Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Элементы вторичной структуры белковых молекул 7
1.1. р-структуры — типичный мотив укладки белков паутинного волокна 7
1.1.1.Химия, структура и функция 7
1.1.2. Источники и клонирование белков паутинного волокна 9
1.2.Сигнальные пептиды — участки белка с конформацией а-спирали. 11
1.2.1.Классы N-концевых сигнальных пептидов 12
1.2.2.Внутренние сигнальные последовательности 14
1.2.3.Сигнальные пептиды и функционирование белков вируса гепатита С 17
1.3. Постановка задачи исследования 26
Глава 2. Метод молекулярной динамики 27
2.1.Физические основы метода МД 28
2.2 Валентные взаимодействия 29
2.3. Невалентные взаимодействия 32
2.4 Численное интегрирование 35
2.5 Поддержание постоянной температуры 36
2.5.1 Термостат Берендсена 37
2.5.2 Столкновительный термостат 38
2.5.3 Стохастическая динамика 39
2.6. Поддержание постоянного давления 40
2.7. Неравновесная молекулярная динамика 40
Глава 3. Динамика пептидных молекул в конформации а-спирали 42
3.1.2. Молекулярная динамика а-спиралей при температуре 300 К 45
3.2. Оценка стабильности вторичной структуры пептидов 46
3.2.1. Молекулярная динамика а-спирали полиаланина 46
3.2.2. Молекулярная динамика а-спирали сигнального пептида 1 47
3.2.3. Молекулярная динамика а-спирали сигнального пептида II 53
Глава 4. Динамика элементов паутинного волокна 62
4.1. Молекулярная динамика отдельных полиаланиновых пептидов в столкновительной среде 63
4.1.1 .Протокол молекулярной динамики 63
4.1.2 Конформационное поведение отдельных полиаланиновых пептидов в столкновительной среде 64
4.1.3. Молекулярная динамика надмолекулярных комплексов из пяти пептидов поли-А 67
4.2. Управляемая молекулярная динамика надмолекулярных комплексов из пяти полиаланиновых пептидов 70
4.2.1 Исследуемая система и протокол моделирования 70
4.2.2. Управляемая молекулярная динамика комплексов полиаланиновых пептидов 71
4.4. Молекулярная динамика внутреннего пептида 80
4.4.2 Молекулярнаядинамика отдельных внутренних пептидов 81
4.4.3. Молекулярная динамика комплекса из пяти внутренних пептидов 82
4.5. Управляемая молекулярная динамика комплекса из пяти внутренних пептидов 83
4.5.1. Исследуемая система и протокол моделирования 83
4.5.2 Управляемая молекулярная динамика надомолекулярного комплекса межаланиновых пептидов паутинного волокна 84
Заключение 86
Выводы 88
Благодарности 90
Литература 91
- Источники и клонирование белков паутинного волокна
- Невалентные взаимодействия
- Оценка стабильности вторичной структуры пептидов
- Конформационное поведение отдельных полиаланиновых пептидов в столкновительной среде
Введение к работе
Благодаря достижениям биоинженерии и нанобиотехнологий белки и полипептиды вызывают все больший интерес как конструкционный материал. Поэтому большой интерес представляет разработка методов оценки механических и тепловых свойств этих объектов. Следует принять во внимание, что экспериментальные измерения этих свойств трудно доступны. Молекулярная динамика дает здесь уникальную возможность развить методы оценки таких важнейших конструкционных параметров полипептидов как эластичность и термостабильность. Как известно, механические свойства макромолекулярной системы определяются многомерной поверхностью потенциальной энергии. Попадание системы в тот или иной энергетический минимум соответствует различным ее состояниям. Изучение термостабильности и эластичности молекул позволяет также получить сведения о существенных особенностях динамики многоатомной системы. Изучение эластичности характеризует поведение системы в области локального минимума, а термостабильность отражает возможные надбарьерные переходы.
