Диплом: Мутации структуры белковоподобного сополимера. Компьютерное моделирование - текст диплома. Скачать бесплатно.
Банк рефератов, курсовых и дипломных работ. Много и бесплатно. # | Правила оформления работ | Добавить в избранное
 
 
   
Меню Меню Меню Меню Меню
   
Napishem.com Napishem.com Napishem.com

Диплом

Мутации структуры белковоподобного сополимера. Компьютерное моделирование

Банк рефератов / Химия

Рубрики  Рубрики реферат банка

закрыть
Категория: Дипломная работа
Язык диплома: Русский
Дата добавления:   
 
Скачать
Microsoft Word, 7258 kb, скачать бесплатно
Заказать
Узнать стоимость написания уникальной дипломной работы

Узнайте стоимость написания уникальной работы

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Тверской государственный университет Химический факультет Кафедра неорганической и аналитической химии Направление 510500 – Химия Новиков Виктор Викторович Мутации структуры белковоподобного сополимера. Компьютерное моделирование Магистерская диссертация Научный руководитель д.ф.-м.н. проф. Халатур П.Г. ______________________ Работа допущена к защите « ___ » __________ 2003 г. Декан химического факультета д.х.н. профессор Лапина Г.П. _________________________ Тверь – 2003 План 1. Введение 2. Литературный обзор 2.1. Механическая модель молекулы 2.2. Методы компьютерного моделирования полимеров. Метод Монте Карло. Метод Молекулярной динамики 2.2.1 Основные подходы к математическому моделированию макромолекул 2.2.2. Методы молекулярной динамики (МД) 2.2.3. Метод Монте-Карло (МК) 2.2.4. Особенности компьютерного эксперимента 2.2.5. Решёточные и континуальные модели 2.2.6. Трудности машинного эксперимента Периодические граничные условия 2.2.7. Модернизированные методы компьютерного моделирования 2.3. Мотивы укладки цепи в белковых молекулах 2.4. Методы анализа белковых структур 2.4.1. Определение гомологии первичных структур 2.4.2. Нахождение вторичной структуры 2.4.3.Метод протягивания 2.4.4. Дизайн белковых молекул 2.5. Конформационно-зависимый дизайн последовательностей цепи 2.5.1. НР – сополимеры, «приспособленные к адсорбции» 2.5.2. Молекулярные диспергаторы 2.5.3. Моделирование мембранных белков 2.7. Белковоподобные сополимеры. Дизайн, структура, свойства 2.8. Оптимизация последовательностей белковоподобных сополимеров глобулярных белков 2.9. Дальнодействующие корреляции в белковоподобных сополимерах 3. Экспериментальная часть 3.1. Модель и метод моделирования 3.2.Модель молекулярной эволюции 3.3. Методы анализа 4. Результаты и обсуждение 5. Заключение 6. Список литературы 1. Введение Концепция эволюции является одним из краеугольных камней в современных естественных науках: в космологии обсуждается эволюция вселенной, в геологии эволюция Земли, в биологии эволюция живого мира. Эту идею можно использовать и в полимерной науке [1,2]. Соответствующие положения этой проблемы достаточно ясны. В настоящее время биополимеры ( белки, ДНК, РНК) обладают сложной первичной структурой (последовательность мономерных звеньев ) которая определяет их функции и структуру ( в том числе и третичную структуру глобулярных белков). Поэтому эти последовательности ( 20-ти буквенный алфавит в случае белков и 4-х буквенный в случае ДНК и РНК) должны значительно отличаться от случайных и часто проявляют значительные корреляции на различных массштабах. Другими словами, естественно ожидать, что количество информации в таких последовательностях относительно высоко сравнительно высоко по сравнению со случайными (ДНК содержит всю генетическую информацию). С другой стороны, на начальном этапе до биологической эволюции могли образовываться только случайные последовательности или последовательности с короткодействующими корреляциями. Можно добавить, что по ходу молекулярной эволюции первичные структуры сополимеров становились всё сложнее и сложнее, пока не достигли уровня сложности современных биополимеров. Исследование различных возможностей эволюции последовательностей сополимеров является областью, где концепцию эволюции можно использовать в контексте науки