Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Компьютерное моделирование структуры связанной воды

ВАК РФ 03.00.02, Биофизика

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Соловей, Алексей Борисович

Введение

Глава 1. Обзор литературы 6 Структура и функция жидкой воды в макромолекулярных клеточных ансамблях

Молекула воды

Значение термина «структура», применяемого к жидкой воде

Экспериментальные методы исследования структуры воды

Водородные связи в жидкой воде

Расчет кластеров из небольшого числа молекул воды

Молекулярно-динамическое моделирование жидкой воды

Модели структуры жидкой воды

Модель Н.А. Бульенкова жидкой и связанной воды

Глава 2. Алгоритмы построения структур "th-циклов" в модели II А. Бульенкова

Метод моделирования

Общая характеристика структур "th-циклов".

Искажение структур

Алгоритмы модульного дизайна "th-циклов"

Построение искаженных структур

Построение неискаженных структур

Построение спиралей

Построение комбинаторных структур

Алгоритм случайного присоединения димеров

Построение фрактальных "th-циклов" 60 Распределения внутренних параметров во фрактальных структурах

Алгоритм диспирационного преобразования для построения "th-циклов"

Глава З.Комплементарность структур "th-циклов" структурам моносахаридов

Глава 4.Алгоритм редукции параметров "th-циклов". Построение "Т-циклов"

Глава 5.Радиальная функция goo(r) воды и бифуркатная связь. Возможность волн структурных перестроек в "th-цикле" спираль 30ц

Интерпретация промежуточного максимума радиальной функции

Волны структурных перестроек в спирали 30| i

Введение Диссертация по биологии, на тему "Компьютерное моделирование структуры связанной воды"

Структура жидкой воды обсуждается уже много десятилетий. К настоящему времени установлено, что электронная структура атома кислорода воды обладает тетраэдрической симметрией и валентный угол НОН молекулы в газовой фазе несколько меньше идеального тетраэдрического. Благодаря этой симметрии, молекулы воды могут образовывать от одной до четырех водородных связей, вследствие чего в жидкой воде возможно образование дефектной непрерывной сетки водородных связей. Долгое время одной из популярных моделей была двуструктурная модель, которая приобрела множество модификаций, но ее суть сводилась к описанию жидкого состояния как аддитивной смеси льдоподобной структуры и несвязанных одиночных молекул воды. Такая модель достаточно хорошо описывала термодинамические свойства жидкой воды в широком интервале температур. Аналогичный подход доминировал и в описании связанной воды в биологических системах, которой приписывали свойства льда-Ih. Полиморфизм кристаллических форм льда подсказывал возможность многообразия структур связанной воды, но они не рассматривались, как структуры, существующие в области очень высоких давлений.

Принципиальный шаг был сделан при отходе от кристаллических структур к рассмотрению параметрических структур обобщенной кристаллографии с использованием модульных представлений. Такие параметрические водные структуры должны играть ведущую роль в самоорганизации пространственных структур биологических систем разных уровней иерархии, обладая основными структурными свойствами биосистем. Вода даже в лабораторных условиях представляет собой раствор, содержащий значительное количество газов, изотопы водорода и кислорода, ионы, другие примеси органического и неорганического происхождения. Переходные процессы, регистрируемые физическими методами в дистиллированной воде, характеризуются большими, немолекулярными временами (часы и даже сутки). Аналогичные переходные процессы в разбавленных растворах дают основание предполагать, что параметрические структуры связанной воды могут существовать и в них. Знание модульных структур и принципов их сборки позволяет создать модульный дизайн, требующий компьютерных технологий.

Цель работы.

Разработка метода компьютерного моделирования структур связанной воды, реализация алгоритмов их построения с целью получения новых данных о топологии и физических свойствах сетки водородных связей в жидкой и связанной воде.

Научная новизна работы.

Впервые разработан метод компьютерного моделирования параметрических структур связанной воды на основе модели Н. А. Бульенкова.