С прикладной же точки зрения изучение механических свойств элементов вторичной структуры интересно для новой и только зарождающейся промышленности, основанной на нанобиотехнологий. В частности, идет поиск способов производства новых типов нановолокон пептидной природы. К таким относится, к примеру, паутинное волокно, которое обладает рядом замечательных свойств: по прочности намного превосходит сталь, по эластичности сравнимо с резиной, является биосовместимым и биодеградабельным. Свойства волокна напрямую зависят от состава, потому изучение механических свойств отдельных элементов волокна позволит осуществлять дизайн новых типов волокон с заданными свойствами. В связи с этим, изучение методами полноатомного молекулярного моделирования механических свойств элементов вторичной
структуры является актуальным как с фундаментальной, так и с прикладной точек зрения.
Целью настоящей работы было исследование динамики, термостабильности и эластичности таких элементов вторичной структуры, как а-спирали (на примере сигнальных пептидов и полиаланина) и р-листы (на примере полиаланина) в полноатомном приближении методами равновесной и управляемой молекулярной динамики (МД).
В качестве объектов для сравнительного изучения термостабильности были выбраны достаточно разнообразные структуры. Полиаланиновые пептиды и структуры, представленные в сигнальных пептидах белка NS2 вируса гепатита С, которые представляют большой интерес как с точки зрения изучения свойств собственно сигнальных пептидов, так и с точки зрения поиска локальных дефектов, оказывающих существенное воздействие на механизм их встраивания в мембрану. Объектами для изучения поведения упругих свойств пептидных молекул являлись полиаланиновые фрагменты белка спидроина, которые, с одной стороны, являются хорошим модельным объектом, а с другой стороны, представляют большой практический интерес как элементы белка, формирующего волокно паутины.
Источники и клонирование белков паутинного волокна
Паутинное волокно наиболее активно изучалось с помощью технологии рекомбинантной ДНК, используя гены из N. clavipes (Каркасное паутинное волокно первого и второго типа MaSpI и MaSpII, ловчая нить) и Araneus diadematus (кити ADF-3 и ADF-4)\p-\4]. Для определения генов, кодирующих белки паутинного волокна использовались два основных подхода: 1) изоляция участков частично ферментированного белка с последующей обратной трансляцией в соответствующую последовательность ДНК и химический синтез олигонуклеотидов для представления1 последовательности 2) Создание кДНК, кодирующей белки паутинного волокна из мРНК, изолированных из паутинных желез.
Так как последовательность белков волокна образуется из повторяющихся полипептидов, химически синтезированные олигонуклеотиды, кодирующие эти пептиды могут быть использованы как строительные блоки для образования многочисленных повторов путем лигирования. Данные повторы могут быть использованы для генерации более длинных генов, кодирующих белки волокна. Преимущество использования синтетических олигонуклеотидов в том, что кодоны могут быть оптимизированы для различных систем экспрессии для оптимизации размеров конечного белка. Первый подход недавно был успешно применен для получения полного гена, кодирующего белок паутинного волокна, а также фланкирующие участки, из желез паука черная вдова (Latrodectus hesperus) [15; 16].
Выяснение генетической организации генов паутинного волокна привело к новому скачку в эволюционной биологии, благодаря их сложной организации интронов и экзонов [6; 17-21]. Благодаря этим результатам стала ясна важность этих удивительных структур генов в обеспечении стабильности и высоких уровней экспрессии белков в естественных хозяевах. Однако, сам этот структурный дизайн, который так хорошо послужил в генерировании удивительных механических свойств волокон, остается препятствием для крупномасштабной экспрессии паутинных белков в простых системах, вроде Escherichia coli. Это препятствие привело к попыткам использования различных хозяев, включая дрожжи (например, Pichia pastoris), клетки насекомых (например, sf9), бычьи эпителиальные клетки легочных альвеол, клетки печени новорожденных хомяков, трансгенные растения, такие, как арабидопсис, соя, картофель и табак, трансгенные млекопитающие: мыши и козы, и, наконец, трансгенные шелкопряды [9; 10; 12; 13;22-26]. Важным результатом было создание поколения трансгенных мышей, в генотипе которых гены белков паутинного волокна находились под контролем промотора сывороточного белка молока whey acidic protein (WAP) [9].
