Компьютерное моделирование и статистический анализ самоорганизующихся молекулярных систем на основе пептидов

Шайтан, Алексей Константинович

Компьютерное моделирование и статистический анализ самоорганизующихся молекулярных систем на основе пептидов тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.06 ВАК РФ

Шайтан, Алексей Константинович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2010 ГОД ЗАЩИТЫ

02.00.06 КОД ВАК РФ

Диссертация по химии на тему «Компьютерное моделирование и статистический анализ самоорганизующихся молекулярных систем на основе пептидов»

Автореферат диссертации на тему "Компьютерное моделирование и статистический анализ самоорганизующихся молекулярных систем на основе пептидов"

На правах рукописи

Шайтан Алексей Константинович

Компьютерное моделирование и статистический анализ самоорганизующихся молекулярных систем на основе пептидов

02.00.06 - Высокомолекулярные соединения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

• 1 АП Р 2010

Москва - 2010

004600169

Работа выполнена на кафедре физики полимеров и кристаллов физического факультета Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова.

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук,

академик РАН

Хохлов Алексей Ремович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Василевская Валентина Владимировна

кандидат физико-математических наук Валабаев Николай Кириллович

Ведущая организация:

Институт высокомолекулярных соединений РАН

Защита состоится "21" апреля 2010 г. в 16-30 на заседании диссертационного совета Д 501.002.01 в Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы, МГУ, физический факультет, ауд. ЮФА.

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

Автореферат разослан "18" марта 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат физико-математических на у Лаптинская Т. В.

Общая характеристика работы

Диссертационная работа посвящена изучению самоорганизующихся молекулярных структур на основе поли- и олигопептидов. Проведены исследования молекул как природного (белки), так н синтетического (гибриды синтетических полимеров и пептидов) происхождения методами компьютерного моделирования и статистического анализа (анализ пространственных структур белков). Отдельная глава диссертации посвящена изучению процессов гидратации аминокислот у поверхности воды, расчёту термодинамических параметров гидратации и адсорбции.

Актуальность работы

Актуальность выбранного направления исследовании связана с повышенным вниманием мирового научного сообщества в последнее время к созданию новых материалов и соединений па основе биоинспирированных подходов, использованию принципов самоорганизации биологических макромолекул при создании умных полимеров, при разработке новых веществ и материалов. Для достижения этой цели существует два принципиальных подхода: (I) создание биомиметических синтетических полимеров путём дизайна их последовательностей и подбора свойств звеньев на основе принципов, заимствованных у природных макромолекул, и (II) создание гибридов синтетических полимеров и биополимеров, позволяющее заимствовать принципы организации и свойства биологических молекул вместе с "материальным носителем".

Одним из серьёзных успехов бномнметического подхода явилось создание "белковоподобпых" сополимеров - линейных макромолекул со специальной статистикой последовательности, способных формировать водорастворимые глобулы благодаря концентрации гидрофобных звеньев в ядре глобулы, а гидрофильных на поверхности. Создание и изучение таких сополимеров из различных типов звеньев требует описания свойств звеньев в терминах их сродства к водному окружению, поверхности, пеполярпому окружению. Особый интерес представляет влияние свойств звеньев па их положение в структуре полимер-

пых глобул. Изучению обозначенных вопросов на примере природных белков и их звеньев (аминокислот) посвящены главы 3 и 4 диссертационной работы.

Для создания гибридов синтетических полимеров и биомолекул особый интерес представляют пептидные последовательности, способные к образованию бета-листов. Такие последовательности при определённых условиях могут приводить к межмолекулярпой агрегации с образованием фибриллярных структур в панометровом диапазоне подобных амилоидным фибриллам, встречающимся при ряде заболеваний (например, болезни Альцгеймера). Сопряжение са-мооргаиизационпых свойств таких последовательностей с полупроводящими, оптическими, флюоресцентными свойствами некоторых синтетических полимеров путём их ковалентного соединения открывает большие перспективы во многих областях: микроэлектронике, сенсорных и биосепсорных технологиях и т.д. Такие гибридные соединения уже синтезированы экспериментально, однако не до конца ясными остаются вопросы, связанные со структурой получаемых агрегатов, а также представления о рациональном дизайне таких структур с заданными свойствами. Исследованию этого вопроса методами молекулярной динамики на конкретном примере посвящена глава 5 диссертационной работы.

Несмотря на бурный прогресс экспериментальных методов, методы компьютерного моделирования и статистического анализа лишь увеличивают свою актуальность. В биологии это связано с необходимостью обработки огромных массивов экспериментальных данных в автоматическом режиме: последовательностей пуклеотидов, аминокислот, пространственных структур белков и т.д. Методы компьютерного моделирования молекулярных систем из первых принципов (ab initio) благодаря развитию суперкомпьютеров и технологий параллельных вычислений, позволяют моделировать системы всё большего масштаба и находить новые точки соприкосновения между экспериментальными результатами и моделированием.

Цель диссертационной работы

Целыо диссертационной работы является изучение самоорганизующихся молекулярных структур на основе поли- и олигопептидов методами молекуляр-

ной динамики, а также статистического анализа известных пространственных структур полипептидов.

Конкретные задачи работы включают в себя:

• Изучение процессов гидратации аминокислот на поверхности воды.

• Создание метода расчёта свободной эпергпн адсорбции молекул па границе вода/воздух па основе атомистических моделей веществ. Расчёт энергий адсорбции и гидратации для боковых цепей амниокислот.

• Изучение распределения различных типов аминокислотных остатков между поверхностью и ядром в глобулярных водорастворимых белках на основе анализа поверхности доступной растворителю для экспериментально известных пространственных структур белков.

• Расчёт статистических аналогов свободной энергии переноса аминокислотных остатков из ядра глобулы на поверхность и анализ корреляций этих величин с экспериментально известными распределениями аминокислот и их аналогов между фазами различной полярности.

• Изучение процессов самоорганизации тиофеп-пептидных молекул-гибридов в нановолокна. Создание молекулярных моделей напофибрилл.

• Анализ моделей с применением метода молекулярной динамики и выявление наиболее адекватной модели, соответствующей экспериментальным данным.

Научная новизна

1. Предложена методика расчёта свободной эпергпн адсорбции для молекул па границе вода-воздух па основе атомистических моделей.

2. Впервые в молекулярном моделировании рассчитаны значения энергии адсорбции для боковых цепей аминокислот па границе вода-воздух, изучены профили свободной энергии и термодинамика гидратации вблизи водной поверхности.

3. Создана эволюционно-независнмая выборка полноатомных пространственных структур компактных глобулярных белков из 8000 экземпляров с высоким пространственным разрешением.

4. Впервые построены профили статистической свободной энергии аминокислот в глобулярных белках в зависимости от экспонированности аминокислоты растворителю, показано, что корреляция между статистическими свободными энергиями и коэффициентами распределения аминокислот между различными парами растворителей зависят от критерия разделения аминокислот на "ядерные" и "поверхностные" при подсчёте статистических энергий.

П. Впервые предложены молекулярные модели однослойных и многослойных нановолокон из гибридных молекул, состоящих из тетратпофена и олигопептидпой последовательности на основе треонина и валипа. Проведена интерпретация экспериментальных данных в рамках предложенных моделей.

б. Предложена методика поэтапного конструирования молекулярных моделей таких гибридных волокон на основе кросс-бета-листовой структуры с использованием метода молекулярной дииамикн.

Практическая значимость

Разработанные методы оценки свободной энергии адсорбции молекул на границу жидкость/газ или жидкость/жидкость позволяют проводить количественные оценки соответствующих величин гп вШсо, что может оказаться весьма полезным для современных научных и технических задач. Кроме того, данный метод позволит проводить дополнительную калибровку и настройку атом-атомных потенциалов (силовых полей) в методах молекулярной механики и динамики для более точного моделирования явлений па границе раздела фаз. В частности, численные результаты данной работы могут применяться для калибровки силовых полей при моделировании белков.

В ходе работы вычислены корреляции между статистическими распределепи-

ями аминокислот в белковой глобуле и экспериментальными коэффициентам» распределения аминокислот и их боковых цепей между различными растворителям, а также построены профили встречаемости аминокислот в зависимости от их экспонирования к растворителю. Данные результаты могут использоваться для усовершенствования методов QSAR при оценке энергий белковых структур, в частности, при оценке выгодности аминокислотных замен, а также оценке взаимодействия иных молекул с растворителем в ходе молекулярной инженерии белков и разработки лекарств. Полученные статистические потенциалы также могут использоваться для создания огрублённых моделей в компьютерном моделировании белков.

Результаты работы в части моделирования самоорганизующихся нанофибрплл из тиофен-пептидиых гибридов представляют практический интерес с точки зрения дизайна и создания перспективных наиоматерпалов для нужд органической микро- и наноэлектроиики, например, создания проводящих иапопрово-дов, светодиодов, сенсорных систем и т.д.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались п обсуждались на VIII Конференции студентов и аспирантов Учебно-научного центра по химии и физике полимеров и тонких органических плёнок (Москва, Россия, 2004), Международной школе-конференции молодых учёных: Системная биология и Биоипженерня (Москва, Россия, 2005), Малом Полимерном Конгрессе (Москва, Россия, 2005), Четвёртой Всероссийской Каргпнской Конференции "Наука о полимерах 21-му веку" (Москва, Россия, 2007), Европейском Полимерном Конгрессе (Москва, Россия, 2005), Третьей Конференции STIPOMAT (Лё Диаблере, Швейцария, 2007), Второй Санкт-Петербургской Международной Конференции по Наио-БиоТехпологиям "НаноБио'Ов" (Санкт-Петербург. Россия, 2008), Пятой Международной Конференции по Бионнформатнке Регуляции и Структуры Генома (Новосибирск, Россия, 2006), Первой международной летней школе - Напо2009: Напоматерналы и нанотехнологии в живых системах (Московская обл., Россия, 2009).

Публикации

Материалы диссертации опубликованы в 15 печатных работах, из них 6 статей в рецензируемых журналах [Al, А2, АЗ, А4, А5, АС], 1 статья в сборниках трудов конференций [A7j, 1 статья в книге [А8], и 8 тезисов докладов [А9, А10, АН, А12, А13, А14, А15, А16]

Личный вклад автора состоит в разработке оригинальных алгоритмов и моделей, проведении компьютерного моделирования и статистического анализа, интерпретации и анализе полученных результатов.

Структура и объём диссертации

Диссертационная работа изложена на 150 страницах печатного текста и включает 54 рисунка. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы, состоящего из 147 наименований, и 4 приложений.

Содержание работы

Во Введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована цель и аргументирована научная новизна исследований, показана практическая значимость полученных результатов, представлены выносимые на защиту научные положения.

В первой главе приводится обзор литературы в части принципов самоорганизации белковых и пептид-полимерных структур. Описывается структура и строение аминокислот и пептидов, уровни самоорганизации пространственной структуры белков. Приводится определение амилоидов, рассказывается о кросс-бета листовой структуре и формировании возможных типов амилоидных фибрилл. Затрагиваются вопросы термодинамики формировании белковых глобул. Изложены теоретические основы, объясняющие квазибольцманов-ское распределение встречаемости структурных элементов в глобулярных белках. Рассказывается о новом направлении в науке о полимерах - создании гибридов синтетических полимеров и пептидов. Приводится обзор литературных данных по гибридам пептидов и олиготиофепов - полимеров, обладающих про-

ВОД1ШОСТЫО/1ЮЛупрОВОД1ШОСТЫ().