Впервые предложено новое объяснение максимума 0,37 нм на радиальной функции распределения атомов кислорода в жидкой воде goo(r) на основе топологической модели сетки водородных связей. Исследование «коллапса» второй координационной сферы молекулы жидкой воды показало возможность существования устойчивой бнфуркатной структуры в жидкой воде, соответствующей максимуму функции goo(r) при г=0,37 нм.

Показано, что структуры ряда моносахаридов соответствуют параметрическим структурам связанной воды ("th-циклам"). Установлена корреляция между этим соответствием и растворимостью. Такая корреляция отсутствует при рассмотрении структур моносахаридов, вписанных в структуры льда-Ih.

Впервые построены фрактальные "th-циклы", содержащие более 10000 тетраэдрических частиц. На распределении их валентных углов показано наличие максимума в области 104,5°, соответствующего валентному углу молекулы воды в газовой фазе.

Паучно-практическос значение работы.

Разработанный в диссертации метод и полученные данные дают новую фундаментальную информацию о структуре связанной воды и дают возможность получения новой информации о структуре и физико-химических свойствах воды, связанной с биологически важными молекулами. Разработанные алгоритмы построения параметрических структур могут быть использованы для изучения трехмерных структур биологически важных макромолекул.

Положения, выносимые на защиту.

Возможность построения параметрических тетраэдрических структур, обладающих некристаллографичесими порядками осевой симметрии.

Появление максимума на распределении валентных углов во фрактальных "th-циклах" содержащих более 10000 тетраэдрических частиц, соответствующего валентному углу молекулы воды (104,5°)

Соответствие "th-циклов" структурам ряда моносахаридов.

Объяснение максимума 0,37 нм на радиальной функции goo(r) жидкой воды.

Возможность существования волн структурных перестроек в спирали 30л.

Редукция параметров в модели связанной воды.

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, 1 работа принята в печать.

Краткое содержание диссертации по главам.

Заключение Диссертация по теме "Биофизика", Соловей, Алексей Борисович

Выводы

1. Предложен метод компьютерного моделирования структур связашюй воды в рамках параметрической модели связанной воды Н.А. Бульенкова. Алгоритм модульного дизайна и диспирационное преобразование реализованы на примере фрагмента кристаллической структуры льда-Ih. Предложены алгоритмы получения "t-h - циклов" методом случайного присоединения димеров к некоторой начальной структуре.

2. При использовании алгоритмов модульного дизайна получены протяженные тетераэдрические спирали, обладающие некристаллографическими порядками осевой симметрии (7г, 111)

3. Впервые построены фрактальные структуры в рамках исследуемой модели, содержащие более 10000 тетраэдрических частиц. На распределении валентных углов этих структур показано наличие максимума в области 105°, соответствующего валентному углу молекулы воды в газовой фазе

4. Показано, что структуры ряда моносахаридов соответствуют параметрическим структурам связанной воды. Установлена корреляция между этим соответствием и аномерным составом моносахаридов в растворе. Такая корреляция отсутствует при рассмотерии структур моносахаридов, вписанных в структуры льда-Ih.

5. Предложено новое объяснение максимума 0.37 нм на радиальной функции распределения атомов кислорода в жидкой воде gOO(r) на основе топологической модели сетки водородных связей. Исследование коллапса второй координационной сферы молекулы жидкой воды показало возможность существования устойчивой бифуркатной структуры в жидкой воде, соответствующей максимуму функции gOO(r) при г=0.37 нм.

6. Реализован алгоритм волн структурных перестроек в спирали 3011.

7. Предложен алгоритм редукции параметров параметрической структуры связанной воды. Построены структуры, обладающие той же симметрией, но состоящих из других структурных элементов.

Благодарности

Автор благодарит своего научного руководителя Валентина Ивановича Лобышева за постановку темы исследования, постоянное внимание к автору и работе, поддержку автора в течение всей работы и ценные обсуждения, без которых полноценное развитие данной работы было бы невозможным.