Эти мыши могли производить белки ADF-3 и MaSp/и секретировать их в молоке на протяжении поколений. Однако, несмотря на использование различных, выше описанных систем, молекулярная масса экспрессируемого белка много меньше, чем таковая у природного, из-за проблем со стабильностью гена и наличия большого количества повторов в используемой нуклеотидной последовательности. На данный момент успешная экспрессия полного клона белков паутинного волокна не была проведена.
Считается, что все белковые домены, присутствующие в природном белке являются необходимыми и отсутствие любого из них оказывает серьезное влияние на качество получаемого волокна, либо из-за неправильной организации, либо из-за изменения свойств материала. Потому коммерческие приложения рекомбинантных паутинных волокон остаются ограниченными из-за невозможности производить достаточные количества белков волокна за разумную стоимость с точным молекулярным весом.
Одной из общих черт прокариотических и эукариотических клеток является. транспорт белков из места их синтеза, в основном цитоплазмы, в другие пункты назначения как внутри, так и снаружи клетки. Для достижения этого экспортируемые белки обычно синтезируются в виде предшественников с N-концевым» сигнальным пептидом, который распознается клеточными сортирующими и транслоцирующими. белки системами. Сигнальные пептиды представляют собой короткие последовательности аминокислот, которые, после того как белок будет доставлен в нужный субклеточный компартмент, часто отщепляются специализированными сигнальными пептидазами. Однако некоторые белки могут заякориваться в мембране, что зависит от наличия дополнительных гидрофобных участков в полипептидной цепи. Прокариотический сигнальный пептид нередко может выполнять свои функции в эукариотах, и наоборот. Одной из характерных особенностей сигнальных пептидов является высокая консервативность их вторичной структуры — большинство из них предпочитают преимущественно конформацию а-спирали, тем самым-являясь отличным объектом для изучения свойств а-спиральных структур в белках.
В настоящее время на основании имеющихся данных по распознаванию СПазами специфических последовательностей можно выделить четыре класса N-концевых сигнальных пептидов. Первый главный класс образован «типичными» лидерными пептидами, которые присутствуют в пре-белках и отщепляются различными СПазами В. subtilis типа I. Хотя большинство белков с подобными, сигнальными пептидами, по-видимому, секретируются во внешнюю среду, некоторые из них все же удерживаются в клеточной стенке или специфически направляются во внутримембранное пространство эндоспоры после транслокации через мембрану посредством Sec-системы. Интересно,, что подгруппа этих сигнальных пептидов содержит так называемый, мотив с двумя аргининовыми остатками [twin-arginine motif, RR-motif), который может направлять белки в другую систему транслокации, известную как 7я/-система.
Второй большой класс сигнальных пептидов присутствует в пре-липопротеинах. Отщепляются онилипопротеин-специфичными СПазами В. subtilis типа II [27]. Основное отличие сигнальных пептидов липопротеинов и секреторных белков - присутствие высоко консервативного липобокса в предшественниках липопротеинов. Этот липобокс содержит инвариантный остаток цистеина, который модифицируется липидами с участием диацилглицерил-трансферазы до момента процессинга предшественника СПазой типа П. После транслокации через цитоплазматическую мембрану экспортируемый модифицированный, белок остается заякоренным в, мембране посредством липида, связанного с N-концевым цистеиновым остатком. Интересно, что и некоторые сигнальные пептиды липопротеинов содержат типичный RR-мотив. Следовательно, существует возможность экспорта таких липопротеинов скорее через Tat-путь, нежели через Sec-систему.