Во второй главе приводится краткое изложение основ метода молекулярной дпиампки н приводится описание использованных силовых полей. Затрагиваются вопросы вычисления свободных энергий на основе атомистических моделей молекул. Также обсуждается вопрос вычисления молекулярных поверх-постен, приводится определение молекулярных поверхностей по Лн-Ричардсу и по Коннолли. Вводится понятие поверхности, доступной растворителю.

Третья глава посвящена изучению термодинамики гидратации боковых цепей аминокислот, а также методологическим аспектам компьютерного моделирования полипептндов методом молекулярной динамики. В ходе работы для 13 веществ-аналогов боковых цепей аминокислот были вычислены профили свободной энергии па границе раздела вода/газ, а также рассчитаны энергии гидратации с использованием метода Беннетта. Особое внимание уделялось качеству получаемых результатов и оценке статистических и систематических ошибок, что позволило получить численные оценки параметров гидратации и адсорбции с высокой точностью. Эти оценки имеют как прикладное, так и методологическое значение, поскольку на их основе можно совершенствовать атомистические модели изучаемых веществ. Результаты опубликованы в работе [А1].

Для анализа были использованы модели 13 веществ-аналогов в представлении силового поля OPLS-AA и модель воды SPC. Была создана молекулярная модель водного слоя в периодических граничных условиях толщиной 4 им. Модель водного слоя была исследована и верифицирована, были построены профили плотности и ориентации молекул воды, среднего электрического поля и поверхностного потенциала, рассчитано поверхностное натяжение. Толщина границы раздела вода/пар соответствует предсказаниям теории капиллярных воли.

Для всех исследованных молекул на основе метода молекулярной динамики и алгоритма фиксации центра масс молекулы и водного слоя па заданном расстоянии были рассчитаны профили средней силы по мере продвижения молекулы через водный слой. На основе профиля средней силы был рассчитан

I'm-. I. Мгновенные изображения молекулы бутана во время расчётов на различных расстояниях от границы раздела. Положения соответствующие (а) максимальной силе притяжения, (б) адсорбционному минимуму, (в) максимальной выталкивающей силе.

Бутан (изолейцин)

Рнс. 2. Профиль средней силы, свободной ыэнергии и относительной концентрации для молекулы бутана в водном слое. Для сравнения пунктирной линией отмечен профиль плотности водного слоя.

1 \

|| Средняя сила ' Свободная энергия - 1 Концентрация--- • 1 Плотность воды-- ■1 ¡!

А iCu *- * L __ V 1

! 1 1 у ............. t ..................... ' \ \ ■

1 * \ 1—1- / V........ '

о 1

Ось Z, им

профиль свободной энергии и относительный статистический профиль концентрации вещества (см. Рис. 2). Данные профили для всех веществ были проанализированы. Было показано, что профили средней силы для всех молекул имеют приблизительно одинаковую форму. При расстоянии более 1 им от поверхности (здесь и далее под положением поверхности понимается положение поверхности Гиббса) нет заметного взаимодействия между молекулой п водным слоем. При дальнейшем приближении к водному слою проявляется сила притяжения, которая, очевидно, обусловлена дисперсионными и электростатическими взаимодействиями. Сила притяжения достигает своего максимума приблизительно па расстоянии 0.5 им до поверхности Гиббса и далее сходит на нет около границы раздела. Эта область, в которой действует сила притяжения, единственная вносит отрицательный (способствующий гидратации) вклад в энергию гидратации. Приблизительно в районе поверхности Гиббса средняя сила обращается в ноль, что соответствует адсорбционному минимуму на графиках свободной энергии (см. Рис. 2). Визуальное рассмотрение (Рис. 1) показывает, что максимум силы притяжения всё ещё соответствует достаточному удалению молекулы от молекул воды, хотя уже заметно некоторое возмущение водного слоя. Когда молекула продвигается далее внутрь водного слоя, возникает выталкивающая сила, которая препятствует дальнейшему погружению молекулы в воду. Причина этой силы, очевидно, может быть приписана проявлению гидрофобного эффекта: молекула вещества нарушает сеть водородных связей молекул воды, что приводит к потере энтропии молекул воды из-за сниженной подвижности последних вокруг сольватируемой молекулы. Сила выталкивания пропадает при погружении молекулы на глубину 0.5-0.7 им в зависимости от размера молекулы.

Кроме расчётов профилей энергии были проведены отдельные расчёты энергии гидратации молекул в объёмной ячейке с водой путём выключения взаимодействия между растворённой молекулой п молекулами воды. Расчёт свободной энергии проводился по методу Беннетта. Сравнение данных по гидратации, полученных в ходе двух типов расчётов, служило оценкой точности расчётов профилей свободной энергии.

Было предложено и апробнровапо два метода оценки энергии адсорбции: метод, основанный на подходе Гиббса, и путём измерения значения профиля энергии в минимуме. В подходе Гиббса сначала рассчитывался относительный профиль концентрации (предполагая концентрацию в газовой фазе равной 1 им"3). Затем рассчитывался избыток Гиббса, и энергия адсорбции оценивалась, предполагая толщину границы раздела равной 1 им, поскольку это обычно была толщина, на которой варьировался профиль свободной энергии. Соответствующие теоретические основы данного метода были изложены в приложении В.

Численные оценки энергий гидратации сравнивались с известными экспериментальными данными и показали отличную корреляцию (R—0.997), однако абсолютные значения рассчитанных величии оказались систематически завышены па величину от 2 до 4 кДж/моль. Данные по энергии адсорбции сравнивались с единственными известными экспериментальными данными по адсорбции аминокислот, при этом коэффициент корреляции составил 0.65. Однако факт плохой корреляции сам по себе не свидетельствует о серьёзных систематических ошибках в результатах моделирования, поскольку энергии адсорбции аминокислот и их боковых цепей могут быть связаны нелинейно (тогда как такая линейность часто наблюдается при оценки энергий гидратации).

Четвёртая глава диссертации посвящена изучению распределения различных типов аминокислот между ядром и поверхностью глобулярных белков на основе расчёта поверхности, доступной растворителю, для большого количества экспериментальных пространственных структур белков. Результаты третьей главы опубликованы в работе [А2]. Для проведения статистического исследования был в полуавтоматическом режиме создан набор из 8 тысяч пространственных структур белков на основе базы данных PDB. Были отобраны белки с эволюционно-независимыми последовательностями аминокислот (сходство последовательностей оценивалось с помощью алгоритма BLAST) удовлетворяющие ряду условий: (I) наличие пространственных структур высокого разрешения, (II) отсутствие явного указания на неглобулярпость белков в описании структур, (III) определённые соотношения между радиусом инерции и

Рис. 3. Каждая точка представляет одну белковую 1()

структуру в координатах радиус инерции - коли- з

честно аминокислот в логарифмической шкале по

обеим осям. Пунктирная линия - аппроксимация |

о.

нижней границы облака точек. Структуры находящиеся между сплошными линиями были отобраны для дальнейшего рассмотрения.

100

юоо

10000

Количество остатков

длиной аминокислотной последовательности (см. Рис. 3).

Для всех отобранных белковых структур была рассчитана молекулярная поверхность, доступная растворителю, по алгоритму Ли-Рпчардса, а также вычислены вклады каждой аминокислоты и её боковой цепи в поверхность белка. Величина доступной поверхности боковой цепи для каждого аминокислотного остатка в белке, отнесённая к таковой в модельном А1а-Х-А1а трипептиде, определялась как экспонированностъ конкретного остатка и являлась базовой величиной для отнесения остатков к "поверхностным" или "ядерным". Перед статистической обработкой данных был решён вопрос о зависимости получаемых средних распределений аминокислот от размера белковых глобул. Показано, что (см. Рис. 4) зависимости относительной встречаемости аминокислот выходят на постоянные значения для белков с размером больше 300 аминокислотных остатков (АКО). Такое поведение было объяснено мультпдомепным строением глобулярных белков, а также требованиями к квазислучайпости белковых последовательностей. В дальнейшем для вычисления статистических распределений использовались структуры размером более 300 АКО.

Чтобы охарактеризовать относительную вероятность для различных аминокислотных остатков иметь то или иное значение экспонпровашюстн, была введена величина статистической концентрации данного типа остатка при заданном уровне экспонпровашюстн, которая определялась как доля АКО заданного типа среди всех остатков с заданным уровнем экспонпровашюстн (см. ур. 1). Продолжая далее аналогию с термодинамикой многофазных систем,

14 12 г 10

¡8 6 г

Г 2

В целом > Ядро > Поверхность *

В целом I—I—I Ядро --х—■ Поверхность

......

...... 4 г

■ ■ у И Н+1-» » Щи-М-И У » Ш-щ-ш» » т

В целом 1—1—• Ядро

Поверхность :

.¡иШ!,««»^,!,^

200 400 600 800 Количество остатхов

200 400 600 800 Количество остатков

Рис. I. Встречаемость некоторых аминокислот в белках различного размера, включая полную 1« тречаемость, встречаемость па поверхности и встречаемость в ядре. Горизонтальные .чппин в каждом случае представляют втречасмость, усреднённую но всем белковым структурам с размером большим 300 АКО. Каждая точка представляет данные, усрсдпспныс по окну шириной 40 АКО. Стандартные отклонения представлены вертикальными линиями.

группа всех АКО, которые удовлетворяют определённым критериям по экспо-пировапности, была названа статистической (виртуальной) фазой, а логарифм отношения концентраций АКО в различных фазах - статистической энергией переноса АКО между различными виртуальными фазами (см. ур. 2).

Ыа

с" = —--(1)

(2)

где Ыа это количество остатков типа а в статистической фазе, -

статистическая энергия переноса.

Такая аналогия по отношению к распределению АКО между ядром-поверх-постыо белка и динамическому распределению отдельных аминокислот (или соединений аналогов) между различными фазами в эксперименте (определяемое свободной энергией переноса вещества из одной фазы в другую) имеет теоретическое обоснование с точки зрения модели случайных энергий гетерополимер-пой глобулы [1] (о чём рассказывается в разделе 1.3.1 первой главы). Тот факт,

20 40 60 80 100 Экслонированность, %

0 20 40 60 80 100 Экспонированность, %

Рис. 5. Зависимость концентрации остатков в "статистической фазе" от экснонированности АКО для некоторых аминокислот. Точка в пуле соответствует данным по всем неэкспонированным остаткам.

что встречаемость структурных элементов в белках имеет квази-Больцманов-скую статистику по отношению к "энергии" этого элемента, даёт нам право ставить вопрос о поиске корреляций между статистическими энергиями переноса АКО, вычисленными по уравнению 2, и экспериментально известными энергиями переноса аминокислот и их производных между различными несме-шивающнмися растворителями.

Для всех остатков были вычислены и построены зависимости относительной концентрации от степени экснонированности (см. пример на Рис. 5). Данные зависимости могут быть преобразованы в профили статистической свободной эпергпи различных АКО. Такие профили для всех аминокислот были проанализированы, сгруппированы по подобию н формам профилей, была дана соответствующая интерпретация, основанная па известных свойствах аминокислот и их боковых цепей.

