Исследование структуры и конформационной динамики макромолекул на поверхностях твердых адсорбентов и в нанокластерах

Кручинин, Никита Юрьевич

Исследование структуры и конформационной динамики макромолекул на поверхностях твердых адсорбентов и в нанокластерах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Кручинин, Никита Юрьевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Оренбург МЕСТО ЗАЩИТЫ

2012 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.07 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Исследование структуры и конформационной динамики макромолекул на поверхностях твердых адсорбентов и в нанокластерах»

Автореферат диссертации на тему "Исследование структуры и конформационной динамики макромолекул на поверхностях твердых адсорбентов и в нанокластерах"

КРУЧИНИН Никита Юрьевич

На правах рукописи

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И КОНФОРМАЦИОННОЙ ДИНАМИКИ МАКРОМОЛЕКУЛ НА ПОВЕРХНОСТЯХ ТВЕРДЫХ АДСОРБЕНТОВ И В НАНОКЛАСТЕРАХ

Специальность 01.04.07 - Физика конденсированного состояния

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

2 Р ДПР ¿012

0ренбург-2012

005019598

Работа выполнена на кафедре радиофизики и электроники федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет»

Научный руководитель доктор физико-математических наук, профессор

Кучеренко Михаил Геннадьевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

Шайтан Константин Вольдемарович

доктор физико-математических наук, Крупянский Юрий Федорович

Ведущая организация Институт проблем химической физики РАН

Защита состоится 16 мая 2012 г в 16 час. 30 мин. на заседании диссертационное совета Д 501.002.01 при Московском государственном университете имени М. В. Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы, д.1, стр. 35, Центр коллективного пользования МГУ, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова.

Автореферат разослан 13 апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук Лаптинская Т. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Для получения функциональных наносистем с регулируемыми параметрами в ряде случаев создают условия для адсорбции звеньев полимерных цепей на плоской поверхности кристалла, на поверхностях наночастиц сфероидальной (глобулярные кластеры, квантовые точки) и цилиндрической (нанотрубки, наностержни) формы, или размещения полимерной цепи в цилиндрических и сферических нанопорах. Некоторые из звеньев макроцепей сами могут выступать в роли реагентов, либо захватывать малые молекулы, участвующие в процессе, ограничивая их подвижность. Конформационные характеристики полимерных молекул, захваченных адсорбентом, отличаются от таковых для макроцепи в растворе. По этой причине будет различаться и кинетика реакций между малыми молекулами, размещенными между звеньями макроцепей, находящихся в различных конформациях. Это связано с появлением неоднородного распределения плотности звеньев макромолекул на мезоскопической шкале длин. Для описания кинетики аннигиляционных процессов, возникающих между электронно-возбужденными молекулами, в том числе с участием молекул кислорода, необходимо знать функцию пространственного распределения концентрации молекул фотосенсибилизатора, размещенного на звеньях макромолекулы, адсорбированной поверхностью нанопоры или наночастицы. Если молекулы фотосенсибилизаторов (как правило — органических красителей) адсорбированы цепью однородно (или статистически однородно) по ее длине, то характер пространственного распределения концентрации таких молекул будет повторять профиль плотности полимерных субъединиц в усредненной конформации. Знание распределения звеньев вблизи поверхности нанопоры или наночастицы позволяет произвести корректное описание кинетического режима молекулярных реакций в данных наноструктурах.

В растворах макромолекул, а также в случае адсорбции их на поверхности наночастицы или в нанопоре, возникают и другие специфические особенности формирования кинетических режимов бимолекулярных реакций. В первую очередь это связано с микрогетерогенностью системы, а также с конформационной динамикой макроцепей, на которых могут сорбироваться некоторые из реагентов. В результате конформационных изменений, происходящих с макромолекулой, изменяется расстояние между адсорбированными на ней молекулами-реагентами. Это находит отражение в кинетике дистанционной передачи энергии электронного возбуждения между малыми молекулами, а также спин-селективной аннигиляции возбуждений триплетного типа. И те и другие процессы относятся к донор-акцепторному безызлучательному переносу энергии электронного возбуждения между введенными в систему молекулами. Такие молекулы давно используется для зондирования структуры неоднородных сред и различных нанообъектов, включая биологические.

ионами. Поэтому при исследовании свойств растворов ДНК, или им подобны полиэлектролитов, важно знать динамику ионов и молекул красителей в пол заряженной макромолекулы.

Цель работы заключалась в определении конформационной структуры динамики макромолекул, адсорбированных на поверхности кристаллов, наночасти и пористых сред; исследовании пространственного распределения ионов растворах ДНК для описания кинетики реакций в наноструктурированны системах.

Постановка задач. Для достижения этой цели необходимо было решит следующие основные задачи:

1. Определить характер распределения плотности звеньев полимерных цепе! на твердых поверхностях и в нанополостях различной формы методам! статистической теории макромолекул и степень влияния пространственно! неоднородности распределения реагентов на кинетику фотореакций.

2. Исследовать методом молекулярной динамики (МД) конформационнук структуру полипептида, расположенного на поверхности различной кривизны и ] нанополости твердого тела.

3. Рассчитать по результатам МД-моделирования пространственно! распределение концентрации атомов полипептида, адсорбированного н; поверхности твердого тела, и использовать его для получения характерны: показателей и коэффициентов уравнений, описывающих распределени< концентрации методами статистической теории макромолекул.

4. Исследовать динамику молекул красителей, расположенных н; полипептиде в растворе, а также на поверхности наночастицы и в нанополости. Определить величины флуктуаций радиуса донор-акцепторной пары молекул, связанных с полимерной цепью.

5. Исследовать методом МД эволюцию аксиального распределения ионов в поле цепи ДНК, рассчитать равновесное радиальное распределение концентрации ионов.

Научная новизна

1. Определен характер распределения плотности звеньев макромолекулы на поверхности цилиндрической и сферической частицы на основе специальной математической модели конформационной структуры полимера, допускающей получение простых, удобных для использования аналитических выражений. Произведен расчет кинетики кросс-аннигиляции молекулярных электронных возбуждений в нанопорах твердых адсорбентов.

2. Методом МД исследована конформационная релаксация и получено равновесное распределение концентрации атомов макромолекулы полипептида на плоской поверхности кристаллов кварца, графена и графита, внутри цилиндрической и сферической нанопоры из оксида алюминия, на внешней и внутренней поверхности углеродной нанотрубки, на фуллерене С720 и сферической частицы из оксида алюминия. Получены характерные показатели и коэффициенты для использования в уравнениях, описывающих распределение плотности звеньев макроцепи в рамках аналитической теории (методами статистической физики макромолекул).

3. Получены временные зависимости и определены величины флуктуаций расстояния между молекулами люминесцентных зондов - красителей (эритрозина, эозина, родамина бв, малахитового зеленого), расположенных на макромолекуле полипептида в растворе, на поверхности сферической частицы, в нанопоре из оксида алюминия, а также на поверхности фуллерена С720.

4. Методом МД исследована релаксация радиального профиля плотности малых ионов в растворе относительно оси макромолекулы ДНК, получены равновесные радиальные зависимости концентрации ионов.

Практическая значимость

Полученные результаты могут быть использованы:

1. Для описания кинетики молекулярных реакций в природных и синтезированных наноструктурах, пористых средах и на поверхностях кристаллов, модифицированных полимерными соединениями.

2. При решении проблем создания люминесцентно-оптического измерителя концентрации молекулярного кислорода в качестве датчика-модуля технологического процесса и сенсора синглетного кислорода для биомедицинских применений.

3. При создании конъюгатов, представляющих собой наночастицу, покрытую пептидом с адсорбированными фотоактивными молекулами - центрами генерации, либо топологически инвертированную систему - в которой пептиды и молекулы фотосенсибилизатора располагаются на поверхности нанопоры для применения в качестве сенсибилизаторов в фото динамической терапии для генерации синглетного кислорода.

4. Композитные полимерные системы могут найти применение при зондировании сред и внедренных в них нанообъектов, мониторинга состояний наноструктур и процессов их деструкции.

Достоверность результатов диссертации обеспечивается использованием универсальных законов и уравнений классической и квантовой механики, статистической физики полимеров; расчетами, проведенными с использованием различных апробированных программных комплексов.