Невалентные взаимодействия
К невалентным взаимодействиям относятся кулоновские и Вантдер-ваальсовы взаимодействия. В молекулярной динамики атомы являются материальными точками и существование электронов не учитывается явным образом. Однако распределение электронной- плотности; в молекуле- неравномерно, поэтому для описания распределения электронной плотности в силовых полях, используется- парциальный заряд для каждого; атома., Кулоновская энергия взаимодействия между атомами системы описывается выражением: ; где q\, qj - парциальные заряды атомов; 8о и є - диэлектрическая проницаемость вакуума и среды соответственно,. rtj — расстояние между атомами. Обычно диэлектрическая проницаемость среды в МД-расчетах равна 1, так как в системе присутствует явно заданная среда: Однако диэлектрическая проницаемость определяется; не только переориентацией: молекул среды, а также перераспределением электронной плотности; на атомах, которую нельзя учесть в методе молекулярной динамики. Поэтому в задачах, где исследуется взаимодействие заряженных молекул, необходимо корректировать кулоновские взаимодействия за счет изменения диэлектрической проницаемости среды.
Особенно важно при расчете электростатических взаимодействий — расчет парциальных зарядов:на атомах. При моделировании углеводородов в некоторых случаях можно пренебречь кулоновскими взаимодействиями: Было показано, что для подобных систем термодинамические величины, рассчитанные с учетом электростатических взаимодействий, могут не сильно отличаться от тех же величин, рассчитанных без их учета [144]. Однако в системах с большим электростатическим компонентом, в частности, системы, содержащие воду и амфифильные молекулы, роль кулоновских взаимодействий крайне существенна [145; 146].
При расчете невалентных взаимодействий потенциальная энергия рассчитывается не для каждой пары атомов системы, а для атомов, находящихся на расстоянии меньше определенного значения — радиуса обрезания.
Наиболее общепринятым подходом является вычисление сил при помощи метода сумм, Эвальда [147; 148]. В этом методе суммирование всех парных взаимодействий производится в обратном пространстве Фурье, это позволяет производить суммирование по всему бесконечному периодическому пространству. Вычислительная сложность метода — 0(N ), где N - количество атомов в системе. Это делает затруднительным применение данного метода для полноатомных гидратированных бислоев фосфолипидов. Модифицированный метод Эвальда - РМЕ (Particle Mesh Ewald) имеет сложность Q(N-log(N)), и основывается на быстрых преобразованиях Фурье при суммирование в обратном пространстве [149;150].
Еще одним методом учета дальних кулоновских. взаимодействий является метод РРРС (particle-particle and particle-cell [1б1;152]), в котором кулоновское взаимодействие разбивается на ближнее и дальнее. Ближние взаимодействия рассчитываются через стандартное выражение для кулоновских взаимодействий, а дальние с отстоящими периодическими ячейками учитываются через общий заряд и дипольный момент ячейки.
Параметризация некоторых моделей производится с учетом использования радиусов обрезания для кулоновских взаимодействий. Примером может являться модель воды TIP3P [153]. Для данной модели воды при использовании вместо радиуса обрезания суммирования по Эвальду требуется репараметризация модели.
Не связанные валентной связью атомы взаимодействуют за счет сил электродинамической природы, так называемое Ван-дер-ваальсово взаимодействие. Оно складывается из ориентационного, индукционного и дисперсионного взаимодействий атомов. Обычно параметры є и а в силовом поле задаются для каждого атома. Далее при расчете потенциальной энергии для каждой пары е-1} и Сту находятся как среднее геометрическое и среднее арифметическое соответственно.
Суммирование потенциальной энергии Ван-дер-ваальсовых взаимодействий проводится по всем парам атомов, разделенных более чем двумя химическими связями и находящимися на расстоянии менее радиуса обрезания. На границе радиуса обрезания могут возникнуть возмущения, радиальной функции распределения атомов [154]. Для уменьшения возникающего эффекта применяют сглаживающую функцию, плавно уменьшающую до нуля потенциал взаимодействия.
Динамическое поведение молекулярной системы описывается системой дифференциальных уравнений второго порядка. Данная система уравнений не может быть решена аналитически и применяются численные методы. Существует целый ряд численных методов решения уравнений, различающихся точностью и скоростью. В методе молекулярной динамики чаще всего используется метод Верле [155]. Алгоритм основан на разложении в ряд Алгоритм имеет тот же порядок точности; что и обычный алгоритм Верле. Недостатком этого метода является то, что координаты и скорости атомов вычисляются в разные моменты времени, различающиеся на At/2.