Определение такого растворителя, чтобы энергии переноса аминокислот между водой и этим растворителем наилучшим образом коррелировали с наблюдаемым распределением аминокислот в белках, с одной стороны даёт фундаментальную информацию о свойствах н полярности внутренности белковой глобулы, а с другой определяет численные шкалы энергий погружения АКО в белковую глобулу, которые находят широкое применений в методах (^А!!.

В то же время понятно, что расчёт корреляций может зависеть от критериев разделения АКО на поверхностные и ядерные. В большинстве предыдущих работ по смежной тематике данному факту не уделялось достаточного внимания, поэтому зачастую получались противоречивые результаты.

В данной работе было решено проанализировать сразу целое множество критериев подразделения АКО на поверхностные и ядерные, основанные па различных уровнях экспоппроваииости боковых цепей аминокислот, и одновременно вычислить для них коэффициенты корреляции с несколькими экспериментальными шкалами, в частности, шкалами переноса аминокислот или подобных соединений между фазами вода/пар, вода/циклогексан, вода/октанол, октанол/циклогексап, а также шкалой энергий адсорбции на границу раздела вода/воздух. АКО считались находящимися в ядре глобулы, если экспониро-ваииость боковой цепи была равна 0 (отдельно также исследовался случай не пулевой экспоиированпости, по тем не менее близкой к нулю). Поверхностными считались АКО с экспоиированпостыо в узком интервале около переменного значения X. Построенные графики зависимости коэффициентов корреляции от значения X и других критериев разделения подтвердили предположение о серьёзной зависимости коэффициента корреляции от критериев разделения остатков на поверхностные и ядерные. При этом было показано, что для различных экспериментальных шкал наилучшие значения корреляции достигаются при различных критериях.

По итогам анализа критериев классификации остатков было введено три шкалы статистических энергий переноса АКО из ядра белка (экспонирован-пость 0) в виртуальные фазы с экспопироваиностями в пределах (I) 10-20%, (II) 50-00%, (III) 95-105%. Все шкалы отличались хорошо выраженной корреляцией лишь с одним из экспериментальных наборов данных. Так коэффициент корреляции для шкалы (I) с энергиями переноса вода/пар составлял 0.93, а с энергиями вода/ октанол лишь 0.73, для шкалы (III) наблюдалась обратная картина -0.57 против 0.93. Для выявления причин таких зависимостей были построены и проанализированы специальные двумерные диаграммы. Показано, что предложенные статистических шкалы отличаются по своей "чувствительности". Шка-

о ¡¡"у- °

^ОН 3,3"'-дидодецил-тетра™офен

-[(ТИг-Уа1)3]-

Рнс. 6. Химическая формула изучаемого соединения.

ла (¡) ухватывает только грубые тенденции для АКО быть экспонированными нлп погружёнными в ядро, а шкалы (н) н (ш) более чувствительны к особенностям строения и поведения остатков. Аналогичные утверждения можно сделать относительно экспериментальных шкал, с которыми наилучшим образом коррелируют статистические шкалы.

В последнем разделе главы приводятся соображения об особенностях строения белковых глобул, которые приводят к отклонению корреляций от идеальных. Обсуждается роль конформационных вкладов, специфических взаимодействии, функциональных ограничений и т.д.

В пятой главе излагаются результаты работы по атомистическому моделированию напофибрилл из молекул гибридов олиготиофена и олпгопептида [ТЬг-Уа1]з (Рис. 0). Результаты данного раздела работы отражены в статье [А3|. Соединение 1 (модифицированное ПЭГ) было синтезирований и исследовано в группе профессора Бауэрлп (Ульм, Германия)[2]. Было показано, что молекулы соединения 1 способны самособнраться в нанофибрпллы толщиной 6-8 им, длиной 100-300 нм, которые в свою очередь формируют волокнистые агрегаты больших размеров (см. Рис. 7).

Задачей данной работы являлось предсказание различных упаковок молекул в фибриллярные агрегаты, на основе имеющихся экспериментальных данных, оценка стабильности и характеристик получаемых фибрилл методом молекулярной динамики, выработка наиболее удовлетворительной модели. Для создания молекулярных структур фибрилл был использован подход рационального иерархического конструирования с применением методов молекулярной динамики и молекулярной механики. Суть данного подхода состоит в последовательном конструировании молекулярных агрегатов с пошаговой оптимнза-

Рис. 7. Изображение фибрилл на подложке, формируемых соединением 1, полученное методом атомно-енловой микроскопии после осаждения фибрилл из раствора (50% метапол:50% дихлормс- 1 таи) па слюду методом spin-coating [2].

цпеп структуры на основе представлений об иерархии взаимодействий присутствующих в таких системах и использовании экспериментальных данных при дизайне агрегатов. Проанализировав литературные данные и приняв во внимание данные ИР-спектроскопии, указывающие па формирование бета-слоёв в растворе вещества 1, за основу построения агрегатов была принята организация пептидных сегментов в периодический параллельный пли аптипараллель-пын бета-слой.

Была создана периодическая ячейка из двух молекул, образующих бета-слой, с периодом 4.8 А на один бета-лист и затем молекулы были оптимизированы в периодической ячейке методами молекулярной механики и динамики (см. Рис. 8). Данные периодические ячейки послужили кирпичиками для построения длинных однослойных фибрилл.

На основе однослойных упаковок были созданы различные двуслойные упаковки из 4 молекул в периодической ячейке. Всего было проанализировано 5 различных вероятных укладок. Данные упаковки могут быть различных типов в зависимости от того, какими сторонами и в каком направлении соединены слои (см. Рис. 9). Двуслойные агрегаты были отрелаксировапы методом молекулярной динамики, чтобы боковые цепи аминокислот нашли положение соответствующее минимуму свободной энергии. Для всех различных двуслойных укладок была вычислена энтальпия образования. На основании этих данных н рационального анализа были отобраны две укладки ((II) и (III)) для

4Д0пт

Рис. 8. Схематическое изображение упаковок для однослойных фибрилл (справа) и соответствующие им периодические ячейки из двух молекул (слева): а) вариант антипараллельной упаковки пептидных частей, б) вариант параллельной упаковки пептидных частей.

Гидрофобный контакт Гидрофильный контакт

р-слоёв р-слоёв

Рис. 9. Схематическое изображение возможных упаковок двуслойных фибрилл.

Рис. 10. Пример мгновенных изображений для однослойного волокна, основанного на антипараллельном бета-слое, в ходе расчётов молекулярной динамики: а) начальная копформа-ция. б) система через 10 не моделирования.

Рис. 11. Модель АСМ изображения для молекулярной системы - однослойный антнпарал-лельный фибриллярный агрегат па графите, профиль высоты вдоль модели АСМ изображения.

дальнейшего исследования.

Из полученных периодических упаковок были сконструированы однослойные и двуслойные агрегаты диной в 80 бета-шггей (ок. 40 им). Для таких систем был проведён расчёт методом молекулярной динамики в программном пакете LAMMPS па основе силового поля PCFF. Расчёты проводились в параллельном режиме на 64 процессорах на суперкомпьютере СКИФ-МГУ. Длина траекторий составляла 10 не с шагом в 1 фс. По результатам моделирования был проведён визуальный анализ геометрии фибрилл (см. Рис. 10), а также проведены статистические обработки: проанализирован состав вторичной структуры пептидных сегментов, построены гистограммы расстояний для пептидных и тпофеновых сегментов, проведён анализ взаиморасположения тиофеновых колец и проанализированы возможности для тт — 7г-стэкинга тиофенов.

Было также проведено моделирование однослойной фибриллы на графитовой подложке и предложен алгоритм виртуальной атомносиловой микроскопии, который позволил по имеющейся атомной структуре построить подобие изображения, получаемого атомносиловым микроскопом, и построить профили высоты для фибриллярных агрегатов (см. Рис.11). Высота однослойных агрегатов была оценена в 9 А, что оказалось в хорошем соответствии с высотами агрегатов регистрируемых АСМ в эксперименте.

По результатам анализа для фибрилл различного типа были сделаны следующие выводы. Для молекул 1 агрегация пептидных частей в бета-слой и стэкинг тиофеновых сегментов являются конкурирующими мотивами укладок в силу различного периода, навязываемого данными взаимодействиями (ок. 5 А -период бета-слоя против ок. 3.5 А- расстояние и — 7г-стэкиига). Фибриллы основаны на укладке пептидов в бета-слой, что навязывает соответствующую периодичность тнофеповым сегментам и препятствует их 7Г — 7г-стэкингу. Однослойные фибриллы па основе аптинараллелыюй укладки в объёме склонны к образованию суперспирали. Двуслойные агрегаты намного более стабильны и прямолинейны. Двуслойные агрегаты на основе антипараллельпой укладки склонны к закручиванию плоскости фибриллы относительно осп (твист) порядка 180° па 80 нм.

На основе обобщения данных моделирования, а также экспериментальных данных, включающих АСМ, ПЭМ, ИР-, КД-, флюоресцентную спектроскопии была определена наиболее вероятная модель наблюдаемых фибрилл, основанная па однослойных фибриллах с упаковкой пептидных сегментов в параллельный бета-лист.

В заключении перечислены основные результаты и выводы диссертации.

Диссертация содрежит 4 главы приложений (А, Б, В, Г). В приложении А приводится список и химические формулы всех аминокислот и соединений аналогов их боковых групп. В приложении Б приведён вывод формулы для вычисления свободной энергии сольватации в компьютерном моделировании. Показывается, что работа (свободная энергия) по выключению взаимодействий между молекулой и растворителем с точностью до незначительных поправок равна энергии сольватации определяемой в эксперименте через отношение концентраций вещества в газе и в растворе. В приложении В приводятся вспомогательные формулы к главе три. В приложении Г размещены профили свободной энергии для всех веществ, изученных в главе три.

Основные результаты и выводы диссертации

2. Исследовано распределение аминокислотных остатков в глобулярных бел-

ках в зависимости от их погружённости в структуру белка путём статистического анализа большого количества экспериментальных данных по пространственному строению эволюциоипо-пезавпсимых белков. Получены статистические щюфплп свободной энергии различных типов аминокислотных остатков в зависимости от экспонировапности. С помощью различных методов классификации аминокислот на "ядерные" и ''поверхностные" рассчитаны статистические энергии переноса аминокислот из ядра на поверхность, рассчитаны корреляции этих статистических энергий с экспериментальными коэффициентами распределения аминокислот между рядом растворителей. Показано, что коэффициенты корреляции сильно зависят как от выбора пар растворителей, так и от выбора критериев статистической классификации аминокислот. Предложены три различных статистических шкалы, каждая пз которых наилучшим образом коррелирует с одной из экспериментальных шкал гпдрофобности (вода/пар, вода/октапол, вода/цпклогексан). Проанализированы причины такого поведения.

3. Предложены различные возможные модели укладки гибридных молекул тетратиофентиофен-олигопептид (|ТЬг-Уа1)з) с образованием панофнбрнлл. Созданы молекулярные модели таких укладок путём поэтапного рационального конструирования с учётом имеющихся экспериментальных данных. Созданные иапофибриллы проапализироаиы методом молекулярной динамики. Показано, что изучаемые молекулы могут формировать стабильные, упорядоченные фибрилло-подобные молекулярные слон благодаря организации пептидных частей молекулы в параллельный или антипараллельный бета-слой. Показано, что однослойные структуры в объёме обладают тенденцией к образованию суперспиралн. Двуслойные структуры, в отличие от однослойных, в объёме сохраняют свою линейность и, в зависимости от типа укладки, могут обладать закрученностыо. Предложены различные варианты однослойных и двуслойных агрегатов, в котором тиофеновые сегменты двух слоев (лент) образуют структуры, подобные напопроводам, с возможной электропроводностью. Показано, что

наиболее вероятной упаковкой молекул в фибриллах, наблюдаемых в эксперименте, является упаковка, основанная на параллельном бета-слое.

