научная статья по теме МОЛЕКУЛЯРНАЯ ДИНАМИКА САМООРГАНИЗАЦИИ СТРУКТУРЫ МОДЕЛЬНЫХ БИОМИМЕТИЧЕСКИХ ПОЛИМЕРОВ Биология

Текст научной статьи на тему «МОЛЕКУЛЯРНАЯ ДИНАМИКА САМООРГАНИЗАЦИИ СТРУКТУРЫ МОДЕЛЬНЫХ БИОМИМЕТИЧЕСКИХ ПОЛИМЕРОВ»

БИОФИЗИКА, 2015, том 60, вып. 3, с. 421-427

МОЛЕКУЛЯР НАЯ БИОФИЗИКА =

УДК 577.3

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ДИНАМИКА САМ О О Р ГАНИЗАЦИИ СТРУКТУРЫ МОДЕЛЬНЫХ БИОМИМЕТИЧЕСКИХ ПОЛИМЕРОВ

© 2015 г. К.В. Шайтан, И.В. Федик

Биологический факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова,

119991, Москва, Ленинские горы, 1/12

E-mail: shaytan49@yandex.ru

Поступила в p едакцию 13.03.15 г.

Методами молекулярной динамики исследуется проблема сворачивания макромолекул в пространственные структуры. Рассмотрена свободно сочлененная полимерная цепь с жесткими ковалентными связями, между звеньями которой действуют силы Ван-дер-Ваальса. Определены условия формирования различных пространственных структур, имеющих сходство со структурами типа а-спиралей, Р-слоев и двойных спиралей, которые имеют место в биомолекулярных системах.

Ключевые слова: сворачивание макромолекул, биомиметические полимеры, методы молекулярной динамики.

Для функционирования биомакромолекул необходимо формирование определенных про -странственных структур. Даже небольшие изменения в про стр анственной структуре биомакромолекул ведут к потере или резкому изменению их активности [1—5].

Компьютерное моделирование сворачивания (фолдинга) полноатомных моделей биополимер ов - очень ресурсоемкая задача, и сам механизм процессов фолдинга остается не до конца ясным. Между тем известно, что сворачивание начинается с образования неких структурных элементов типа вторичной структуры, из которых далее собир ается третичная структур а биополимера [1,6,7]. Таким образом, фол-динг - это последовательный процесс, на каждом этапе которого уменьшается эффективный объем доступной области конфигурационного пространства, вследствие чего поиск нативной конформации существенно упрощается [8]. Также известно, что последовательность мономеров определяет трехмерную структуру полимера [9]. Это означает, что информация о пространственном строении свернутой биомакромолекулы хранится в основной последовательности мономерных звеньев и определяется свойствами мономеров. Несомненно, однако, что при формировании пр остранственной структуры и поиске системой глобального минимума энергии полимер ной цепи действуют и существенные

Сокращение: LD - потенциал Леннард-Джонса.

динамические и кинетические огр аничения, связанные с практической нерастяжимостью валентных связей и затруднениями при деформации валентных углов. Этот вопрос пр актически не исследован с точки зрения теоретической механики ввиду значительного усложнения структуры ур авнений Лагранжа пр и пер еходе к угловым переменным (вращениям вокруг связей). Как мы увидим ниже, динамические ограничения при фолдинге даже простейшей полимер ной цепи ведут к формир ованию определенного набора форм, напоминающих элементы вторичной структуры биополимеров, которые оказываются детерминированными соотношениями геометрических параметров валентных и невалентных взаимодействий элементов цепи.

В данной работе методом молекуляр ной динамики исследуется сворачивание относительно простой модели полимера в виде обычной свободно-сочлененной цепи с включенными потенциалами Леннард-Джонса между звеньями [1012]. Формируемые динамические структуры такого полимер а в р яде случаев очень схожи с типичными элементами структуры биологических полимеров. Вычислительный эксперимент показывает также, что для рассмотренных модельных структур тип конечной структуры и путь ее образования зависят от начальной конфигурации и параметров взаимодействия между звеньями полимерной цепи. Данная модель, конечно, не претендует на описание реального фолдинга биополимер ов, но обращает внима-

ние на роль динамических ограничении и со -отношений геометр ических параметр ов элементов цепи для возможного набора и типов кон-формаций пр и сворачивании полимерных цепей с относительно жесткими связями.

В основе метода молекулярной динамики лежит численное решение классических уравнений Ньютона для системы взаимодействующих частиц в фазовом пространстве их координат и импульсов [13-18]. Потенциальная энергия системы рассчитывается как сумма вкладов всех разных типов взаимодействий. В данной работе в модель включены только два типа взаимодействий. Первый из них - потенциал валентных связей в гармоническом приближении:

и = I 1иь(] иь(тф = \к(т. - ьо)2,

(1)

г ]

где пары г-] образуют валентные связи, Ь0 -обозначение для равновесной валентной длины, тЧ] = V (х г - Ху)2 + (у] - у ])2 + (у у - ]2 - текущая длина связи, к - соответствующая силовая константа. В данной работе валентными связями будут называться жесткие связи между соседними звеньями в полимерной цепочке, при этом не подразумевается химическая природа истинных валентных связей.