Автор благодарит Николая Александровича Бульенкова и весь коллектив лаборатории Института Физической Химии РАН за помощь в работе и дискуссии в ходе работы, в результате которых многие задачи работы были поставлены и решены

Автор выражает благодарность всему коллективу кафедры биофизики за поддержку автора в течение всего время обучения на кафедре.

Заключение

В настоящей работе предложен метод компьютерного моделирования структур связанной воды в рамках параметрической модели воды Н.А. Бульенкова. Предложены новые алгоритмы построения "th-циклов". После того, как были проанализированы геометрические и энергетические характеристики построенных "th-циклов", стало возможно предположение о существовании подобных структур, которые могут состоять из тетраэдрических частиц произвольной природы, даже таких, как насыщенный углерод в состоянии зр3-гибридизации. Построены "th-циклы", обладающие некристаллографическими порядками осевой симметрии. Существование подобных симметрий в живой природе (5,7,9,11) может свидетельствовать о том факте, что подобные симметрии могут возникать и на молекулярном уровне организации материи.

Анализ распределения валентных углов фрактальных "th-циклов" показал существование максимума, соответствующего валентному углу молекулы воды в газовой фазе.

Показано, что структуры ряда моносахаридов соответствуют "th-циклов" в большей степени, чем структуры льда-lh.

Предложено объяснение максимума 0,37 нм. на радиальной функции goo(r)-Показана возможность существования устойчивой бифуркатной структуры, соответствующей этому максимуму.

Впервые реализован алгоритм волн структурных перестроек в спирали 30ц.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата физико-математических наук, Соловей, Алексей Борисович, Москва

1. Б.Ф. Поглазов. Сборка биологических структур. Москва, «Наука», 1970.155 с.

2. J.A. Rupley, Е. Gratton, G. Careri.Water and globular proteins. Trends Biochem. Sci. 1983, 8, p. 18-22.

3. F.A. Quiocho, D.K. Wilson, N.K. Vyas. Substrate specificity and affinity of a protein modulated by bound water molecules. Nature 1989,340, pp. 404-407.

4. RP Rand. Raising water to new heights. Science 1992,256, p. 618.

5. J.T. Edsall, H.A. McKenzie. Water and proteins. II. The location and dynamics of water in protein systems and its relation to their stability and properties. Adv. Biophys.1983, 1,6 pp. 53-183.

6. I.D. Kuntz, W. Kauzmann. Hydration of proteins and polypeptides. Adv. Prot. Chem. 1974,28, pp. 239-345.

7. R Pethig. Protein-water interactions determined by dielectric methods. Annu. Rev. Phys. Chem. 1992,43, pp. 177-205.

8. S. Leikin, V.A. Parsegian, W.-H. Yang, G.E. Walrafen. Raman spectral evidence for hydration forces between collagen triple helices. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1997,94, pp. 11312-11317.

9. M. Sunnerhagen, V.P. Denisov, K. Venu, A.M. Bonvin, J. Carey, B. Halle. Water molecules in DNA recognition. I. Hydration lifetimes of trp operator DNA in solution measured by NMR spectroscopy. J. Mol. Biol. 1998,282, pp. 847-858.

10. B. Sclavi, M. Sullivan, MR. Chance, M. Brenowitz, S.A. Woodson. RNA folding at millisecond intervals by synchrotron hydroxyl radical footprinting. Science 1998,279, pp. 1940-1943.

11. J.M. Sorenson, T. Head-Gordon. The importance of hydration for the kinetics and thermodynamics of protein folding: simplified lattice models. Fold. Des. 1998,3 pp. 523534.

12. T. Xu, T.A. Cross. Water: foldase activity in catalyzing polypeptide conformational rearrangements. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1999,96, pp. 9057-9061.

13. P. Csermely. Water and cellular folding processes. Cellular and Molecular Biology, 47(5), 2001, pp 1-10.

14. Д. Эйзенберг, В. Кауцман. Структура и свойства воды. Л. Гидрометеоиздат, 1972.

15. Химическая энциклопедия. Издательство «Большая российская энциклопедия», Москва, 1998.