Основные защищаемые положения

1. Макромолекулярная цепь, адсорбированная на плоской поверхности кристалла, в цилиндрической и сферической нанопоре, на поверхности цилиндрической и сферической наночастицы, имеет характерное распределение концентрации звеньев, определяемое длиной звена полимера, параметрами потенциала адсорбирующей поверхности, ее кривизной и термодинамическими параметрами системы.

2. Радиальная зависимость распределения плотности звеньев макромолекулы на адсорбирующей поверхности цилиндрической и сферической наночастиц целиком определяется двупараметрическим модельным потенциалом притяжения 5-функционального типа.

3. Амплитуды флуктуаций расстояния между зондовыми молекулами красителей на полипептиде в растворе достигают 0.1-0.4 нм, а для полимерной цепи внутри нанополости и на поверхности частицы — 0.2-0.5 нм.

4. В полиэлектролитах ДНК формируется характерное аксиально« распределение противоионов и ионов соли, формирующее эффективно« электростатическое поле в окрестности макроцепи, способное влиять на кинетику реакций малых ионов на цепи ДНК.

Апробация результатов. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на 8 научно-практических конференциях, из которых 4 - с международным участием. В том числе: всероссийской научно-практической конференции «Интеграция науки и образования как условие повышения качества подготовки специалистов» (Оренбург, 2008), всероссийской научно-практической конференции «Многопрофильный университет как региональный центр образования и науки» (Оренбург, 2009), международной конференции «Organic nanophotonics» (St. Petersburg, 2009), международной конференции «Фотоника молекулярных наноструктур» (Оренбург, 2009), всероссийской научно-практическая конференции «Интеграция науки и практики в профессиональном развитии педагога» (Оренбург, 2010), международной конференции «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» (Ульяновск, 2010), международной конференции «Прочность и разрушение материалов и конструкций» (Оренбург, 2010), международном саммите проекта «Open Cirrus» (Москва, 2011), всероссийской конференции «Фотоника органических и гибридных наноструктур» (Черноголовка, 2011). Основные положения диссертационной работы отражены в 16 публикациях.

Участие в научных проектах

Автор диссертации являлся одним из исполнителей следующих научных проектов, результаты которых частично вошли в материалы диссертации: «Исследование трансформации энергии электронного возбуждения в молекулярных системах, конденсированных на поверхности твердых диэлектриков» (Задание министерства образования и науки РФ №1.3.06), ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007 - 2012 годы»: «Разработка научных основ технологии создания наноструктурированных материалов с использованием биополимеров» (Госконтракт № 02.5.13.11.3086), «Создание функциональных наносистем на основе ячеечных структур оксида алюминия, заполненных окрашенными макромолекулярными цепями с селективным фотооткликом» (РФФИ проект № 08-02-99035-р_офи), «Разработка лазерной технологии локального концентрирования фотоактивированных реагентов в структурах функциональных наносистем» (РФФИ проект № 10-02-96021), «Разработка методов создания функциональных наноустройств для датчика — измерителя молекулярного кислорода с дистанционным мониторингом состояний по оптическому каналу» (ГК № 16.513.11.3015), «Разработка методов формирования упорядоченных массивов наноструктур на основе оксида алюминия для люминесцентных сенсоров кислорода» (Госконтракт № 16.513.11.3042).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников. Работа изложена на 189 страницах, в том числе: основной текст на 170 страницах, 102 рисунка, список использованных источников из 180 наименований на 19 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, сформулированы цель и задачи работы.

Первая глава посвящена молекулярно-динамическому (МД) и статистическому подходам в проблеме описания конформационных перестроек макроцепных структур, а также математическим моделям кинетики реакций в наноструктурах. В ней представлен литературный обзор по МД-методам и их применению к изучению динамики макромолекул.

Приведена статистическая теория распределения плотности звеньев полимерной цепи на поверхностях адсорбентов, предложенная Гросбергом А.Ю. и Хохловым А.Р. [1]. Согласно этой теории, в поле F(r) поверхности описание пространственного распределения звеньев сводится к нахождению решения уравнения, аналогичного стационарному уравнению Шредингера:

где а — размер мономера, Л — свободная энергия, приходящаяся на одну частицу, V2 - оператор Лапласа, г - радиус-вектор точки над поверхностью. Квадрат функции ^(г) определяет плотность и(г) звеньев макроцепи:

Кроме того, в первой главе рассмотрена кинетика двустадийных лазероиндуцированных реакций с участием электронных возбуждений, локализованных на малых молекулах двух сортов (органический люминофор и кислород), которые протекают в слое из звеньев полимерной цепи, адсорбированной на различных поверхностях твердого тела или размещенной в нанопоре. Молекулы красителей адсорбированы цепью однородно по ее длине, при лазерной активации системы часть из них трансформируется в триплетные (Т) электронно-возбужденные состояния, пространственное распределение их концентрации будет повторять распределение плотности звеньев. Показано, что неоднородное распределение концентрации молекул красителей оказывает существенное влияние на формирование в нанообласти специфической кинетики фотореакций с их участием.

Вторая глава посвящена вопросам конформационной динамики и распределению звеньев макромолекулы полипептида при ее адсорбции на кристаллических поверхностях и в полостях твердых адсорбентов.

Расчеты методом МД проводились с помощью программного комплекса NAMD 2.7 [3] на кластере Оренбургского государственного университета, состоящего из 6 2-х процессорных узлов (Intel Xeon 3.2 ГГц), ОЗУ 2 Гб (всего 12 ядер), 4 четырехпроцессорных узлов (Intel Xeon 5440), ОЗУ 16 Гб (32 ядра), суммарная пиковая производительность кластера составляет 451,6 Гфлопс/с.

Для исследования конформационной динамики макромолекулы полипептида над плоской поверхностью адсорбента использовались: макромолекула, состоящая из 70 первых аминокислотных звеньев лизоцима (фрагмент лизоцима),

(а2 / 6)V V(r) = [(F(r) - Л) / ,

(1)

и(г) - const у/2(г).

(2)

макромолекула, состоящая из 73 первых аминокислотных звеньев альфа-цеш гемоглобина (фрагмент гемоглобина), а также полипептид, подобный лизоциму (129 звеньев), все в р-конформации. В качестве адсорбента использовались плоские подложки кристалла кварца, графита и графена. В начале моделирования фрагмент лизоцима (гемоглобина) был вытянут в прямую линию и располагался примерно на расстоянии 1 нм вдоль поверхности кристалла, а подобный лизоциму полипептид была свернут в клубок и располагался на некотором расстоянии от поверхности.

Расчеты были выполнены с использованием силового поля СНАЯММ22 с добавлением параметров потенциала Леннард-Джонса для кремния. Производилось последовательное вычисление конформаций макромолекулы фрагмента лизоцима при постоянной температуре (от 300 до 900 К) с шагом времени 1 фс на участке траектории до 3 не. Скорости атомов макромолекулы задавались в начале моделирования из распределения Максвелла. Обрезание невалентных взаимодействий осуществлялось на расстоянии 3 нм. Атомы кристалла в эксперименте фиксировались. Для поддержания температуры использовался термостат Берендсена(ТБ) с коэффициентом сцепления Ь, равным 0.1, 1 и 10 и термостат Лоу-Андерсена (ТЛА, темп столкновений - 50 пс"1). Во всех случаях имела место адсорбция части звеньев полипептида поверхностью кристалла.

Обработка результатов моделирования заключалась в вычислении локально!" концентрации п,(х) (в количестве атомов на 1 нм) атомов макромолекулы н< различных расстояниях г от поверхности кристалла. Исходя из полученных

данных, рассчитывалось распределение средней концентрации п(г) I адсорбированного полипептида на некотором промежутке времени по 5 проведенным экспериментам с одинаковыми начальными условиями. Методом наименьших квадратов производилась аппроксимация полученных концентрационных зависимостей к экспоненциальной кривой, которая дается статистической теорией [1] распределения звеньев макромолекулы:

Ф) ~у/2(г)~ехр [-2аф / а]) , (3)

где а - коэффициент, т = (Т-Тс)/Тс - относительная отстройка от температуры Гс фазового перехода «клубок-глобула», 2 — расстояние от поверхности. Далее строились графики «высотных» распределений концентрации атомов макромолекулы и аппроксимирующие их кривые.