Список печатных работ, опубликованных по теме диссертации

Al. Shaytan А. К., Ivanov V. A., Shaitan К. V., Khokhlov A. R. Free energy profiles of amino acid side chain analogs near water-vapor interface obtained via MD simulations // Journal of Computational Chemistry. 2010. Vol. 31, no. 1. Pp. 204-21G.

Л2. Shaytan A. K., Shaitan К. V., Khokhlov A. R. Solvent Accessible Surface Area of Amino Acid Residues in Globular Proteins: Correlation of Apparent Transfer Free Energies with Experimental Hydropliobicity Scales // Biomacro-molecules. 2009. Vol. 10, no. 5. Pp. 1224-1237.

A3. Shaytan A. K., Khokhlov A. R., Khalatur P. G. Large-scale atomistic simulation of a nanosized fibril formed by thiophene-peptide "molecular chimeras" // опубликовано электронно // Soft Matter. 2010. URL: http://dx.doi. org/10.1039/b918562c.

A4. Шайтан К. В., Турлей Е. В., Шайтан А. К. и др. Дштмпчексий молекулярный дизайн био- и наноструктур // Российский Химический Журнал. 2006. T. L, № 2. С. 53-65.

А5. Шайтан К. В., Турлей Е. В., Шайтан А. К. н др. Неравновесная молекулярная динамика наноструктур, включая биологические // Химическая Физика. 2006. Т. 25, № 9. С. 31-48.

А6. Шайтан К. В., Турлей Е. В., Шайтаи А. К. и др. Молекулярная динамика и дизайн био- и наноструктур // Вестник биотехнологии. 2005. Т. 1. С. 66-78.

А7. Shaytan A. К., Ivanov V. A., Khokhlov A. R. Peptide dynamics at \va-ter-membrane interface // The Fiftli International Conférence 011 Bioinfor-inatics of Genoine Régulation and Structure / Ed. by N. Kolchanov, R. Hofes-tadt. Vol. 1. Novosibirsk, Russia: Institute of Cytology and Genetics, 2006. Pp. 320-323.

A8. Шайтан A. Iv, Халату]) П. Г., Хохлов А. Р. Суперкомпыотерное конструирование бноорганическнх ианопроводов // Суперкомпыотерпые технологии в пауке, образовании и промышленности, Под ред. В. А. Садовничий, Г. И. Савин, В. В. Воеводин. Москва: Издательство Московского университета. 2009. С. 51 56.

А9. Шайтан А. К. Динамика аминокислотных остатков па интерфейсе вода-мембрапа // Сборник тезисов, VIII Конференция студентов и аспирантов Учебно-иаучпый центр по химии и физике полимеров и тонких органических плёнок, Моск. Обл., Россия. 2004. С. 84.

А10. Шайтан А. К. Динамика аминокислотных остатков на интерфейсе вода-мембрана // Сборник тезисов, Системная биология и Бионнженерня: международная школа-конференция молодых учёных, Моск. Обл., Россия. 2005. С. 72.

А11. Шайтан А. К. Динамика аминокислотных остатков на интерфейсе вода-гексан // Сборник тезисов, Малый полимерный конгресс, Москва, Россия. 2005. С. 136.

А12. Шайтан А. К., Иванов В. А., Хохлов А. Р. Определение свободной энергии гидратации боковых цепей аминокислот с использованием явной модели воды // Сборник тезисов, Четвёртая Всероссийская Каргннская Конференция "Наука о полимерах 21-му веку Москва, Россия. Т. 3. 2007. С. 364.

А13. Shaytan А. К., Khokhlov A. R., Ivanov V. A. MD Simulations of Liquid-Liquid Interface of Aminoacid Solutions // Сборник тезисов, Европейский Полимерный Конгресс 2005, Москва, Россия. 2005. Р. 212.

А14. Shaytan А. К., Khokhlov A. R. Conformational Statistics of Amino Acids in Proteins based 011 their Solvent Accessible Surface Area // Book of Abstracts, 3rd STIPOMAT Conference, Les Diablerets, Switzerland. 2007.

A15. Shaytan A. K., Khokhlov A. R. Conformational Statistics of Globular Proteins with Respect to Hydropliobicity/Interfacial Activity of Amino Acid Residues // Book of Abstracts, The second Saint-Petersburg International Conference on NanoBioTechnologics "XanoBio'08'': Санкт-Петербург, Россия. 2008. P. 117.

Л10. Shaytan A. K. Selfassernbly Simulations of Bioinspired Hybrid Systems Based on Oligothiophenes and Peptides // Сборник тезисов, Первая международная летная школа - Напо2009. Наноматериалы и ианотехиологии в живых системах, Моск. Обл., Россия. 2007.

Цитированные источники

1. Finkelstein А. V., Badretdinov A. Y., Gutin А. М. Why do protein architectures have boltzinann-like statistics? // Proteins: Struct., Funct., Genet. 1995. Vol. 23, no. 2. Pp. 142-150.

2. Schillinger E.-K., Mena-Osterit.z E., Bauerle P. Синтез диблок олигомера из апкнлированпого тетратиофена и пептидной последовательности |ТЬг-Уа1]з // не опублпковапо.

Подписано в печать 15.03.10 Формат 60x88 1/16. Объем 1 п.л. Тираж 100 экз. Заказ № 917 Отпечатано в ООО «Соцветие красок» 119991 г.Москва, Ленинские горы, д.1 Главное здание МГУ, к. А-102

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Шайтан, Алексей Константинович

Введение.

Глава 1. Принципы самоорганизации белковых и пептид-полимерных структур

1.1. Пептиды и их строение.

1.2. Пространственная структура белков.

1.3. Термодинамика формирования пространственной структуры белков

1.4. Амилоиды и амилоидные фибриллы.

1.5. "Молекулярные химеры" и принципы их построения.

1.6. Гибриды тиофенов и пептидов

Глава 2. Некоторые методы компьютерного моделирования и анализа

2.1. Методы молекулярной динамики и механики.

2.2. Методы расчета свободной энергии.

2.3. Молекулярные поверхности.

Глава 3. Изучение гидратации аминокислот у поверхности воды.

3.1. Введение.

3.2. Постановка задачи.

3.3. Методы расчёта.

3.4. Результаты и обез'ждение.

3.5. Выводы к главе.

Глава 4. Анализ распределения звеньев в глобулярных белках.

4.1. Введение.

4.2. Постановка задачи.

4.3. Создание набора белков.

4.4. Методы расчётов.

4.5. Зависимость статистики от размера белков.

4.6. Статистический анализ доступных поверхностей аминокислот.

4.7. Корреляции с экспериментальными шкалами гидрофобности.

4.8. Факторы, влияющие на распределения аминокислот.

4.9. Выводы к главе.

Глава 5. Самоорганизующиеся тиофен-пептидные диблок олигомеры

5.1. Введение.

5.2. Постановка задачи.

5.3. Рациональный компьютерный дизайн моделей.

5.4. Моделирование однослойных фибрилл в объёме.

5.5. Моделирование на подложке, виртуальная АСМ.

5.6. Моделирование двуслойных фибрилл

5.7. Упорядочение тиофеновых сегментов

5.8. Сравнение эксперимента и моделирования.

5.9. Выводы к главе.

Введение диссертация по химии, на тему "Компьютерное моделирование и статистический анализ самоорганизующихся молекулярных систем на основе пептидов"

Б.2. Свободная энергия сольватации.136

Б.З. Постулаты классической статфизики.137

Б.4. Связь статсуммы со свободной энергией.137

Б.5. Сольватация, рассмотрение статфизики.139

Приложение В. Приложения к главе 3.144

В.1. Профиль плотности границы раздела вода-пар.144

В.2. Теория профилей свободной энергии.144

В.З. К вопросу вычисления энергий гидратации.145

В.4. Энергии адсорбции.146

Приложение Г. Приложения к главе 3: профили свободной энергии . 148

Список сокращений

BAR - bennett acceptance ratio, метод расчёта свободной энергии по Беннетту

FEP - free energy perturbation (метод расчёта свободной энергии)

PDB - Protein Data Bank (база данных пространственных структур белков)

SASA - solvent accessible surface area (поверхность, доступная растворителю)

АКО - аминокислотный остаток

АСМ - атомно-силовая микроскопия

МД - молекулярная динамика, молекулярно-динамический

МСЭ - модель случайных энергий

ПДР - поверхность, доступная растворителю

ПРГ - поверхность раздела Гиббса

ПСР - профиль средней силы

ПЭМ - просвечивающая электронная микроскопия ПЭГ - полиэтиленгликоль

ТИ - метод термодинамического интегрирования ЯМР - ядерный магнитный резонанс

Введение

Диссертационная работа посвящена изучению самоорганизующихся молекулярных структур на основе поли- и олигопептидов. Проведены исследования молекул как природного (белки), так и синтетического (гибриды синтетических полимеров и пептидов) происхождения методами компьютерного моделирования и статистического анализа (анализ пространственных структур белков). Отдельная глава диссертации посвящена изучению процессов гидратации аминокислот у поверхности воды, расчёту термодинамических параметров гидратации и адсорбции.

Актуальность работы

Актуальность выбранного направления исследований связана с повышенным вниманием мирового научного сообщества в последнее время к созданию новых материалов и соединений на основе биоинспирированных подходов, использованию принципов самоорганизации биологических макромолекул при создании умных полимеров, при разработке новых веществ и материалов. Для достижения этой цели существует два принципиальных подхода: (I) создание биомиметических синтетических полимеров путём дизайна их последовательностей и подбора свойств звеньев на основе принципов, заимствованных у природных макромолекул, и (И) создание гибридов синтетических полимеров и биополимеров, позволяющее заимствовать принципы организации и свойства биологических молекул вместе с ''материальным носителем".

Одним из серьёзных успехов биомиметического подхода явилось создание "белково-гюдобных" сополимеров - линейных макромолекул со специальной статистикой последовательности, способных формировать водорастворимые глобулы благодаря концентрации гидрофобных звеньев в ядре глобулы, а гидрофильных на поверхности. Создание и изучение таких сополимеров из различных типов звеньев требует описания свойств звеньев в терминах их сродства к водному окружению, поверхности, неполярному окружению. Особый интерес представляет влияние свойств звеньев на их положение в структуре полимерных глобул. Изучению обозначенных вопросов на примере природных белков и их звеньев (аминокислот) посвящены главы 3 и 4 диссертационной работы.

Для создания гибридов синтетических полимеров и биомолекул особый интерес представляют пептидные последовательности, способные к образованию бета-листов. Такие последовательности при определённых условиях могут приводить к межмолекулярной агрегации с образованием фибриллярных структур в нанометровом диапазоне подобных амилоидным фибриллам, встречающимся при ряде заболеваний (например, болезни Альцгеймера). Сопряжение самоорганизационных свойств таких последовательностей с полупроводящими, оптическими, флюоресцентными свойствами некоторых синтетических полимеров путём их ковалентного соединения открывает большие перспективы во многих областях: микроэлектронике, сенсорных и биосенсорных технологиях и т.д. Такие гибридные соединения уже синтезированы экспериментально, однако не до конца ясными остаются вопросы, связанные со структурой получаемых агрегатов, а также представления о рациональном дизайне таких структур с заданными свойствами. Исследованию этого вопроса методами молекулярной динамики на конкретном примере посвящена глава 5 диссертационной работы.