16. Ю.Г. Бушуев. А.К. Лященко. Топологические свойства сеток водородных связей. Ж. физ. хим., 1996, том 70, № 3, с.416-421.

17. Ю.Г. Бушуев, А.К. Лященко. Кластеры, циклы и полиэдры в воде и растворах по данным компьютерного эксперимента. Ж. физ. хим., 1994, том 68, № 3> с.525-532.

18. B.C. Дуняшев, Ю.Г. Бушуев, А.К. Лященко. Моделирование структуры воды методом Монте-Карло (потенциал 3D). Ж. физ. хим., 1996, том 70, № 3, с. 422-428.

19. G.G. Malenkov. Comuter simulations of supercooled water and amorphous ices. V.V. Brazhkin et al. (eds.) New Kinds of Phase Transitions: Transformations in Disordered Substances, 2002, pp 423-435.

20. A.K. Soper. The radial distribution function of water and ice from 220 to 673 К and at pressures up to 400 MPa. Chemical Physics, 258, (2000), pp 121-137.

21. A. K. Soper. Structures of high-density and low-density water. Physical Review Letters. Vol. 84, Number 13,2000, pp 2881-2884.

22. Ю.Г. Бушуев. Структурные свойства жидкостей с различными типами межмолекулярных взаимодействие по данным компьютерного моделирования. Диссертация на соискание степени доктора химических наук. Иваново 2001.

23. Д. А. Сироткин. Механизм подвижности молекул жидкой воды по данным раман-спектроскопии. Диссертация на соискание степени кандидата химических наук. Москва, 2005 г.

24. В.П. Волошин, H.H. Медведев, Ю.И. Наберухин, А. Гайгер, М. Клене. Радиальные функции распределения атомов и пустот в больших компьютерных моделях воды. Журн. структ. химии, т.46,№3, с.451-458,2005.

25. ЮЛ. Ефимов. Ю.И. Наберухин. Обоснование непрерывной модели строения жидкой воды посредством анализа температурной зависимости колебательных спектров. Журн. структ. химии. 1980. Т. 21, N 3 с 95-99

26. L. Bosio, S.-H. Chen, J. Teixeira. Isochoric temperature differential of the x-ray structure factor and structural rearrangements in low-temperature heavy water. Physical Review A, Vol. 27, Number 3,1983, pp 1468-1475.

27. А.Н. Narten, W.E. Thiessen, L. Blum. Atom pair distribution functions of liquid water at 25°C from neutron diffraction. Science, Vol. 217, 1982, pp. 1033-1034

28. AH. Narten, M.D. Danford, H.A Levy. X-Ray diffraction study of liquid water in the temperature range 4-200°C Faraday Discuss. 1967. V.43. P.97.

29. A K. Soper and M. G. Phillips, A new determination of the structure of water at 25°C, J. Chem. Phys. 107 (1986) 47-60

30. Н.Д. Соколов. Динамика водородной связи. В сб. «Водородная связь» под ред. Н.Д. Соколова, М., Наука, 1981. с. 63-88.

31. S.S. Xantheas. Cooperative Effects in Water Clusters. In "Recent Theoretical and Experimental Advances in Hydrogen Bonded Clusters" ed. S.S. Xantheas. NATO ASI Series. Series C: Mathematical and Physical Sciences. Vol. 561. pp 119-128

32. MG.Brown, V.R.Viant and RJ.Saykally. Far Infrared Laser VRT Spectroscopy of Water Clusters. Ibid, pp 101-108.

33. A J. Stone. Universal Models of Hydrogen Bonding. Ibid, pp 25-34

34. A. D. Buckingham. The Hydrogen Bond. Ibid, pp 1-24.

35. V.l. Poltev, T.l. Grokhlina, G.G. Malenkov Hydration of nucleic acid bases studied using novel atom-atom potential functions. J. Biomolec. Struct, and Dynamics. 1984. V.2. pp .413-429.

36. Ю.Г. Бушуев, C.B. Давлетбаева. Новый потенциал межмолекулярных взаимодействий для моделирования воды и водных растворов в широкой области параметров состояния. Известия Академии наук. Серия химическая, 2004, №4, с.707-715.