На рис. 1А изображена молекула подобного лизоциму полипептида на поверхности кристалла кварца в момент времени 3.3 не при температуре 300 К (ТБ). Был установлен факт адсорбции части звеньев макромолекулы поверхностью кристалла кварца, с одновременным вытягиванием петель в свободную пространственную зону. На рисунке 1Б представлены график среднего «высотного» распределения концентрации атомов полипептида подобного лизоциму на участке траектории 3.2-3.3 не. Концентрация при удалении от поверхности сначала резко растет, достигая максимума на расстоянии 0.3 нм, а затем плавно спадает и обращается в ноль на расстоянии 4.1 нм. Резкий возрастающий участок был объяснен особенностями строения макромолекулы, а именно — наличием в модельной макромолекуле жестких связей между атомами. Аппроксимация

Графики «высотного» распределения концентрации атомов исследуемых полипептидов, адсорбированных на поверхности кристаллов кварца, графита и графена, при других температурах моделирования (с использованием различных термостатов) также хорошо аппроксимируются экспонентой.

Для исследования конформационной динамики полипептида, размещенного в цилиндрической полости, макромолекула, свернутая в клубок, была помещена внутри цилиндрической поры из оксида алюминия, рядом с дном, или внутри углеродной нанотрубки. Использовались те же макромолекулы, что и в случае плоской поверхности. Внутренний радиус поры из оксида алюминия (сформированной из кластеров А14Об) составлял 4.55 нм, а глубина - 7.8 нм. Парциальные заряды на атомах кластера оксида алюминия А1406 рассчитывались в программном комплексе СРМБ-3.13.2, методом функционала плотности (нормо-сохраняющийся псевдопотенциал Тройлера-Мартинса (ТгоиШег-Майтз), обменно-корреляционный функционал — Пердью-Ванга обобщенной аппроксимации градиента (Регс1е\¥-\\'ап§ ОСА)): ^,=0.64656, атома кислорода д0 =-0ЛЗ\е, в целом кластер нейтральный. Нанотрубка длиной 15 нм, хиральность т=70 и п=70, диаметр 9.5 нм).

Для нахождения радиального распределения плотности звеньев адсорбированной макроцепи (2) использовалось решение аксиально-симметричного уравнения (1) с потенциалом притяжения в виде 6-функциональной ямы, полученное в [2]:

полученного распределения экспоненциальной кривой, соответствующей случаю (3), проводилась на спадающем участке графика. Численные значения параметров

экспоненциальной кривой: «(г) = 18.34 * 102 *е;ф[-1.24*(г-0.3)], концентрация атомов выражена в 1 нм"1.

"00 >

100/нм

4 г. нм

А Б

Рис. 1. Конформация полипептида, подобного лизоциму, на поверхности кристалла кварца через 3.3 не (А) и среднее «высотное» распределение концентрации атомов на участке траектории 3.23.3 не (Б, 1), оценка среднеквадратичного отклонения концентрации (вертикальные отрезки). Аппроксимирующая кривая (2), Т=300 К.

У{г) = -а8{г-г0) ,

(4)

V, =Л

/„Ы К0(дЯ)) оУН Л

(5.

Параметр q является корнем уравнения (Я - внутренний радиус поры):

К0{дг0)10{дг0)

баг,.

где /0 и К0 модифицированные функции Бесселя нулевого порядка первого I второго рода (А=сопз1).

Расчеты были выполнены с использованием силового поля СНАЯММ22 с добавлением параметров потенциала Леннард-Джонса для алюминия. Параметрь МД-моделирования выбирались такие же, как и для плоскости. Вычислялосг распределение концентрации атомов макромолекулы: радиальное от оси поры шп нанотрубки, при удалении от дна поры (в случае адсорбции по дну поры), а также их средние значения. После этого производилась аппроксимация экспоненциальной кривой (3) полученных «высотных» концентрационных зависимостей - при удалении от дна поры и радиального распределения формулами (2), (5), (6).

п,(г), нм"3

А Б

Рис. 2. Конформация макромолекулы полипептида подобного лизоциму внутри поры из оксида алюминия (А) и ее радиальное распределение концентрации атомов (Б, 1) через 2 не от начала изменения исходной конфигурации при Т=300 К (ТБ). Аппроксимирующая кривая (2).

На рисунке 2А представлена конформация фрагмента полипептида подобного лизоциму в поре из оксида алюминия спустя 2 не от начальной конфигурации. При моделировании данной системы с температурой 600 К (ТБ) на участке 0-1 не и при дальнейшем моделировании на участке 1-2 не при температуре 300 К произошла адсорбция звеньев полипептида по стенкам поры. Концентрация атомов полипептида постепенно увеличивалась с расстояния 1.65 нм от оси поры и достигала максимального значения на расстоянии 3.75 нм (рис. 2Б). Аппроксимация радиальной зависимости концентрации атомов макромолекулы в цилиндрической поре проводилась при г0=3.75 нм, Я =4.55 нм, я=1.22 нм"1, а =0.003 эВ-нм, а=0.5 нм.

Пространственно-временное распределение концентрации Т-центров для цилиндрической нанопоры подчиняется закону Смолуховского:

пт(г,г,Г) = г]п0(г,2)ехр

- — -Атп-^п^

(7)

где г/- вероятность нахождения Т-центра на одном звене, о1 - коэффициент микродиффузии невозбужденных молекул 02, тт - время жизни Т-состояния, «00%г) - начальное распределение Т-центров, которое следует картине размещения звеньев цепи, пох - концентрация кислорода.

1.0 0.8 0.6 0.4-1 0.2

0.0

I, МКС

50 75 100 125 150 I, цэес

Рис. 3. Временные зависимости интенсивности аннигиляционной замедленной флуоресценции для различных концентраций молекулярного кислорода в поре (А) и экспериментальная кинетика замедленной флуоресценции эозина, адсорбированного анодированной поверхностью алюминия (В).

Интенсивность /0/г(г) сигнала кросс-аннигиляционной замедленной флуоресценции в данный момент времени Г находится интегрированием по объему поры произведения пространственно-распределенных концентраций реагентов [1]:

1То% С) = <Рз рч 4лг0 (г, /)ид {Г, г, 1)2ттгЖсЬ ,

(8)

где пА (г,г,Г) - пространственно-временное распределение концентрации кислорода. На рисунке ЗА изображена временная зависимость интенсивности сигнала кросс-аннигиляционной замедленной флуоресценции полученная на основе (8) для различных концентраций кислорода. На рисунке ЗБ представлены экспериментальные временные зависимости интенсивности кросс-

аннигиляционной замедленной флуоресценции эозина, адсорбированного анодированной поверхностью алюминия. Наблюдаются безусловные корреляции между экспериментальными и расчетными кривыми.

При адсорбции полипептида стенками поры и нанотрубки при других температурах (с использованием термостатов Берендсена (ТБ) и Лоу-Андерсена (ТЛА)), полученные радиальные зависимости концентрации атомов также хорошо аппроксимируются кривыми, построенными по формулам (2), (5), (6), а при адсорбции дном поры распределение осевой локальной концентрации приемлемо аппроксимируется экспоненциальной кривой.

Для исследования конформационной динамики макромолекулы, размещенной в сферической поре, подобный лизоциму полипептид (129 звеньев) и фрагмент лизоцима (70 звеньев), свернутый в клубок, располагался внутри сферической поры. Стенки поры формировались из молекул оксида алюминия. Внутренний радиус поры составлял 4.5 нм. Атомы стенок поры в эксперименте фиксировались.

Для нахождения радиального распределения (2) плотности звеньев адсорбированной макроцепи использовалось решение сферически-симметричного уравнения (1) с потенциалом притяжения в виде 5-функционапьной ямы [2]:

<//,=А

О <Г <!

(9)

где q является корнем уравнения:

6 а а2кТ

д{сМдг() )+сМд{П - г0 ))) =

(10)

В ходе МД-моделирования полипептида наблюдалась адсорбция части звеньев макромолекулы на внутренней поверхности поры. Параметры МД-моделирования выбирались такими же, как и в предыдущих случаях. На рисунке 4А представлена одна из возможных конформаций полипептида подобного лизоциму спустя 2 не от начала моделирования с использованием термостата Лоу-Андерсена.

ю ■

о *

п(г), нм"3

Рис. 4. Конформация полипептида подобного лизоциму (А) и график распределения средней по 5 экспериментам радиальной зависимости концентрации атомов (Б, 1) в сферической поре из оксида алюминия через 2 не при температуре 300 К. Оценка среднеквадратичного отклонения концентрации (вертикальные отрезки), аппроксимирующая кривая (2).

На рисунке 4Б представлен график средней по 5 экспериментам радиальной зависимости концентрации атомов полипептида в сферической поре через 2 не от начальной конфигурации (300 К), которая постепенно увеличивается с расстояния 2.25 нм от центра поры и достигает максимального значения на расстоянии 3.75 нм, после этого спадает до нуля у внутренней поверхности поры. Аппроксимация графика средней радиальной зависимости атомов макромолекулы в сферической поре проводилась на основе (2), (9), (10) при г0=3.75 нм, 11=4.5 нм, я=1.44 нм"1,

а =0.0035 эВ-нм, а=0.5 нм, Т=300К. Распределения радиальной концентрации атомов, полученные при других температурах (с различными термостатами) для исследуемых полипептидов в сферической поре из оксида алюминия, также хорошо аппроксимируются кривыми, построенными на основе (2), (9), (10).

Концентрация атомов полипептида, адсорбированного на плоской поверхности, экспоненциально спадает с увеличением расстояния от поверхности. Распределение локальной атомарной плотности полипептида в цилиндрической и сферической нанопоре хорошо согласуется с распределением плотности звеньев макромолекулы, предсказываемым в предложенных в [2] соответствующих статистических моделях с 5-функциональной потенциальной ямой адсорбционного потенциала. Отклонения расчетных кривых и их аппроксимаций от простых аналитических выражений теории обусловлены, по-видимому, ограничениями использованной модели свободно-сочлененной цепи, в которой рассматриваются шарнирно соединенные жесткие сегменты одинаковой длины. В случае же МД-модели мы имеем дело с объектом, более тесно связанным с реальной макромолекулой, построенной из отдельных атомов, входящих в состав определенной аминокислоты, из которых и состоит полипептид. Тенденция, выявленная на примере фрагментов лизоцима и гемоглобина, полипептида подобного лизоциму, адсорбированных на плоских поверхностях кристаллов кварца, графита и графена, в цилиндрической и сферической нанополости из оксида алюминия, внутри углеродной нанотрубки, по-видимому, сохранится и при переходе к другим полипептидам на плоских поверхностях и в нанопорах другого химического состава.

Третья глава посвящена нахождению распределения звеньев макроцепей при адсорбции на наночастицах различной формы (сферической и цилиндрической).

Для нахождения радиального распределения плотности звеньев адсорбированной макромолекулы на поверхности сферической частицы нами было получено решение сферически-симметричного уравнения (1) с потенциалом притяжения в виде 5-функциональной ямы:

ц/,=А--Я <г <гй

2 дг

»-"'(е2™-е2"") » (П)

ц/п=А-Ц--г0<г<оо

2 дг

где д - решение уравнения:

содержащего параметры потенциала стенок и температуру.

Кроме того, был проведен ряд вычислительных экспериментов методом МД (СНАЯММ22), в которых исследовалось поведение макромолекулы, размещенной на поверхности сферической частицы из оксида алюминия (радиус 4.65 нм) и фуллерена С720 (радиус около 1.3 нм). Использовались фрагмент лизоцима (70 первых аминокислотных звеньев), подобный лизоциму полипептид (129 звеньев) и

макромолекула полиаланина (500 звеньев). Параметры моделирования были такими же, как и в главе 2. Наблюдалась адсорбция исследуемых макромолекул на поверхности частиц.

А Б

Рис. 5. Конформация макромолекулы полиаланина через 1 не от исходной конфигурации (А), конформация фрагмента лизоцима на поверхности нанотрубки в воде через 0.8 не (Б). Температура 300 К, ТБ.

п(г), ни"3

Е,

103 ккал/моль

Е„

0.6

1. НС

Рис. 6. Радиальное распределение концентрации атомов полиаланина (А) на поверхности сферической частицы (Т=300 К): среднее по 5 экспериментам (3), оценка среднеквадратичного отклонения концентрации (вертикальные отрезки), аппроксимирующая кривая (2). График зависимости энергии системы (Б) от времени (Е,- полная, Ек-кинетическая, Ер- потенциальная).

На рисунке 6А представлено среднее по 5 экспериментам радиальное распределение концентрации атомов полипептида через 1 не при температуре 300 К

(ТБ). Из графика видно, что концентрация п(г) достигает максимального значения на расстоянии 5.15 нм от центра частицы, а затем постепенно спадает до нуля на расстоянии 8.3 нм. Аппроксимация графика радиальной зависимости атомов на поверхности сферической частицы проводилась при г0=5.15 нм, 11=4.6 нм, ц=0.76 нм"1, от =0.0029 эВ-нм, а=0.5 нм, Т=300 К. На рисунке 6Б изображен график зависимости энергии системы от времени моделирования. Полная (Е,= 1.5 104 ккал/моль) и потенциальная (Ер= 1.1-104 ккал/моль) энергия системы уменьшается на участке от 0 до 0.41 не, а затем флуктуирует около некоторого среднего значения (Е,= 1.3 10 ккал/моль, Ер= 0.9-104 ккал/моль). Кинетическая энергия незначительно флуктуирует у некоторого значения, соответствующего температуре моделирования (Ек= 0.4-104 ккал/моль). Такое поведение энергии свидетельствует о

том, что система находится в равновесном состоянии. Участок от 0 до 0.41 не соответствует процессу адсорбции полипептида на поверхности частицы.

Кривые радиальных распределений концентраций атомов для всех случаев адсорбции макромолекул на поверхности сферической частицы из оксида алюминия или фуллерена С720, при различных температурах моделирования хорошо аппроксимируются кривыми, построенными на основе (2), (11) и (12).

Кроме того, методом МД исследовалось поведение полипептида, размещенного на поверхности углеродной нанотрубки. Использовались полипептиды, состоящие из 70 первых аминокислотных звеньев лизоцима и подобного лизоциму (129 звеньев), макромолекула полиаланина (500 звеньев). Макромолекула, располагалась рядом с углеродной нанотрубкой, длиной 1=15 нм, с хиральностью п=30 и ш=30, диаметром <1=4.08 нм. Для проведения МД-моделирования в воде, построенную систему помещали в параллелепипед, который заполнялся молекулами воды (32151 молекул). Параметры МД-моделирования были такие же, как и в главе 2. В ходе МД-эксперимента наблюдалась адсорбция полипептида на поверхности нанотрубки. Исходя из полученных данных, рассчитывалось радиальные распределения концентрации атомов полипептида на поверхности углеродной нанотрубки: мгновенное, среднее на некотором промежутке времени и по 5 экспериментам с одинаковыми начальными условиями в один момент времени.

Рис. 7. Радиальное распределение концентрации атомов на поверхности углеродной нанотрубки (Т=300 К): А) фрагмента лизоцима в воде при 1=0.8 не (1), Б) атомов полиаланина среднее по 5 экспериментам в момент времени 1=1 не (3), оценка среднеквадратичного отклонения концентрации (вертикальные отрезки). Аппроксимирующие кривые (2,4).

Для нахождения радиального распределения плотности звеньев адсорбированной макромолекулы на поверхности цилиндрической частицы было получено решение аксиально-симметричного уравнения (1) с потенциалом притяжения в виде 5-функциональной ямы:

10(дг)-К0(дг)

/„(<1Ю

¥ш =АК0(дг)\

к0(чЮ

К0(дг0) К0(дЯ)

Я<г<г„

параметр д является корнем уравнения:

На рисунке 5Б представлена конформация фрагмента лизоцима в воде спустя 0.8 не от начальной конфигурации (300 К). На рис. 7 А представлена радиальная зависимость концентрации атомов на поверхности углеродной нанотрубки в воде через 0.8 не (соответствует рис. 5Б). Параметры аппроксимирующих кривых спустя 0.8 не: г0=2.3 нм, Я=2 нм, а=0.5 нм, я=1.18 нм"1, а =0.005 эВ-нм.

Рис. 8. Конформация полиаланина через 1 не от начала изменения исходной конфигурации. Температура 300 К, силовое поле СНАКММ22.

Аналогичные вычисления для полиаланина также привели к адсорбции на поверхности нанотрубки: макромолекулы обвивалась вокруг нанотрубки (рис. 8). Радиальная зависимость концентрации атомов полиаланина на поверхности углеродной нанотрубки (300 К) вычислялась как, средняя по 5 экспериментам с одинаковыми начальными условиями через 1 не (рис. 7Б), параметры аппроксимирующих кривых: г0=2.5 нм, Я=2 нм, а=0.5 нм, я=0.8 нм"1, а =0.0031 эВ-нм. Потенциальная (Ер= 1.1-104 ккал/моль) энергия системы уменьшается на участке от 0 до 0.27 не, а затем флуктуирует около некоторого среднего значения (Ер= 0.9-104 ккал/моль). Кинетическая энергия незначительно флуктуирует у некоторого значения, соответствующего температуре моделирования (Ек= 0.4-104 ккал/моль).

