Моделирование монослоев ненасыщенных липидов биологических мембран методом молекулярной динамики

Корнилов, Василий Вячеславович

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Моделирование монослоев ненасыщенных липидов биологических мембран методом молекулярной динамики
ВАК РФ 03.00.02, Биофизика

Автореферат диссертации по теме "Моделирование монослоев ненасыщенных липидов биологических мембран методом молекулярной динамики"

На правахрукописи

КОРНИЛОВ Василий Вячеславович

МОДЕЛИРОВАНИЕ МОНОСЛОЁВ НЕНАСЫЩЕННЫХ ЛИПИДОВ БИОЛОГИЧЕСКИХ МЕМБРАН МЕТОДОМ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ДИНАМИКИ

Специальность 03.00.02 - биофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва -2004

Работа выполнена в Институте математических проблем биологии РАН.

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук

Н.К. Балабаев

Научный консультант: кандидат физико-математических наук

АЛ. Рабинович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор К.В. Шайтан; кандидат химических наук А.С. Павлов

Ведущая организация: Институт теоретической и экспериментальной

биофизики РАН

Защита состоится 15 апреля 2004 г. в_часов на заседании Диссертационного совета

Д.501.001.96 при Московском Государственном Университете по адресу: 119992, г. Москва, Воробьёвы горы, МГУ, биологический факультет, кафедра биофизики, аудитория «новая».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке биологического факультета МГУ.

Автореферат разослан_февраля 2004 г.

Учёный секретарь

Диссертационного совета

доктор биологических наук, профессор

Т.Е. Кренделева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. За последнее время накоплен значительный материал, посвященный изучению свойств и роли ненасыщенных липидньж молекул в биологических мембранах. В определённых пропорциях такие лилиды присутствуют практически во всех видах биологических мембран, а в некоторых даже составляют основу содержания липидной матрицы. Имеются веские основания полагать, что ненасыщенные липиды различных типов играют фундаментальную роль в обеспечении нормального функционирования биологических мембран. В то же время экспериментальные данные о физических свойствах ненасыщенных и особенно полиненасыщенных липидов биомембран сравнительно немногочисленны; полное понимание механизмов воздействия ненасыщенных углеводородных цепей липидов на структуру и динамику биомембран не достигнуто. В этих условиях особое значение приобретают возможности имитационного моделирования молекулярных систем. К настоящему времени выполнено большое количество работ, посвященных моделированию динамики липидных мембран и их компонентов, однако свойства всей совокупности липидов и их функций в биологических мембранах пока ещё не установлены; особенно это актуально в отношении полиненасыщенных фосфолипидов.

Цель работы:

- анализ влияния структуры липидных молекул (степени ненасыщенности углеводородных цепей) на физические свойства образуемых ими слоев;

- изучение характерных свойств молекул ненасыщенных липидов в мембранной системе и их возможной роли в механизмах функционирования биомембран.

Для достижения этой цели требовалось решить следующие основные задачи:

- разработать модельные представления для компьютерной имитации липидных монослоев;

- провести серию компьютерных экспериментов с монослоями липидов различного химического строения при разных условиях;

- рассчитать различные равновесные и динамические физические характеристики липидных молекул во всех монослоях: параметры упорядочения связей углеводородных цепей и их ориентационные функции распределения относительно нормали к поверхности монослоя, профили плотности атомов и групп атомов вдоль этой нормали, температурные коэффициенты рассчитанных характеристик, коэффициенты латеральной самодиффузии молекул;

- проанализировать взаимосвязи и закономерности между химической структурой углеводородных цепей липидньж молекул и всеми р; с^ишшиш^иойи^нам^ I

- сопоставить результаты расчетов с имеющимися экспериментальными данными и установить возможные связи между физическими свойствами различных липидных компонентов мембраны и их функциями.

Научная новизна. Методом молекулярной динамики исследованы равновесные и динамические характеристики монослоёв, образованных молекулами диацилглицеролипидов (ДГ) с углеводородными цепями различной степени ненасыщенности; проведена серия вычислительных экспериментов в разных статистических ансамблях и при разных температурах. Показано, что качественные зависимости характеристик углеводородных цепей ДГ в жидкокристаллическом состоянии в первую очередь определяются их химическим строением, а не структурой головной части липидной молекулы или температурой. Установлен эффект понижения модулей параметров порядка всех связей С-Н в полиненасыщешюй цепи по сравнению с насыщенной. Установлено, что температурные коэффициенты геометрических характеристик углеводородных цепей липидов в монослое существенно уменьшаются с ростом степени их ненасыщенности. Показано, что коэффициенты латеральной самодиффузии липидных молекул в монослоях с ростом степени ненасыщенности цепей ацилов увеличиваются.

Практическая ценность. Модель монослоя ДГ может успешно применяться для дальнейших исследований свойств липидов. Упрощение данной модели по сравнению с полноатомными моделями липидов в монослоях или бислоях (с явным учётом атомов их головных групп) позволяет акцентировать внимание на свойствах углеводородных цепей, при этом значительно снижаются затраты машинного времени на проведение численных экспериментов. Использованный подход позволил в итоге впервые выявить ряд уникальных свойств ненасыщенных и полиненасыщенных углеводородных цепей в слоях. На основе полученных теоретических данных о свойствах полиненасыщенных липидов (с двойными связями цис- в углеводородных цепях) можно сделать заключение о возможной важной роли полиненасыщенных цепей в процессах адаптации биомембран к изменению условий внешней среды, вырабатывать стратегию поиска экспериментальных проявлений этих свойств.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на Международной конференции "Фундаментальные проблемы науки о полимерах" (Москва, 1997), П Открытой городской научной конференции молодых учёных г. Пущино (Пущино, 1997), International Conference "Problems of Condensed Matter Theory" (Москва, 1997), 1st and 5th International Workshops on New Approaches to Hi-Tech: Nondestructive Testing and Computer Simulations in Science and Engineering (С-Петербург, 1997,2001), ХШ

и XIV семинарах и XI Симпозиуме по межмолекулярному взаимодействию и конформациям молекул (Тверь, 1997; Плёс, 2001; Саратов, 2002), IV, VI, VIII и X Всероссийских конференциях "Структура и динамика молекулярных систем" (Яльчик, 1997, 1999, 2001, 2003), II Съезде биофизиков России (Москва, 1999), 5-ой и 6-ой Пущинской конференции молодых учёных "Биология - наука 21-го века" (Пущино, 2001, 2002), Конференции студентов и аспирантов по химии и физике полимеров и тонких органических плёнок (Пущино, 2001), Всероссийской научной школе «Математические методы в экологии» (Петрозаводск, 2001), V International Congress on Mathematical Modelling (ICMM) (Дубна, 2002), интернет-конференции «Информационно-вычислительные технологии в решеьтш фундаментальных научных проблем и прикладных задач химии, биологии, фармацевтики, медицины» (http://www.ivtn.ru, 2003), Третьей Всероссийской Каргинской конференции «Полимеры - 2004» (Москва, 2004); на семинарах в Институте математических проблем биологии Путинского НЦ РАН и в Институте биологии Карельского НЦ РАН.

Публикации. Результаты исследований опубликованы в шести статьях центральных российских и международных журналов, в четырёх статьях в сборниках, а также в тезисах 23 всероссийских и международных конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трёх глав, выводов, приложения и списка цитируемой литературы из 254 наименований. Диссертация изложена на 159 страницах, содержит 74 рисунка и 8 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе обсуждаются структура, физические свойства и функции биологических мембран и их компонентов, затрагиваются проблемы липид-белковых взаимодействий, температурной адаптации биомембран и роли полиненасыщенных липидов в этих процессах.

Основным структурообразующим компонентом биомембран являются двойные слои амфифильных молекул липидов, состоящие из внутренней гидрофобной области и гидрофильных поверхностей. При физиологических условиях эти бислои находятся в жидкокристаллическом состоянии. Успешное осуществление мембранами их многообразных функций подразумевает существование у липидного бислоя ряда уникальных свойств, - одновременно прочности и лабильности, хорошей проницаемости для одних веществ и почти полной непроницаемости для других, относительного постоянства состава и способности к адаптации при изменении внешних условий. В мембранах животных и высших растений наиболее распространенными являются

глицерофосфолипиды, в молекулах которых полярная головная часть соединена с гидрофобными цепями через остаток глицерина. Жирнокислотные цепи, входящие в состав липидов биологических мембран, обычно содержат от 14 до 22 углеродных атомов. В природных фосфолипидах в 1-м положении глицерина (вп-1), как правило, расположены насыщенные (не содержащие двойных связей) цепи жирных кислот, а во 2-м (вп-2) могут располагаться как насыщенные, так и ненасыщенные, т.е. содержащие одну (моноеповые), две (диеновые) или более двойных связей (полиеновые) жирные кислоты. Наиболее широко распространены олеиновая (18:1(п-9)св), линолевая (18:2(п-6)св), линоленовая (18:3(п-3)св), арахидоновая (20:4(п-6)св) и докозагексаеновая (22.6(п-3)св) жирнокислотные цепи (рис. 1). В использованном обозначении вида т:х(п-у) число т есть количество углеродных атомов в цепи, х - количество двойных связей, а запись (п-у) означает, что первую двойную связь в цепи образует атом углерода номер у, считая от концевой метильной группы углеводородной цепи; ав - конфигурация двойной связи. Все двойные связи - "метиленпрерывающиеся", т.е. между каждой парой двойных связей расположена одна группа СНг.

Рис. 1. Примеры структур молекул фосфатидялюлина: ¡Д-сгсароил-З-ы-глицеро-фосфатидилхолин 18:0/18:0 (слева, шаростержневая модель) и 1-стеароил-2-докозагексаенонл-З-гл-глвцеро-фосфатвдялхолвн 18:0/22:6(п-3)си (справа, объёмная модель).

Большинство биологических мембран содержит большое число различных белков, которые, в зависимости от степени проникновения в мембрану, различают на частично погружённые в мембрану периферические белки, которые удерживаются в мембране за

счёт слабых, в основном неэлектростатических, взаимодействий, и интегральные белки, глубоко погружённые в толщу мембраны и сильно связанные с молекулами липидов. Таким образом, биомембраны гетерогенны, обладают сложной структурной организацией, обусловленной как большим разнообразием компонентов мембран, так и образованием между ними различных комплексов.

Основным свойством биомембран, напрямую связанным с теми функциями, которые они выполняют, является проницаемость, зависящая в основном от степени жидкостности (текучести) липидного слоя мембраны. Проницаемость мембраны, определяет лёгкость диффузии веществ через мембрану, в том числе и к активным центрам мембранных ферментов. Жидкостность липидного слоя мембраны, одна из важнейших её характеристик, обусловлена как диффузией липидных молекул в целом, так и подвижностью отдельных звеньев жирнокислотных цепей липидов и существенно зависит от химического состава липидов и условий внешней среды. Повышению текучести мембран способствует наличие в молекулах липидов двойных связей, имеющих уис-конфигурацию. В области фазового перехода гель - жидкий кристалл функциональная активность мембран сильно изменяется: при изменении отдельных параметров среды, прежде всего температуры и давления, может происходить переход жидкокристаллической системы в твёрдое, гелеобразное состояние, что лишает мембрану возможности выполнения своей биологической функции. Температура фазового перехода (ТФП) липидных систем существенно зависит от длины и степени ненасыщенности остатков жирных кислот в молекуле липида. При увеличении степени ненасыщенности молекулы липида величина ТФПпонижается. Многочисленные экспериментальные данные показывают, что изменение условий среды (температуры и давления) в первую очередь сказывается на жирнокислотном составе углеводородных компонентов липидов биомембран. В условиях, которые угрожают нарушить нужные для жизненных процессов свойства клеточных мембран, вступает в действие компенсаторный механизм, основанный, в основном, на изменении степени ненасыщенности жирнокислотных цепей липидов (в первую очередь фосфолипидов), что восстанавливает в новых условиях нарушенную функциональную характеристику мембран. Состояние липидного слоя непосредственно влияет и на функциональную активность мембранных ферментов, в основном зависящую от природы липидов, находящихся в их непосредственном микроокружении (аннулярных липидов). Ряд экспериментальных данных свидетельствует о том, что значительная часть аннулярных липидов имеет полиненасыщенные цепи, в основном остаток докозагексаеиовой кислоты (ДГК или 22:6(п-3^). С другой стороны, многочисленные экспериментальные данные свидетельствуют о наличии связи между

содержанием полиненасыщенных фосфолипидов и функциональной активностью, проявляющейся у различных видов пойкилотермных организмов, как на видовом уровне, так и на уровне отдельных органов и тканей. Аналогичные результаты получены и для гомойотермных животных, у которых также отмечается высокое содержание полиненасыщенных жирнокислотных цепей в фосфолипидах мембран функционально специализированных клеток.

Существует целый ряд методов исследования, позволяющих оценивать разные параметры как искусственных (модельных), так и биомембран. К этим методам относятся рентгеноструктурный анализ, ядерный магнитный резонанс, электронный парамагнитный резонанс, радиоспектроскопия, различные калориметрические методы (дифференциальная сканирующая калориметрия) и другие методы. К настоящему времени накоплен значительный материал, касающийся свойств липидных молекул в биологических мембранах, но экспериментальные данные о физических свойствах полиненасыщенных липидов биомембран сравнительно немногочисленны. Такое положение не даёт возможности достигнуть понимания механизмов воздействия ненасыщенных углеводородных цепей липидов на структуру и динамику биомембран. В этих условиях особое значение приобретают возможности имитационного компьютерного моделирования по расчету свойств молекулярных систем.

Одним из основных численных методов статистической физики, активно используемых в физико-химических исследованиях, является метод молекулярной динамики. Основу метода составляет численное решение уравнений классической механики Ньютона для системы взаимодействующих частиц. Усреднение пространственных конфигураций частиц по траекториям их движения, а также их скоростных и энергетических характеристик, позволяет получить информацию о структуре ансамбля частиц и о термодинамических и кинетических свойствах системы. Известно большое количество работ по моделированию динамики липидных мембран и их компонентов, однако и с их помощью до сих пор не достигнуто достаточно полное представление о свойствах различных липидов. Особенно немногочисленны теоретические данные о свойствах полиненасыщенных липидов.

Таким образом, несмотря на существенный прогресс, достигнутый в изучении структуры и функций биологических мембран на молекулярном уровне, здесь по-прежнему существует целый ряд нерешённых проблем; в частности, связанных с воздействием ненасыщенных липидов на физические свойства мембран. С другой стороны, следует отметить, что в литературе последних лет резко возрос интерес к изучению ненасыщенных и полиненасыщенных липидных структур.

Во второй главе описывается модель монослоя, расчёт потенциальной энергии системы, параметры термостата, выбор начальных данных, а также параметры и условия проведения вычислительных экспериментов. В работе исследованы шесть различных гомогенных липидных монослоёв (48 молекул в расчётной ячейке, ~ 6000 атомов (рис. 2).

Рис. X Типичная конформяция лнпидного монослоя 18:0/22:6(п-3)с1з ДГ (48 молекул в расчетной ячейке) в процессе построения МД траектории.

При конструировании монослоёв использованы модельные молекулы диацилглицеролипидов, - аналоги природных фосфолипидов, в которых в положении вп-1 находится остаток стеариновой кислоты 18:0, а в положении вп-2 - остатки стеариновой или олеиновой, линолевой, линоленовой, арахидоновой и докозагексаеновой кислот (рис. 3 — молекула ДГ 18:0/22:6(п-3)е18). Полярная головная группа молекулы ДГ в положении вп-3 представлена объединенным атомом. В остальном стереохимическое строение молекул ДГ соблюдено строго.

Потенциальная энергия липидного монослоя и вычислена как сумма энергий отдельных его молекул энергии межмолекулярного взаимодействия

иш1а и суммы энергий взаимодействия всех молекул с эффективной поверхностью

монослоя, представленной в виде плоскости: №по1 МтЫ

суммирование выполняется по всем молекулам монослоя.

Энергия отдельной молекулы и,„и,, представлена суммой энергий валентных связей валентных углов энергий нсвалентных взаимодействий атомов, разделённых

Рис. 3. Диацил-глнцеролнпид 18:0Я2:«п-3)см

тремя и более валентными связями энергий изменения торсионных углов а также энергий неплоских отклонений атомов, примыкающих к двойным связям и„>р

(2)

Слагаемые энергии имеют стандартную функциональную форму.

Энергия взаимодействия атомов липидных молекул с эффективной поверхностью монослоя имитировала взаимодействие липидов с водой и содержала две

составляющих - сумму энергий «гидрофобных» взаимодействий всех атомов,

кроме объединённых атомов полярных головных групп липидов, с поверхностью монослоя и энергию «гидрофильных» взаимодействий головных групп с поверхностью монослоя:

Компоненты энергии и,^зависят только от Z-координат атомов:

_ /сикя^/г)' -з-^/г)3+2].прв0<г*я„.

и,

А_рНоЬ '

(4)

[о, приг<Оилиг>л1Л,

где Z - значение соответствующей координаты атомов, С„ь - адсорбционный энергетический параметр, - адсорбционный энергетический минимум.

(5)

где С,и4 - энергетический параметр связывания головной г р у п пЗы^— равновесное положение «атома» головной группы, Z - координата «атома» головной группы.

Предполагается, что в исходном положении липидные молекулы целиком располагаются над поверхностью монослоя (над плоскостью в этом случае и в

процессе эволюции системы Z-координаты атомов останутся положительными.

Движение атомов моделируемых систем описывалось с помощью уравнений Ньютона, модифицированных для термостата (баростата) Берендсена.

где / = 1, 2, .... К; N - число атомов; т, - их массы; а = {л; у, ?}; г№ V,,« - координаты (радиус-вектор) и скорости атома 1; Т - мгновенное значения температуры; -задаваемая температура термостата; - компоненты давления; - давление

баростата; х<» Д» Рг - параметры термостата и баростата, определяющие скорость релаксации температуры (давления) системы к установленным значениям.

Хотя термостат Берендсена, по сложившемуся к настоящему времени представлению, и обладает существенным недостатком, не обеспечивая в общем случае равнораспределении энергии по внутримолекулярным степеням свободы, эта его особенность проявляется лишь для сравнительно небольших молекулярных систем на относительно длинных траекториях. В нашем случае применение термостата Берендсена не внесло заметных искажений в результаты численных экспериментов: полученные характеристики рассматриваемых молекулярных систем коррелируют с результатами работ по МД-моделированию бислоёв аналогичных молекул липидов, выполненных с использованием более строгих методик.

Интегрирование уравнений (6, 7) осуществляли согласно алгоритму Верле. Шаг численного интегрирования при релаксации систем и построении расчётных траекторий составлял 10"15 сек. Численное моделирование динамики молекул проводилось с использованием программного комплекса молекулярно-дпнамических вычислений PUMA (ИМПБ РАН, г. Пущино).

Выбор указанной упрощённой модели монослоёв ДГ, по сравнению с полноатомными моделями бислоёв с явным учётом атомов головных групп липидов, позволяет акцентировать внимание на свойствах ненасыщенных углеводородных цепей, значительно снизив при этом затраты машинного времени на проведение численных экспериментов. Данная модель может с успехом использоваться в качестве тестовой системы для проверки различных гипотез, а результаты вычислительных экспериментов могут быть полезны при моделировании более реалистических бислойных систем. Необходимо также отметить, что возможные погрешности в абсолютных значениях характеристик, получаемых с помощью модели ДГ, не оказывают существенного влияния на качественные зависимости этих характеристик. Наиболее существенная разница выявляется при сравнении результатов для монослоёв ДГ с различной степенью ненасыщенности.

Моделирование монослоёв проводилось в разных ансамблях: в ансамбле (при фиксированной температуре Г и средних площадях А на молекулу) и в ансамбле NPT (когда фиксировались температура и латеральное давление Р). Температура T„¡ термостата была принята равной 326 К для монослоя 18:0/18:0 ДГ и 303 К для монослоёв ненасыщенных ДГ. Проведено также исследование всех монослоёв ненасыщенных ДГ при температуре 283 К. Кроме того, некоторые эксперименты с монослоями ненасыщенных ДГ были проведены при К. Во всех случаях заданные температуры были выше

температур плавления молекул фосфатидилхолинов (а также лшщдов с другими типами головных частей) с аналогичным жирнокислотным составом. Таким образом, принятые значения параметров во всех случаях обеспечили жидкокристаллическое состояние углеводородных цепей ДГ для каждого монослоя. Перед построением расчётных траекторий выполнялся этап релаксации систем при соответственно заданных параметрах температуры, средней площади на одну молекулу и давления. Максимальная длина отдельных траекторий движения, достигнутая в молекулярно-динамических экспериментах, составила 5 не. Запись траекторий производилась с шагом 0.05 пс (20000 точек усреднения на 1 пс). На рис. 4 и 5 представлены зависимости от времени характеристик двух монослоёв ДГ: площади, приходящейся в среднем на одну молекулу липида и температуры.

Приведённые графики свидетельствуют о достаточно стабильном состоянии монослоёв; рассчитанные средние значения площадей, приходящихся на молекулу, соответствуют жидко-кристаллическому состоянию монослоёв при заданной температуре моделирования (303 К): 65,76 А2 для 18:0/18:2(n-6)cis и 71,22 к1 для 18:0/22:6(n-3)cis; средние значения температуры (соответственно 302,92 и 302,93 К) оказались практически равными установленной температуре термостата 7^=303 К.

Третья глава посвящена изложению основных результатов, полученных в итоге проведенных вычислительных экспериментов. Найден и исследован ряд характеристик, наиболее наглядно отображающих влияние степени ненасыщенности углеводородных цепей на свойства ДГ в слоях, проведено - сравнение полученных закономерностей с имеющимися данными экспериментальных и теоретических работ. Ниже приведены наиболее важные результаты, полученные в диссертационной работе.

Параметры порядка и ориентационные функции распределения связей.

Для всех исследованных мопослоёв былп вычислены параметры порядка (5) связей С-Н и С-С углеводородных цепей молекул, S = (l/2)-(3<cosJ/f> - 1), где Р — угол между соответствующей связью и нормалью к поверхности монослоя, 0</?< 180° (рис.6,7).

Профили параметров порядка связей С-Н (рис.6) насыщенной цепи во всех монослоях имеют характерный участок стабильных значений для части цепи, расположенной у головной части молекулы липида, вызванный ограничением конформационной свободы этого участка, и градиент по направлению к свободному концу цепи. Для ненасыщенных цепей можно отметить характерные прогибы на участках двойных связей: значительное уменьшение модулей параметров порядка связей С-Н атомов углерода, участвующих в двойной связи. Эти результаты согласуются с данными экспериментальных работ. Такие данные имеются лишь для насыщенной, моноеновой и гексаеновой цепи. Следует отметить, что экспериментальные результаты по изучению упорядочения связей в цепях полиненасыщенных липидов, содержащих 6 двойных связей, опубликованы на несколько лет позже данных теоретических предсказаний, а впервые теоретические данные для полиненасыщенных липидов были получены методом МД именно для монослоёв ДГ.

Прямое измерение параметра порядка связей С-С экспериментальными методами в настоящее время не представляется возможным, и в экспериментальных работах используются специальные методы для вычисления параметра по значениям

параметров порядка связей углерод-дейтерий Seo- Использование же методов компьютерного моделирования позволяет непосредственно вычислять See•

На рис. 7 представлены профили параметров порядка связей С-С, полученных для всех шести монослоев ДГ. Профили параметров порядка насыщенной цепи имеют характерный зигзагообразный вид, который объясняется наличием анизотропии вращений групп СНг. Профили Sec ненасыщенных цепей по форме скорее «пилообразны» - значения параметров порядка последовательных С-С-связей во всех ненасыщенных цепях меняются немонотонно, знак этого чётно-нечётного эффекта меняется между каждой парой двойных связей, при этом значения Sec двойных связей существенно более высоки по сравнению с параметрами Sec простых связей, расположенных между ними. Такой вид профилей отражает химическую структуру цепи, содержащую последовательности вида "одна двойная связь, две простые" (поскольку двойные связи в рассмотренных углеводородных цепях являются "метиленпрерываюшимися", что характерно для природных липидов). Полученные профили параметра порядка связей ненасыщенных цепей относительно нормали к поверхности монослоёв хорошо согласуются с

аналогичными профилями внутримолекулярных параметров порядка Scc> вычисленных методом Монте-Карло для изолированных невозмущенных углеводородов относительно их собственных продольных осей, а также с профилями параметра порядка Sec из более поздних работ по МД липидных бислоев.