Оценка стабильности вторичной структуры пептидов
Подобное поведение исследуемой системы указывает на то, что нарушение вторичной структуры при повышении температуры начинается в местах локальных дефектов. Подобными локальными дефектами в случае полиаланина являются концевые участки, подвижность которых повышена по сравнению с центральным участком, так как концы молекулы не закреплены. Полное разрушение вторичной структуры при нагревании полиаланинового пептида до 700 К говорит об относительно небольшой высоте потенциальных барьеров локального минимума спиральной конформации полиаланинового пептида.
Как видно из рис. 9 А., при нагревании сигнального пептида I до 600 К, он в целом сохраняет конформацию, близкую к а-спирали. Визуальное изучение начальной и конечной конформации пептида также показало, что результате молекулярной динамики при температуре 600К вторичная структура сигнального пептида I практически не претерпела изменений. Наблюдалась лишь частичная деспирализация С-концевой части пептида, что может объясняться повышенной подвижностью нефиксированных концов пептида (Рис. 10), аналогично поведению полиаланиновой спирали.
Изучение карт распределения торсионных углов и динамики отклонения их значений отдельно для а-спирального и концевого участков подтверждает выводы, сделанные на основе визуального изучения конформации пептида .
Исследование аминокислотной последовательности сигнального пептида I показало, что N-концевой локальный дефект имеет последовательность Thri3-Argi4-Vali5. В середине последовательности располагается остаток аргинина, несущий положительный заряд. Наличие заряженной группы способно оказывать дестабилизирующее воздействие на вторичную структуру. Для проверки роли остатка аргинина в формировании локального дефекта была проведена серия численных экспериментов по моделированию поведения пептида в среде с повышенной диэлектрической проницательностью, что обеспечивает снижение вклада кулоновского взаимодействия. Результаты этих экспериментов показали, что при увеличении диэлектрической проницаемости среды вдвое (т.е. снижении зарядового взаимодействия примерно в 1,4 раза), происходит стабилизация вторичной структуры пептида на изучаемом участке. Это доказывает роль аргинина как источника формирования локального дефекта в сигнальном пептиде.
С-концевой локальный дефект сигнального пептида I имеет последовательность Gly3i-Arg32-Asp33-Ala34-Val35. Этот участок также содержит заряженные аминокислотные остатки Arg32 и АБРЗЗ- Однако эксперименты по моделированию поведения пептида в условиях повышенной диэлектрической проницаемости среды не показали стабилизации пептида на этом участке, что позволяет сделать вывод о том, что в данном случае дестабилизирующее действие не связано с наличием заряженных групп. Изучение окружения участка пониженной стабильности вторичной структуры выявило наличие последовательности Arg29-Gly3o-Gly3i-Arg32. Наличие двух подряд идущих глицинов создает локальный дефект и снижает стабильность вторичной структуры. Аргинины в 29 и 32 положении, по-видимому, не добавляют дестабилизации во вторичную структуру, так как при увеличении диэлектрической проницаемости нет тенденции к сохранению спиральной структуры на исследуемом участке. Изучение карт распределения торсионных углов и динамики отклонения их также подтверждает деструктуризацию участков Thri3-Argi4-Vali5 и Gly3i-Arg32-Asp33-Ala34-Val35 (Рис. 13).
Для сигнального пептида II, также как и для пептида I, на основании полученных в результате численных экспериментов траекторий были построены графики среднего отклонения значений углов (Рис.14). {д{(р),д{у/),д((ру/)). Зелеными полосами на графике обозначены максимумы отклонения значений углов (max( p),max( ),max( )). На основании полученных графиков видно, что уже при температуре 600 К отклонения значений углов значительно превышают таковые для конформации а-спирали, что указывает на частичную потерю вторичной структуры. При температуре 700 К ситуация качественно не меняется.