37. MW. Mahoney, W.L. Jorgensen. A five-site model for liquid water and the reproduction of the density anomaly by rigid, nonpolarizable potential functions. J. Chem. Phys. Vol 112,2000, pp. 8910-8921.

38. P. Jedlovszky, M. Mezei, R. Vallauri. A molecular level explanation of the density maximum of liquid water from computer simulations with a polarizable potential model. Chem. Phys. Let., 318 (2000) pp. 155-160.

39. M Chaplin, http://www.lsbu.ac.uk/water

40. W.L. Jorgensen, С. Jenson. Temperature Dependence of TIP3P, SPC, and TIP4P Water from NPT Monte Carlo Simulations: Seeking a Temperature of Maximum Density. J. Сотр. Chem, 1998, 19, p. 1179.

41. D.C. Clary, J.K. Gregory. Simulation of Water Clusters with Rigid-Body Diffusion Monte-Carlo. Ibid, pp 187-200

42. K.S. Kim and J. Kim. Structure, Spectra and Thermodynamic Energies of the Water Dimer and Hexamer. Ibid, pp 109-118

43. A. van der Avoird and P.E.S.Wormer Tunneling Motion and Spectra of Hydrogen bonded Complexes: The Ammonia Dimer and the Water Trimer. Ibid, pp 129-154.

44. Я. Самойлов Структура водных растворов электролитов и гидратация ионов. М.:, Изд-во. АН СССР. 1976.256 с.

45. N.A. Bulienkov. The role of system-forming modular water structures in self-organization of biological systems. Journal of Molecular Liquids, 106/2-3 (2003) pp 257275.

46. H.A. Бульенков. Роль модульного дизайна в изучении процессов системной самоорганизации в биосистемах. Биофизика, том 50, вып. 5,2005, с.934-95 8

47. Б.В. Дерягин, Н.В. Чураев, В.М. Муллер. Поверхностные силы. Москва. «Наука», 1985,398 е.

48. Келли А, Гровс Г., Кристаллография и дефекты в кристаллах. Москва. «Мир», 1974,496 с.

49. П.Н. Голод, А.У. Климык. Математические основы теории симметрии. Москва-Ижевск, 2001, Регулярная и хаотическая динамика. 528 с.

50. AJ1. Талис. Построите обобщенной кристаллографии алмазоподобных структур на основе алгебраической геометрии. В сборнике «Синтез минералов». Т. 3, Александров, «ВНИИСИМС», 2000. с.321-402.

51. JL Физер, М. Физер. Органическая химия. Москва. «Химия», 1970, т.2,800 с.

52. J. Fricke. Superexpansive gels. Nature, vol. 374,30, pp. 409-410.

53. В.И. Лобышев, АБ. Соловей, RA. Бульенков. Компьютерный модульный дизайн параметрических структур воды. Биофизика, 2003, том 48, вып. 6, с.1011-1021.

54. Н.А. Бульенков. О возможной роли гидратации как ведущего интеграционного фактора в организации биосистем на разных уровнях их иерархии. Биофизика. 1991, т. 36, вып. 2., с. 181-243.

55. Y.A. Andreev, I.V. Repyakh. Quantum chemical study of self-organized water fractals. International Journal of Quantum Chemistry, Vol. 57, 1996, pp. 767-773.

56. Г.Е. Тимердинг. Золотое сечение. M, URSS,2005,86 с.

57. Н.А. Бульенков, Д.Л. Тытик. Модульный дизайн икосаэдрических металлических кластеров. Известия Академии наук. Серия химическая, 2001, №1, с.1-18.

58. V.I. Lobyshev, А.В. Solovey, N.A. Bulienkov. Computer construction of modular structures of water. J. Mol. Liq. 106/2-3 (2003) pp 277-297.

59. Клейн Ф. Лекции об икосаэдре и решении уравнений пятой степени. Москва. «Наука», 1989,336 с.