Радиальные распределения для всех случаев адсорбции макромолекул на поверхности нанотрубки, хорошо аппроксимируются кривыми, построенными на основе (2), (13) и (14). Из построенных координатных зависимостей локальной атомарной концентрации полипептида видно, что в целом полученные из (1) модельные аналитические зависимости для сферической наночастицы и углеродной нанотрубки хорошо согласуются с результатами МД-моделирования в вакууме и в воде.

Четвертая глава посвящена исследованию конформационной динамики макроцепей с закрепленными на них дистанционно реагирующими молекулами-метками.

Проведен ряд вычислительных экспериментов методом МД и Ланжевеновской динамики (ДД), в которых исследовалась конформационная динамика макромолекулы полипептида с закрепленными на ней молекулами красителей (родамин (Рбй), эритрозин (Э), малахитовый зеленый (МЗ), эозин

(Эз)). Обработка результатов МД-моделирования заключалась в вычислении расстояния между молекулами красителей на всем участке траектории.

Макромолекула, состоящая из 70 первых аминокислотных звеньев лизоцима (Р-конформация), была вытянутая в прямую линию. Рядом с фрагментом лизоцима располагались две молекулы красителей в разных сочетаниях на расстоянии около 10 нм друг от друга. МД-моделирование было проведено при постоянной температуре 300 К с двумя типами термостатов (ТБ, ТЛА) для пар Э-Э, Э-Р6С, Р6С -Рбв, Эз-Эз, Эз-Р60 и фрагмента лизоцима с силовыми полями в вакууме до 1 не, методом ЛД до 2 не и в воде до 2 не. Парциальные заряды на атомах красителя рассчитывались в программном комплексе СРМО-3.13.2, методом функционала плотности (нормо-сохраняющийся псевдопотенциал Тройлера-Мартинса (ТгоиШег-МагИпв), обменно-корреляционный функционал - ВЬУР).

Рис. 9. Конформация фрагмента лизоцима с двумя красителями Эз-РбО через 1 не (А, ТЛА) и с двумя красителями РР в воде через 2 не (Б, ТБ), Т=300 К.

г(1), нм

1.5

3.5

г(7), нм

2.5 ■

0.5 ■

1, не

1, НС

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

А Б

Рис. 10. Зависимость среднего расстояния между двумя молекулами красителей от времени моделирования при Т=300 К: А) Эз-Р в вакууме, Б) РР в воде.

На рисунке 9А изображен фрагмент лизоцима с двумя молекулами красителей Эз-Рбв в момент времени 1 не при температуре 300 К (ТЛА). Видно, что в процессе моделирования произошла адсорбция молекул Эз-РбО на макромолекуле, а полипептид свернулся в клубок. Одна из молекул красителей располагалась снаружи клубка, а другая оказалась размещенной между петель макромолекулы внутри клубка. На рисунке 10А изображен график зависимости расстояния между красителями от времени моделирования. Через 30 пс от начала моделирования произошло сворачивание полипептида в клубок, что отражает изменение расстояния между красителями. Расстояние между молекулами

красителей уменьшается от начального (t=0 пс) 9.4 нм (после геометрической оптимизации) до 1.2 нм через 40 пс, а затем через 230 пс увеличивается до среднего на участке 0.4-1 не равного 1.57 нм. Амплитуда флуктуаций ör(t) расстояния между красителями достигает 0.2 нм, среднеквадратичное отклонение <т =0.048 нм.

На рисунке 9Б представлен результат моделирования фрагмента лизоцима и двух молекул красителей P6G-P6G при температуре 300 К (ТБ) в воде (для наглядности молекулы воды не показаны). Расстояние между молекулами красителей уменьшается от начального 10 нм до 2.7 нм через 1.2 не. Амплитуда флуктуаций расстояния между красителями на данном участке достигает 0.4 нм (рис 10Б), среднеквадратичное отклонение а =0.12 нм.

Аналогичные результаты (0.1-0.4 нм) величины амплитуд флуктуаций расстояния между двумя красителями были получены и для других комбинаций красителей.

Проведено моделирование равновесной конформации лизоцима (глобула) и двух красителей P6G-M3, 33-P6G при 300 К (ТБ и TJLA) в вакууме (методами МД и ЛД) и в воде (при нормальном атмосферном давлении). Расстояние между красителями после адсорбции на макромолекуле в среднем равно 3.4-3.5 нм, амплитуда флуктуаций расстояния между красителями достигает 0.2 нм.

Было показано, что такая флуктуационная динамика пространственного позиционирования реагентов находит отражение в кинетике дистанционной передачи энергии электронного возбуждения между малыми молекулами, а также спин-селективной аннигиляции возбуждений триплетного типа.

Безызлучательный перенос энергии электронного возбуждения между специально введенными в систему молекулами давно используется для зондирования структуры неоднородных сред и нанообъектов искусственного и природного происхождения, включая биологическое. Характерный радиус Reg переноса составляет величину 4-5 нм для ферстеровского механизма, основанного на межмолекулярном диполь-дипольном взаимодействии, и 0.7-1 нм — для обменного, декстерова механизма. Кинетика затухания люминесцентного сигнала донорных центров позволяет получить информацию о протяженности субъединиц наноструктуры относительно простым способом, если реализован статический режим переноса. Однако, в ряде случаев, молекулы донора или акцептора, входящие в состав бинарного люминесцентного зонда, способны изменять свое местоположение, затрудняя, тем самым, оценку пространственного масштаба нанообъекта. В пределе быстрой миграции молекул бинарный зонд практически перестает «чувствовать» размеры неоднородности структуры, и характерной длиной, в этом случае, служит лишь эффективных радиус Rgff переноса, параметрически зависящий от коэффициента диффузии реагентов.

Кинетика nD(t) квазистатического тушения донорных молекул, расположенных на поверхности сферической наночастицы (акцепторные молекулы располагаются на макроцепи, адсорбированной наночастицей), представляется следующей формулой:

МО = "оехР

6>(г)

\т

1-ехр

2лг2ът.6<1гс1в

(15)

где р - расстояние между донором и акцептором.

Эффективная скорость квазистатического дистанционного переноса энергии задается следующим соотношением:

и.

(16)

где и(г) — скорость элементарного акта переноса; g{r,t) - динамика радиальной плотности вероятности позиционирования молекулы акцептора.

В качестве модельной системы была рассмотрена макромолекула (лизоцим в равновесной конфигурации) в сферической полости адсорбента (оксид алюминия) или вблизи наночастицы (фуллерен С720 или сферическая частица из оксида алюминия), с двумя молекулами органических красителей, одна из которых адсорбировалась на сегменте макромолекулы (акцептор), а другая (донор) — на поверхности полости или наночастицы. Производилось МД-моделирование конформаций указанной системы при температуре 300 К (ТБ и ТЛА) на участке траектории 1 не (в вакууме) и 2 не (в воде) из упорядоченной начальной конфигурации. Рассмотрен случай с адсорбированной акцепторной молекулой (МЗ) на макромолекуле лизоцима, при этом донорный центр (РбО) размещался вблизи поверхности оксида алюминия (радиус полости — 4.5 нм, частицы — 4.65 нм) или молекулы С720, в последующие моменты наблюдалась его адсорбция. Кроме того, была рассмотрена начальная конфигурация, где молекула Рбй располагалась рядом с макромолекулой лизоцима, а несколько молекул МЗ адсорбировались на поверхности нанополости или наночастицы.

МЗ

А Б В

Рис. 11. Лизоцим в равновесной конформации, с адсорбированной на полипептиде молекулой красителя (малахитовый зеленый), вблизи поверхности фуллерена С720, с молекулой родамина 60 на нем: 1=0 (А), 1=1 не в вакууме (Б) и 1=2 не в воде (В) при температуре 300 К.

Картина временных модуляций размера г(1) донор-акцепторной пары молекул красителей в вакууме, в кластере лизоцим-фуллерен представлена на рис.