Второй сигнальный пептид при температуре 600К в целом, так же, как и сигнальный пептид 1, преимущественно сохраняет вторичную структуру, однако у него наблюдается потеря устойчивости вторичной структуры примерно в середине спирали (Рис. 15). Наблюдается формирование так называемого, шарнирного участка, который в данном случае состоит из остатка лейцина (Leu 17). Однако лейцин, как правило является элементом а-спиралей и маловероятно, что данный остаток способен вносить дестабилизирующий момент в спиральную структуру. Вероятно, дестабилизирующее воздействие оказывается за счет остатков глицина, находящихся в 15 и 19 положении.
Из этих карт распределения видно, что стабильность второго сигнального пептида ниже, чем у первого. Рассмотренные дефекты во вторичной структуре носят локальный характер и связаны либо с краевыми эффектами (полиаланин и первый сигнальный пептид при температуре 600К), либо с определенными аминокислотными остатками. В последнем случае возможна локальная модификация последовательности, способная значительно стабилизировать вторичную структуру. Это дает, в принципе, возможность прогнозировать влияние точечных мутаций на эффективность встраивания белков в биологические мембраны.
Конформационное поведение отдельных полиаланиновых пептидов в столкновительной среде
Для всей серии пептидов были получены сходные результаты. Сравнение исходной и конечной конформации пептидов показало, что конформация радиста не сохраняется ни в одной из исследуемых систем. Конечная конформация для пептидов длиной от 4до 9 аминокислотных остатков представляла собой спиральную структуру, а пептиды длиной 10-12 аминокислотных остатков формировали неупорядоченную структуру, напоминающую клубок (Рис.21 ). Подобное поведение явно указывает на невыгодность конформации р-нити для отдельных полиаланиновых пептидов, то есть данная конформация не является локальным минимумом на поверхности потенциальной энергии.
Сравнение начальной и конечной конформации позволяет сделать выводы о соответствии предпочитаемой конформации стартовой, однако, в случае изучаемых пептидов, не дает представления о пути перехода из одного состояния в другое их относительной стабильности. Для изучения динамического поведения пептидов проводились исследования траекторий пептидов, полученных в численных экспериментах. В результате было выяснено что на времени 10 не все пептиды проявили сходное поведение: в течение первых 100-120 пс происходило нарушение стартовой кофнормации, сопровождавшееся потерей вторичной структуры, затем в течение последующих 100 пс происходило формирование устойчивой структуры, у пептидов длиной до 9 аминокислотных остатков - спиралеподобной. У более длинных пептидов в структуре присутствовали спиральные элементы, но в целом она напоминала небольшую глобулу (Рис 1,Е). В результате дальнейшей динамики в течение примерно 9800 пс, вторичная структура пептидов не претерпевала значительных изменений, что указывает на переход всех исследуемых систем в конформацию, соотвествующую локальному минимуму на гиперповерхности потенциальной энергии. Таким образом, конформация 3-тяжа для полиаланиновых пептидов любой длины является энергетически не выгодной, пептиды частично или полностью предпочитают спиральную конформацию, что хорошо согласуется с данными о том, что отдельные молекулы белка спидроина в процессе синтеза приобретают конформацию а-спирали и лишь потом, при формировании паутинного волокна, формируют {3-структуры.
Таким образом, в результате динамики был сделан вывод, о том, что для отдельных пептидов, а следовательно, и для последовательности в составе белка р-структура не является энергетически выгодной. Так как, согласно экспериментальным данным, в паутинном волокне полиаланиновые участки белка находятся в Р-структурной конформации, следует сделать вывод, что для ее поддержания необходимы дополнительные механизмы стабилизации, одним из которых могут являться водородные связи, образующиеся между отдельными аминокислотными последовательностями.
Исходная конформация для моделирования комплекса из пяти полиаланиновых пептидов. После того как было определено, что конформация (3-нити является энергетически невыгодной для одиночных пептидов различной продолжительности, были проведены серии экспериментов по моделированию надмолекулярных комплексов, представляющих собой стопки, состоящие из пяти пептидов, находящихся в конформации (3-нити. В качестве исходной использовалась одна молекула пептида в конформации Р-нити, собранная в молекулярном конструкторе. С помощью молекулярного конструктора молекула располагалась вдоль оси X. Затем осуществлялось копирование молекулы со сдвигом вдоль оси Y на 5 А. Таким образом, были получены системы, в которых атомы пептидов имели одинаковые координаты по осям X и Z, отличаясь лишь координатой по оси ординат (Рис.22).