оп полимерах. Стоит заметить, что, так как количество информации последовательности можно определить количественно, то весь процесс эволюции биополимерных последовательностей может быть точно определён в математических терминах, которые не всегда применимы для других случаях эволюции. С другой стороны, сформулированные фундаментальные проблемы чрезвычайно сложны из-за отсутствия прямой информации о ранней добиологической эволюции. Поэтому особый интерес представляют модельные системы эволюции последовательностей, которые показывают различные возможности появления сложной статистики и дальнодействующих корреляций в последовательностях. Так как при помощи случайных мутаций невозможно увеличить количество информации последовательности, то такие модельные системы должны принимать во внимание связь между конформацией полимерной цепи и эволюцией последовательности. Один из вариантов конформационно-зависимого дизайна сополимеров, который ведёт к статистически достаточно сложным последовательностям рассмотрен в статьях [3,4,5]. Подход заключается в модифицировании поверхности глобулы. Звеньям, находящимся на поверхности присваивается индекс Р (гидрофильные звенья), а находящимся в ядре глобулы – Н (гидрофобные). Конформация полученного сополимера зависит от Н-Н, Н-Р и Р-Р взаимодействий. Такие сополимеры были названы в статье [3] белковоподобными сополимерами, так как они отражают одну из важных особенностей реальных глобулярных белков: возможность образования плотного гидрофобного ядра, стабилизированным гидрофильными петлями, в глобулярной конформации. Благодаря этой особенности эти белки в глобулярной конформации.не выпадают в осадок в растворе Следует отметить, что образование гидрофильных звеньев является только одним из свойств белков, поэтому белковоподобные сополимеры не имеют общего с реальными белками. Можно говорить только о сходстве белковоподобных сополимеров и сополимеров, появляющиеся на ранних этапах эволюции. Были предложены простые различные компьютерные модели, описывающие эволюцию сополимерных последовательностей. Однако, цель большинства этих моделей – решить различные модели физики белка, т.е. проблему конструирования специфической аминокислотной последовательности, которая будет термодинамически стабильна в третичной глобулярной структуре и будет способна быстро сворачиваться в эту конформацию при данной температуре.[6,7] Мы предлагаем другой подход. Именно: 1. Мы предлагаем модельную систему молекулярной эволюции последовательностей сополимеров, в которой возможны две основные возможности: восходящая и нисходящая ветви эволюции ( в терминах количества информации последовательности), зависящей от параметров взаимодействий между звеньями. 2. Мы исследовали применимость теоретико-информационных характеристик для описания молекулярной эволюции. 2. Литературный обзор 2.1. Механическая модель молекулы Под моделью системы понимают выбор правил, описывающих взаимодействие частиц между собой и/или с внешними полями, то есть в формулировке вида и способа вычисления функции потенциальной энергии.[8] В ряде задач физической химии удобно рассматривать молекулу не как электронно-ядерную систему, а как систему взаимодействующих атомов (механическая модель молекулы). Механическая модель не противоречит квантовой механике, а при некоторых ограничениях (среди них, прежде всего, следует упомянуть теорему Борна-Оппергеймера) может быть выведена из неё. В приближении МО ЛКАО ССП энергия молекулярной системы выражается как сумма одно-центровых взаимодействий ( e a ), двуцентровых взаимодействий ( e ab ), трёхцентровых взаимодействий ( e abg ) и т.д. (2.1) Одно-центровые и двуцентровые интегралы естественно отнести к парам ядер (атомов), трёхцентровые интегралы- к тройкам ядер (атомов) и т. д .Тогда получаем энергию молекулы в атом-атомном приближении здесь суммирование ведётся по всем парам атомов, по всем тройкам атомов и т.д. (2.2) Многочастичные взаимодействия вносят малый вклад в энергию системы , и ими часто пренебрегают . Парные взаимодействия удобно разбить на взаимодействия атомов, валентно связанных между собой, и взаимодействия атомов, валентно между собой не связанных. Предполагается, что энергию взаимодействия можно разделить на ряд составляющих. 1. Энергия деформации связи. При отклонении длин связей от их нормального значения возникает энергия деформация связи (Е св ). Обычно связь рассматривают как гармонический осциллятор. При этом можно предположить, что при малых деформациях энергия ковалентных связей подчиняется следующей зависимости. U ( R ) = K ґ ( R - R i ) 2 (2.3) Где К – силовая постоянная, R – равновесная длина связи R i – мгновенная длина связи Рассмотрим вопрос о способе описания валентных связей. Здесь существует альтернатива[9]: 1) моделировать связи каким-либо гладким потенциалом (например гармоническим или потенциалом Морзе), 2) учитывать их как абсолютно жёсткие (геометрические) ограничения. Оба способа имеют свои преимущества и недостатки. В первом случае справедливы простые уравнения Ньютона. Однако из-за высокой "жёсткости" обычных валентных потенциалов связанные частицы могут совершать быстрые колебательные движения, учесть которые можно при очень малом шаге интегрирования. Поэтому даже после весьма большого числа шагов эволюции системы будет на самом деле прослежена лишь в течении короткого интервала времени. Проблема решается путём удаления соответствующих степеней свободы при рассмотрении химических связей как постоянных геометрических ограничений. При этом в системе действует единственный невалентный потенциал, который и задаёт минимальный временной масштаб. Однако в подобной постановке движение частиц описывается уже не уравнениями Ньютона, а уравнениями Лагранжа, что усложняет вычислительную схему и делает её более трудоёмкой. Кроме того, абсолютно жёсткие связи не вполне правильно отвечают реальной ситуации. Оптимальный вариант состоит в подборе таких валентных потенциалов, жёсткость которых мало отличается от невалентных. Один из них, известный как потенциал FENE , имеет вид - k ґ r 0 2 ln [1-( r / r 0 )] при r < r 0 U ij ( r ) = (2.4) 2. при r > r 0 Здесь r – расстояние между парой связанных частиц i и j , а параметры k и r 0 принимаются равными 10 e / s 2 и 1.95 s . Другой удачной аппроксимацией является конструкция из двух потенциалов Леннарда-Джонса, действующих навстречу друг к другу и описывающих только отталкивание. e 0 [( b / r ) 12 – 2( b / r ) 6 +1 при r < b U ij ( r ) = (2.5) e 0 b 12 _ 2 b 6 +1 при r > b (2 b - r ) 12 (2 b - r ) 6 Здесь b – заданная длина связи между частицами i и j . Данная функция имеет нулевой минимум при r = b и становится бесконечной при r = 0 и r = 2 b . 3. Энергия деформации углов. Для каждого атома в молекуле существуют некоторые идеальные углы, отклонение от которых требуют затрат энергии угловых деформаций (Е угл ). Предполагается, что эта энергия аддитивна, причём при малых отклонениях справедлив закон Гука. Аналогично энергии деформации связей можно записать. U ( q ) = C ґ ( q i - q ) 2 (2.6) Где С – силовая константа, q - идеальное значение угла связи, q i – мгновенное значение угла связи Деформация углов происходит значительно легче, чем деформация связей ( константа К на порядок выше, чем С). Для описания угловых напряжений можно использовать потенциал (2.5), если в качестве параметра b взять расстояние между атомами, разделенными двумя связями. 4. Невалентные взаимодействия атомов (Е с ). Рис.2.1 Общий вид потенциальной функции невалентных взаимодействий. В попарно аддитивном приближении стерический вклад в потенциальную энергию молекулы выражается через взаимодействия отдельных атомов [10]. E c = ее f ij ( r ) (2.7) i < j Взаимодействия валентно не связанных атомов складывается из дисперсионного (а также индукционного и ориентационного) притяжения и отталкивания, возникающего из-за перекрывания электронных оболочек на малых расстояниях. На рис. 2.1 показана потенциальная функция f ( r ) взаимодействия двух атомов в зависимости от расстояния r между ними. Отталкивание между атомами апроксимируется обычно функциями вида B / r n или Cexp (- Dr ), а притяжение – функцией A / r m ( A , B , C , D , m , n – постоянные). Отсутствие строгого выражения для f ( r ) вынуждает искать приближённые аналитические формы. Наибольшее распространение получили потенциалы типа "6-12" и "6 - exp ". Потенциал Леннарда – Джонса ( m – n ) f ( r ) = n e ( n - m ) -1 ( n / m ) m /( n - m ) [( s / r ) n – ( s / r ) m ] = n e (n-m) – 1 [(m/n)(r 0 /r) n – (r 0 /r) m ] , где r 0 = 2 1/6 ґs , m и n – численные коэффициенты. Коэффициент m выбирается равным 6. Величина n лежит в интервале от 10 до 14 и чаще всего принимается равной 12. В этом случае данный потенциал называют потенциалом "6-12". При m = 6 и n = 12 имеем f ( r ) = 4 e [( s / r ) 12 – ( s / r ) 6 ] (2.8) Для малых r функция f ( r ) имеет большое положительное значение, а с ростом r – становится отрицательной, проходя при r = r 0 через минимум ( где f ( r 0 ) = - e ) и асимптотически приближается к нулю. Значение r при котором функция f ( r ) пересекает ось r , обозначено s . Наличие дальнодействующей части создаёт расчётные трудности, ибо в плотной системе для каждой частицы становится необходимым учёт её взаимодействий с большим числом окружающих частиц. Поэтому функцию 2.8. обрывают на некотором заранее выбранном расстоянии r c , полагая, что при r > r c f ( r ) = 0. Однако более целесообразно использовать такой потенциал, который сам по себе является короткодействующим. Кроме того, желательно, чтобы его производная по расстоянию обращалась в нуль на границе действия. В качестве примера представлена подобная функция, первая и вторая части которой сшиваются в точке r = 2 1/6 s , где f ( r ) = - e , а производная df ( r )/ dr обращается в нуль при r = 2 1/6 s и r = r c : f ( r ) = 4 e [( s / r ) 12 – ( s / r ) 6 ] при r < 2 1/6 s f ( r ) = e 3( r -2 1/6 s ) 2 _ 2( r -2 1/6 ) 3 - 1 при 2 1/6 s < r < r c ( r c -2 1/6 s ) 2 ( r c -2 1/6 ) 3 (2.9) 0 при r > r c Ван-дер-ваальсовые взаимодействия имеют тот же порядок, что и тепловое движение атомов (кТ). Если ещё учесть, что число этих взаимодействий равно N ( N -1)/2, то можно сделать вывод, что при согласованном действии этих сил могут происходить значительные крупномасштабные конформационные перестройки макромолекулы. 5. Торсионная энергия. Потенциалы невалентных взаимодействий дают слишком малые значения барьеров внутреннего вращения. Это обстоятельство можно изменить, если в конформационную энергию ввести член, зависящий от взаимного расположения связей, присоединённых к оси вращения. Суммарные энергетические затраты, характеризующие отклонения от оптимальной взаимной ориентации связей, определяются как торсионная (или ориентационная) составляющая (Е Т ) конформационной энергии. U ( j ) = U 0 /2(1 – cos ( n j )) (2.10) Где U 0 – барьер внутреннего вращения. Для карбоцепных полимеров этот барьер (между транс- и гош- состоянием) составляет примерно 3 ккал/моль n – порядок вращения. Для карбоцепных полимеров n =3. j -значение двухгранного угла. 6. Электростатические взаимодействия (Е эл ). Для энергии электростатических взаимодействий в монополь-монопольном приближении E эл = K ее q i q j /r e (2.11) i < j Где q i и q j – парциальные заряды ( в долях заряда электрона) на атомах i и j , разделённых расстоянием r ; e - эффективная диэлектрическая постоянная среды; K = 332 – переводной множитель, позволяющий выразить E эл в ккал/моль, если r – в A ° . Парциальные заряды получаются из дипольных моментов связей q = 0,208 m / l (2.12) где l – длина связи (в А ° ), m - дипольный момент связи (в Дебаях), вычисляемый из опытных дипольных моментов соединений по аддитивной векторной схеме. Парциальные заряды на связанных атомах A и B могут быть также получены по приближённой формуле Смита q = 0,16( X A – X B ) + 0.035( X A – X B ) 2 (2.13) Здесь X – относительные электроотрицательности атомов ( по Полингу). Если расстояние, разделяющее два точечных заряда, превышает толщину мономолекулярного слоя растворителя, в котором находятся рассматриваемая молекула, то коэффициент e в 2.11 близок к диэлектрической постоянной этого растворителя. В противном случае e @ 1- 4. Чаще всего принимают s = e . Электростатические взаимодействия могут проявляются в полиэлектролитах. За счёт ионизации ионогенных групп на полимерной цепочке возникают заряды, а следовательно электростатические взаимодействия. В этом случае эти взаимодействия являются дальнодействующими ( убывают пропорционально 1/ r ) и определяют значительные крупномасштабные конформационные перестройки. 7. Другие составляющие энергии молекулы. Водородная связь носит донорно-акцепторный характер. Она проявляется главным образом при взаимодействии атомов О и Н групп С=О и HN , входящих, в частности в молекулы пептидов. Гораздо реже возникает необходимость вводить потенциал внутримолекулярной водородной связи для учёта взаимодействий О...Н в простых или сложных эфирах. Для описания зависимости энергии водородной связи от расстояния наибольшее распространение получила трёхпараметрическая функция Морзе. Взаимодействие двух неподелённых электронных пар (принадлежащим атомам O , S , N и др.) описываются эмпирическим потенциалом, аналогичным (2.11). Неподелённая пара представляется точечным зарядом ( q = 0.1 e ), расположенным на расстоянии l от ядра. Для атомов O , S ,.. расстояние l отсчитывается в направлении продолжения биссектрисы угла с вершиной при данном атоме. Для атома N направление неподелённой пары совпадает с продолжением нормали к плоскости, отсекающей равные отрезки связей при атоме N . Величина l определяется сортом атома.. Если расстояние r , разделяющее две неподелённые пары, превышает 3 А ° , то параметр e в (2.11) равен единице; в противном случае e = (3.5 r 2 – 21 r + 32.5) – 1 Не все вклады одинаковы важны. Для каждого класса задач выбираются наиболее важные составляющие потенциальной энергии молекулы, а другие не учитываются. 2.2. Методы компьютерного моделирования полимеров. Метод Монте Карло. Метод Молекулярной динамики При моделировании методами молекулярной динамики или Монте-Карло интересующее нас свойство системы большого числа молекул вычисляется через статистические средние по положениям и движениям молекул. Как и в методах молекулярной механики, здесь также необходимо перечислить все частицы системы и задать потенциалы межчастичных взаимодействий. Однако в отличие от молекулярной механики в данных подходах области задания межчастичных потенциалов взаимодействия должны быть достаточно протяженными, и они не должны ограничиваться малыми смещениями от положений равновесия. Это накладывает существенно более высокие требования на способы расчета потенциалов. 2.2.1 Основные подходы к математическому моделированию макромолекул Основная задача статистической теории - вычисление средних значений различных величин, которые характеризуют поведение системы в состоянии равновесия. Существуют два подхода к решению этой общей задачи. В первом случае среднее значение <А> некоторого свойства A ( r , v ), которое предполагается зависящим от совокупности координат- r и скоростей v частиц, определяют путем усреднения множества "мгновенных" значений A [ r ( t ), v ( t )], наблюдаемых в последовательные моменты времени t на достаточно протяженном интервале t :[11] А = (2.14) Этот подход, называемый усреднением по времени, исходит из того, что нам известны законы движения частиц системы. Альтернативный путь вычисления средних значений параметров системы был намечен еще Больцманом, а затем развит Гиббсом в стройную теорию. Идея этого подхода заключается в том, что наблюдаемое свойство рассматривается не как среднее по времени, а как среднее по множеству различных состояний системы, которые возникают с определенной вероятностью. Такой подход называют усреднением по ансамблю. Вероятность (или частота) возникновения того или иного состояния пропорциональна его статистическому весу w = e - U / kT , где U - потенциальная энергия данной конфигурации, k - константа Больцмана, Т - абсолютная температура. В этом случае наблюдаемые средние значения даются общим выражением А =
1Архитектура и строительство
2Астрономия, авиация, космонавтика
 
3Безопасность жизнедеятельности
4Биология
 
5Военная кафедра, гражданская оборона
 
6География, экономическая география
7Геология и геодезия
8Государственное регулирование и налоги
 
9Естествознание
 
10Журналистика
 
11Законодательство и право
12Адвокатура
13Административное право
14Арбитражное процессуальное право
15Банковское право
16Государство и право
17Гражданское право и процесс
18Жилищное право
19Законодательство зарубежных стран
20Земельное право
21Конституционное право
22Конституционное право зарубежных стран
23Международное право
24Муниципальное право
25Налоговое право
26Римское право
27Семейное право
28Таможенное право
29Трудовое право
30Уголовное право и процесс
31Финансовое право
32Хозяйственное право
33Экологическое право
34Юриспруденция
 
35Иностранные языки
36Информатика, информационные технологии
37Базы данных
38Компьютерные сети
39Программирование
40Искусство и культура
41Краеведение
42Культурология
43Музыка
44История
45Биографии
46Историческая личность
47Литература
 
48Маркетинг и реклама
49Математика
50Медицина и здоровье
51Менеджмент
52Антикризисное управление
53Делопроизводство и документооборот
54Логистика
 
55Педагогика
56Политология
57Правоохранительные органы
58Криминалистика и криминология
59Прочее
60Психология
61Юридическая психология
 
62Радиоэлектроника
63Религия
 
64Сельское хозяйство и землепользование
65Социология
66Страхование
 
67Технологии
68Материаловедение
69Машиностроение
70Металлургия
71Транспорт
72Туризм
 
73Физика
74Физкультура и спорт
75Философия
 
76Химия
 
77Экология, охрана природы
78Экономика и финансы
79Анализ хозяйственной деятельности
80Банковское дело и кредитование
81Биржевое дело
82Бухгалтерский учет и аудит
83История экономических учений
84Международные отношения
85Предпринимательство, бизнес, микроэкономика
86Финансы
87Ценные бумаги и фондовый рынок
88Экономика предприятия
89Экономико-математическое моделирование
90Экономическая теория

 Анекдоты - это почти как рефераты, только короткие и смешные Следующий
Власть всегда идет навстречу по желаниям народа.
Anekdot.ru

Узнайте стоимость курсовой, диплома, реферата на заказ.

Обратите внимание, диплом по химии "Мутации структуры белковоподобного сополимера. Компьютерное моделирование", также как и все другие рефераты, курсовые, дипломные и другие работы вы можете скачать бесплатно.

Смотрите также:


Банк рефератов - РефератБанк.ру
© РефератБанк, 2002 - 2016
Рейтинг@Mail.ru