12А (соответствует рис. 11Б). При температуре 300 К (ТЛА) амплитуда модуляций 5г(г) достигала значений 0.2 нм, а через 0.54 не расстояние между красителями увеличилось на 0.5 нм. Среднее расстояние между красителями на участке 0.1-0.5 не равно 3.1 нм, сг=0.048 нм. Среднее расстояние между красителями на участке 0.6-0.9 не равно 3.5 нм, сг =0.038 нм. Крупномасштабные флуктуации размера пары МЗ-Р6С, наблюдаемые на начальном и финальном участке траектории, связаны с перемещениями больших фрагментов полипептида и /или молекулы красителя на фуллерене.

3.5

2.5

r(t), нм

t. НС

r(t), нм

t, НС

0.2

0.8

0.5

1.5

0.4 0.6

A Б

Рис. 12. Зависимость расстояния r{t) между молекулой МЗ (на лизоциме) и P6G (на фуллерене) от времени моделирования при 300 К: А) в вакууме (ТЛА), Б) в воде (ТБ).

МД-моделирование данной структуры помещенной в воду было проведено (ТБ, 300 К) на участке траектории 2 не (рис. 11В). Амплитуда модуляций 8r(t) достигала значений 0.4 нм. Адсорбция лизоцима в воде на фуллерене происходила через 0.4 не от начала моделирования (в вакууме за 50 пс). Среднее расстояние между молекулами красителей на участке 1-2 не равно 2.35 нм, ег=0.15 нм.

Аналогичная картина наблюдалась и в других случаях. Флуктуации расстояния r(t) между молекулами красителей внутри нанополости и на поверхности частицы составляют 0.2-0.5 нм и оказывают существенное влияние на кинетику распада возбужденных состояний донорных центров на поверхности наночастицы.

Пятая глава посвящена исследованию динамики ионов соли в растворе с макромолекулой ДНК.

iart , > ■

Рис. 13. Конфигурация фрагмента макромолекулы ДНК, с растворенными в воде ионами натрия и хлора спустя 6 не от начала моделирования при температуре 300 К и давлении 1 атм., молекулы воды на рисунке не изображены.

Для модельных экспериментов был построен фрагмент ДНК-подобной макромолекулы (В-форма), состоящий из двух цепей: одна цепь была составлена из 20 нуклеотидов аденина, вторая цепь состояла из 20 нуклеотидов тимина. Полный заряд макромолекулы составлял -38е. Макромолекула была помещена в параллелепипед, заполненный молекулами воды. В воде равномерно по объему размещались 238 ионов натрия и 200 ионов хлора (нейтральная система). МД-моделирование проводилось (СНАЯММ22) при температурах 300 К (ТБ) с шагом времени 1 фс на участке траектории до 4 не, а также при постоянной температуре и давлении 1 атмосфера (баростат Берендсена) с периодическими граничными условиями с размерами коробки 8.2 * 7.7 * 7.7 нм3. Атомы ДНК при этом фиксировались. Обработка результатов заключалась в вычислении радиальной зависимости концентрации ионов от оси макромолекулы ДНК. Исходя из полученных данных рассчитывалось мгновенное радиальное распределение концентрации ионов вокруг цепи ДНК.

Рис. 14. Распределение радиальной зависимости концентрации ионов натрия и хлора в растворе вокруг макромолекулы ДНК при температуре 300 К и давлении 1 атм. в начальный момент времени (А) и через 6 не (Б).

На рисунке 13 представлено распределение ионов натрия и хлора в растворе спустя 6 не от начала моделирования при температуре 300 К и давлении 1 атм. Видно, что произошла адсорбция части ионов натрия цепями ДНК. Ионы натрия проникают глубоко в канавки ДНК-фрагмента. Часть ионов хлора располагаются около макромолекулы ДНК вследствие притяжения со стороны адсорбированных ионов натрия. На графиках представлены распределения концентрации ионов в начальный момент времени (рис. 14А) и через 6 не (рис. 14Б). Видно, что произошло смещение профиля концентрации ионов натрия к макромолекуле ДНК, имеется максимум радиальной зависимости концентрации (рис. 17Б), который находится на расстоянии 0.8 нм от оси ДНК и имеет значение 1.39 нм"3. Профиль радиальной зависимости концентрации ионов хлора смещен относительно профиля радиального распределения ионов натрия от оси ДНК. На расстоянии 1.6-1.8 нм от оси концентрации ионов натрия и хлора выравниваются. Максимум радиальной зависимости концентрации ионов хлора через 6 не находится на расстоянии 2 нм и равен 0.68 нм"3. Показано, что наблюдаемое формирование специфического радиального распределения заряженных молекул-реагентов в поле молекулы-полииона находит проявление в кинетике переноса энергии и кросс-аннигиляции электронных возбуждений в растворе полиэлектролита.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Методом МД исследована конформационная релаксация и получено равновесное распределение концентрации атомов полипептида на плоской поверхности кристаллов кварца, графита и графена, внутри цилиндрической и сферической нанопоры из оксида алюминия, на внешней и внутренней поверхности углеродной нанотрубки, на поверхности сферической частицы из оксида алюминия, на фуллерене С720.

2. Распределение локальной плотности атомов полипептида на плоской поверхности, в цилиндрической и сферической нанопоре хорошо согласуется с распределением плотности звеньев макромолекулы, предсказываемым в предложенных в [2] соответствующих статистических моделях с 5-функциональной потенциальной ямой адсорбционного потенциала. Показано, что неоднородное распределение концентрации молекул красителей оказывает существенное влияние на формирование в нанообласти специфической кинетики фотореакций с их участием.

3. Максимум распределения локальной концентрации атомов полипептида по расстоянию от плоской поверхности находится на удалении 0.2-0.4 нм для кристаллов кварца, графита и графена. Максимум радиальной зависимости концентрации атомов полипептида в цилиндрической поре из оксида алюминия радиуса 4.55 нм находится на расстоянии в среднем 3.65-3.8 нм от оси поры, а в сферической поре радиуса 4.5 нм на расстоянии в среднем 3.6-3.8 нм от центра поры. В случае углеродной нанотрубки этот максимум расположен на расстоянии 4.4 нм от оси внутри трубки радиуса 4.65 нм.

4. Радиальная зависимость распределения плотности звеньев макромолекулы на адсорбирующей поверхности цилиндрической и сферической наночастиц целиком определяется двупараметрическим потенциалом притяжения 5-функционального типа, что согласуется с результатами моделирования системы методом МД в вакууме и в воде.

5. Максимум радиальной зависимости концентрации атомов полипептида на поверхности сферической частицы из оксида алюминия радиуса 4.65 нм находится на расстоянии в среднем 5.15-5.3 нм, а на поверхности фуллерена С720 радиуса 1.35 нм примерно на 1.55 нм от центра частицы. На поверхности нанотрубки радиуса 2 нм максимум радиальной зависимости концентрации атомов полипепгида находится на расстоянии 2.2-2.45 нм (70 звеньев) и 2.45-2.6 нм (500 звеньев) от оси нанотрубки.

6. Амплитуды флуктуаций расстояния между молекулами-реагентами на макроцепи, связанные с ее конформационной динамикой, достигают величины 0.10.4 нм, а на полипептиде в полости и на поверхности частицы 0.2-0.5 нм, что может существенно влиять на скорость дистанционного донор-акцепторного переноса энергии и аннигиляции локализованных на цепи электронных возбуждений.

7. В полиэлектролитах ДНК формируется характерное аксиальное распределение противоионов и ионов соли, формирующее эффективное электростатическое поле в окрестности макроцепи, способное влиять на кинетику реакций малых ионов на поверхности и внутри цепи ДНК. Максимум радиальной

зависимости концентрации ионов натрия находится на расстоянии 0.8 нм от оси макромолекулы.

Список использованных источников

1. Гросберг А. Ю., Хохлов А.Р. Статистическая физика макромолекул. // М.: Наука. Гл. ред.физ.-мат. лит. 1989. -344 с.

2 Кучеренко М.Г., Чмерева Т.М. Размещение звеньев полимерной цепи в поле гладкой твердой поверхности и в нанополостях пористого сорбента // Вестник ОГУ. 2008.-№9. -С. 177-184. 3. James С. Phillips, Rosemary Braun, Wei Wang, James Gumbart, Emad Tajkhorshid, Elizabeth Villa, Christophe Chipot, Robert D. Skeel, Laxmikant Kale, and Klaus Schulten. Scalable molecular dynamics withNAMD. Journal of Computational Chemistry, 26:1781-1802, 2005.

Основные публикации по теме диссертации

1. Кучеренко М.Г., Русинов А.П., Чмерева Т.М., Игнатьев А.А., Кнслов Д.А., Кручинпн Н.Ю. Кинетика фотореакцнй в регулярной пористой наноструктуре с цилиндрическими ячейками, заполненными активаторсодержащимн макромолекулами. II Оптика и спектроскопия. - 2009.- т. 107, № 3. - С. 510-516.

2. Kucherenko М. G., Izmodenova S. V., Kruchinin N. Yu., Chmereva Т. M. Change in the Kinetics of Delayed Annihilation Fluorescence During Rearrangement of Polymer-Chain Structure in a Nanocavity of a Solid Adsorbent // High Energy Chemistry. - 2009. - Vol. 43, Jfj 7. -pp. 592-598.

3. Кучеренко М.Г., Чмерева T.M., Кручнннн Н.Ю. Кинетика кпашстатнческого тушения возбужденных центров приповерхностного слоя сегментами макромолекулярных цепей в нанопорах и вблизи наночастпц. // Всстинк ОГУ. - 2010. —Jfo5. - С.124-135.

4. Кручшшп Н.Ю. Размещение фрагментов лшоцнма в цилиндрической поре из оксида алюминия. // Вестник ОГУ.- 2009.-Kj4.-C. 150-154.

5. Kucherenko M.G., Izmodenova S.V., Kruchinin N.Y. Delayed fluorescence annihilation kinetics change by reconstruction of polymeric chain structure in solid sorbent cavities and on nanoparticle surfaces: book of abstracts «International conference «Organic nanophotonics» (ICON-RUSSIA 2009)»,

- St. Petersburg. - 2009. - C. 168.

6. Кучеренко М.Г., Измоденова С.В., Кручшшн НЮ., Чмерева Т.М.Изменение кинетики аннигиляционной замедленной флуоресценции при перестройке структуры полимерной цепи в нанополости твердого адсорбента. // Сборник трудов. Международная конференция «Органическая фотоника» (ICON-RUSSIA 2009). Симпозиум «Фундаментальные основы нанофотоники». - Санкт-Петербург. -2009. - С. 103-113.

7. Кучеренко М.Г., Чмерева Т.М., Измоденова СВ., Кручинин Н.Ю. Влияние структуры полимерной цепи в кислородсодержащих нанополостях пористых сред на кинетику аннигиляционной замедленной флуоресценции красителей. // Матер. Международ, конфер, «Фотоника молекулярных наноструктур». — Оренбург: ОГУ. - 2009. - С. 26-28.

8. Кучеренко М.Г., Измоденова СВ., Кручинин Н.Ю. Кинетика бимолекулярных диффузионно-контролируемых фотореакций в приповерхностном слое наночастиц с адсорбированными макроцепями. // Матер. Международ, конфер. «Фотоника молекулярных наноструктур». -Оренбург: ОГУ. - 2009. - С. 29-31.

9. Кручинин Н.Ю., Кучеренко М.Г. Адсорбция фрагментов лизоцима на поверхности кристалла кварца. МД-моделирование: материалы всероссийской научно-практической конференции «Интеграция науки и образования как условие повышения качества подготовки специалистов». //

- Оренбург: ГОУ ОГУ. - 2008. - С. 3-12.

10. Измоденова СВ., Кручинин Н.Ю., Кучеренко М.Г. Влияние структурной перестройки полимерной цепи на кинетику фотореакций в нанопоре. // Всероссийская научно-практическая конференция «Многопрофильный университет как региональный центр образования и науки». -Оренбург: ОГУ. - 2009. - С. 2238-2248.

11. Кучеренко М.Г., Кручинин ШО, Дюсембаев Р.Н. Спин-селективная аннигиляция локализованных электронных возбуждений полимерных цепей в растворах при наличии внешнего магнитного поля. // Всероссийская научно-практическая конференция «Многопрофильный университет как региональный центр образования и науки». - Оренбург: ОГУ. - 2009. - С. 2280-2289.

12. Кучеренко М.Г., Чмерева Т.М.. Измоденова C.B., Кручинин Н.Ю., Подрезова Н.С. Диффузионная кинетика реакций в макроцепных оболочках фуллереновых и тубуленовых ядер. // Всероссийская научно-практическая конференция «Интеграция науки и практики в профессиональном развитии педагога». - Оренбург: ГОУ ОГУ. - 2010.

13. Кучеренко М.Г., Кручинин Н.Ю., Чмерева Т.М. Кинетика резонансного переноса энергии в нанокомпозитных системах с флуктуирующими конфигурационными параметрами. // Труды 12 международной конференции «Опто-, наноэлекторника, нанотехнологии и микросистемы» — Ульяновск: УлГУ. - 2010. - 362 с.

14. Кучеренко М.Г., Кручинин Н.Ю., Измоденова C.B., Чмерева Т.М. Деструкция композитного нанокластера «полимерная цепь - наночастица» и физические методы ее мониторинга. // Труды б международной конференции «Прочность и разрушение материалов и конструкций». - Оренбург: ОГУ.-2010.

15. Кручинин Н.Ю. Моделирование методом молекулярной динамики ионов натрия и хлора в воде с ДНК. //Мевдународный саммит проекта «Open Cirrus» - Москва: РАН. -2011. - С. 84-86.

16. Кучеренко М.Г., Чмерева Т.М., Кручинин Н.Ю., Измоденова C.B. Диффузионная кинетика фотореакций с участием молекул кислорода в макроцепных оболочечных структурах на поверхности тубуленовых ядер. // Всероссийская конференция «Фотоника органических и гибридных наноструктур». - Черноголовка: РАН. - 2011 — С. 90.

Подписано в печать 12.04.2012 г. Формат 60x84 1/16. 1 Усл. печ. листов 1,0. Тираж 100. Заказ 105.

ИП Озарянский 460018, г. Оренбург, ул. Пролетарская, 34. Тел.:97-71-17, 97-71-19.

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Кручинин, Никита Юрьевич, Оренбург

61 12-1/1063

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет»

На прарах рукописи

Кручинин Никита Юрьевич

01.04.07 - Физика конденсированного состояния

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель доктор физико-математических наук

профессор Кучеренко Михаил Геннадьевич

Оренбург 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение.................................................................................... 4

ГЛАВА 1. МОЛЕКУЛЯРНО-ДИНАМИЧЕСКИЙ И СТАТИСТИЧЕСКИЙ ПОДХОДЫ В ПРОБЛЕМЕ ОПИСАНИЯ КОНФОРМАЦИОННЫХ ПЕРЕСТРОЕК МАКРОЦЕПНЫХ СТРУКТУР. КИНЕТИКА РЕАКЦИЙ В НАНОСТРУКТУРАХ..................................................................... 12

1.1 Обзор и анализ метода молекулярной динамики.............................. 12

1.2 Статистическая теория распределения плотности звеньев полимерной цепи на поверхностях адсорбентов..................................................... 29

1.3 Кинетика реакций в наноструктурах............................................... 31

ГЛАВА 2. КОНФОРМАЦИОННАЯ ДИНАМИКА И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЗВЕНЬЕВ МАКРОМОЛЕКУЛ ПРИ АДСОРБЦИИ НА КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЯХ И В ПОЛОСТЯХ ТВЕРДЫХ АДСОРБЕНТОВ........................................................................... 40

2.1 Распределение плотности звеньев полимерной цепи на плоских кристаллических поверхностях адсорбентов....................................... 40

2.2 Распределение плотности звеньев полимерной цепи внутри цилиндрической нанопоры............................................................. 60

2.3 Распределение плотности звеньев полимерной цепи в полости

пористого адсорбента.................................................................... 80

ГЛАВА 3. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЗВЕНЬЕВ МАКРОЦЕПЕЙ ПРИ АДСОРБЦИИ НА НАНОЧАСТИЦАХ РАЗЛИЧНОЙ ФОРМЫ............... 92

3.1. Распределение плотности звеньев полимерной цепи на поверхности дисперсной наночастицы................................................................ 92

3.2. Адсорбция макроцепей на углеродных нанотрубках........................ 107

ГЛАВА 4. КОНФОРМАЦИОННАЯ ДИНАМИКА МАКРОЦЕПЕЙ В РАСТВОРАХ С ЗАКРЕПЛЕННЫМИ НА НИХ ДИСТАНЦИОННО

РЕАГИРУЮЩИМИ МОЛЕКУЛАМИ-МЕТКАМИ............................... 126

4.1 Конформационная динамика фрагмента лизоцима с закрепленными

дистанционно реагирующими молекулами-метками.............................. 126

4.2 Конформационная динамика лизоцима в нанопорах и вблизи

наночастиц с закрепленными на них молекулами-метками....................... 141

ГЛАВА 5. ДИНАМИКА ИОНОВ В ВОДЕ С МАКРОМОЛЕКУЛОЙ ДНК............................................................................................................................150

5.1 Динамика ионов натрия и хлора в растворе с ДНК........................... 151

5.2 Динамика молекул красителей в растворе с ДНК............................. 158

Заключение.................................................................................. 166

Список использованных источников.................................................. 171

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы

Для получения функциональных наносистем с регулируемыми параметрами в ряде случаев создают условия для адсорбции звеньев полимерных цепей на плоской поверхности кристалла, на поверхностях наночастиц сфероидальной (глобулярные кластеры, квантовые точки) и цилиндрической (нанотрубки, наностержни) формы, или размещения полимерной цепи в цилиндрических и сферических нанопорах. Некоторые из звеньев макроцепей сами могут выступать в роли реагентов, либо захватывать малые молекулы, участвующие в процессе, ограничивая их подвижность. Конформационные характеристики полимерных молекул, захваченных адсорбентом, отличаются от таковых для макроцепи в растворе. По этой причине будет различаться и кинетика реакций между малыми молекулами, размещенными между звеньями макроцепей, находящихся в различных конформациях. Это связано с появлением неоднородного распределения плотности звеньев макромолекул на мезоскопической шкале длин. Для описания кинетики аннигиляционных процессов, возникающих между электронно-возбужденными молекулами, в том числе с участием молекул кислорода, необходимо знать функцию пространственного распределения концентрации молекул фотосенсибилизатора, размещенного на звеньях макромолекулы, адсорбированной поверхностью нанопоры или наночастицы. Если молекулы фотосенсибилизаторов (как правило -органических красителей) адсорбированы цепью однородно (или статистически однородно) по ее длине, то характер пространственного распределения концентрации таких молекул будет повторять профиль плотности полимерных субъединиц в усредненной конформации. Знание распределения звеньев вблизи поверхности нанопоры или наночастицы позволяет произвести корректное описание кинетического режима молекулярных реакций в данных наноструктурах.

В растворах полиэлектролитов (заряженных полимерных цепей) при адсорбции одного из компонентов донорно-акцепторной системы на полимерной цепи, молекулы второго компонента в ходе диффузионного перемещения испытывают на себе действие поля макроиона, что отражается на кинетике диффузионно-контролируемой передачи энергии электронного возбуждения между ионами. Поэтому при исследовании свойств растворов ДНК, или им подобных полиэлектролитов, важно знать динамику ионов и молекул красителей в поле заряженной макромолекулы.

Цель работы заключалась в определении конформационной структуры и динамики макромолекул, адсорбированных на поверхности кристаллов, наночастиц и пористых сред; исследовании пространственного распределения ионов в растворах ДНК для описания кинетики реакций в наноструктурированных системах.

Постановка задач. Для достижения этой цели необходимо было решить следующие основные задачи:

1. Определить характер распределения плотности звеньев полимерных цепей на твердых поверхностях и в нанополостях различной формы методами статистической теории макромолекул и степень влияния пространственной неоднородности распределения реагентов на кинетику фотореакций.

2. Исследовать методом молекулярной динамики (МД) конформационную структуру полипептида, расположенного на поверхности различной кривизны и в нанополости твердого тела.

3. Рассчитать по результатам МД-моделирования пространственное распределение концентрации атомов полипептида, адсорбированного на поверхности твердого тела, и использовать для получения характерных показателей и коэффициентов для уравнений, описывающих распределение концентрации методами статистической теории макромолекул.

4. Исследовать динамику молекул красителей, расположенных на полипептиде в растворе, а также на поверхности наночастицы и в нанополости. Определить величины флуктуаций радиуса донор-акцепторной пары молекул, связанных с полимерной цепью.

Научная новизна

3. Получены временные зависимости и определены величины флуктуаций расстояния между молекулами люминесцентных зондов -красителей (эритрозина, эозина, родамина 60, малахитового зеленого), расположенных на макромолекуле полипептида в растворе, на поверхности сферической частицы, в нанопоре из оксида алюминия, а также на поверхности фуллерена С720.

Практическая значимость

Полученные результаты могут быть использованы:

которой пептиды и молекулы фотосенсибилизатора располагаются на поверхности нанопоры для применения в качестве сенсибилизаторов в фотодинамической терапии для генерации синглетного кислорода.

Основные защищаемые положения

4. В полиэлектролитах ДНК формируется характерное аксиальное распределение противоионов и ионов соли, формирующее эффективное электростатическое поле в окрестности макроцепи, способное влиять на кинетику реакций малых ионов на цепи ДНК.

Апробация результатов работы

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на 8 научно-практических конференциях, из которых 4 - с международным участием. В том числе: всероссийской научно-практической конференции «Интеграция науки и образования как условие повышения качества подготовки специалистов» (Оренбург, 2008), всероссийской научно-практической конференции «Многопрофильный университет как региональный центр образования и науки» (Оренбург, 2009), международной конференции «Organic nanophotonics» (St. Petersburg, 2009), международной конференции «Фотоника молекулярных наноструктур» (Оренбург, 2009), всероссийской научно-практическая конференции «Интеграция науки и практики в профессиональном развитии педагога» (Оренбург, 2010), международной конференции «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» (Ульяновск, 2010), международной конференции «Прочность и разрушение материалов и конструкций» (Оренбург, 2010), международном саммите проекта «Open Cirrus» (Москва, 2011), всероссийской конференции «Фотоника органических и гибридных наноструктур» (Черноголовка, 2011). Основные положения диссертационной работы отражены в 16 публикациях.

Участие в научных проектах

макромолекулярными цепями с селективным фотооткликом» (РФФИ проект № 08-02-99035-р_офи), «Разработка лазерной технологии локального концентрирования фотоактивированных реагентов в структурах функциональных наносистем» (РФФИ проект № 10-02-96021), «Разработка методов создания функциональных наноустройств для датчика - измерителя молекулярного кислорода с дистанционным мониторингом состояний по оптическому каналу» (ГК № 16.513.11.3015), «Разработка методов формирования упорядоченных массивов наноструктур на основе оксида алюминия для люминесцентных сенсоров кислорода» (Госконтракт № 16.513.11.3042).

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников. Работа изложена на 189 страницах, в том числе: основной текст на 170 страницах, 102 рисунка, список использованных источников из 180 наименований на 19 страницах. Первая глава посвящена обзору молекулярно-динамического и статистического подходов в проблеме описания конформационных перестроек макроцепных структур, описанию кинетики реакций в наноструктурах. Во второй главе представлены результаты МД-моделирования фрагментов лизоцима и гемоглобина, полипептида подобного лизоциму на плоских поверхностях кристаллов кварца, графита и графена, в цилиндрической и сферической порах из оксида алюминия, внутри углеродной нанотрубки; определены пространственные распределения атомов макромолекулы на поверхностях этих структур; определены характерные показатели и коэффициенты для уравнений, описывающих распределение концентрации звеньев методами статистической теории. В третьей главе представлены: вывод уравнений описывающих распределение звеньев макромолекулы на адсорбирующей сферической и цилиндрической поверхности с двупараметрическим модельным потенциалом притяжения 8-функционального типа; результаты МД-моделирования фрагмента лизоцима, полипептида подобного лизоциму,

полиаланина на поверхности сферической частицы из оксида алюминия, фуллерена С720, на поверхности углеродной нанотрубки; определены пространственные распределения атомов макромолекулы на наночастице и нанотрубке; определены характерные показатели и коэффициенты для уравнений, описывающих распределение концентрации звеньев методами статистической теории. В четвертой главе представлены результаты МД-моделирования адсорбированных люминесцентных зондов - красителей (эритрозина, эозина, родамина бв, малахитового зеленого) на фрагменте и полной молекуле лизоцима в вакууме, в воде, в сферической нанопоре из оксида алюминия, около сферической частицы из оксида алюминия и рядом с фуллереном С720; получены временные зависимости и определены величины флуктуаций расстояния между молекулами красителей. Пятая глава содержит результаты МД-моделирования макромолекулы ДНК в растворе с ионами натрия и хлора, с моле