Варьирование стартовой конформации — сдвиг отдельных пептидов вдоль оси X - показало, что структура суперспирали является довольно устойчивой: конечная конфигурация во всех численных экспериментах оставалась одной и той же. Выраженность суперспиральной структуры зависит от длины пептидов. Вероятно, поли-А элементы в молекуле белка паутинного волокна являются основой, формирующей протоволокно подобно нитям каната с жесткой спиральной структурой. Рис. 23 Поли-А пептиды длиной 8 аминокислот
Формирование именно правой суперспирали обусловлено тем, что в состав белков входят L-аминокислоты. В случае D-аминокислот происходило бы формирование левой суперспирали. Наиболее наглядно формирование суперспирали показано для комплекса из пептидов длиной 12 аминокислотных остатков (Рис.24). 4.2. Управляемая молекулярная динамика надмолекулярных комплексов из пяти полиаланиновых пептидов. Изучение жесткости вторичной структуры с помощью приложенной внешней силы, позволяет характеризовать, поведение системы вблизи, локального минимума на поверхности потенциальной энергии. Применение больших значений силы позволяет оценить поведение системы на склонах гиперповерхности потенциальной энергии, ведущих в локальный минимум. ДЛЯІ оценки: эластичности структуры использовались суперспиральные комплексы, прошедшие релаксацию в течение 10 не. У пептидов? фиксировался N-конец, а к С-концу прикладывалась силавдоль оси пептида: После определения предпочитаемой конформации пептидов была.проведена серия: экспериментов по; управляемой; молекулярной динамике. Целью данных экспериментов1 было определение растяжимости полиаланиновых пептидов, оценка, максимального относительного удлинения и определение величины силы,: необходимой для достижения этой величины.
Из графика видно, что при увеличении силы увеличивается максимальное относительное удлинение и уменьшаются флуктуации длины. При этом относительное удлинение при действии силы в 5 и в 10 ккал/(моль А) отличается менее чем в два раза, что указывает на нелинейность растяжения пептидного надмолекулярного комплекса, потому для определения параметров системы следует проводить дальнейшие исследования.
На основании траекторий, полученных в результате численных экспериментов, были получены значения максимального относительного удлинения под действием различных сил и построен график зависимости максимального относительного удлинения от приложенной внешней силы (Рис.26). Для построения графика было дополнительно исследовано поведение системы при приложении больших значений силы - 100 ккал/(моль А).
Исследование полученного графика позволило выявить на нем три линейных участка с различным наклоном относительно оси абсцисс. Данные три линейных участка соответствуют различным этапам растяжения надмолекулярного комплекса.
Изучение структуры комплексов, получаемых в результате действия сил различной величины, показывает, что под действием сил от 0 до 2 ккал/(моль А) (первый линейный участок), правая суперспираль надмолекулярного комплекса начинает постепенно раскручиваться. При силе выше 3 ккал/(моль А) структура комплекса уже соответствует (3 -листу и упругость не связана с деформацией суперспирали. Таким образом, на начальной стадии растяжения эластичность надмолекулярного комплекса обеспечивается упругостью суперспиральной структуры.
Под действием силы от 3 до 5 ккал/(моль А) стопка пептидов, сохраняет конформацию Р-листа. В этом диапазоне жесткость структуры обеспечивают водородные связи между отдельными молекулами. При воздействии больших сил деформируется вторичная структура комплекса и его геометрические параметры более не соответствуют р-листу. При этом на эластичность структуры влияет деформация валентных углов и растяжения валентных связей.
Полученный при этом эффективный коэффициент жесткости - тангенс угла наклона третьего линейного участка, равен 110 Н/М, что по порядку величины близко к коэффициентам жесткости валентных углов.