60. И.М. Соколов. Кинетика накопления и рекомбинации возбуждений во фрактальных системах. Доклады АН СССР, серия «Физика», 1989, т. 305, № 1, с. 71-74.

61. В.И. Лобышев, Б.Д. Рыжиков, Р.Э. Шихлинская. Влияние внеппшх полей и особенности релаксации водных растворов глицилтриптофана. Журнал физической химии, №10,1990, с.2817-2819.

62. В.И. Лобышев, Б.Д. Рыжиков, Р.Э. Шихлинская. Влияние внешних полей и особенности релаксации водных растворов глицилтриптофана. Журнал физической химии, №10, 1990, с.2817-2819.

63. В.И. Лобышев, Б.Д. Рыжиков, Р.Э. Шихлинская. Спонтанные и индуцированные внешними электромагнитными полями долговременные переходные процессы в разбавленных водных растворах глицилтриптофана и воде. Биофизика, 1998, том 43, вып. 4, с.710-715.

64. В.И. Лобышев, Б.Д. Рыжиков, Р.Э. Шихлинская, Т.Н. Мазурова. Собственная люминесценция воды и сильно разбавленных растворов дипептидов. Биофизика, том 39, вып. 4, с.565-570.

65. В.И. Лобышев, Б.Д. Рыжиков, Р.Э. Шихлинская. Особенности люминесценции воды, обусловленные полиморфизмом ее структур. Вестник Московского Университета. Сер. 3 Физика. Астрономия. 1995. т. 36, № 2. с.48-53.

66. Ф.Р. Черников. Влияние некоторых физических факторов на колебания светорассеяния в воде и водных растворах биополимеров. Биофизика, том 35, вып. 5,1990, с.711-714.

67. Ф.Р. Черников. Колебания интенсивности светорассеяния в водных растворах белков. Биофизика, том 31, вып. 4, 1986, с.596-600.

68. Ф.Р. Черников. Роль электронных фазовых переходов воды в биологических системах. Биофизика, том 36, вып. 5,1991, с.741-746.

69. Ф.Р. Черников. Сверхмедленные колебания светорассеяния в жидкостях разного типа. Биофизика, том 35, вып. 5,1990, с.717-721.

70. Е.М Kotsalis, J.H. Walther, P. Koumoutsakos. Multiphase water flow inside carbon nanotubes. International Journal of Multiphase Flow. 20 (2004), pp 995-1010.

71. Д. А, Сироткин. Механизм подвижности молекул жидкой воды по данным раман-спектроскопии. Диссертация на соискание степени кандидата химических наук. Москва, 2005 г.

72. Н.А Чумаевский, М.Н. Родникова. Модель вращательных переориентаций в жидкой воде Доклады академии наук. т. 364, № 5, 1999, .

73. N.A. Chumaevskii, M.N. Rodnikova. Some peculiarities of liquid water structure. J. Mol. Liq. 2003. V.106. P. 167-177.

74. Биологически активные вещества в растворах. Структура, термодинамика, реакционная способность. Под. ред. А.М. Кутепова. М., Наука, 2001,402 с.

75. A. Kovacs, MS. Szalay, P. Csermely. Water and molecular chaperones act as weak links of protein folding networks: Energy landscape and punctuated equilibrium changes point towards a game theory of proteins. FEBS Letters 579 (2005) pp.2254-2260.

76. P. Досон, Д. Эллиот, У. Элиот, К. Джонс. Справочник биохимика. Москва, «Мир», 1991,544 с.

77. F. Franks. Physical Chemistry of small carbohydrates-equilibrium solution properties. Pure. Appl. Chem. 1982. Vol. 59, pp. 1189-1202.

78. T.Richartz, J.Galle, G.Klose. Water interaction with oligo-(ethoxy)ethylene glycols. Chem. Phys. Let. 271 (1997)pp.79-83

79. H. А. Бульенков. Самоорганизующиеся триплетные структуры идеальных фракталов связанной воды с симметрией D3 и Т. Кристаллография 1990. Т. 35, № 1, с. 155.