Несмотря на бурный прогресс эксперимеи г;итьных методов, методы компьютерного моделирования и статистического анализа лишь увеличивают свою актуальность. В биологии это связано с необходимостью обработки огромных массивов экспериментальных данных в автоматическом режиме: последовательностей нуклеотидов. аминокислот, пространственных структур белков и т.д. Методы компьютерного моделирования молекулярных систем из первых принципов (ab initio) благодаря развитию суперкомпьютеров и технологий параллельных вычислений, позволяю т моделировать системы всё большего масштаба и находить новые точки соприкосновения между экспериментальными результатами и моделированием.

Цель диссертационной работы

Целью диссертационной работы является изучение самоорганизующихся молекулярных структур на основе поли- и олигопептидов ме тодами молекулярной динамики, а также статистического анализа известных пространственных структур полипептидов. Конкретные задачи работы включают в себя:

• Изучение процессов гидратации аминокислот на поверхности воды.

• Разработка метода расчёта свободной энергии адсорбции молекул на границе вода/воздух на основе атомистических моделей веществ. Расчёт энергии адсорбции и гидратации для боковых цепей аминокислот.

• Изучение процессов самоорганизации тиофен-пептидных молекул-гибридов в нано-волокна. Создание молекулярных моделей нанофибрилл.

Научная новизна

1. Предложена методика расчёта свободной энергии адсорбции для молекул на границе вода-воздух на основе атомистических моделей.

3. Создана эволюционно-пезависимая выборка полноатомных пространственных структур компактных глобулярных белков из 8000 экземпляров с высоким пространственным разрешением.

4. Впервые построены профили статистической свободной энергии аминокислот в глобулярных белках в зависимости от экспоиированности аминокислоты растворителю, показано, что корреляция между статистическими свободными энергиями и коэффициентами распределения аминокислот между различными парами растворителей зависят от критерия разделения аминокислот на '"ядерные" и '"поверхностные" при подсчёте статистических энергий.

5. Впервые предложены молекулярные модели однослойных и многослойных наново-локон из гибридных молекул, состоящих из тетратиофена и олигопептидной последовательности на основе треонина и валина. Проведена интерпретация экспериментальных данных в рамках предложенных моделей.

6. Предложена методика поэтапного конструирования молекулярных моделей таких гибридных волокон на основе кросс-бета-листовой структуры с использованием метода молекулярной динамики.

Практическая значимость

Разработанные методы оценки свободной энергии адсорбции молекул на границу жидкое гь/газ или жидкость/жидкость позволяют проводить количественные оценки соответствующих величин in silico, что может оказаться весьма полезным для современных научных и технических задач. Кроме того, данный метод позволит проводить дополнительную к&чибровку и настройку атом-атомных потенциалов (силовых полей) в методах молекулярной механики и динамики для более точного моделирования явлений на границе раздела фаз. В частности, численные результаты данной работы могут применяться для калибровки силовых полей при моделировании белков.

В ходе работы вычислены корреляции между статистическими распределениями аминокислот в белковой глобуле и экспериментальными коэффициентами распределения аминокислот и их боковых цепей между различными растворителями, а также построены профили встречаемости аминокислот в зависимости от их экспонирования к растворителю. Данные результаты могут использоваться для усовершенствования .методов QSAR при оценке энергий белковых структур, в частности, при оценке выгодности аминокислотных замен, а также оценке взаимодействия иных молекул с растворителем в ходе молекулярной инженерии белков и разработки лекарств. Полученные статистические потенциалы также могут использоваться для создания огрублённых моделей в компьютерном моделировании белков.

Результаты работы в части моделирования самоорганизующихся нанофибрилл из тиофен-пептидных гибридов представляют практический интерес с точки зрения дизайна и создания перспективных наиоматериалов для нужд органической микро- и наноэлектро-ники, например, создания проводящих нанопроводов, светодиодов. сенсорных систем и т.д.

На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:

1. Изучен процесс гидратации боковых цепей аминокислот вблизи поверхности воды путём вычисления профилей свободной энергии. Разработан метод оценки свободной энергии адсорбции молекул на жидкую границу раздела па основе классических полноатомных моделей молекул. Проведена оценка энергий гидратации и адсорбции на границу вода/воздух для боковых цепей аминокислот. Выявлено, что энергии гидратации боковых цепей аминокислот находятся в хорошей корреляции с абсолютными энергиями адсорбции на поверхность воды. В тоже время энергия адсорбции относительно фазы максимального сродства является независимым параметром, опиеывающим свойства веществ.

2. Исследовано распределение аминокислотных остатков в глобулярных белках в зависимости от их погружённости в структуру белка путём статистического анализа большого количества экспериментальных данных по пространственному строению эволюционно-независимых белков. В ходе анализа для аминокислотных остатков оценивалась поверхность доступная растворителю, эта величина использовалась для построения статистических распределений аминокислот. Таким образом получены статистические профили свободной энергии различных типов аминокислот. С помощью различных методов классификации аминокислот на '"ядерные" и "поверхностные' рассчитаны статистические энергии переноса аминокислот из ядра на поверхность, рассчитаны корреляции этих статистических энергий с экспериментальными коэффициентами распределения аминокислот между рядом растворителей. Показано, что коэффициенты корреляции сильно зависят как от выбора пар растворителей, так и от выбора критериев статистической классификации аминокислот. Обсуждаются причины оглнчий в различных случаях. Предложены три статистические шкалы, которые наилучшим образом коррелируют с различными экспериментальными шкалами.

3. Сконструированы различные возможные модели укладки гибридных молекул тет-ратиофентиофен-олигопептид (|Thr-Val]3) с образованием нанофибрилл. Укладки предсказаны на основании рационального конструирования с учётом имеющихся экспериментальных данных с последующей оценкой стабильности и анализом методом молекулярной динамики. Показано, что изучаемые молекулы могут формировать стабильные, упорядоченные фибриллоподобные молекулярные слои благодаря организации пептидных частей молекулы в параллельный или антипараллельный бета-слой. Показано, что однослойные структуры в объёме обладают тенденцией к образованию суперспирали. Двуслойные структуры, в отличие от однослойных, в объёме сохраняют свою линейность и, в зависимости от типа укладки, могут обладать закру-ченностью. Предложены различные варианты упаковки, в которых тиофеновые сегменты слоёв (лент) образуют линейные структуры по тип)- нанопроводов, которые, предположительно, могут обладать электропроводностью по всех длине. Наиболее вероятной упаковкой молекул в фибриллах, соответствующей экспериментальным данным, является упаковка основанная на параллельном бета-слое.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались п обсуждались на VIII Конференции студентов и аспирантов Учебно-научного центра по химии и физике полимеров и тонких органических плёнок (Москва, Россия, 2004), Международной школе-конференции молодых учёных: Системная биология и Биоинженерия (Москва, Россия, 2005), Малом Полимерном Конгрессе (Москва, Россия, 2005), Четвёртой Всероссийской Каргинской Конференции "Наука о полимерах 21-му веку" (Москва, Россия, 2007). Европейском Полимерном Конгрессе (Москва, Россия, 2005), Третьей Конференции STIPOMAT (Лё Днаблере, Швейцария, 2007), Второй Санкт-Петербургской Международной Конференции по Нано-БиоТехнологиям "НаноБио'08" (Санкт-Петербург, Россия, 2008), Пятой Международной Конференции по Биоинформатике Регуляции и Структуры Генома (Новосибирск. Россия, 2006), Первой международной летней школе - Нано2009: Наноматериалы и нанотехноло-гии в живых системах (Московская обл., Россия, 2009).

Публикации

Материалы диссертации опубликованы в 15 печатных работах, из них б статей в рецензируемых журналах [1-6], 1 статья в сборниках трудов конференций [7], 1 с татья в книге [8], и 8 тезисов докладов [9-16]

Структура и объём диссертации

Заключение диссертации по теме "Высокомолекулярные соединения"

5.9. Выводы к главе

Гибридные соединения, состоящие из блоков синтетических и биополимеров (полимерные биоконъюгаты), являются перспективным соединениями как для технологических, так и для биомедицинских приложений. В таких соединениях реализуется синер-гетический эффект от объединения свойств, присущих обоим компонентам. Фрагменты биологических молекул такие, как пептиды пли олигонуклеотиды, привносят в данные соединения такие свойства, как самосборка, биосовместимость, специфические взаимодействия (pattern recognition), зависимость структуры от внешних факторов и т.д. Одним из ярких примеров такого подхода к дизайну новых материалов являются гибриды пептидов и сопряжённых проводящих полимеров. Свойства таких гибридов открывают широкий спектр их возможных применений: построение и самосборка устройств органической микро- и наноэлектроники, создание молекулярных сенсоров, биоэлектронных интерфейсов, самособирающихся нанопроводов и т.д. Особенный интерес представляют тиофен-пеп-тидные гибриды, поскольку политиофены один из самых перспективных в использовании (полу)проводящих полимеров.

На данный момент в небольшом количестве экспериментальных работ [37, 47, 48] получены первые прототипы пептид-тиофеновых гибридов и показана возможность самосборки таких молекул в нанофибриллы. Однако пока ещё остаются не совсем ясными не только принципы самоорганизации таких фибрилл, но и их структура, укладка молекул в агрегатах. И если для самоорганизации простых пептид-полимерных структур в литературе достигнуто некоторое понимание на уровне возможных моделей самоорганизации, то для специфических тиофен-пептидных систем уровень теоретической проработанности весьма низок. Существенным фактором, который отличает пептид-тиофеновые системы от общего класса пептид-полимерных систем, является способность тиофенов к специфическому взаимодействию путём тг — тг-стэкинга, которой может в некоторых случаях быть даже сильнее, чем силы сомоорганизации пептидных частей.

В данной работе на примере конкретных экспериментальных данных по самоорганизации пептид-тиофенового диблок олигомера была предпринята попытка создания полноатомных моделей возможных агрегатов и прямого атомистического моделирования устойчивости и свойств различных типов укладок молекул в фибриллярные агрегаты. С опорой на экспериментальные данные, а также на литературные источники, были созданы различные укладки молекул на основе параллельных и антипараллельных бета-листов. При построении различных моделей была использована оригинальная концепция иерархического построения модели, учитывая вероятную иерархию взаимодействий в таких системах (водородные связи, гидрофобные взаимодействия и т.д.). Последовательно создавались сначала простые элементы структуры (бета-слои), затем из ранее созданных конструировались более крупные элементы, при этом на каждом шаге проводилась релаксация систем методом МД, что обеспечивало поиск минимума свободной энергии не для всей системы сразу, а последовательно. Для четырёх типов укладок были созданы модели фибрилл длиной до 40 нм, и проведено их исследование методами молекулярной динамикн. Изучалась стабильность агрегатов, организация пептидных и тиофеновых сегментов. Сравнительный анализ однослойных и двуслойных фибрилл позволил сделать выводы о роли тех или иных взаимодействий в устойчивости и форме агрегатов.

