул до макромолекулярных структур. СП задается потенциальной энергией V, являющейся функцией координат атомов системы (функциональная часть СП) и зависящей от некоторого набора параметров (параметрическая часть). 1.2. ПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ ФУНКЦИИ В соответствии с принципом аддитивности (cм. выше), потенциальная энергия V моделируемой системы обычно задается суммой ковалентных (Vb) и невалентных взаимодействий (Vnb) в системе: V = Vb + Vnb, (1.1) где ковалентные взаимодействия описываются гармоническими колебаниями ковалентных связей (англ. bond), углов между тремя атомами, образованными их валентными связями ( англ. angle) и двумя типами торсионных взаимодей-
В.В. Костюков ствий – для «правильных» двугранных (англ. dihedral) и «неправильных» углов (англ. improper dihedral): b bond angle dihe impr V V V V V . (1.2) В некоторых силовых полях формула (1.2) дополняется и другими членами, например, корректировками Юри – Брэдли и (или) корректировками CMAP для торсионных углов. Невалентная часть Vnb функции потенциальной энергии чаще всего состоит из электростатической (кулоновской) и ван-дер-ваальсовской (ВДВ) составляющих: Vnb=Velec+Vvdw. (1.3) Изначально функция потенциальной энергии также вклю- чала слагаемое, описывающее водородные связи. Однако позднее от него отказались, неявно включив данные взаимо- действия в электростатический потенциал при помощи кор- рекции зарядов атомов – доноров и акцепторов водородных связей. Одними из первых СП явились MM1 [8] (1971 г.), ММ2 [9] (1977 г.), ММ3 [10] (1991 г.) и ММ4 [11] (1996 г.) Эллинжера (Allinger, университет Джорджии, США) для малых молекул, в частности, углеводородов. В 2003 г. появилась версия ММ4 для спиртов, эфиров и углеводов [12]. Поля Эллинжера по- служили основой при создании СП для биополимеров (нукле- иновых кислот (НК), белков и полисахаридов). 1.3. ТИПЫ АТОМОВ В ММ тип атома определяется не только его принадлеж- ностью к данному химическому элементу (как в КМ-рас- четах), но и его химическим окружением. В качестве примера в таблице 1.1 представлено описание типов атомов силового поля AMBER94 [13]. От типов атомов зависят все их пара- метры (см. (1.2) и (1.3)), кроме зарядов qi, которые, как правило, вычисляются отдельно для каждой конкретной молекулы.
Молекулярная механика биополимеров Таблица 1.1 Типы атомов в силовом поле AMBER94 № п/п Эле- мент Тип атома Описание 1 С СТ C sp3-гибридизацией 2 С Карбонильный (С=О) с sp2-гибридизацией 3 СА Ароматический с sp2-гибридизацией и С(Arg) 4 CM С sp2-гибридизацией и двойной связью 5 СС С sp2-гибридизацией в 5-членном кольце с одним заместителем, а также соседствующий с атомом азота С(His) 6 CV Ароматический с sp2-гибридизацией в 5-членном кольце, соседствующий с атомами углерода и азота с неподеленной парой ва- лентных электронов (например, С(His)) 7 CW Ароматический с sp2-гибридизацией в 5-членном кольце, соседствующий с атомом углерода и иминогруппой NH (например, С(His) и С(Trp)) 8 CR Ароматический с sp2-гибридизацией в 5-членном кольце, соседствующий с двумя атомами азота (например, С(His) и С(His)) 9 СВ Ароматический с sp2-гибридизацией на стыке 5- и 6-членного колец С(Trp), а также оба сты- ковых атома Ade и Gua 10 С* Ароматический с sp2-гибридизацией в 5-членном кольце, соседствующий с двумя атомами углерода (например, С(Trp)) 11 CN C sp2-гибридизацией на стыке 5- и 6-членного колец, а также связанный с СН- и NH-группами (С(Trp)) 12 CK C sp2-гибридизацией в 5-членном ароматическом кольце между атомом азота и NR-группой (С8 пуринов)
В.В. Костюков № п/п Элемент Тип атома Описание 13 CQ C sp2-гибридизацией в 6-членном кольце между атомами азота с неподеленными парами валентных электронов (например, С2 в пуринах) 14 N N C sp2-гибридизацией в амидах 15 NA C sp2-гибридизацией и присоединенным атомом водорода в ароматических кольцах (например, протонированные His, Gua, Trp) 16 NB C sp2-гибридизацией и неподеленной парой валентных электронов в 5-членном кольце (например, N7 в пуринах) 17 NC C sp2-гибридизацией и неподеленной парой валентных электронов в 6-членном кольце (например, N3 в пуринах) 18 N* C sp2-гибридизацией в 5-членном кольце c углеродным заместителем (в пуриновых нуклеозидах) 19 N2 C sp2-гибридизацией в ароматических аминах и ионах гуанидина 20 N3 C sp3-гибридизацией 21 O OW C sp3-гибридизацией в модели молекулы воды TIP3P 22 OH C sp3-гибридизацией в спиртах, тирозине и про- тонированных карбоксильных кислотах 23 OS C sp3-гибридизацией в эфирах 24 О C sp2-гибридизацией в амидах 25 О2 C sp2-гибридизацией в анионных кислотах 26 S S В метионине и цистеине 27 SH В цистеине 28 P P В фосфатах 29 Н Н Присоединенный к атому азота 30 HW В модели молекулы воды TIP3P Продолжение табл. 1.1
Доступ онлайн
В корзину