Качественное сходство полученных профилей параметров порядка с экспериментальными и теоретическими данными говорит о возможности использования предложенной модели монослоёв липидов с головной частью, аппроксимированной одним эффективным «атомом», при изучении упорядочения связей и других свойств углеводородных цепей липидов биомембран.

Было проведено сравнение профилей параметров порядка, полученных при моделировании монослоев в разных условиях: ансамбли Np„AT И NPT', температура термостата Т = 303 К и Т = 283 К. Оказалось, что профили параметра порядка как С-Н связей (-Sai), так и С-С связей (See), воспроизводят соответственно качественно одинаковые закономерности в различных ансамблях и при разных температурах термостата. Это означает, что специфические свойства упорядочения связей в углеводородных цепях, входящих в состав липидных молекул различных слоев в жидкокристаллическом состоянии, в первую очередь определяются химической структурой этих цепей, и лишь во вторую - условиями моделирования.

Детальный анализ физической картины упорядочения каждой связи в молекулах монослоя можно дать лишь при изучении их ориентационных функций распределения p(/S), ß - угол связи с нормалью. Вычисление распределений p(ß) С-Н и С-С связей производили численно: диапазон изменений каждого угла (0 < ß < 180°) делили на 60 равных интервалов j (по 3 град, j = 1, 2, 3, ..., 60) и вычисляли отношения числа реализаций интервалов j угла ßк общему количеству состояний, - гистограммы функций Далее ориентационные функции для каждой конкретной связи усреднялись по всем молекулам монослоя. В группах СНг функции рассчитывались как для

каждой С-Н-связи в отдельности, так и средние значения по обеим С-Н-связям. Для сравнения и анализа полученных гистограмм ориентационных функций использовали характеристики значение угла при котором функция данной С-Н или С-С-связи достигает максимума, и 5ß - угловая ширина функции на половине её высоты p^/S"1"). Угол /J™* имеет смысл «геометрического» фактора упорядочения связи, т.е. определяет преимущественную ориентацию связи относительно нормали к поверхности монослоя, а ширина bß - «флуктуационного», показывающего характер отклонений данной связи от основной ориентации.

В качестве основных результатов анализа графиков ßcc"" И Sßcc можно отметить

о тех

значительное увеличение значений углов также как и диапазона угловых

флуктуации относительно нормали 8/?ссдля простых С-С связей, расположенных между С=С группами.

Профили углов ßai"" (рис. 8) насыщенной цепи 18:0 во всех монослоях зигзагообразны (четно-нечётный эффект). В углеводородных цепях с двойными связями вид зависимости меняется из-за различия в химической структуре цепей. При этом величина модуля разности 190 - ßai^i С-Н связей атомов углерода С=С групп, более отдалённых от головной части молекул липидов, значительно больше, чем у остальных атомов углерода цепей ДГ.

Анализ зависимостей угловых ширин ориентационных функций С-Н-связей (рис. 9) показывает, что в цепи 18:0 всех монослоёв ненасыщенных ДГ наблюдается значительный рост угловых флуктуации к концам цепей. Наличие же в цепочках двойных связей резко меняет флуктуационный режим всех связей. Общая тенденция к росту угловых флуктуации по направлению к свободным концам цепей сохраняется, но наблюдается значительное увеличение флуктуации С-Н-связей в группах СН2, расположенных между двойными связями, по сравнению с таковыми у С-Н-связей групп С=С. Данный результат может указывать на способ реализации механизма увеличения жидкостности мембраны при увеличении степени ненасыщенности липидов, - за счет

увеличения флуктуации СНг-ГруПП, примыкающих к двойным связям, вызванного возрастанием свободы внутренних вращений вокруг связей С-С, соседних с двойными.

На основании сравнительного анализа графиков 8/1 И 0"их С-С и С-Н связей в зависимости от степени ненасыщенности углеводородной цепи можно сделать вывод, что и преимущественная ориентация связей относительно нормали к поверхности монослоя, и угловые флуктуации связей значительно зависят не только от местоположения данной связи в углеводородной цепи (номера атома углерода), но и от наличия в данном сегменте двойных связей С=С.

Кроме того, можно утверждать, что параметр порядка одинаково сильно зависит как от преимущественной ориентации данной связи относительно нормали к поверхности монослоя, так и от диапазона отклонений данной связи от основной ориентации.

Действительно, значения угловых флуктуации С-Н связей, например, атомов углерода С-4 и С-5 С=С группы цепи 22:6 почти одинаковы (рис. 9): соответственно 81.5° и 83.5°. Но при этом величина модуля разности 190 - Длт,Х1для С-4 составляет 4.5°, а для С-5 - 42° (рис. 8)! Очевидно, что за резкое уменьшение параметра порядка в этом случае (-Бен = 0.11 для С-4 и -0.03 для С-5, рис. 6) отвечает преимущественная ориентация данных связей относительно нормали к поверхности монослоя. Аналогичная ситуация наблюдается, например, и для атомов углерода 5 и 6 группы С=С цепи 20:4. Наоборот, значения углов ^сн"" для С-Н связей атомов С-9 и С-14 цепи 18:3 в точности совпадают и равны 103.5° (рис. 8). При этом значения параметров порядка -Бен этих связей существенно различны: 0.11 и 0.02 соответственно (рис. 6). Причина разницы -флуктуационный фактор: ширина ориентационных функций распределения 8Дсн = 73.4° для С-9 и 110.0° для С-14 (рис. 9).

Распределение плотности атомов в монослоях.

Были рассчитаны распределения плотности различных групп атомов вдоль нормали к поверхности монослоя: суммарная плотность всех атомов, плотности атомов остатка глицерина, насыщенных и ненасыщенных углеводородных цепей. На рис. 10 приведены профили суммарной плотности различных групп атомов вдоль нормалей к поверхности монослоев. Профили суммарной плотности всех атомов для различных монослоёв качественно подобны: максимальные значения соответствуют таким расстояниям от поверхности монослоя (ъ ~ 7-8 А), на которых располагаются атомы глицеринового остатка, далее следует участок (ъ ~ 11-17 А) значений р — 0,8 г/см3 и плавный спад до нулевых значений плотности при ъ ~ 30 А. Анализ расположения минимума плотностей для различных монослоёв позволяет сделать вывод, что монослои ненасыщенных липидов имеют меньшую толщину.

Наличие двойных связей в углеводородных цепях значительно трансформирует конформационное поведение, на примыкающем к головному «атому» участке цепи возникают труднодоступные конформационные состояния для большого числа атомов углерода (по сравнению с насыщенными цепями). Создаваемые наличием двойных связей С=С неоднородности на участке между головным «атомом» и первой двойной связью приводят к появлению характерных "волн" на суммарном профиле плотности при ъ = 1017 А, отвечающих местоположению атомов С1-С8 (первый из этих пиков при ъ = 11 А отвечает положению атома углерода С=О группы - наименее подвижного среди атомов углеводородных цепей).

Латеральная подвижность молекул ДГ.

Для всех монослоёв, при моделировании в условиях постоянной площади, приходящейся в средпем на молекулу липида, проведено исследование диффузионных перемещений молекул липидов в латеральной плоскости. Были проанализированы средние по времени и мгновенные положения головных атомов молекул ДГ, а также их динамические траектории. Построены временные зависимости среднеквадратичного смещения центров инерции молекул ДГ от начального положения (рис. 11).

1.2

0 1 2 3 4 5 0 50 100 150 200 250

Время, пс. Время, пс

Рис. 11. Среднеквадратичное латеральное - смещение <г*> центров. инерции > молекул ДГ в исследованных моноелоях. Монослои на графиках обозначены по типу 5П-2 углеводородной цепи. Расчет методом МД: 48 молЛч., Ир^Т ансамбль, Т=303 К (монослои ненасыщенных ДП и Т=32б К (монослой 18:0/18.0).

Оказалось, что на малых временах латеральная подвижность молекул ДГ в монослоях 18:0/18:0 и 18:0/18:2(п-6^ выше, чем в 18:0/18: 1(п-9)^ и 18:0/18:3(п-3^, что, по-видимому, объясняется наличием стерических затруднений в пространственных конфигурациях цепей 18:1 и 18:3 на участках с двойными связями. Анализ латеральной подвижности ДГ на достаточно больших временах показывает явно выраженную зависимость от степени ненасыщенности углеводородных цепей. Максимальной подвижностью обладают молекулы ДГ с наиболее ненасыщенной цепью, 22:6(п-3)^. Например, коэффициенты латеральной самодиффузии ДГ для монослоя 18:0/18:0 оказались равными а для монослоя

Температурные зависимости характеристик молекул ДГ.

Для всех монослоёв, МД-моделирование которых было проведено при разных температурах, вычислены расстояния между концевыми атомами углерода цепей <Н> и рассчитаны температурные коэффициенты этих расстояний, <йа<Н>/(1Т, характеризующие степень чувствительности среднего значения расстояния между концами цепи к изменению температуры. Оказалось, что увеличение количества двойных связей приводит к уменьшению расстояния между концами цепей, а температурный коэффициент расстояний <Н> для цепи 22:6 в монослое 18:0/22:6(n-3)cis ДГ оказался минимальным (по абсолютной величине). Полученные расчётные данные также свидетельствуют о том, что с ростом степени ненасыщенности цепи sn-2 липидной молекулы уменьшается абсолютное значение температурного коэффициента расстояний <Н> и насыщенной цепи ^п-1) этой молекулы. Указанный эффект, возникающий в результате взаимного влияния двух цепей в молекулах липидов в монослое, наблюдается и в реальном эксперименте по изучению ненасыщенных фосфатидилхолинов методом гНЯМР-спектроскопии.

Для монослоёв 18:0/18:2(n-6)cis и 18:0/22:6(п-3)^ ДГ, исследованных в ЖРТ ансамбле при двух разных температурах были вычислены

температурные коэффициенты параметров порядка С-Н связей (рис. 12). В целом при повышении температуры наблюдается понижение параметра упорядоченности С-Н связей. Изменения БСИ при изменении Г неравномерны вдоль по цепи, для насыщенной цепи в обоих монослоях наиболее чувствительными к изменению температуры оказались С-Н связи атомов углерода ближайшей к головной группе части цепи (примерно с С-4 по С-9). Для ненасыщенных цепей наиболее значительные изменения параметра порядка 5си наблюдаются для С-Н связей атомов углерода С=С групп, при этом параметры порядка в полиненасыщенной цепи 22:6 в среднем менее чувствительны. к изменению температуры, чем таковые в цепи 18:2. Качественно результат, полученный для (¡За/сП"

Рис. 12. Температурные коэффициенты параметров порядка связей С-Н, ДОсв/ОТ монослоёв 18:0/18:2(4-®сЬ и 18Л/22:6(п-3)сЬ ДГ. ЮТ ансамбль, Т1 = 283 К и Т2 = 303 К. Стрелками показаны положения двойных связей. Атом углерода № 1 является атомом 1руппы С=0 углеводородной цепи.

насыщенной цепи 18:0, согласуется с экспериментальным; данные реального эксперимента для ненасыщенных цепей отсутствуют.

Приведённые данные по температурным зависимостям подтверждают гипотезу об особой роли полиненасыщенных углеводородных цепей, состоящей в поддержании «работоспособности» мембранных ферментов при изменении внешних условий (температуры); гипотеза была выдвинута в работах по теоретическому изучению молекул липидов методом Монте-Карло. Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что липиды аннулярных слоев интегральных белков обогащены полиненасыщенными цепями. Липиды с такими цепями (в частности, 22:6(п-3)^), образуя специфическое микроокружение интегральных белков, могут способствовать поддержанию надлежащей

конформациошюй подвижности этих белков и ослаблять негативное воздействие

изменений температуры на их активность.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. В изученных методом молекулярной динамики монослоях, образованных молекулами ненасыщенных диацилглицеролипидов, модули параметров порядка (относительно нормали к поверхности монослоя) связей С-Н в местах локализации двойных связей ненасыщенных цепей диацилглицеролипидов характеризуются более низкими значениями по сравнению с остальной частью цепи. В полиненасыщенной цепи с метиленпрерывающимися двойными связями все значения модулей параметров порядка связей С-Н ниже, чем в насыщенной цепи. Эффект подтверждается экспериментальными данными и результатами компьютерных экспериментов с липидными бислоями. Параметры порядка всех двойных связей ОС ненасыщенных цепей диацилглицеролипидов в монослоях имеют большие значения, чем у примыкающих к ним с двух сторон простых связей С-С.

2. Наличие двойных связей в углеводородных цепях липидов вызывает значительное увеличение угловых флуктуации (относительно нормали к поверхности монослоя) связей С-Н в СН2-группах, расположенных между двойными связями. Эффект даёт физическое объяснение механизму поддержания надлежащей степени жидкостности биологических мембран, которое осуществляется в природе за счёт соответствующей замены в молекулах липидов углеводородных цепей с одним количеством двойных связей на другое.

3. Параметры порядка С-С и С-Н связей цепей липидов существенно зависят от преимущественной ориентации данной связи относительно нормали к поверхности монослоя и от диапазона угловых отклонений данной связи от основной ориентации. Наиболее вероятная ориентация связи и её угловые флуктуации зависят не только от местоположения данной связи в углеводородной цепи, но и от наличия в данном сегменте С=С группы.

4. Коэффициент латеральной самодиффузии молекул липидов увеличивается с ростом степени ненасыщенности их углеводородных цепей; наибольшей латеральной подвижностью обладают молекулы липидов с углеводородной цепью 22:6(п-3)^.

углерода цепей в монослое, а также имеет меньшую чувствительность к изменению температуры параметров порядка С-Н связей. Вследствие этого полиненасыщенные липиды с двойными связями cis- в углеводородных цепях могут играть существенную роль в процессах адаптации биомембран к изменению условий внешней среды.

ПУБЛИКАЦИИ ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ.

1. Балабаев HJK., Рабинович АЛ., Рипатги П.О., Корнилов В.В. Молекулярная динамика монослоёв, состоящих из полиненасыщенных липидов (компьютерное моделирование). - В сб. "Структура и динамика молекулярных систем", Йошкар-Ола - Казань - Москва, 1997, вып. 1У,ч.2,с.128-132.

2. Балабаев HJC., Рабинович АЛ., Рйпатти П.О., Корнилов В.В. Молекулярная динамика монослоёв, состоящих из полиненасыщенных липидов. - Журнал физической химии, 1998, т.72, с.497-500.

3. Balabaev N.K., Rabinovich A.L., Ripatti P.O., Komilov V.V. Molecular dynamics simulations of monolayers containing polyene lipids of biomembranes. - Proceedings of SPIE, 1998, v.3345, p.198-201.

4. Корнилов В.В., Балабаев Н.К., Рабинович АЛ., Рипатти П.О. Применение метода молекулярной динамики для исследования ненасыщенных липидных слоев биологических мембран. - В сб. "Структура и динамика молекулярных систем", Казань, 1999, вып.УГ, ч.З, с.362-365.

5. Корнилов В.В., Рабинович АЛ., Балабаев Н.К. Моделирование структуры и динамики монослоёв ненасыщенных липидов. - В сб. "Структура и динамика молекулярных систем". Йошкар-Ола, 2001, вып. VIII, ч.1, с.20-24.

6. Корнилов В.В., Рабинович АЛ., Балабаев Н.К. Исследование структуры и свойств полиненасыщенных липидных монослоев методом молекулярной динамики. - Журнал физической химии, 2002, т.7б, с.2002-2006.

7. Kornilov V.V., Rabinovih AJL, Balabaev N.K. Molecular dynamics study of monolayers consisting of poJyunsaturated diacylglycerolipids. -Proceedings of SPIE, 2002, v.4627, p. 129-140.

8. Komilov V.V., Rabinovih A.L., Balabaev N.K. Molecular dynamics simulations of unsaturated diacylglycerolipid monolayers. - Journal of Computational Methods in Science and Engineering, 2004.

9. Корнилов В.В., Рабинович АЛ., Балабаев Н.К. Молекулярно-динамическое изучение свойств упорядочения - связей ненасыщенных липидов в монослоях при различных условиях моделирования. - Журнал физической химии, 2004.

10. Корнилов В.В., Рабинович АЛ., Балабаев RK. Моделирование молекулярной динамики монослоев ненасыщенных диацилглицероллпидов. - В сб. «Структура и динамика молекулярных систем», Казань - Москва - Йошкар-Ола - Уфа, Изд. Центр КГУ, 2003, вып. X, Ч.2.С.156-160.

Издательство ООО "МАКС Пресс". Лицензия ИД № 00510 от 01.12.99 г. Подписано к печати 17.02.2004 г. Формат 60x90 1/16. Усл.печл. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ 188. Тел. 939-3890,939-3891,928-1042. Тел./факс 939-3891. 119992, ГСП-2, Москва, Ленинские горы, МГУ им. М.ВЛомоносова.

67 3 1

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Корнилов, Василий Вячеславович

Введение.

Глава 1. Объекты и методы исследования.

1.1. Молекулярные компоненты биологических мембран.

1.2. Структурная организация биомембран.

1.3. Физико-химические свойства биомембран.

1.4. Роль ненасыщенных липидов в функционировании биомембран.

1.5. Экспериментальные методы изучения биомембран.

1.6. Методы компьютерного моделирования молекулярных систем.

1.7. Применение компьютерного моделирования для изучения свойств фосфолипидных слоев.

Глава 2. Модель и постановка вычислительных экспериментов.

2.1. Модель монослоя.

2.2. Энергия липидного монослоя.

2.3. Постановка численных расчётов.

Глава 3. Результаты и их обсуждение.

3.1. Динамические характеристики монослоёв.

3.2. Параметры порядка связей.

3.3. Ориентационные функции распределения связей.

3.4. Распределение плотности атомов в монослоях.

3.5. Латеральная подвижность молекул диацилглицеролипидов.

3.6. Зависимости поверхностного давления от площади молекулы.

3.7. Температурные зависимости характеристик липидов разной степени ненасыщенности.

Выводы.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Моделирование монослоев ненасыщенных липидов биологических мембран методом молекулярной динамики"

Общие проблемы изучения биологических мембран изложены в большом числе фундаментальных трудов [1-12].

Основная функция биологических мембран - отделять содержимое клетки от внешней среды, обеспечивая постоянство внутриклеточного состава вне зависимости от изменений в окружающей среде [5, 10]. Биомембраны играют ключевую роль и в функционировании клеток, участвуя в регуляции всех связей и взаимодействий, которые осуществляются между внутренним содержимым клетки и внешней средой. Кроме того, с мембранами связаны многие клеточные ферменты [8]. Состав и структурная организация биомембран сильно зависят от их типа и характера выполняемых функций, однако во всех случаях основными составляющими мембран являются полярные липиды (в основном глицерофосфолипиды) и белки [8, 11]. Липиды в биомембране чаще всего организованы в виде гетерогенных по составу бислоёв, в которых гидрофильные части молекул полярных липидов обращены в водную фазу, а гидрофобные (остатки жирных кислот) — образуют ряды углеводородных цепей, удерживаемых гидрофобными взаимодействиями [4, 5, 8]. На границе вода - воздух можно получить мономолекулярную мембрану — пленку толщиной в один слой молекул, в которой гидрофильная часть молекул ориентирована в водную фазу, а гидрофобная - в воздух [3].

За последнее время накоплен значительный материал, посвященный изучению свойств и роли в биологических мембранах ненасыщенных липидных молекул [13-25]. В определённых пропорциях такие липиды присутствуют практически во всех видах биологических мембран, а в некоторых даже составляют основу содержания липидной матрицы. Имеются веские основания полагать, что ненасыщенные липиды различных типов играют фундаментальную роль в обеспечении нормального функционирования биомембран [2, 23, 24]. В то же время экспериментальные данные о физических свойствах ненасыщенных и особенно полиненасыщенных липидов биомембран сравнительно немногочисленны; полное понимание механизмов воздействия ненасыщенных углеводородных цепей липидов на структуру и динамику биомембран отсутствует [20, 26-32]. В этих условиях особые надежды возлагаются на использование возможностей имитационного моделирования молекулярных систем [33].

К настоящему времени известно большое количество работ по моделированию динамики липидных мембран и их компонентов, однако и с их помощью до сих пор не достигнуто достаточно полное представление о свойствах различных липидов [36-40]. Особенно немногочисленны теоретические данные о свойствах полиненасыщенных фосфолипидов, так как вплоть до последнего времени [32, 41] исследование моно- и бислоёв таких молекул проводилось лишь в серии работ [42-54].

Таким образом, несмотря на существенный прогресс, достигнутый в изучении биологических мембран на молекулярном уровне, здесь по-прежнему существует целый ряд нерешённых проблем, в частности связанных с воздействием ненасыщенных липидов на физические свойства мембран. С другой стороны, следует отметить, что в литературе последних лет резко возрос интерес к изучению ненасыщенных, и, особенно, полиненасыщенных липидных структур.

Цель диссертационной работы состояла в анализе влияния структуры липидных молекул (степени ненасыщенности углеводородных цепей) на физические свойства образуемых ими слоёв и изучении характерных свойств молекул ненасыщенных липидов в мембранной системе и их возможной роли в механизмах функционирования биомембран. Для этого методом молекулярной динамики исследованы равновесные и динамические характеристики монослоёв, образованных молекулами диацилглицеролипидов (ДГ) с углеводородными цепями различной степени ненасыщенности; проведена серия вычислительных экспериментов в разных статистических ансамблях и при разных температурах.

Диссертация содержит три главы и заключение.

В первой главе обсуждаются структура, физические свойства и функции биомембран и их компонентов, затрагиваются проблемы липид-белковых взаимодействий, температурной адаптации биомембран и роли полиненасыщенных липидов в этих процессах. Приведён обзор экспериментальных и теоретических методов исследования биомембран и их компонентов и обсуждаются достоинства и недостатки методов в применении к изучению липидных структур, изложены основы метода молекулярной динамики, а также приведен обзор публикаций по моделированию слоёв фосфолипидов.

Во второй главе описывается модель монослоя, потенциальная энергия системы, параметры термостата, выбор начальных данных, а также параметры и условия проведения вычислительных экспериментов.

Третья глава посвящена изложению основных результатов, полученных в итоге проведенных вычислительных экспериментов. Рассчитаны различные характеристики исследуемых молекулярных объектов: параметры упорядочения связей углеводородных цепей и их ориентационные функции распределения относительно нормали к поверхности монослоя, профили плотности атомов и групп атомов вдоль этой нормали, температурные коэффициенты рассчитанных характеристик, коэффициенты латеральной самодиффузии молекул. Проведен анализ взаимосвязей и закономерностей между химической структурой углеводородных цепей липидных молекул и рассчитанными свойствами. Результаты расчётов сопоставлены с имеющимися экспериментальными данными, и сделаны выводы о возможных взаимосвязях между физическими свойствами различных липидных компонентов мембраны и их функциями.

В заключении перечислены основные выводы диссертационной работы.

Вычислительные эксперименты проводились в основном с использованием программного комплекса PUMA (Лаборатория молекулярной динамики ИМПБ РАН, Пущино). Кроме того, использовались программные комплексы VMD (Theoretical Biophysics Group at the University of Illinois, USA) и RasMol (Biomolecular Structures Group, Glaxo Wellcome Research & Development, Stevenage, Hertfordshire, UK).

Работа выполнялась в Институте математических проблем биологии РАН, поддержана проектами Российского фонда фундаментальных исследований "Компьютерное исследование равновесных и динамических физико-химических свойств макромолекул мембранных систем" (00-03-33181), "Исследование роли полиненасыщенных липидов в структуре и функционировании биологических мембран: эксперимент и компьютерное моделирование" (01-03-48050) и "Свойства липидных мембранных систем и макромолекул в мембранном окружении: теоретическое исследование методами компьютерного моделирования" (03-03-32229), а также INTAS "Advanced investigation of free volume properties of saturated and unsaturated phospholipid, and mixed phospholipid/cholesterol membranes" (01-0067).

Основные результаты диссертации докладывались на Международной конференции "Фундаментальные проблемы науки о полимерах" (Москва, 1997), II Открытой городской научной конференции молодых учёных г. Пущино (Пущино, 1997), International Conference "Problems of Condensed Matter Theory" (Москва, 1997), 1st and 5th International Workshops on New Approaches to Hi-Tech: Nondestructive Testing and Computer Simulations in Science and Engineering (C-Петербург, 1997, 2001), XIII и XIV семинарах и XI Симпозиуме по межмолекулярному взаимодействию и конформациям молекул (Тверь, 1997; Плёс, 2001; Саратов, 2002), IV, VI, VIII и X Всероссийских конференциях "Структура и динамика молекулярных систем" (Яльчик, 1997, 1999, 2001, 2003), II Съезде биофизиков России (Москва, 1999), 5-ой и 6-ой Пущинской конференции молодых учёных "Биология - наука 21-го века" (Пущино, 2001, 2002), Конференции студентов и аспирантов по химии и физике полимеров и тонких органических плёнок (Пущино,

2001), Всероссийской научной школе «Математические методы в экологии» (Петрозаводск, 2001), V International Congress on Mathematical Modelling (ICMM) (Дубна, 2002), интернет-конференции «Информационно-вычислительные технологии в решении фундаментальных научных проблем и прикладных задач химии, биологии, фармацевтики, медицины» (http://www.ivtn.ru, 2003), Третьей Всероссийской Каргинской конференции «Полимеры - 2004» (Москва, 2004); на семинарах в Институте математических проблем биологии Пущинского НЦ РАН и в Институте биологии Карельского НЦ РАН.

Результаты исследований опубликованы в шести статьях центральных российских и международных журналов, в четырёх статьях в сборниках, а также в тезисах 23 всероссийских и международных конференций.

Заключение Диссертация по теме "Биофизика", Корнилов, Василий Вячеславович

Выводы.

1. В изученных методом молекулярной динамики монослоях, образованных молекулами ненасыщенных диацилглицеролипидов, модули параметров порядка (относительно нормали к поверхности монослоя) связей С-Н в местах локализации двойных связей ненасыщенных цепей диацилглицеролипидов характеризуются более низкими значениями по сравнению с остальной частью цепи. В полиненасыщенной цепи с метиленпрерывающимися двойными см-связями все значения модулей параметров порядка связей С-Н ниже, чем в насыщенной цепи. Эффект подтверждается экспериментальными данными и результатами компьютерных экспериментов с липидными бислоями. Параметры порядка всех двойных связей С=С ненасыщенных цепей диацилглицеролипидов в монослоях имеют большие значения, чем у примыкающих к ним с двух сторон простых связей С-С.

2. Наличие двойных связей в углеводородных цепях липидов вызывает значительное увеличение угловых флуктуаций (относительно -нормали к поверхности монослоя) связей С-Н в СНг-группах, расположенных между двойными связями. Эффект дает физическое объяснение механизму поддержания надлежащей степени жидкостности биологических мембран, которое осуществляется в природе за счёт соответствующей замены в молекулах липидов углеводородных цепей с одним количеством двойных связей cis- на другое.

Наиболее вероятная ориентация связи и её угловые флуктуации зависят не только от местоположения данной связи в углеводородной цепи, но и от наличия в данном сегменте С=С группы.

5. Температурные коэффициенты характеристик углеводородных цепей молекул диацилглицеролипидов в монослоях в жидкокристаллическом состоянии существенно зависят от степени ненасыщенности цепи. Цепь 22:6(n-3)cis обладает наименьшим температурным коэффициентом среднего расстояния между концевыми атомами углерода цепей в монослое, а также имеет меньшую чувствительность к изменению температуры параметров порядка С-Н связей. Вследствие этого полиненасыщенные липиды с двойными czs-связями в углеводородных цепях могут играть существенную роль в процессах адаптации биомембран к изменению условий внешней среды.

Автор выражает свою искреннюю признательность и глубокую благодарность руководителю диссертационной работы Н.К.Балабаеву за чётко поставленные научные задачи, постоянное внимание и помощь при выполнении работы, научному консультанту А.Л.Рабиновичу за помощь, советы и замечания на различных этапах работы, а также за плодотворное участие в обсуждении результатов расчётов, и всему коллективу Лаборатории молекулярной динамики ИМПБ РАН за поддержку и помощь в работе.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата физико-математических наук, Корнилов, Василий Вячеславович, Москва

1. 1.raelachvili J. N., Marcyelja S., and Horn R. G. Physical principles of membrane organization. - Q. Rev. Biophys., 1980, v. 13, p.121-200.

2. Крепе E.M. Липиды клеточных мембран. Л.: Наука, 1981.

3. Ивков В.Г., Берестовский Г.Н. Динамическая структура липидного бислоя. М.: Наука, 1981.

4. Ивков В.Г., Берестовский Г.Н. Липидный бислой биологических мембран. М.: Наука, 1982.

5. Кагава Ясуо. Биомембраны. М.: Высш. шк., 1985.

6. Болдырев А.А. Биологические мембраны и транспорт ионов. М.: 1985.

7. Small D.M. The Physical Chemistry of Lipids. Handbook of lipid research. — New York: Plenum Press, 1986.

8. Gennis R.B. Biomembranes: molecular structure and function. — New York: Springer-Verlag, 1989.

9. Lehniger A.L., Nelson D.J., Cox M.M. Principles of biochemistry. — New York, Worth, 1993.

10. Yeagle P.L. The membrane of cells. Academic Press, San Diego, CA, 1993.

11. Structure and dynamics of membranes. Handbook of biological physics. — Eds.: Lipowsky R., Sackmann E. Elsevier, Amsterdam, The Netherlands, 1995.

12. Chiras D. Human biology. 3rd Ed., by C. Starr and B. McMillan. Wadsworth Publishing, 1999.

13. Murphy D.J. The molecular organization of the photosynthetic membranes of higher plants. Biochim. Biophys. Acta, 1986, v.864, p.33-94.

14. Anderson A.E., O'Brien P.J., Wiegand R.D., Koutz C.A., Stinson A.M. Conservation of docosahexaenoic acid in the retina. in: Neurobiology of Essential Fatty Acids, edited by N.G. Bazan et al., Plenum Press, New York, 1992, p.295-306.

15. Mitchell D.C. Gawrisch K., Litman B.J., Salem N. Jr. Why is docosahexaenoic acid essential for nervous system function? Biochem Soc. Trans., 1998, v.26, p.365—370.

16. Bazan N. G. Supply of n-3 polyunsaturated fatty acids and their significance in the central nervous system. in: Nutrition and the Brain, Wurtman R. J. Wurtman J. J. eds. Raven Press New York, NY, 1990, v. 8, p. 1-24.

17. Tinoco J. Dietary requirements and functions of a-linolenic acid in animals. Prog. Lipid Res., 1982, v.21, p. 1-46.

18. Stubbs C.D., Smith A.D. The modification of mammalian membrane polyunsaturated fatty acid composition in relation to membrane fluidity and function. Biochim. Biophys. Acta, 1984, v.779, p.89-137.

19. Brenner R.R. Effect of unsaturated fatty acids on membrane structure and enzyme kinetics. Prog. Lipid Res., 1984, v.23, p. 69-96.

20. Bell M.V., Henderson R.J., Sargent J.R. The role of polyunsaturated fatty acids in fish. Сотр. Biochem. Physiol. В., 1986, v.83, p.711.

21. Neuringer M., Anderson G.J., Connor W.E. The essentiality of n-3 fatty acids for the development and function of the retina and brain. Annu. Rev. Nutr., 1988, v.8, p.517-541.

22. Рабинович A.JI., Рипатти П.О. Полиненасыщенные углеводородные цепи липидов: структура, свойства, функции. — Успехи современной биологии, 1994, Т.114, №5, с.581-594.

23. Fenske D.B., Monck М.А., Hope M.J., Cullis P.R. The functional roles of lipids in biological membranes. Biomembranes, 1995, v.l, p. 1-28.

24. Everts S., Davis J.H. 'H and l3C NMR of multilamellar dispersions of polyunsaturated (22:6) phospholipids. Biophys. J., 2000, v.79, p.885-897.

25. Seelig J., Waespe-Sar6evic N. Molecular order in cis and trans unsaturated phospholipid bilayers. Biochemistry, 1978, v. 17, N.16, p.3310-3315.

26. Seelig A., Seelig J. Effect of a single cis double bond on the srtucture of a phospholipid bilayer. Biochemistry, 1977, v. 16, p.45-50.

27. Gaily H.U., Pluschke G., Overath P., Seelig J. Structure of E.coli membranes: Phospholipid conformation in model membranes and cells as studied by deuterium magnetic resonance. Biochemistry, 1979, v. 18, p.5605-5610.

28. Baenziger J.E., Jarrell H.C., Hill R.J., Smith I.C.P. Average structural and motional properties of a diunsaturated acyl chain in a lipid bilayer: effects of two cis-unsaturated double bonds. Biochemistry, 1991, v.30, N.4, p.894-903.

29. Rajamoorthi К., Brown M.F. Bilayers of arachidonic acid containing phospholipids studied by 2H and 3,P NMR spectroscopy. Biochemistry, 1991, v.30, p.4204-4212.

30. Holte L.L., Peter S.A., Sinnwell T.M., Gawrish Kl. 2H nuclear magnetic resonance order parameter profiles suggest a change of molecular shape for phosphatidylcholines containing a polyunsaturated acyl chain. Biophys. J., 1995, v.68, p.2396-2403.

31. Huber Т., Rajamoorthi K., Kurze V.F., Beyer K., Brown M.F. Structure of docosahexaenoic acid-containing phospholipid bilayers as studied by 2H NMR and molecular dynamics simulations. J. Am. Chem. Soc., 2002, v. 124, p.298-309.

32. Pastor R.W. Molecular dynamics and Monte Carlo simulations of lipid bilayers. -Current Opinion in Structural Biology, 1994, v.4, p.486-492.

33. Tieleman D.P., Marrink S.J. Berendsen H.J.C. A computer perspective of membranes -molecular dynamics studies of lipid bilayer systems. Biochim. Biophys. Acta, 1997, v.1331, p.235-270.

34. Merz K.M.Jr. Molecular dynamics simulations of lipid bilayers. Current Opinion in Structural Biology, 1997, v.7, p.511-517.

35. Tobias D J., Tu K., Klein M.L. Atomic-scale molecular dynamics simulations of lipid membranes. Current Opinion in Colloid and Interface Science, 1997, v.2, p. 15-26.

36. Saiz L., Klein M.L. Computer Simulation Studies of Model Biological Membranes. -Acc. Chem. Res., 2002, v.35, p.482-489.

37. Saiz L., Klein M.L. Influence of highly polyunsaturated lipid acyl chains of biomembranes on the NMR order parameters. J. Am. Chem. Soc., 2001, v. 123, p.7381-7387.

38. Balabaev N.K., Rabinovich A.L., Ripatti P.O., Kornilov V.V. Molecular dynamics simulations of monolayers containing polyene lipids of biomembranes. Proc. SPIE, 1998, v.3345, p. 198-201.

39. Балабаев Н.К., Рабинович А.Л., Рипатти П.О., Корнилов В.В. Молекулярная динамика монослоев, состоящих из полиненасыщенных липидов. — Журнал физической химии. 1998, т.72, с.686-689.

40. Rabinovich A.L., Ripatti P.O., Balabaev N.K. Molecular dynamics investigation of bond ordering of unsaturated lipids in monolayers. J. Biol. Physics, 1999, v.25, p.245-262.

41. Rabinovich A.L., Ripatti P.O., Balabaev N.K. Molecular dynamics simulations of unsaturated lipids in monolayers: an investigation of bond ordering. — Proc. SPIE, 1999, v.3687, p.175-181.

42. Рабинович А.Л., Рипатти П.О., Балабаев H.K. Молекулярно-динамическое изучение характеристик молекул полярных диацилглицеролипидов в слоях. -Журнал физической химии, 2000, т.74, с. 1990-1996.

43. Rabinovich A.L., Ripatti P.O., Balabaev N.K. Molecular dynamics investigation of polar diacylglycerolipid monolayers: bond ordering properties. Proc. SPIE, 2000, v.4064, p. 144-155.

44. Rabinovich A.L., Ripatti P.O., Balabaev N.K. Molecular dynamics study of C-C bond ordering in diacylglycerolipid monolayers. Proc. SPIE, 2001, v.4348, p.207-214.

45. Kornilov V.V., Rabinovih A.L., Balabaev N.K. Molecular dynamics study of monolayers consisting of polyunsaturated diacylglycerolipids. Proc. SPIE, 2002, v.4627, p. 129-140.

46. Корнилов B.B., Рабинович А.Л., Балабаев H.K. Исследование структуры и свойств полиненасыщенных липидных монослоев методом молекулярной динамики. Журнал физической химии, 2002, т.76, с.2002-2006.

47. Kornilov V.V., Rabinovih A.L., Balabaev N.K. Molecular dynamics simulations of unsaturated diacylglycerolipid monolayers. Journal of Computational Methods in Science and Engineering, in press.

48. Rabinovich A.L., Balabaev N.K. Molecular dynamics simulations of unsaturated lipid bilayers. Proc. SPIE, 2001, v.4348. p.215-224.

49. Рабинович А.Л., Рипатти П.О., Балабаев H.K. Молекулярная динамика липидных бислоев: флуктуационные свойства углеводородных цепей. — Журнал физической химии. 2002. Т.76. С.2007-2011.

50. Rabinovich A.L., Ripatti P.O., Balabaev N.K., Leermakers F.A.M. Molecular dynamics simulations of hydrated unsaturated lipid bilayers in the liquid-crystal phaseand comparison to self-consistent field modeling. Phys. Rev. E., 2003, v.67, 011909 (14).

51. Lands W.E.M. Stories about acyl chains. — Biochimica et Biophysica Acta, 2000, v.1483, p.1-14.

52. Hubbell W.L., Altenbach C. Investigation of structure and dynamics in membrane proteins using site-directed spin labeling. Current Opinion in Structural Biology, 1994, v.4, p.566-573.

53. Cross T.A., Opella S.J. Solid-stste NMR structural studies of peptides and proteins in membranes. Current Opinion in Structural Biology, 1994, v.4, p.574-581.

54. Markov M.S. Role of water in forming and stabilizing membrane structure. In: Water and Ions in Biological Systems. Eds. P. Lauger, L. Packer, V. Vasilescu. BirkhEauser, 1988.

55. Schnur J.M. Lipid tubules: A paradigm for molecularly engineering structures. -Science, 1993, v.262, p. 1669 -1676.

56. Langmuir I. The constitution and fundamental properties of solids and liquids. II. Liquids. J. Am. Chem. Soc., 1917, v.39, p. 1848-1906.

57. Garrett R. H., Grisham С. M. Biochemistry. Saunders College Publishing, Fort Worth, TX, 1995, p.276-310.

58. Singer S.J. The molecular organization of biological membranes. In Structure and function of biological membranes (ed. I.Rothfield), 1971, p. 146-222. N.Y.: Academic Press.

59. Singer S.J., Nicolson G.L. The fluid mosaic model of the structure of cell membrane. -Science, 1972, v. 175, p.720-731.

60. Cevc G., Marsh D. Phospholipid bilayers. — New York: Wiley-Interscience, 1987.

61. Unwin N., Henderson R. The structure of proteins in biological membranes. -Scientific American, 1984, v.250, p.78-94.

62. Jacobson K., Sheets E.D., Simson R. Revisiting the fluid mosaic model of membranes. Science, 1995, v.268, p.1441-1442.

63. Luzzati V. X-ray diffraction studies of lipid-water systems. In: Biological membranes (ed. D.Chapman), 1968, p.71-123, N.Y.: Academic Press.

64. Shipley G. Recent X-ray diffraction studies of biological membranes and membrane components. In: Biological membranes (ed. D.Chapman & D.F.H. Wallach), 1973, v.2, p. 1-89, N.Y.: Academic Press.

65. Mcintosh Т. J. X-ray diffraction analysis of membrane lipids. In: Molecular Description of Biological Membrane Components by Computer Aided Conformational Analysis. Ed.: Brasseur, R. CRC Press, Boca Raton, FL., 1990.

66. Brown M. F. Membrane structure and dynamics studied with NMR spectroscopy. — In: Biological Membranes. Eds.: К. M. Merz and B. Roux. BirkhaEuser, Boston, MA., 1996, p. 175-252.

67. De KruijffB. Lipids beyond the bilayer. Nature, 1997, v.386, p. 129-130.

68. Goldfine H. From unsaturated fatty acids to lipid polymorphism. Biochemical and Biophysical Research Communications, 2002, v.292, p. 1201-1207.

69. Флори П. Статистическая механика цепных молекул. — М.: Мир, 1971.

70. Дашевский В.Г. Конформационный анализ органических молекул. — М.: Химия, 1982, с.282.

71. Дашевский В.Г. Конформационный анализ макромолекул. М.: Наука, 1987, с.288.

72. Seelig J., Seelig A. Lipid conformation in model membranes and biological membranes. Q. Rev. Biophys., 1980, v. 13, p. 19-61.

73. Pascher I., Sundell S. Membrane lipids: preferred conformational states and their interplay, the crystal structure of dilauroylphosphatidyl-N,N-dimethylethanolamine. -Biochim. Biophys. Acta, 1986, v.855, p.68-78.

74. Pascher I., Lundmark M., Nyholm P., Sundell S., Crystal structures of membrane lipids. Biochim. Biophys. Acta, 1992, v. 1113, p.339-373.

75. Applegate, K.R.; Glomset, J.A. Computer-based modeling of the confirmation and packing properties of docosahexaenoic acid. Journal of Lipid Research, 1986, v.27, p.658-680.

76. Рабинович АЛ., Дашевский В.Г., Рипатти П.О. Изучение термодинамической гибкости макромолекул с двойными связями в основной цепи. Континуум-модель. Высокомолек. соед. А. 1986, т.28, № 8, с.1697-1705.

77. Рабинович АЛ., Рипатти П.О. О конформационных свойствах и функциях докозагексаеновой кислоты. Доклады АН СССР, 1990, т.314, №3, с.752-756.

78. Rabinovich A.L., Ripatti P.O. On the conformational, physical properties and functions of polyunsaturated acyl chains. — Biochim. Biophys. Acta, 1991, v. 1085, N.l, p.53-62.

79. Applegate K.R., Glomset J.A. Effect of acyl chain unsaturation on the conformation of model diacylglycerols: a computer modeling study. Journal of Lipid Research, 1991, v.32, N.10, p. 1635-1644.

80. Durig J.R., Compton D.A.C. Spectroscopic and thermodynamic study of the conformational properties and torsional potential functions of 1-butene. -J.Phys.Chem., 1980, v.84, p.773-781.

81. Wiberg K.B., Martin E. Barriers to rotation adjacent to double bonds. J. Am. Chem. Soc., 1985, v.107, p.5035- -5041.

82. Lowe J.P. In: Progress in physical organic chemistry, Eds. Streitwieser A. Jr., Taft R.W., New York, Intersciense Publ., 1968, v.6, p. 1-80.

83. Rey A., Kolinski A., Skolnick J., Levine Y.K. Effect of double bonds on the dynamics of hydrocarbon. J. Chem. Phys., 1992, v.97, N.2, p. 1240-1249.

84. Levine Y.K. Monte-Carlo dynamics study of cis and trans unsaturated hydrocarbon chains. Molecular Physics, 1993, v.78, N.3, p.619-628.

85. Рабинович А.Л., Рипатти П.О., Дашевский В.Г. Температурная зависимость конформационных характеристик природных полиненасыщенных углеводородных цепей. — Биофизика, 1985, т.30, вып.5, с.802-806.

86. Рабинович А.Л., Рипатти П.О. Равновесная гибкость природных углеводородных цепей. Биофизика, 1990, т.35, вып.5, с.775-778.

87. Рабинович А.Л., Рипатти П.О. Теоретическое изучение гибкости цепей цис-,цис-октадекадиенов. Журн. физической химии, 1991, т.65. №1, с.245-247.

88. Rabinovich A.L., Ripatti P.O. The flexibility of natural hydrocarbon chains with non-methylene-interrupted double bonds. Chem. Phys. Lipids, 1991, v.58, No.3, p.185-192.

89. Rabinovich A.L., Ripatti P.O. Monte Carlo simulations of hydrocarbon oligomeric chains: shape and dimension characteristics. Proc. SPIE, 2001, v.4348, p.225-236.

90. Niebylski C.D., Salem N., Jr. A Calorimetric Investigation of a Series of Mixed-Chain Polyunsaturated Phosphatidylcholines: Effect of sn-2 Chain Length and Degree of Unsaturation. Biophys. J., 1994, v.67, p.2387-2393.

91. Koynova R., CafFrey M. Phases and phase transitions of the phosphatidiylcholines. -Biochim. Biophys. Acta, 1998, v.1376, p.91-145.

92. Seelig A., Seelig J. The dynamics structure of fatty acyl chains in a phospholipid bilayers measured by deuterium magnetic resonance. — Biochemistry, 1974, v. 13, p.4839-4845.

93. Seelig A., Seelig J. Bilayers of dipalmitoyl-3-sn-phosphatidylcholine. Conformational differences between the fatty acyl chains. Biochim. Biophys. Acta, 1975, v.406, p.l-5.

94. Seelig J. Deuterium magnetic resonance: Theory and application to lipid membranes. -Q. Rev. Biophys., 1977, v. 10, p.353-418.

95. Bloom M., Evans E., Mouritsen O.G. Physical properties of the fluid lipid-bilayer component of cell membranes: a perspective. Q. Rev. Biophys., 1991 v.24, N3, p.293-397.

96. Рабинович А.Л., Рипатти П.О. Внутримолекулярная упорядоченность связей углеводородных цепей липидов. Имитационное моделирование на ЭВМ. — Биофизика, 1997, т.42, вып. 1, с. 138-146.

97. Рабинович А.Л., Рипатти П.О. Моделирование на ЭВМ внутримолекулярной упорядоченности связей цис-октадеценовых цепей. — Биофизика, 1997, т.42, вып.4, с.874-881.

98. Рабинович А.Л., Рипатти П.О. Теоретическое изучение внутримолекулярной упорядоченности связей транс-октадеценовых цепей. Биофизика, 1997, т.42, вып. 4, с.882-888.

99. Rabinovich A.L., Ripatti P.O. Computer simulations of hydrocarbon chains with cis double bonds: an investigation of intramolecular bond order characteristics. Proc. SPIE, 1998, v.3345, p.202-205.

100. Рабинович А.Л., Рипатти П.О. Внутримолекулярная упорядоченность связей цис-октадекадиеновых цепей природных липидов. Моделирование методом Монте-Карло. Биофизика, 1998, т.43, вып. 2, с.292-298.

101. Рабинович А.Л., Рипатти П.О. Исследование внутримолекулярного упорядочения связей в углеводородных цепях методом Монте-Карло. — Журн. физической химии, 1998, т.72, №4, с.681-685.

102. Рабинович A.JI., Рипатти П.О. О внутримолекулярном упорядочении связей в цис-4,7,10,13,16,19-докозагексаеновой цепи. Доклады Академии Наук, 1999, т.364, №2, с.264-267.

103. Рабинович A.JL, Рипатти П.О. Исследование на ЭВМ внутримолекулярного упорядочения связей: ненасыщенные цепи природных липидов. Биологические мембраны, 1999, т. 16, №5, с.563-576.

104. Хочака П., Сомеро Дж. Биохимическая адаптация. М.: Мир, 1988,568 с.

105. White S. Н., Wimley W. С. Membrane protein folding and stability. Physical principles. Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct., 1999, v.28, p.319-365.

106. Salem N., Kim H.-Y., Yergey J.A. Docosahexaenoic acid: membrane function and metabolism. In: Health Effects of Polyunsaturated Fatty Acids in Seafoods. Eds.: A.P.Simopoupous, R.R.Kiefer, and R.E.Martin. Academic Press, Orlando. 1986, p.263-318.

107. Aveldano M.I. Phospholipid species containing long and very long polyenoic fatty acids remain with rhodopsin after hexane extraction of photoreceptor membranes. — Biochemistry, 1988, v.27, p.1229-1239.

108. Шульман Г.Е., Юнева T.B. Роль докозагексаеновой кислоты в адаптациях рыб. Гидоробиол. журн., 1990, т.26, №4, с.43-51.

109. Darin-Bennett A., Poulos A., White I.G. The fatty acid composition of the major phosphoglycerides of ram and human spermatozoa. — Andrologia, 1976, v.8, p.37-45.

110. Litman B.J., Mitchell D.C. A role for phospholipids polyunsaturation in modulating membrane protein function. Lipids, 1996, v.31, p.193-197.

111. Levine Y.K. X-ray diffraction studies of membrane. Pergamon Press, Oxford, 1973.

112. Wiener M.C., White S.H. Structure of a fluid dioleoylphosphatidylcholine bilayer determined by joint refinement of x-ray and neutron diffraction data. III. Complete structure. Biophys. J., 1992, v.61, p.437-447.

113. Koenig B.W., Strey H.H., Gawrish K. Membrane lateral compressibility determined by NMR and X-Ray diffraction: effect of acyl chain polyunsaturation. Biophys. J., 1997, v.73, p. 1954-1966.

114. Tristram-Nagle S., Petrache H. I., Nagle J. F. Structure and interactions of fully hydrated DOPC bilayers. Biophys. J., 1998, v.75, p.917-925.

115. Hristova К., White S. H. Determination of the hydrocarbon core structure of fluid DOPC bilayers by x-ray diffraction using specific bromination of the double-bonds: effect of hydration. Biophys. J., 1998, v.74, p.2419-2433.л

116. Гусев Д.Г. Н-ЯМР метод исследования динамического состояния модельных и биологических липидных систем. - Биологические мембраны, 1989, т.6, №5, с.453-467.

117. Separovic F., Gawrisch К. Effect of unsaturation on the chain order of phosphatidylcholines in a dioleoylphosphatidylethanolamine matrix. — Biophys. J., 1996, v.71, p.274-282.

118. Lange A., Marsh D., Wassmer K.-H., Meier P., Kothe G. Electron spin resonance study of phospholipid membranes employing a comprehensive line-shape model. — Biochemistry, 1985, v.24, p.43 83-4392.

119. Bach D. Calorimetric studies of model and natural biomembranes. — In: Biomembrane Structure and Function. Ed.: D.Chapman. Vergal Chemie, Basel. 1984, p. 1-41.

120. Pastor R.W., Feller S.E. Time scales of lipid dynamics and molecular dynamics. — In: Biological Membranes: A Molecular Perspective from Computation and Experiment. Eds.: K.M. Merz and B. Roux. Birkhauser, Boston. 1996, p.3-29.

121. Feller S.E., Pastor R.W. The length scales of lipid dynamics and molecular dynamics. — In: Proceedings of the 1997 Pacific Symposium in Biocomputing. Eds.: Altman R.B., Dunker A.K., Hunter L., Klein Т.Е. World Scientific: Singapore. 1997; p. 142150.

122. Blume A. Dynamic properties. In: Phospholipids Handbook. Ed. G. Cevc. Marcel Dekker, New York. 1993, p.455-509.

123. Egberts E., Marrink S.J., Berendsen H.J.C. Molecular dynamics simulation of a phospholipid membrane. Eur. Biophys. J., 1994, v.22, p.423-426.

124. Ahlstrom P., Berendsen H.J.C. A molecular dynamics study of lecithin monolayers. -J. Phys. Chem., 1993, v.97, N.51, p.13691-13702.

125. Pastor R.W., Venable R.M., Karplus M.J. Brownian dynamics simulation of a lipid chain in a membrane bilayer. — Chem. Phys., 1988, v.89, p. 1112-1127.

126. Pastor R.W. Techniques and applications of langevin dynamics simulation. In: Mol. Dyn. of Lipid Crystals. Ed.: Luckhurst G.R., Veracini C.A., Kluwer. 1994, p.85-138.

127. Feller S.E., Zhang Y., Pastor R.W. Brooks B.R. Constant pressure molecular dynamics simulation: The Langevin piston method. J. Chem. Phys., 1995, v. 103, p.4613-4621.

128. Биндер К., Хеерман Д.В. Моделирование методом Монте-Карло в статистической физике. М.: Наука, 1995. - 142 с.

129. Monte Carlo and molecular dynamics simulations in polymer sciense. Ed. Binder K. Oxford University Press, N.Y. Oxford. 1995. - 578 p.

130. Frenkel D., Smit B. Understanding molecular simulation, from algoritms to applications. Academic Press, San Diego. 1996. - 443 p.

131. Sadus R.J. Molecular simulations of fluids, theory, algoritms and object-orientation. Elsevier, Amsterdam. 1999. — 523 p.

132. Ермаков C.M., Михайлов Г.А. Статистическое моделирование. М.: Наука, 1982.-296 с.

133. Дашевский В.Г., Рабинович A.JI. Конформационный анализ полиненасыщенных макромолекул в растворе. Континуум-модель. — Высокомолек. соед. А., 1983, т.25, № 3, с.544-550.

134. Rabinovich A.L. Computerized theoretical study of local structural properties of polyene and polymethylene chains in solutions. The continuum model. Makromol. Chem., 1991, v. 192, N.2, p.359-375.

135. Levine Y.K., Kolinski A., Skolnick J. A lattice-dynamics study of a Langmuir monolayer of monounsaturated fatty acids. J. Chem. Phys., 1993, v.98, p.7581-7587.

136. Rabinovich A.L., Ripatti P.O. Monte Carlo simulations of hydrocarbon oligomeric chains: carbon skeleton cross sectional areas. Proc. SPIE, 2002, v.4627, p. 118-128.

137. Рабинович A.JI., Рипатти П.О. Изучение свойств углеводородных олигомеров методом Монте-Карло. Журн. физической химии, 2002, т.76, с. 1997-2001.

138. Chiu, S.-W., Jakobsson, Е., Subramaniam, S., Scott, H.L. Combined Monte Carlo and molecular dynamics simulation of fully hydrated dioleyl and palmitoyl-oleyl phosphatidylcholine lipid bilayers. Biophys. J., 1999, v.11, p.2462-2469.

139. Chiu, S.-W., Jakobsson, E., Scott, H.L. Combined Monte Carlo and molecular dynamics simulation of hydrated lipid-cholesterol lipid bilayers at low cholesterol concentration. Biophys. J., 2001, v.80, p. 1104-1114.

140. Балабаев H.K. В книге "Метод молекулярной динамики в физической химии". М.: Наука, 1996, с.258-279.

141. Гривцов А.Г. В книге "Метод молекулярной динамики в физической химии". М.: Наука, 1996, с.258-279.

142. Шайтан К.В., Сарайкин С.С. Метод молекулярной динамики. -http://www.moldyn.ru, 1999.

143. IUPAC-IUB Commission on biochemical nomenclature. Journ. of Molec. Biol., 1970, v.52, p.l.

144. MacKerell A. D. Jr., et al. All-atom empirical potential for molecular modeling and dynamics studies of proteins. J. Phys. Chem. В., 1998, v. 102, p.3586-3616.

145. Feller S. E., MacKerell A. D. Jr. An improved empirical potential energy function for molecular simulations of phospholipids. J. Phys. Chem. B, 2000, v. 104, p.7510-7515.

146. Foloppe N., MacKerell A. D. Jr. All-atom empirical force field for nucleic acids: 1) Parameter optimization based on small molecule and condensed phase macromolecular target data. J. Comput. Chem., 2000, v.21, p.86-104.

147. Egberts E., Berendsen H.J.C. Molecular dynamics simulation of a smetic liquid crystal with atomic detail. J. Chem. Phys., 1988, v.89, p.3718-3732.

148. Huang P., Perez J.J., Loew G.H. Molecular-dynamics simulations of phospholipid bilayers. Journal of Biomolecular Structure & Dynamics, 1994, v.l 1, p.927-956.

149. Shinoda W., Fukada Т., Okazaki S., Okada I. Molecular dynamics simulation of the dipalmitoylphosphatidylcholine (DPPC) lipid bilayer in the fluid phase using the Nose-Parrinello-Rahman NPT ensemble. Chem. Phys. Lett., 1995, v.232, p.308-322.

150. Tu К., Tobias D.J., Klein M.L. Constant pressure and temperature molecular dynamics simulation of a fully hydrated liquid crystalline phase dipalmitoylphosphatidylcholine bilayer. Biophys. J., 1995, v.69, p.2558-2562.

151. Chiu S.-W., Clark M., Balaji V., Subramaniam S., Scott H.L., Jakobsson E., Incorporation of surface tension into molecular dynamics simulation of an interface: A Fluid Phase Lipid Bilayer Mambrane. Biophys. J., 1995, v.69, p.1230-1245.

152. Feller S.E., Zhang Y., Pastor R.W. Computer simulation of liquid/liquid interfaces. II. Surface tension-area dependence of a bilayer and monolayer. J. Chem. Phys.,1995, v. 103, p. 10267-10276.

153. Feller S.E.; Pastor R.W. On simulating lipid bilayers with an applied surface tension: Periodic boundary conditions and undulations. Biophys. J., 1996, v.71, p.1350-1355.

154. Sun F. Constant normal pressure, constant surface tension, and constant temperature molecular dynamics simulation of hydrated 1,2-Dilignoceroylphosphatidylcholine monolayer. Biophys. J., 2002, v.82, p.2511-2519.

155. Jahnig F. What is the surface tension of a lipid bilayer membrane? Biophys. J.,1996, v.71, p.1348-1349.

156. Tieleman D.P., Berendsen H.J.C. Molecular dynamics simulations of a fully hydrated dipalmitoylphosphatidylcholine bilayer with different macroscopic boundary conditions and parameters. J. Chem. Phys., 1996, v. 105, p.4871-4880.

157. Shinoda W.N., Namiki N., Okazaki S. Molecular dynamics study of a lipid bilayer: convergence, structure and long-time dynamics. J. Chem. Phys., 1997, v. 106, p.5731-5743.

158. Essman U., Berkowitz M.L. Dynamical properties of phospholipids bilayers from computer simulation. Biophys. J., 1999, v.76, p.2081-2089.

159. Venable R.M., Brooks B.R., Pastor R.W. Molecular dynamics simulation of gel (Lpi) phase lipid bilayers in constant pressure and constant surface area ensembles. J. Chem. Phys., 2000, v.l 12, p.4822-4832.

160. La Penna G., Letardi S., Minicozzi V., Morante S., Rossi G.C., Salina G. A simple atomistic model for the simulation of the gel phase of lipid bilayers. Eur. Phys. J. E., 2001, v.5, p.259-274.

161. Allen M.P., Tildesley D.J. Computer simulation of liquids. — Oxford, Clarendon press, 1987.

162. Berendsen H.J.C., Postma J.P.M., van Gunsteren W.F., DiNola A., Haak J.R. Molecular dynamics with coupling to an external bath. J. Chem. Phys., 1984, v.81, p.3684-3689.

163. Lemak A.S., Balabaev N.K. A comparison between collisional dynamics and brownian dynamics. Molecular Simulation, 1995, v. 15, p.223-231.

164. Verlet L. Computer 'experiments' on classical fluids. I. Thermodynamical properties of Lennard-Jones molecules. Phys. Rev., 1967, v. 159, p.98-114.

165. Hockney R.W. The potential calculation and some applications. Methods Comput. Phys., 1970, v.9, p. 136-211.

166. Hockney R.W., Eastwood J.W. Computer simulation using particles. McGraw-Hill, New York, 1981.

167. Gear C.W. Numerical initial value problems in ordinary different equations. Prentice-Hall, New Jersey, 1971.

168. Berendsen H.J.C., van Gunsteren W.F. In: Molecular Dynamics simulation of statistical mechanical systems, Proc. Soc. Italiana di Fysica, G.Ciccotti, W.G.Hoover, Eds. North-Holland, Amsterdam, 1986, v.XCVII, p.43.

169. Monte-Carlo and molecular dynamics simulations in polymer science. Ed.: Binderk, New-York, Oxvord Un. Press, 1995.

170. Frenkel D., Smit B. From algorithms to application. San Diego, Acad. Press, 1996.

171. Berendsen H.J.C. Reality simulation observe while it happens. — Science, 2001, v.294, p.2304-2305.180. van der Ploeg P., Berendsen H.J.C. Molecular dynamics simulations of a bilayer membrane. J. Chem. Phys., 1982, v.76, p.3271-3276.

172. Egberts E. Molecular dynamics simulation of multibilayer membranes (PhD Thesis).- Groningen: University of Groningen, 1988.

173. Klein M.L. Conformations of flexible molecules in fluid phases. Journal of the Chemical Society, Faraday Transactions, 1992, v.88, N.13, p.1701-1705.

174. Berkowitz M.L., Raghavan K. Computer simulation of a water/membrane interface.- Langmuir, 1991, v.7, p. 1042-1044.

175. Damodaran K.V., Merz K.M.Jr., Gaber B.P. Structure and dynamics of the dilauroylphosphatidylethanolamine lipid bilayer. Biochemistry, 1992, v.31, N.33, p.7656-7664.

176. Shelley J.C., Shelley M.Y., Reeder R.C., Bandyopadhyay S., Moore P.B., Klein M.L. Simulations of phospholipids using a coarse grain model. — J. Phys. Chem. B, 2001, v.105, p.9785-9792;

177. Lopez F.C., Moore P.B., Shelley J.C., Shelley M.Y., Klein M.L. Computer simulation studies of biomembranes using a coarse grain model. — Computer Physics Communications, 2002, v. 147, p. 1-6.

178. Fukunaga H., Takimoto J., Doi M. A coarse-graining procedure for flexible polymer chains with bonded and nonbonded interactions. — J. Chem. Phys., 2002, v. 116, p.8183-8190.

179. Heller H., Schaefer M., Schulten K. Molecular dynamics simulation of a bilayer of 200 lipids in the gel and in the liquid-crystal phases. -J. Phys. Chem., 1993, v.97, p.8343-8360.

180. Stouch T.R. Lipid membrane structure and dynamics studied by all-atom molecular dynamics simulations of hydrated phospholipid bilayers. Mol. Simul., 1993, v. 10, p.335-362.

181. Damodaran K.V., Merz K.M., Jr. A comparison of DMPC- and DLPE-based lipid bilayers. Biophys. J., 1994, v.66, p. 1076-1087.

182. Perera L., Essmann U., Berkowitz M.L. Role of water in the hydration force acting between lipid bilayers. Langmuir, 1996, v. 12, p.2625-2629.

183. Essmann U., Регега L., Berkowitz M.L. The origin of the hydration interaction of lipid bilayers from MD simulation of dipalmitoylphosphatidylcholine membranes in gel and crystalline phases. Langmuir, 1995, v.l 1, p.4519-4531.

184. Alper H.E., Bassolino D., Stouch T.R. Computer simulation of a phospholipid monolayer-water system: the influence of longrange forces of water structure and dynamics. J. Chem. Phys., 1993, v.98, p.9798-9807.

185. Marrink S.J., Berkowitz M., Berendsen H.J.C. Molecular dynamic simulation of a membrane/water interface: The ordering of water and its relation to the hydration force. Langimir, 1993, v.9, p.3122-3133.

186. Van Buren A.R., Marrink S.-J., Berendsen H.J.C. Characterization of aqueous interfaces with different hydrophobicities by molecular dynamics. Colloid Surf. A., 1995, v.l 02, p.143-157.

187. Wilson M.A., Pohorille A. Molecular dynamics of a water-lipid bilayer interface. — J. Am. Chem. Soc., 1994, v. 116, p. 1490-1501.

188. Zhou F., Schulten K. Molecular dynamics study of a membrane-water interface. — J. Phys. Chem., 1995, v.99, p.2194-2207.

189. Israelachvili J.N., Wennerstrom H. Role of hydration and water structure in biological and colloidal interactions. Nature, 1996, v.379, p.219-225.

190. Essmann U., Perera L., Berkowitz M.L., Darden Т., Lee H., Pedersen L.G. A smooth particle mesh ewald method. J. Chem. Phys., 1995, v. 103, p.8577-8593.

191. Darden Т., York D., Pedersen L. Particle mesh Ewald: an Nlog(N) method for Ewald sums in large systems. J. Chem. Phys., 1993, v.98, 10089-10092.

192. Luty B.A., Tironi L.G., van Gunsteren W.F. Lattice-sum methods for calculating electrostatic interactions in molecular simulations. — J. Chem. Phys., 1995, v. 103, p.3014-3021.

193. Feller S.E., Pastor R.W., Rojnuckarin A., Bogusz S., Brooks B.R. Effect of electrostatic force truncation on interfacial and transport properties of water. — J. Phys. Chem., 1996, v.l 00, p. 17011-17020.

194. Tu K., Tobias D.J., Blasie K., Klein M.L. Molecular dynamics investigation of the structure of a fully hydrated gel-phase dipalmitoylphosphatidylcholine bilayer. — Biophys. J., 1996, v.70, p.595-608.

195. Hyvonen M., Ala-Korpela M., Vaara J., Rantala T.T., Jokisaari J. Effects of two double bonds on the hydrocarbon interior of a phospholipid bilayer. Chem. Phys. Lett., 1995, v.246, p.300-306.

196. Hyvonen M.T., Rantala T.T., Ala-Korpela M. Structure and dynamics propeties of diunsaturated l-palmitoyl-2-linoleoyl-sn-glycero-3-phosphatidylcholine lipid bilayer from molecular dynamics simulation. — Biophys. J., 1997, v.73, p.2907-2923.

197. Feller S.E., Yin D., Pastor R.W., MacKerell A.D. Jr. Molecular dynamics simulation of unsaturated lipid bilayers at low hydration: parameterization and comparison with diffraction studies. Biophys. J., 1997, v.73, p.2269-2279.

198. Armen R.S., Uitto O.D., Feller S.E. Phospholipid component volumes: determination and application to bilayer structure calculations. Biophys. J., 1998, v.75, p.734-744.

199. Wilson M.A., Pohorille A. Mechanism of unassisted ion transport across membrane bilayers. J. Am. Chem. Soc., 1996, v.l 18, p.6580-6587.

200. Marrink S.J. Permeation of small molecules across lipid membranes. — Ph.D. Thesis, University of Groningen, 1994.

201. Marrink S.J., Berendsen H.J.C. Permeation process of small molecules across lipid membranes studied by molecular dynamics simulations. J. Phys. Chem., 1996, v. 100, p. 16729-16738.

202. Marrink S.J., Jahnig F., Berendsen H.J.C. Proton transport across transient single-file water pores in a lipid membrane studied by molecular dynamics simulations. -Biophys. J., 1996, v.71, p.632-647.

203. Damodaran K.V., Merz K.M. Jr., Gaber B.P. Interaction of small peptides with lipid bilayers. Biophys. J., 1995., v.69, p.1299-1308.

204. Huang P., Loew G.H. Interaction of an amphiphilic peptide with a phospholipid bilayer surface by molecular dynamics simulation study. J. Biomol. Struct. Dyn., 1995, v.12, p.937-956.

205. Woolf T.B., Roux B. Structure, energetic, and dynamics of lipid-protein interactions: a molecular dynamics study of the gramicidin A channel in a DMPC bilayer. — Proteins, 1996, v.24, p.92-114.

206. Zhou F., Schulten K. Molecular dynamics study of phospholipase A on a membrane surface. Proteins Struct. Funct. Genet., 1996, v.25, p. 12-27.

207. Balabaev N.K., Rabinovich A.L., Ripatti P.O. Molecular dynamics simulations of isolated molecules of polyunsaturated lipids. Proc. SPIE, 1998, v.3345, p.202-205.

208. Stouch T.R., Ward K.B., Altieri A., Hagler A.T. Simulations of lipid crystals: characterization of potential energy functions and parameters for lecithin molecules. -Journal of Computational Chemistry, 1991, V.l 2, N.8, p. 1033-1046.

209. Kim E.G., Mattice W.L. Local chain dynamics of bulk amorphous polybutadienesA Amolecular dynamics study. J. Chem. Phys., 1994, v. 101, p.6242-6254.

210. Корнилов B.B., Балабаев H.K., Рабинович А.Л. Молекулярно-динамическое изучение свойств упорядочения связей ненасыщенных липидов в монослоях при различных условиях моделирования. Журнал физической химии, в печати.

211. Davis J.H. The description of membrane lipid conformation, order and dynamics by 2H-NMR. Biochim. Biophys. Acta, 1983, v.737, p.l 17-171.

212. Smitch I.C.P. Conformational and motional properties of lipids in biological membranes ae determined by deuterium magnetic resonance. In: M. Kates and L.A. Manson (eds.), Biomembranes, Plenum Press, Ney York, 1984, v. 12, p. 133-168.

213. Sankaram M.B., Thompson Т.Е. Modulation of phospholipid acyl chain order by cholesterol. A solid-state 2H-NMR study. Biochemistry, 1993, v.32, p.5394-5410.

214. Lu D., Vavasour I., Morrow M.R. Smoothed acyl chain orientational order parameter profiles in dimiristoylphosphatidylcholine-distearoylphosphatidylcholine mixtures: a 2H-NMR study. Biophys. J., 1995, v.68, p.574-583.

215. Ranee M., Jeffrey K.R., Tulloch A.P., Butler K.W., Smitch I.C.P. Orientational order of unsaturated lipids in the memranes of Acholeplasma laidlawii as observed by 2H-NMR. Biochim. Biophys. Acta, 1980, v.600, p.245-262.

216. Pearce L.L., Harvey S.C. Langevin dynamics studies of unsaturated phospholipids in membrane enviroment. Biophys. J., 1993, v.65, p. 1084-1092.

217. Fattal D.R:, Ben-Shaul A. Mean-Field Calculations of chain packing and conformational statistics in lipid bilayers: comparison with experiments and molecular dynamics studies. Biophys. J., 1994, v.67, p.983-995

218. Douliez J.-P., Leonard A., Dufourc E.J. Restatement of order parameters in biomembranes: Calculation od C-C bond order parameters from C-D quadrupolar splitting. Biophys. J., 1995, v.68, p. 1727-1739.

219. Douliez J.-P., Ferrarini A., Dufourc E.-J. On the relationship between C-C and C-D order parameters and its use for studying the conformation of lipid acyl chains in biomembranes. J. Chem. Phys., 1998, v. 109, p.2513-2518.

220. Корнилов B.B., Рабинович А.Л., Балабаев H.K. Моделирование структуры и динамики монослоёв ненасыщенных липидов. В сб. "Структура и динамика молекулярных систем". Йошкар-Ола, 2001, вып. VIII, ч.1, с.20-24.

221. Nagle J.F., Zhang R., Tristram-Nagle S., Petrache H., Suter R.M. X-ray structure determination of fully hydrated La phase DPPC bilayers. Biophys. J., 1996, v.70, p.1419-1431.

222. Rawicz W., Olbrich K.C., Mcintosh Т., Needham D., Evans E. Effect of chain length and unsaturation on elasticity of lipid bilayers. Biophys. J., 2000, v.79, p.328-339.

223. Pfeiffer W., Henkel Т., Sackman E., Knoll W., Richter D. Local dynamics of lipid bilayers studied by incoherent quasi-elastic neutron scattering. Europhys. Lett., 1989, v.8, p.201-206.

224. Байкерев Р.Ф., Филиппов A.B., Исмаев И.Э. Динамическая гетерогенность липидов в системе диэтиловый эфир-вода-лецитин. — Биофизика, 1996, т.41, с. 1227-1233.

225. Филиппов А.В., Хакимов A.M., Дорогиницкий М.М., Скирда В.Д. Ограниченная самодиффузия лецитина в системе лецитин-вода. — Коллоиднй журнал, 2000, т.62, с.700-706

226. Essmann U., Berkowitz M.L. Dynamical properties of phospolipid bilayers from computer simulation. Biophys. J., 1999, v.76, p.2081-2089.

227. Schmelter R., Geiger A. MD simulation of a phospholipid bilayer. In: High Perfomance Computing in Science and Engineering, Eds. Wanse E., Zeger W., Springer- Verlag, 1999.

228. Filippov A., Oradd G., Lindblom G. Influence of cholesterol and water content on phospholipid lateral diffusion in bilayers. Langimir, 2003, v.19, p.6397-6400.

229. Filippov A., Oradd G., Lindblom G. Domain formation and lateral self-diffusion in lipid bilayers. In Abstracts / Magnetic Resonance Imaging, 2003, v.21, p.443.

230. Demel R.A., Geurts van Kessel W.S.M., van Deenen L.L.M. The properties of polyunsaturated lecithins in monolayers and liposomes and the interactions of these lecithins with cholesterol. Biochim. Biophys. Acta, 1972, v.266, p.26-40.

231. Ghosh D., Tinoco J. Monolayer interactions of individual lecithins with natural sterols. Biochim. Biophys. Acta, 1972, v.266, p.41-49.

232. Evans R.W., Tinoco J. Monolayers of sterols and phosphatidylcholines containing a 20-carbon chain. Chem. Phys. Lipids, 1978, V.22, p.207-220.

233. Zerouga M., Jenski L.J., Stillwell W. Comparison of phospatidylcholines containing one or two docosahexaenoic acyl chains on propeties of phospholipid monolayers and bilayers. Biochim. Biophys. Acta, 1995, v. 1236, p.266-272.

234. Feng S., MacDonald R.C. Effects of chain unsaturation on the equation of state for lipid monalyers at the air-water interface. — Biophys. J., 1995, v.69, p.460-469.

Информация о работе

Корнилов, Василий Вячеславович
кандидата физико-математических наук
Москва, 2004
ВАК 03.00.02

Диссертация

Моделирование монослоев ненасыщенных липидов биологических мембран методом молекулярной динамики - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы