авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Квантово-химическое кластерное моделирование процесса взаимодействия сероводорода с компонентами поверхности биологической мембраны

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ЖАРКИХ ЛЕСЯ ИВАНОВНА

КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКОЕ КЛАСТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ процесса ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СЕРОВОДОРОДА С КОМПОНЕНТАМИ ПОВЕРХНОСТИ БИОЛОГИЧЕСКОЙ МЕМБРАНЫ

Специальность 05.13.18 –

Математическое моделирование, численные методы и

комплексы программ

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

АСТРАХАНЬ – 2006

Работа выполнена в Астраханском государственном университете

Научный руководитель: доктор химических наук,

профессор Алыков Нариман Мирзаевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

Элькин Михаил Давыдович

кандидат физико-математических наук, доцент

Коваленко Илья Борисович

Ведущая организация: Московский государственный университет экономики, статистики и информатики, г. Москва

Защита диссертации состоится 20 декабря 2006 г. в 13 часов 00 минут на заседании диссертационного совета ДМ 212.009.03 при Астраханском государственном университете по адресу: 414056, г. Астрахань, ул. Татищева, 20 а, конференц-зал.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять ученому секретарю диссертационного совета по адресу “414056, г. Астрахань, ул. Татищева, 20 а, диссертационный совет”.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Астраханского государственного университета.

Автореферат разослан 17 ноября 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета ДМ 212.009.03,

д.т.н., профессор И.Ю. Петрова

ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В науках эколого-биологического и эколого-химического направлений знания базируются, в основном, на экспериментальном материале. Математические расчеты, связанные с прогнозированием свойств живой природы – это задача, которая только-только начинает решаться. Примером может служить оценка влияния различных токсикантов на структурные элементы живых организмов. Здесь оцениваются критические дозы, такие как предельно допустимые концентрации (ПДК), летальные дозы, при которых погибает 10, 50, 90, 100% объектов. Влияние различных токсичных газов оценивается по количеству поврежденных листьев и площади их поверхности, которая подверглась токсичному воздействию. Одним из приемов оценки воздействия токсикантов является урожай тех или иных культур. Важным критерием накопления токсикантов в объектах окружающей среды является изменение их органолептических показателей.

Вместе с тем, знание структуры и физико-химических свойств токсикантов и мишеней для их воздействия – различных биологических систем, требует разработки фундаментальных основ и применения математического моделирования и комплексов программ для своего решения. С их помощью удается установить, какие факторы определяют направление и относительный выход продуктов реакции, а также получить недоступную для эксперимента информацию о геометрии и электронной структуре переходных состояний. Зная структуру и свойства взаимодействующих веществ, а также отдельные группы, наиболее активно участвующие во взаимодействии, можно определить антидоты к данному токсиканту. Антидот можно найти и для других веществ, таких как вирусные инфекции (например, СПИД), вещества, применяемые в военных и мирных целях, а также для других токсикантов, влияющих на живой организм, причем задача может быть решена более корректно и проще, если её решение связано с использованием математического моделирования, численных методов и комплекса программ.





Таким образом, формируется актуальная задача использования математического моделирования, математического аппарата и комплекса программ для решения эколого-биологических и эколого-химических задач.

Цель и задачи исследования. Целью работы явилась разработка фундаментальных основ, применение математического моделирования, численных методов и комплексов программ для установления механизмов воздействия сероводорода на структурные элементы клеточных мембран.

Реализация поставленной цели включала в себя решение комплекса задач:

  • анализ комплексов программ для решения поставленной задачи;
  • анализ квантово-химических методов, которые обеспечивали бы наиболее корректное решение поставленной задачи;
  • дифференцирование и оптимизация структуры клеточных мембран;
  • на основании проведенных расчетов, установление в структурных элементах липидов, белков и гликозидов наиболее вероятных мишеней – активных центров, атака которых сероводородом приводила бы к соединениям высокой прочности.

Методы исследования. При выполнении работы применялись программные комплексы MOPAC и Gamess, а также программа визуализации ChemCraft, которые обеспечивали надежность и корректность квантово-химических расчетов.