Взаимодействия атомов (звеньев цепи), разделенных двумя и более валентными связями, описываются с помощью потенциала Леннард-Джонса (ЬБ) вида:

и = I !иьо(Т].),

(2)

и ьб(Т]) = е

г ]

(т • V2 (т • ^

т

V ] у

- 2

т

V ] у

+ 1

Пар аметры потенциала е и тш;п зависят от типов звеньев г и ], участвующих во взаимодействии; т¡] - ра сстояние между этими звеньями. Параметр определяет положение минимума, а параметр е - глубину потенциальной ямы, т.е. разницу значений пр и т. ^ ^ и в

минимуме.

В рассматриваемой модели мы искусственно увеличим энергии ЬБ-взаимодействий с тем, чтобы подчеркнуть их роль в формировании энергетической поверхности и их влияние на фолдинг. Такой прием позволяет резко понизить вер оятность перескока системы между неразличимыми или близкими по энергии состояниями. В результате конечные конфигурации

становятся структурно более однородными, что существенно облегчает их классификацию.

В данной работе взаимодействие со ср едой моделируется тер мостатом Бер ендсена [19], который эффективно гасит всплески кинетической энергии пр и переходе к конформации с существенно более низкой потенциальной энергией. Стохастическое действие среды (и вязкость) имитир уется с помощью метода столкновитель-ной динамики [19-21].

Расчет траектории молекулярной динамики проводился с шагом 1 фс при температуре 300 К. Масса виртуальных частиц столкнови-тельной ср еды тс = 18 Да, частота соудар ений / = 60 пс-1. Коэффициент жесткости валентной связи к = 166 ккал/моль-А2, равновесная длина валентной связи Ь = 2,038 А, масса мономерного звена т = 32 Да.

В качестве стартовых рассматривались вытянутые начальные конфигурации, в которых для каждого звена ближайшее взаимодействующее с ним (по ЬБ-типу) звено в трехмерном пространстве является ближайшим взаимодействующим с ним звеном.

В работе использовали два способа назначения ЬБ-потенциалов звеньям цепи: в первом из них ЬБ-взаимодействие установлено между всеми звеньями, кроме соседних в цепи (взаимодействие которых определяется только потенциалом валентной связи (1)); при втором способе дополнительно отключено ЬБ-взаимодействие между звеном г и звеном г + 2 (пары 1-3), т.е. в этом случае невалентные взаимодействия не влияют на потенциальную энергию также и валентного угла.

ВЛИЯНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕС КИХ ПАРАМЕТРОВ ВЗАИМОДЕЙ СТВИЙ НА ТИП КОНЕЧНОЙ С ТРУКТУРЫ

Проведенные вычислительные эксперименты показывают, что рассматриваемая модельная полимерная цепочка из 100 звеньев при значении е = 10 ккал/моль может образовывать целый ряд упорядоченных структур. Тип конечной структуры зависит от значения параметра ЬБ-потенциала, а точнее от отношения этого параметра к равновесной длине Ь валентной связи. Среди набора возможных структур имеются всевозможные слои, пр авые и левые спирали, двойные спирали, шпильки, а также структуры, состоящие из свернутых петель. Многие из них похожи на элементы вторичной структуры белков и нуклеиновых кислот.

Рис. 1. Типы конечных структур, образующихся при разных значениях параметра гт1п из вытянутой цепочки с выключенными (1-3)-ЬБ-взаимодействиями.

Конечный результат сворачивания при отключенных (1-3)-ЬБ-взаимодействиях несколько отличается от случая, когда они включены. Главное отличие заключается в том, что близкие по пространственной организации структуры для этих двух случаев обр азуются при разных значениях параметра гт^п. В случае включенных (1-3)-ЬБ-взаимо действий при значениях гтш < Ь образуются очень компактные структуры, которые не поддаются простой классификации. На интер вале Ь < гтП < 2Ь обр азуются спиральные (точнее, винтовые) структуры, напоминающие а-спир али белков. Поскольку модель не предусматривает энергетического преимущества какой-либо стр уктуры и структуры, являющейся ее отражением относительно плоскости (в модели присутствуют только потенциалы от парных расстояний), левые и правые спирали образуются с равной вероятностью. К роме того, могут обр азовываться структуры, в которых сочетаются и левые, и правые спирали. П ри значениях гт;п > 2Ь простые спирали становятся менее компактными и менее устойчивыми и могут легко перестроиться в более сложную структуру, такую как двойная спираль в составе шпильки, сходную со шпильками, которые формируются у РНК и ДНК.

Для случая включенных (1-3)-ЬБ-взаимо-действий длинные шпильки также довольно не-

устойчивы, и они перестраиваются в структуру, в которой цепочка обмотана вокруг практически прямого концевого участка. Здесь же могут образовываться различные структуры другого уровня сложности - у них структурной единицей является не сама цепочка, а образованные ей петли. Подобные структуры также очень часто формируются цепями РНК. В исследуемой модели они обр азуются в результате перестройки про стой спир али.

П ри отключенных (1-3)-ЬБ-взаимодействи-ях (рис. 1) все конечные структуры очень схожи с теми, что получаются в первом варианте задания ЬБ-потенциалов, с той лишь разницей, что они образуются при пример но в два раза больших значениях гт;п. В этом случае спиральные структуры не такие гладкие, как в предыдущем случае, а тройки звеньев образуют

острые углы. При значении гт;п ~ 3Ь система

обр азует структуры, представляющие собой слои, лежащие в параллельных плоскостях, и слои, свернутые в виде спирали А рхимеда. РНК-подобные структуры, образующиеся при отключенных (1-3)-ЬБ-взаимодействиях, принципиаль

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком