Введение к работе
Актуальность темы. В последнее десятилетие взгляд на биологические макромолекулы в нативном состоянии как на объекты, имеющие статическую пространственную структуру, претерпел драматические изменения. Была обнаружена и понята большая роль гибкости макромолекул в их биологической функции. В настоящее время для изучения динамики биомолекулярных систем используется широкий набор экспериментальных и теоретических методов. Компьютерное моделирование позволяет получать информацию о процессах, происходящих в системе на уровне отдельных атомов и недоступную экспериментальным методам..Такая информация необходима для понимания механизмов молекулярных взаимодействий и служит для проверки существующих и развития новых теоретических моделей процессов, играющих важную биологическую роль. С возрастанием сложности изучаемых биомолекулярных систем, а также по существу физической постановки задачи, появляется необходимость включать в явное рассмотрение лишь часть степеней свободы, а остальные учитывать эффективно. Поэтому развитие новых подходов к численному моделированию биомолекулярных систем, позволяющих исключать часть степеней свободы из явного рассмотрения, представляется весьма актуальной задачей.
Цель работы состояла в разработке методов численного моделирования динамики биомолекулярных систем, позволяющих исключать из явного рассмотрения часть степеней свободы системы, и в применении этих методов для изучения динамики белка фзрредоксина и ориентационной подвижности спиновой метки.
Научная новизна работы заключается в том, что:
- предложен новый метод для численного моделирования
молекулярных систем, взаимодействующих с внешним тепловым
резервуаром, названный методом столкновительной динамики (СД).
Показано, что этот метод моделирует динамику флуктуации с
физической точки зрения более адекватно, чем другие аналогичные
методы;
- предложена специальная техника использования обобщенных
координат в задачах энергетической минимизации и нахождения
нормальных мод, которая эффективна для больших молекул и позволяет
довольно просто фиксировать часть обобщенных координат. Рассмотрен
общий случай в классе древовидных функций r(q) (? - декартовы
координаты атомов, q - обобщенные), когда для задания конфигурации
молекулы могут использоваться любые обобщенные координаты.
Возникающая при традиционных подходах проблема гибких циклов в
этом случае не возникает;
проведено численное моделирование молекулярной динамики белка ферредоксина в различных электронных состояниях; проведен квази-гармонический анализ МД-траектории белка; проанализирована динамика расстояния R(t) между двумя принадлежащими белку серо-железными кластерами Pe4s4; получено замкнутое уравнение для переменной R(t) в рамках квази-гармонической модели; исследовано влияние белкового окружения на внутреннюю динамику кластеров;
методом столкновительной динамики исследовано влияние различных внешних условий на процесс переориентации йодоацетамидной спиновой метки.
Практичеекая ценность. Разработанные метода могут быть использованы для решения широкого круга задач как фундаментального, так и прикладного характера. Численное моделирование динамики биомолекулярных систем позволяет найти их физические характеристики и понять механизмы их биологического функционирования. Результаты численного моделирования широко используются, например, при конструировании новых лекарств и в белковой инженерии.
Аппробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на рабочем совещании "Биологические приложения метода молекулярной динамики", Пущино, 1989; на VIII Симпозиузме по межмолекулярному взаимодействию и конформациям молекул, Новосибирск, 1990; на 4-й Международной конференции по применениям лазеров в науках о жизни, Ювяскюля. Финляндия, 1992.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, трех приложений и списка цитируемой литературы из 103 ссылок. Диссертация содержит 144 страниц текста, включая 38 рисунков и 9 таблиц.