Кроме данной работы в литературе представлена лишь одна работа, где проводилось моделирование тиофен-пептидных гибридов методом молекулярной динамики [54]. Новизна представленной работы состоит в следующем (в порядке убывания масштаба новизны):

• Впервые проведено полноатомное молекулярное моделирование фибриллярных агрегатов, состоящих из тиофен-пептидных диблок олигомеров с последовательностью [Thr-Val]3.

• Впервые для фибрилл из полимер-пептидных гибридов построены молекулярные модели, основанные на однослойных и двуслойных бета-листах. Эти модели проанализированы методом МД.

• Предложен метод создания моделей таких агрегатов (метод последовательного иерархического конструирования).

• Предложен метод оценки высоты молекулярных структур на подложке (метод виртуальной АСМ). Этим методом построены модели АСМ изображений фибрилл и профили высоты.

• Впервые для систем такого класса проводились столь масштабные вычисления, использовались методы параллельной МД с одновременным использованием до 128 процессоров.

По результатам работы молено сделать следующие выводы, обладающие научной новизной:

• Однослойные агрегаты тиофен-пептидных олигомеров в вакууме оказываются стабильными, но не демонстрируют жёсткости с труктуры. В то же время двуслойные агрегаты являются намного более стабильными и способны к формированию длинных линейных структур.

• У агрегатов, основанных на антипараллельной организации бета-слоёв, плоскость фибриллы закручивается в левую сторону относительно оси фибриллы, при этом однослойные агрегаты стремятся закрутиться и в суперспираль. Для агрегатов, основанных на параллельных бета-слоях, последней тенденции не наблюдается, а за-крученность вдоль оси проявляется меньше.

• По крайне мере в изученной моделе взаимодействия пептидных частей доминируют над взаимодействиями тиофеновых сегментов, в результате пептидная часть навязывает тнофенам межсегментное расстояние в 5 А.

• На основании наблюдаемых особенностей поведения различных укладок можно сделать предположение о том, что наблюдаемые в эксперименте агрегаты в своей основе имеют укладку по типу параллельного бета-слоя.

Заключение

В диссертационной работе проведены следующие исследования и получены следующие резльтаты:

1. Методами молекулярной динамики изучена гидратация боковых цепей аминокислот вблизи поверхности воды. Построены профили свободной энергии молекул вблизи поверхности воды. Показано, что профили свободой энергии для всех молекул имеют схожую форму. Показано, что профили свободной энергии достигают своего постоянного значения при погружении молекул на глубин)' 0.6-0.7 пм (влияние поверхностных эффектов становится незначительным). Разработан метод оценки свободной энергии адсорбции молекул на границу раздела жидких фаз на основе классических полпоатомных моделей молекул. Проведена оценка энергий гидратации и адсорбции на границу вода/воздух для боковых цепей аминокислот. Выявлено, что энергии гидратации боковых цепей аминокислот находятся в хорошей корреляции с абсолютными энергиями адсорбции на поверхность воды. В тоже время энергия адсорбции относительно фазы максимального сродства является независимым параметром, описывающим свойства веществ.

2. Исследовано распределение аминокислотных остатков в глобулярных белках в зависимости от их погружённости в структуру белка путём статистического анализа большого количества экспериментальных данных по пространственному строению эволю-ционно-независимых белков. Получены статистические профили свободной энергии различных типов аминокислотных остатков в зависимости от экспонированности. С помощью различных методов классификации аминокислот на "ядерные" и "поверхностные" рассчитаны статистические энергии переноса аминокислот из ядра на поверхность, рассчитаны корреляции этих статистических энергий с экспериментальными коэффициентами распределения аминокислот между рядом растворителей. Показано, что коэффициенты корреляции сильно зависят как от выбора пар растворителей, так и от выбора критериев статистической классификации аминокислот. Предложены три различных статистических шкалы, каждая из которых наилучшим образом коррелирует с одной из экспериментальных шкал гидрофобности (вода/пар, вода/октанол, вода/циклогексан). Проанализированы причины такого поведения.

3. Предложены различные возможные модели укладки гибридных молекул тетратио-фен-олигопептид ([Thr-Valjs) с образованием нанофибрилл. Созданы молекулярные модели таких укладок путём поэтапного рационального конструирования с учётом имеющихся экспериментальных данных. Созданные нанофибриллы проанализированы методом молекулярной динамики. Показано, что изучаемые молекулы могут формировать стабильные, упорядоченные фибрилло-подобные молекулярные слои благодаря организации пептидных частей молекулы в параллельный или антипараллельный бета-слой. Показано, что однослойные структуры в объёме обладают тенденцией к закручиванию, которая сильнее выражена у структур на основе ан-типараллелыюй укладки бета-слоёв, которые склонны образовывать суперспирали. Двуслойные структуры, в отличие от однослойных, в объёме сохраняют свою линейность и, в зависимости от типа укладки, могут обладать закрученностью. Предложены различные варианты однослойных и двуслойных агрегатов, в которых тио-феновые сегменты двух слоёв (лент) образуют структуры подобные нанопроводам. Показано, что наиболее вероятной упаковкой молекул в фибриллах, соответствующей экспериментальным данным, является упаковка, основанная на параллельном бета-слое.

Благодарности

В заключение хотелось бы выразить благодарность своему научному руководителю академику А.Р. Хохлову, за постановку интересных задач, обсуждение полученных результатов и поддержку в решении научных проблем. Автор выражает особую благодарность профессору П. Г. Хал ату ру и доценту В. А. Иванову за помощь в работе над отдельными главами диссертации, а также всем сотрудникам, студентам и аспирантам кафедры физики полимеров и кристаллов за ценные замечания и создание приятно и научной атмосферы при работе над диссертацией.

Особую признательность автор выражает родителям и друзьям.

Список источников диссертации и автореферата по химии, кандидата физико-математических наук, Шайтан, Алексей Константинович, Москва

1. Shaytan А. К., 1.anov V. A., Shaitan К. Y. Khokhlov A. R. Free energy profiles of amino acid side chain analogs near water-vapor interface obtained via MD simulations // J. Сотр. Chem. 2010. Vol. 31, no. 1. Pp. 204-216.

2. Shaytan A. K., Khokhlov A. R., Khalatur P. G. Large-scale atomistic simulation of a nanosized fibril formed by thiophene-peptide "molecular chimeras" // опубликовано электронно h Soft Matter. 2010. URL: http://dx.doi .org/10.1039/b918562c.

3. Шайтан К. В., Турлей Е. В., Шайтан А. К. и др. Динамичекспй молекз'лярный дизайн био- и наноструктур // Российский Химический Журнал. 2006. Т. L. № 2. С. 53-65.

4. Шайтан К. В., Турлей Е. В., Шайтан А. К. и др. Неравновесная молекулярная динамика наноструктур, включая биологические // Химическая Физика. 2006. Т. 25,9. С. 31-48.

5. Шайтан К. В., Турлей Е. В., Шайтан А. К. и др. Молекулярная динамика и дизайн био- и наноструктур // Вестник биотехнологии. 2005. Т. 1. С. 66-78.

6. Шайтан А. К. Динамика аминокислотных остатков на интерфейсе вода-мембрана // Сборник тезисов, VIII Конференция студентов и аспирантов Учебно-научный центр по химии и физике полимеров и тонких органических плёнок, Моск. Обл., Россия. 2004. С. 84.

7. Шайтан А. К. Динамика аминокислотных остатков на интерфейсе вода-мембрана // Сборник тезисов, Системная биология и Бионнжеиерия: международная школа-конференция молодых учёных, Моск. Обл., Россия. 2005. С. 72.

8. Шайтан А. К. Динамика аминокислотных остатков на интерфейсе вода-гексан // Сборник тезисов, Малый полимерный конгресс, Москва, Россия. 2005. С. 136.

9. Shaytan А. К., Khokhlov A. R., Ivanov V. A. MD Simulations of Liquid-Liquid Interface of Aminoacid Solutions // Сборник тезисов, Европейский Полимерный Конгресс 2005, Москва, Россия. 2005. Р. 212.

10. Shaytan А. К., Khokhlov A. R. Conformational Statistics of Amino Acids in Proteins based on their Solvent Accessible Surface Area // Book of Abstracts, 3rd STIPOMAT Conference, Les Diablerets, Switzerland. 2007.

11. Shaytan A. K. Selfassembly Simulations of Bioinspired Hybrid Systems Based on Olig-othiophenes and Peptides // Сборник тезисов, Первая международная летная школа -Нано2009. Наноматериалы и нанотехпологии в живых системах, Моск. Обл., Россия. 2007.

12. Bogusli V., Sokolova О., Davydova L. et al. A Novel Model System for Design of Biorna-terials Based on Recombinant Analogs of Spider Silk Proteins //J. Neuroimm. Pharm. 2009. Vol. 4, no. 1. Pp. 17-27.

13. Nelson D. L., Cox M. M. Lehninger Principles of Biochemistry. Oxford, UK: Freeman, W.H. and Company, 2008.

14. Финекльштейн А. В., Птицын О. Б. Физика белка. Книжный Дом Университет, 2005.

15. URL: http://www.wwpdb.org.

16. Finkelstein A. V. Badretdinov A. Y., Gutin A. M. Why do protein architectures have boltz-mann-like statistics? // Proteins: Struct., Funct., Genet. 1995. Vol. 23, no. 2. Pp. 142-150.

17. Derrida B. Random-energy model: An exactly solvable model of disordered systems /, Phys. Rev. B. 1981. Vol. 24, no. 5. Pp. 2613-2626.

18. Finkelstein A. V., Gutin A. M., Azat. Perfect temperature for protein structure prediction and folding // Proteins: Struct., Funct. Genet. 1995. Vol. 23, no. 2. Pp. 151-162.

19. Thomas P. D., Dill K. A. Statistical potentials extracted from protein structures: how accurate are they? // J. Mol. Biol. 1996. Vol. 257, no. 2. Pp. 457-469.

20. Fandrich M. On the structural definition of amyloid fibrils and other polypeptide aggregates j' Cell. Mol. Life Sci. 2007. Vol. 64, no. 16. Pp. 2066-2078.

21. Nelson R., Sawaya M. R., Balbirnie M. et al. Structure of the cross-/? spine of amyloid-like fibrils // Nature. 2005. Vol. 435, no. 7043. Pp. 773-778.

22. Aggeli A., Nyrkova I. A., Bell M. et al. Hierarchical self-assembly of chiral rod-like molecules as a model for peptide 5-sheet tapes, ribbons, fibrils, and fibers // Proc. Nat. Acad. Sci. USA. 2001. Vol. 98, no. 21. Pp. 11857-11862.

23. Gauthier M. A., Klok H.-A. Peptide/protein-polymer conjugates: synthetic strategies and design concepts // Chein. Cominun. 2008. no. 23. Pp. 2591-2611.

24. Borner H. G. Strategies exploiting functions and self-assembly properties of bioconjugates for polymer and materials sciences // Progr. Polym. Sci. 2009. Vol. 34, no. 9. Pp. 811-851.

25. Borner H. G. Functional Polymer-Bioconjugates as Molecular LEGO Bricks // Macromol. Chem. Phys. 2007. Vol. 208, no. 2. Pp. 124-130.

26. Hentschel J., Borner H. G. Peptide-Directed Microstructure Formation of Polymers in Organic Media // J. Am. Chem. Soe. 2006. Vol. 128, no. 43. Pp. 14142-14149.