Научная новизна работы. Впервые с использованием математического моделирования, численных методов и комплексов программ установлены механизмы процессов воздействия сероводорода на отдельные структурные элементы клеточных мембран.

В диссертации разработаны и вынесены на защиту следующие основные положения:

  • впервые оптимизированные модели отдельных структурных компонентов клеточных мембран, полученные с использованием квантово-химических расчетов;
  • впервые разработанная методика определения активных центров структурных составляющих биологических мембран;
  • модели адсорбционных комплексов сероводорода со структурными элементами биологических мембран, полученные и рассчитанные впервые.

Практическая значимость работы. Практическая значимость работы заключается в возможности использования методологии расчетов для решения задач, связанных с моделированием воздействия на клеточные мембраны не только сероводорода, но и различных других токсикантов. Совокупность результатов, полученных применительно к исследованным соединениям, может стать научной основой для создания технологий снижения риска и уменьшения последствий воздействия различных токсикантов в результате природных и техногенных катастроф.

Уже сейчас вопросы математического моделирования и комплексы программ используются при чтении лекций и проведении семинаров и практических занятий у студентов отделения химия по дисциплинам: «математические методы в химических исследованиях» и «квантовая механика и квантовая химия».

Апробация работы. Основные результаты работы представлены и доложены на различных Международных и Российских конференциях, среди которых:

  • VIII Международная научная конференция «Образование. Экология. Экономика. Информатика» серии «Нелинейный мир» (Астрахань, 2003); VII и IX Международные научные конференции «Эколого-биологические проблемы бассейна Каспийского моря» (Астрахань, 2004 и 2006); Международная научная конференция «Средства и методы обеспечения экологической безопасности» (Астрахань, 2005); Международная научная конференция «Фундаментальные и прикладные проблемы современной химии в исследованиях молодых ученых» (Астрахань, 2006); Международный симпозиум «Математическое моделирование и физико-химические исследования в экологических системах» (Астрахань, 2006); итоговые научные конференции Астраханского государственного университета (Астрахань, 2002 – 2006).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 статей в журналах и материалах Международных научных конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов, приложения и библиографического списка (125 источников). Работа изложена на 110 страницах текста, содержит 13 рисунков, 9 z-матриц и 21 таблицу.

Соискатель выражает особую благодарность кандидату химических наук, доценту кафедры органической химии Астраханского государственного технического университета Пащенко Константину Петровичу за оказанную помощь и консультацию.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследования, определена практическая значимость. Показано, что на современном этапе развития квантовой механики возможно моделирование структур сложных систем, включающих в себя фрагменты полипептидов и белков, липидов и их производных, углеводов и различных токсикантов.

В первой главе рассмотрены особенности современных квантово-химических методов определения свойств молекул и природы химической связи на основе свойств частиц, входящих в состав молекул. Проведен анализ применимости квантово-химических методов и программ для реализации поставленной задачи – исследования взаимодействия сероводорода со структурными элементами клеточных мембран.

В основе современной квантовой химии лежит уравнение Шредингера для стационарных состояний:

, (1)

где - волновая функция, удовлетворяющая вероятностному уравнению

(2)

означающему, что частица обязательно будет находиться в элементе заданного объема.

Точно решить это уравнение в случае многоэлектронных систем не удается, поэтому в квантово-химических расчетах используются приближенные методы. На практике обычно пользуются полуэмпирическими и неэмпирическими методами. Они различаются методикой вычисления матричных элементов, описывающих взаимодействие между электронами и электронами и ядрами. Неэмпирические методы дают большую надежность оценки свойств неизвестных химических соединений, однако требуют несравнимо больших ресурсов ЭВМ. Особенно это касается оптимизации геометрии. Для оптимизации геометрии на начальном этапе рекомендуется использовать молекулярную механику, затем – один из полуэмпирических методов. В настоящее время для решения задач изучения структуры, свойств и взаимодействий используются разнообразные квантово-химические полуэмпирические (PRDDO, РМХ, NDO, CNDO, INDO, MINDO, ZINDO/1, ZINDO/S, АМ1 и PM3) и неэмпирические (в базисах STO-NG, GTO, M-NPG и т.п.) методы. Метод РМ3 считается наиболее надежным из всех полуэмпирических методов.

На сегодняшний день существует целый ряд компьютерных комплексов и программ, применяемых для квантово-химических вычислений. Наиболее распространенными из них являются Mopac, ChemOffice, HyperChem, Gamess и Gaussian. Первые 3 программы используют, преимущественно, при обучении в курсе квантовой химии поскольку в связи с богатым интерфейсом они не приспособлены для обсчета больших молекулярных структур и могут использовать много времени и ресурсов ЭВМ.

Gaussian – это крупнейший программный комплекс для проведения квантово-химических расчетов. Распространяется исключительно на коммерческой основе. Позволяет рассчитывать целый ряд свойств молекул и характеристик химических реакций. Gamess является одной из самых популярных программ для теоретического исследования свойств химических систем, уступая по известности лишь комплексу Gaussian. Основным его достоинством является бесплатный доступ к исходным текстам программы при одновременном широкомасштабном охвате основных вычислительных алгоритмов, необходимых для теоретического исследования химических систем.

Для решения задачи моделирования процесса влияния сероводорода на поверхность биологической мембраны был выбран полуэмпиричсекий метод PM3, для корректировки результатов использовался неэмпирический метод в базисе STO-3G. Все расчеты осуществлялись с использованием программного комплекса Gamess, для составления и редактирования структур применялись пакеты Mopac и ChemOffice. Визуализация и обработка результатов проводилась с помощью программы ChemCraft. Для формы записи структуры молекулы применялась z-матрица внутренних координат.

Во второй главе проводится моделирование и оптимизация структурных компонентов клеточных мембран. Представлен алгоритм проведенных расчетов.

Система мембрана-сероводород представляет собой громоздкую конструкцию для реализации её на компьютере, состоящую из многих тысяч атомов и молекул фрактального типа. Для её реализации необходимо уменьшить размеры рассчитываемых объектов, выделить главные характерные свойства системы, т.е. составить модель мембраны в виде совокупности мембранных компонентов (белков, липидов и углеводов) и изучить их структуру и особенности влияния на них сероводорода. Расчеты проводились без учета влияния водной среды.

В качестве белкового компонента клеточной мембраны был выбран пентапептид произвольной формы – цистеинилфенилаланилаланил-цистеинилтирозин (рис. 1).

 Оптимизированная структура-3

Рис. 1. Оптимизированная структура кластерной модели белка

Была найдена равновесная геометрическая структура пентапептида и, таким образом, оптимизирована геометрия молекулы. В работе проведен поиск молекулярной структуры – координат атомов, при которых система имеет наименьшее значение энергии, т.е. малое значение нормы RMS Gradient (среднеквадратичный градиент), что свидетельствует о близости к точке экстремума:

, (3)

где суммирование производится по всем n атомам модели, - декартовы координаты i-го атома. Значение градиента, полученное в результате расчета, составляет 0,000137 кДж/моль/ангстрем. Значение полной энергии (total energy) полученной конфигурации равно -250,98 атомным единицам энергии, что соответствует -658954,63 кДж/моль.

В качестве липидных компонентов клеточной мембраны были выбраны представитель простого класса липидов – триглицерид и сложного – фосфолипид (рис.2).

 Триглицерид Фосфолипид -6
Триглицерид
 Фосфолипид Оптимизированные-7
Фосфолипид

Рис. 2. Оптимизированные структуры кластерных моделей липидов

Для молекулы триглицерида норма градиента составила 0,000578 кДж/моль/ангстрем. Значение полной энергии молекулы триглицерида составило – -553509,17 кДж/моль.

Норма градиента фосфолипида составила 0,0001186 кДж/моль/ангстрем, а значение полной энергии – -586049,8612 кДж.

Из всего многообразия углеводов была выбрана мальтоза, состоящая из двух остатков D-глюкозы. Молекулярная модель молекулы мальтозы представлена на рисунке 3.

 PM3 STO-3G Оптимизированная-8  PM3 STO-3G Оптимизированная-9
PM3 STO-3G


Pages:   || 2 | 3 |
 



Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.