27. Borner H. G., Schlaad H. Bioinspired functional block copolymers // Soft Matter. 2007. Vol. 3, no. 4. Pp. 394-408.

28. Vandenneulen G. W. M., Klok H.-A. Peptide/Protein Hybrid Materials: Enhanced Control of Structure and Improved Performance through Conjugation of Biological and Synthetic Polymers // Macromol. Biosci. 2004. Vol. 4, no. 4. Pp. 383-398.

29. Lutz J. Borner H. Modern trends in polymer bioconjugates design // Progr. Polym. Sci. 2008. Vol. 33, no. 1. Pp. 1-39.

30. Borner H. G., Smarsly В. M., Hentschel J. et al. Organization of Self-Assembled Peptide-Polymer Nanofibers in Solution // Macroinoleeules. 2008. Vol. 41, no. 4. Pp. 1430-1437.

31. Diegelmann S. R., Gorliam J. M., Tovar J. D. One-Dimensional Optoelectronic Nanostruc-tures Derived from the Aqueous Self-Assembly of 7r-Conjugated Oligopeptides // J Am Chem Soc. 2008. Vol. 130, no. 12. Pp. 13840-13841.

32. Hamley I. W., Ansari I. A., Castelletto V. et al. Solution Self-Assembly of Hybrid Block Copolymers Containing Poly(ethylene glycol) and Amphiphilic /З-Strand Peptide Sequences // Biomacromolecules. 2005. Vol. 6, no. 3. Pp. 1310-1315.

33. Schopf G. Kobmehl G. Polythiophenes Electrically Conductive Polymers // 1997. Springer, 1997. Vol. 129.

34. Garten F., Vrijmoeth J., Schlatmann A. et al. Light-emitting diodes based on polythio-phene: influence of the metal workfunction on rectification properties // Synthetic Metals. 1996. Vol. 76, no. 1-3. Pp. 85-89.

35. Choi M., Kim Y., Ha C. Polymers for flexible displays: From material selection to device applications // Progr. Polym. Sci. 2008. Vol. 33, no. 6. Pp. 581-630.

36. Cai W., Gong X. Cao Y. Polymer solar cells: Recent development and possible routes for improvement in the performance // Solar Energy Mat. Solar Cells. 2010. Vol. 94. no. 2. Pp. 114-127.

37. Lange U., Roznyatovskava N. Mirsky V. Conducting polymers in chemical sensors and arrays // Analyt. Chim. Acta. 2008. Vol. 614, no. 1. Pp. 1-26.

38. Mcquade D. Т., Pullen A. E., Swager Т. M. Conjugated Polymer-Based Chemical Sensors // Chem Rev. 2000. Vol. 100, no. 7. Pp. 2537-2574.

39. Widge A. S., Jeffries-El AL. Cui X. et al. Self-assembled monolayers of polythiophene conductive polymers improve biocompatibility and electrical impedance of neural electrodes /'/ Biosensors and Bioelectronics. 2007. Vol. 22. no. 8. Pp. 1723-1732.

40. Sirringhaus H., Brown P. J., Friend R. H. et al. Two-dimensional charge transport in self-organized, high-mobility conjugated polymers // Nature. 1999. Vol. 401, no. 6754. Pp. 685-688.

41. Klok H.-A., Rosier A., Gotz G. et al. Synthesis of a silk-inspired peptide-oligothiophene corrpigate // Org. Biomol. Chein. 2004. Vol. 2, no. 24. Pp. 3541-3544.

42. Schillinger E.-K., Mena-Osteritz E., Hentschel J. et al. Oligothiopliene Versus /3-Sheet Peptide: Synthesis and Self-Assembly of an Organic Semiconductor-Peptide Hybrid // Adv Mat. 2009. Vol. 21, no. 16. Pp. 1562-1567.

43. Mouffouk F., Brown S. J., Demetriou A. Al. et al. Electrosynthesis and characterization of biotin-functionalized poly(terthiophene) copolymers, and their response to avidin //J. Mater. Chem. 2005. Vol. 15, no. 11. Pp. 1186-1196.

44. Jatsch A., Kopyshev A., Mena-Osteritz E., Bauerle P. Self-Organizing Oligothiophene-Nu-cleoside Conjugates: Versatile Synthesis via " Click'-Chemistry , / Org Lett. 2008. Vol. 10, no. 5. Pp. 961-964.

45. Bauerle P., Ernge A. Specific Recognition of Nucleobase-Functionalized Polythiophenes // Adv Mat. 1998. Vol. 10. no. 4. Pp. 324-330.

46. Mucci A., Parenti l7. Schenetti L. A Self-Assembling Polythiophene Functionalised with a Cysteine Moiety // Macromol. Rapid Comm. 2003. Vol. 24, no. 9. Pp. 547-550.

47. Ikkala O., Brinke G. Hierarchical self-assembly in polymeric complexes: Towards functional materials // Chem. Commun. 2004. no. 19. Pp. 2131-2137.

48. Gus'kova O. A., Khalatur P. G., Bauerle P., Khokhlov A. R. Silk-inspired 'molecular chimeras': Atomistic simulation of nanoarchitectures based on thiophene-peptide copolymers // Chem Phys Lett. 2008. Vol. 461, no. 1-3. Pp. 64-70.

49. Gus'kova О., Khalatur P., Khokhlov A. Molecular chimeras: New strategies in the design of functional materials / ' Nanotechnologies in Russia. 2008. Vol. 3, no. 7. Pp. 481-493.

50. Frenkel D., Smit B. Understanding molecular simulation. Academic Press, 2002.

51. Hoover W. Time Reversibility, Computer Simulation, and Chaos. World Scientific. 2001.

52. Jorgensen W. L., Tirado-Rives J. The OPLS Force Field for Proteins. Energy Minimizations for Crystals of Cyclic Peptides and Crambin. //J. Am. Chem. Soc. 1988. Vol. 110. Pp. 1657-1666.

53. Jorgensen W. L., Maxwell D. S., Tirado-Rives J. Development and Testing of the OPLS All-Atom Force Field on Conformational Energetics and Properties of Organic Liquids // J. Am. Chem. Soc. 1996. Vol. 118, no. 45. Pp. 11225-11236.

54. Sun H. Force field for computation of conformational energies, structures, and vibrational frequencies of aromatic polyesters // ,Т. Сотр. Chem. 1994. Vol. 15. 110. 7. Pp. 752-768.

55. Jarzynski C. Nonequilibrium equality for free energy differences // Phys Rev Lett. 1997. Vol. 78. Pp. 2690-2693.

56. Crooks G. E. Path-ensemble averages in systems driven far from equilibrium // Phys. Rev. E. 2000. Vol. 61. Pp. 2361-2366.

57. Shirts M. R., Bair E., Hooker G., Pande V. S. Equilibrium Free Energies from Nonequilibrium Measurements Using Maximum-Likelihood Methods // Phys. Rev. Lett. 2003. Vol. 91. Pp. 140601-140601-4.

58. Lee В., Richards F. M. The interpretation of protein structures: estimation of static accessibility. //J. Mol. Biol. 1971. Vol. 55, no. 3. Pp. 379-400.

59. Connolly M. L. Analytical molecular surface calculation // J. App. Cryst. 1983. Vol. 16, no. 5. Pp. 548-558.

60. Benjamin I. Molecular Structure and Dynamics at Liquid-Liquid Interfaces // Annu. Rev. Phys. Chem. 1997. Vol. 48. Pp. 407-451.

61. Pratt L. R., Pohorille A. Hydrophobic Effects and Modeling of Biophysical Aqueous Solution Interfaces // Chem. Rev. 2002. Vol. 102, no. 8. Pp. 2671-2692.

62. Cliipot C., Pearlman D. A. Free Energy Calculations. The Long and Winding Gilded Road // Molecular Simulation. 2002. Vol. 28, no. 1. Pp. 1-12.

63. Maccallum J. L., Tieleman P. D. Calculation of the water-cyclohexane transfer free energies of neutral amino acid side-chain analogs using the OPLS all-atom force field // J. Comput,. Chem. 2003. Vol. 24, no. 15. Pp. 1930-1935.

64. Villa A., Mark A. E. Calculation of the free energy of solvation for neutral analogs of amino acid side chains // .1. Comput. Chem. 2002. Vol. 23, no. 5. Pp. 548-553.

65. Shirts M. R, Pande V. S. Comparison of efficiency and bias of free energies computed by exponential averaging, the Bennett acceptance ratio, and thermodynamic integration // J. Chem. Pliys. 2005. Vol. 122, no. 14. P. 144107.

66. Ytreberg M. F., Swendsen R. H., Zuckennan D. M. Comparison of free energy methods for molecular systems // J. Chem. Phys. 2006. Vol. 125, no. 18. Pp. 184114-184124.

67. Hess В., Vandervegt N. F. A. Hydration Thermodynamic Properties of Amino Acid Analogues: A Systematic Comparison of Biomolecular Force Fields and Water Models '/ J. Phys. Chem. B. 2006. Vol. 110, no. 35. Pp. 17616-17626.

68. Mobley D. L., Dumont E., Chodera J. D. Dill K. A. Comparison of Charge Models for Fixed-Charge Force Fields: Small-Molecule Hydration Free Energies in Explicit Solvent // J. Phys. Chem. B. 2007. Vol. Ill, no. 9. Pp. 2242-2254.

69. Shirts M. R., Pande V. S. Solvation free energies of amino acid side chain analogs for common molecular mechanics water models j j J. Chem. Phys. 2005. Vol. 122, no. 13. P. 134508.

70. Shirts M. R., Bair E., Hooker G. Pande V. S. Equilibrium Free Energies from Nonequilib-rium Measurements Using Maximum-Likelihood Methods // Phys Rev Lett. 2003. Vol. 91, no. 14. Pp. 140601-140604.

71. Jorgensen W. L., Maxwell D. S., Rives T. J. Development and Testing of the OPLS All-Atom Force Field on Conformational Energetics and Properties of Organic Liquids // J. Am. Chem. Soc. 1996. Vol. 118. no. 45. Pp. 11225-11236.

72. Berendsen H. J. C., Postrna J. P. M., van Gunsteren W. F. et al. Untitled // Intermolecular Forces, Ed. by A. Wilkinson, P. Weiner, W. F. van Gunsteren. Reidel, Dordrecht, 1981. Vol. 3. P. 331.

73. Van Der Spoel D., Lindalil E„ Hess B. et al. GROMACS: fast, flexible, and free. // J. Comput. Chem. 2005. Vol. 26, no. 16. Pp. 1701-1718.

74. Rvckaert J.-P., Ciccotti G., Berendsen H. J. Numerical integration of the cartesian equations of motion of a system with constraints: molecular dynamics of n-alkanes //J. Comput. Phys. 1977. Vol. 23. no. 3. Pp. 327-341.

75. Bennett С. H. Efficient estimation of free energy differences from Monte Carlo data // J. Comput. Phys. 1976. Vol. 22, no. 2. Pp. 245-268.

76. Frenkel D. Smith B. Aceptance ratio method // Understanding Molecular Simulation. Academic Press, 2002. P. 189.87. van Gunsteren W. F., Berendsen H. J. C. A leap-frog algorithm for stochastic dynamics /, Mol. Sim. 1988. Vol. 1. Pp. 173-185.

77. Hess В. Bekker H., Berendsen H. J. C., Fraaije J. G. E. M. LINCS: A linear constraint solver for molecular simulations // J. Comput. Chem. 1997. Vol. 18. no. 12. Pp. 1463-1472.

78. Miyamoto S., Kollman P. A. Settle: An analytical version of the SHAKE and RATTLE algorithm for rigid water models // J. Comput. Chem. 1992. Vol. 13, no. 8. Pp. 952-962.

79. Parrinello M., Rahman A. Polymorphic transitions in single crystals: A new molecular dynamics method // J. Appl. Phys. 1981. Vol. 52, no. 12. Pp. 7182-7190.

80. Darden Т., York D., Pedersen L. Particle mesh Ewald: An N center-dot. log(N) method for Ewald sums in large systems // J. Chem. Phys. 1993. Vol. 98, no. 12. Pp. 10089-10092.

81. Essmann U., Perera L., Berkowitz M. L. et al. A smooth particle mesh Ewald method / 7 Л. Chem. Phys. 1995. Vol. 103, no. 19. Pp. 8577 8593.

82. Handbook of Chemistry and Physics. CRC, Boca Raton, FL, 1986.

83. Chen F., Smith P. E. Simulated surface tensions of common water models //J. Chem. Phys. 2007. Vol. 126, no. 22. P. 221101.

84. Radzicka A. Wolfenden R. Comparing the polarities of the amino acids: side-chain distribution coefficients between the vapor phase, cyclohexane, 1-octanol, and neutral aqueous solution // Biochemistry. 1988. Vol. 27, no. 5. Pp. 1664-1670.

85. Bull В. H., Breese K. Surface Tension of Amino Acid Solutions: A Ilydrophobicity Scale of the Amino Acid Residues // Arch. Biochem. Biophys. 1974. Vol. 161. Pp. 665-670.

86. Li Z. X., Lu J. R., Styrkas D. A. et al. The structure of the surface of ethanol/water mixtures // Mol. Phys. 1993. Vol. 80, no. 4. Pp. 925-939.

87. Kipling J. J. // J. Coll. Interf. Sci. 1963. Vol. 18. P. 502.

88. Donaldson D. J., Anderson D. Adsorption of Atmospheric Gases at the Ail-Water Interface. 2. C1-C4 Alcohols, Acids, and Acetone // J. Phys. Chem. A. 1999. Vol. 103, no. 7. Pp. 871-876.

89. Okhapkin I., Askadskii A., Markov V. et al. Two-dimensional classification of amphiphilic monomers based on interfacial and partitioning properties. 2. Amino acids and amino acid residues // Colloid Polym. Sci. 2006. Vol. 284, no. 6. Pp. 575-585.

90. Oostenbrink C., Villa A., Mark A. E., Van Gunsteren W. F. A biomolecular force field based on the free enthalpy of hydration and solvation: The GROMOS force-field parameter sets 53A5 and 53A6 // Л. Сотр. Chem. 2004. Vol. 25, no. 13. Pp. 1656-1676.

91. Bieri O., Kiefhaber T. Kinetic models in protein folding // Mechanisms in Protein Folding, Ed. by R. H. Pain. Oxford, UK: Oxford University Press, 2000.

92. Kamtekar S. Schiffer J. M., Xiong H. et al. Protein Design by Binary Patterning of Polar and Nonpolar Amino Acids // Science. 1993. Vol. 262, no. 5140. Pp. 1680-1685.

93. Desjarlais J. R., Handel Т. M. De novo design of the hydrophobic cores of proteins. // Protein Sci. 1995. Vol. 4, no. 10. Pp. 2006-2018.

94. Khokhlov A. R., Khalatur P. G. Conformation-Dependent Sequence Design (Engineering) of AB Copolymers // Phys. Rev. Lett. 1999. Vol. 82, no. 17. Pp. 3456-3459.

95. Cliothia C. Hydrophobic bonding and accessible surface area in proteins // Nature. 1976. Vol. 248. no. 5446. Pp. 338-339.

96. Wolfenden R., Andersson L., Cullis P. M., Southgate С. C. Affinities of amino acid side chains for solvent water. // Biochemistry. 1981. Vol. 20, no. 4. Pp. 849-855.

97. Guy H. R. Amino acid side-chain partition energies and distribution of residues in soluble proteins. // Biophys. J. 1985. Vol. 47, no. 1. Pp. 61-70.

98. Rose G. D. Geselowitz A. R. Lesser G. J. et al. Hydrophobicity of amino acid residues in globular proteins // Science. 1985. Vol. 229, no. 4716. Pp. 834-838.

99. Miller S., Janin J. Lesk A. M., Chothia C. Interior and surface of inonorneric proteins // J. Mol. Biol. 1987. Vol. 196, no. 3. Pp. 641-656.

100. Lawrence C., Auger I., Mannella C. Distribution of accessible surfaces of amino acids in globular pi oteins. // Proteins. 1987. Vol. 2, no. 2. Pp. 153-161.

101. Janin J., Miller S., Chothia C. Surface, subunit interfaces and interior of oligomeric proteins. // J. Mol. Biol. 1988. Vol. 204, no. 1. Pp. 155-164.

102. Samanta U., Bahadur R. P., Chakrabarti P. Quantifying the accessible surface area of protein residues in their local environment // Protein Eng., Des. Sel. 2002. Vol. 15, no. 8. Pp. 659-667.

103. Wolfenden R. Experimental Measures of Amino Acid Hydrophobicity and the Topology of Transmembrane and Globular Proteins //J. Gen. Physiol. 2007. Vol. 129, no. 5. Pp. 357-362.

104. Polil F. M. Empirical protein energy maps. // Nat. New Biol. 1971. Vol. 234, no. 52. Pp. 277-279.

105. Nozaki Y., Tanford C. The Solubility of Amino Acids and Tvvo Glycine Peptides in Aqueous Ethanol and Dioxane Solutions. Establishment of a Hydrophobicity Scale. //J. Biol. Chem. 1971. Vol. 246, no. 7. Pp. 2211-2217.

106. Fauchere J. L. Pliska V. Octanol-to-water solvation free energies of acetyl amino amides (Ac-X-amides) ', Eur. J. Med. Cliem. Chim. Ther. 1983. Vol. 18. P. 369.

107. Wimley W. C., Creamer T. P., White S. H. Solvation energies of amino acid side chains and backbone in a family of host-guest pentapeptides. // Biochemistry. 1996. Vol. 35, no. 16. Pp. 5109-5124.

108. URL: ftp://ftp.ncbi.nih.gov/mmdb/nrtable/nrpdb.061207.

109. Altschul S. F., Gish W., Miller W. et al. Basic local alignment search tool. // J. Mol. Biol.1990. Vol. 215, no. 3. Pp. 403-410.

110. Hubbard S. J., Thornton J. M. 'NACCESS', Computer Program. Department of Biochemistry and Molecular Biology, University College London, 1993.

111. Hubbard S. J., Campbell S. F., Thornton J. M. Molecular recognition : Conformational analysis of limited proteolytic sites and serine proteinase protein inhibitors // J. Mol. Biol.1991. Vol. 220, no. 2. Pp. 507-530.

112. Prabhakaran M., Ponnuswamy P. Spatial assignment of amino acid residues in globular proteins: An approach from information theory //J. Theor. Biol. 1980. Vol. 87, no. 4. Pp. 623-637.

113. Schillinger E.-K. Mena-Osteritz E. Bauerle P. Синтез диблок олигомера из ;шкилированного тетратиофена и пептидной последовательности Thr-Val.3 // не опубликовано.

114. Peng Z., Ewig С. S., Hwang M.-J. et al. Derivation of Class II Force Fields. 4. van der Waals Parameters of Alkali Metal Cations and Halide Anions //J. Phys. Chem. A. 1997. Vol. 101, no. 39. Pp. 7243-7252.

115. Grimme S. Do Special Noncovalent pi-pi Stacking Interactions Really Exist? // Ang. Chem. Int. Ed. 2008. Vol. 47, no. 18. Pp. 3430-3434.

116. Plimpton S. Fast Parallel Algorithms for Short-Range Molecular Dynamics // J Comp Phys. 1995. Vol. 117, no. 1. Pp. 1-19.

117. Luhrs Т., Ritter C., Adrian M. et al. 3D structure of Alzheimer's amyloid-beta(l-42) fibrils // Proc. Nat. Acad. Sci. USA. 2005. Vol. 102, no. 48. Pp. 17342-17347.

118. Frishman D., Argos P. Knowledge-based protein secondary structure assignment // Proteins: Struct. Funct. Genet. 1995. Vol. 23, no. 4. Pp. 566-579.

119. Tsuzuki S., Honda K. Azumi R. Model Chemistry Calculations of Thiophene Dimer Interactions: Origin of ?-Stacking // Л. Am. Chem. Soc. 2002. Vol. 124, no. 41. Pp. 12200-12209.

120. Stone D. A. Hsu L., Stupp S. I. Self-assembling quinquethiophene-oligopeptide hydroge-lators // Soft Matter. 2009. Vol. 5. no. 10. Pp. 1990-1993.

121. Ландау JI. Д., Лившиц Е. М. Теоретическая физика, т.5 Статистическая физика. §87-91, Теория слабых растворов. Москва: Физматлит, 1995.

122. Ben-Naim A., Marcus Y. Solvation thermodynamics of nonionic solutes / J Chem Phys. 1984. Vol. 81. Pp. 2016-2027.

123. Shirts M., Pietra J., Swope W., Pande V. Extremely precise free energy calculations of amino acid side chain analogs: Comparison of common molecular mechanics force fields for proteins // J Chem Phys. 2003. Vol. 119. Pp. 5740-5761.

124. Gibbs J. Heterogeneous Equillibrium. 1875.

125. Jaynes E. The Gibbs Paradox // Maximum Entropy and Bayesian Methods Ed. by C. Smith, G. Erickson, P. Neudorfer. Kluwert Academic Publishers, Dordrecht, Holland, 1992. Pp. 1-22.

126. Buff F. P., Lovett R. A. Stillinger F. H. Interfacial Density Profile for Fluids in the Critical Region // Phys. Rev. Lett. 1965. Vol. 15, no. 15. Pp. 621-623.

127. Penfold J. The structure of the surface of pure liquids // Rep. Prog. Phys. 2001. Vol. 64, no. 7. Pp. 777-814.

128. Senapati S., Berkowitz M. L. Computer Simulation Study of the Interface Width of the Liquid/Liquid Interface // Phys. Rev. Lett. 2001. Vol. 87, no. 17. P. 176101.

129. Rivera J. L., Starr F. W., Paricaud P., Cummings P. T. Polarizable contributions to the surface tension of liquid water // Л. Chem. Phys. 2006. Vol. 125, no. 9. Pp. 094712-094712-8.

130. Robert M. Absence of Phase Separation for Fluids in Three Dimensions // Pliys. Rev. Lett. 1985. Vol. 54, no. 5. Pp. 444-446.

131. Landau L. D., Lifshitz E. M., Pitaevskii L. P. Theoretical Physics: Mechanics. 3rd edition. Oxford : Butterworth-Heinemann, 2001.

132. Mcquarrie D. A. Statistical mechanics. Sausalito, California: University Science Books, 2000.

133. Kirkwood J. G. Statistical Mechanics of Fluid Mixtures // J. Chem. Phys. 1935. Vol. 3, no. 5. Pp. 300-313.

134. Adamson A. \Y. Physical Chemistry of Surfaces. 5 edition. Wiley- Interscienee: New York, 1990.