Размещено на http://www.allbest.ru/

Центр лазерной и информационной биофизики

Оренбургский государственный университет, г. Оренбург

Конформационная структура макромолекул полиаланина на поверхностях углеродных наноструктур

Кручинин Н.Ю.

Андрианова Е.В.

Гибридные наноструктуры, с расположенными на их поверхности полимерными молекулами, конформационная структура которых чувствительна к изменению водородного показателя, широко изучаются в настоящее время с целью их дальнейшего применения в биомедицинских исследованиях, а также в химических сенсорах. При этом могут быть использованы как адсорбированные на поверхности наноструктуры полимерные макромолекулы, так и формироваться полимерные щетки, у которых один конец макроцепи связан с поверхностью наноструктуры [1-6]. Перспективным является использование таких наноструктур, как углеродные нанотрубки и фуллерены, с расположенными на их поверхностями полипептидами [7-8].

В данной работе методом молекулярной динамики исследовались конформационные изменения макроцепей полиаланина на поверхности однослойной углеродной нанотрубки, а также фуллерена в зависимости от изменения водородного показателя. Первая наносистема представляет собой углеродную нанотрубку (длина 15 нм, диаметр 4.05 нм, хиральность n=30 и m=30) с адсорбированной на ней макромолекулой полиаланина из 100 аминокислотных звеньев. Вторая состоит из фуллерена С720, на поверхности которого сформирована полимерная щетка из 54 молекул полиаланина (длиной 10 и 15 аминокислотных остатков), при этом один конец макроцепи был зафиксирован на поверхности фуллерена.

Молекулярно-динамическое моделирование (МД-моделирование) производилось с использованием программного комплекса NAMD [9] при постоянной температуре 300 К с шагом по времени 0.001 пс. Углеродной нанотрубки и фуллерена фиксировались. МД-моделирование производилось в вакууме для первой и второй наносистемы в течение 1 нс по 5 раз, а также в воде для фуллерена с полимерными молекулами из 10 аминокислотных остатков ALA в течение 3 нс три раза. При МД-моделировании в воде фуллерена с полимерными молекулами полиаланина длиной 10 звеньев вся молекулярная система была помещена в куб со стороной 20 нм, заполненный водой. Для контроля получения равновесных конформаций осуществлялось наблюдение за изменением среднеквадратичного расстояния между атомами полипептида в различных конформациях (RMSD). Использовалось силовое поле CHARMM22 [10] для полиаланина при значении водородного показателя pH=7. В этом случае аминокислотные остатки ALA нейтральны. Параметры для атомов углерода нанотрубки задавались такими же, как и для атомов типа CA силового поля CHARMM22, которые используются для описания молекул бензола [11].

При значениях водородного показателя pH>10 аминокислотные остатки ALA заряжены отрицательно, а при pH<2 они заряжены положительно. В обоих случая макромолекула полиаланина представляет сильно заряженный полиэлектролит. Поэтому МД-моделирование производилось только при значении pH=11. Для полиаланина в этом случае использовалось силовое поле силовое поле CHARMM General Force Field (CGenFF) [12-13].

Рис. 1. Макромолекула полиаланина из 100 звеньев на поверхности углеродной нанотрубки после МД-моделирования при значениях водородного показателя pH=7 (А) и pH=11 (Б) и средние радиальные зависимости концентрации атомов полиаланина (В)

По результатам МД-моделирования по всем полученным конечным конформациям полиаланина рассчитывались среднее радиальное распределения концентрации атомов полипептида при значениях водородного показателя pH=7 и pH=11.

На рисунке 1 изображены одни из результатов МД-моделирования полиаланина из 100 звеньев на поверхности углеродной нанотрубки. На рисунке 1А изображен полиаланин после МД-моделирования при значении водородного показателя pH=7, а рисунке 1Б при значении водородного показателя pH=11. Видно, что при изменении водородного показателя произошли значительные изменения конформационной структуры полиаланина на поверхности нанотрубки: при pH=11 молекула полипептида обвивает углеродную нанотрубку. Это связано с изменившимся зарядом аминокислотного остатка ALA, и, соответственно, в взаимным отталкиваниям звеньев друг от друга. В результате все звенья полиаланина при pH=11 находятся на поверхности нанотрубки, в то время как при pH=7 формируется неоднородное распределение звеньев макроцепи. На рисунке 1В изображены средние радиальные распределения концентрации атомов полиаланина на поверхности нанотрубки при различных значениях водородного показателя. На графике видно, что при pH=7 формируется неоднородное радиальное распределение концентрации атомов полиаланина, профиль которого значительно шире, чем при значении pH=11, при этом пик радиального распределения при pH=11 значительно выше.

Рис. 2. Конформационные структуры полиаланина из 10 (А, В) и 15 (Б, Г) звеньев с зафиксированным одним концом на поверхности фуллерена С720 после МД-моделирования при значениях водородного показателя pH=7 (А, Б) и pH=11 (В, Г)

На рисунке 2 изображены одни из результатов МД-моделирования полиаланина из 10 звеньев в воде при pH=7 (рис. 2А) и pH=11 (рис. 2В) на поверхности фуллерена С720, а также из 15 звеньев в вакууме при pH=7 (рис. 2Б) и pH=11 (рис. 2Г). Видно, что при pH=7 произошла адсорбция нейтральных аминокислотных остатков ALA на поверхности фуллерена, при этом звенья полипептида полностью обволакивают фуллерен. При pH=11 наблюдается другая картина: все макромолекулы полиаланина вытянуты в прямую линию от поверхности фуллерена, что связано с отталкиваниям друг от друга не только заряженных звеньев, расположенных на одной макроцепи, но и с отталкиванием между заряженными макромолекулами. На рисунке 3 изображены средние радиальные зависимости концентрации атомов макромолекул полиаланина из на поверхности фуллерена С720 при различных значениях водородного показателя. Видно, что при pH=7 профиль радиального распределения концентрации атомов полипептидов значительно уже, чем при pH=11, но при этом пик радиального распределения имеет значительно большую величину. При pH=11 ширина профиля радиального распределения концентрации атомов макромолекул определяется длиной вытянутых от поверхности макроцепей полиаланина.

Рис. 3. Средние радиальные зависимости концентрации атомов макромолекул полиаланина из 10 (А) и 15 (Б) звеньев на поверхности фуллерена С720 при различных значениях водородного показателя

Таким образом, по результатам МД-моделирования макромолекул полиаланина на поверхностях однослойной углеродной нанотрубки и фуллерена видно, что при изменении водородного показателя до значений, при которых макроцепь становится сильно заряженным полиэлектролитом, происходят значительные изменения конформационной структуры.

молекулярный конформационный полиаланин водородный

Список литературы

1. Chiu, Y. A dual-emission Fцrster resonance energy transfer nanoprobe for sensing/imaging pH changes in the biological environment / Y. Chiu, S. Chen, J. Chen, K. Chen, H. Chen, H. Sung // ACS Nano. - 2010. - V. 4(12). - P. 7467-7474.

2. Kumar, S. Zhao Surface-Grafted Stimuli-Responsive Block Copolymer Brushes for the Thermo-, Photo- and pH-Sensitive Release of Dye Molecules / S. Kumar, Y.L. Dory, M. Lepage, Y. Zhao // Macromolecules. - 2011. - V. 44(18). - P. 7385-7393.

3. Wu, Y. pH-Responsive Quantum Dots via an Albumin Polymer Surface Coating / Y. Wu, S. Chakrabortty, R.A. Gropeanu, J. Wilhelmi, Y. Xu, K. Shih Er, S. Ling Kuan, K. Koynov, Y. Chan, T. Weil // Journal of the American Chemical Society. - 2010. - V. 132(14). - P. 5012-5014.

4. Jhon, Y.K. Formation of Polyampholyte Brushes via Controlled Radical Polymerization and Their Assembly in Solution / Y.K. Jhon, S. Arifuzzaman, A.E. Цzзam, D. J. Kiserow, J. Genzer // Langmuir 2012 28 (1), 872-882

5. Han, X. Thermo-/pH-responsive behaviours of base-rich diblock polyampholytes in aqueous solution: experiment and simulation / X. Han, J. Feng, F. Dong, X. Zhang, H. Liu, Y. Hu // Molecular Physics. - 2014. - V. 112(15). - P. 2046-2057.

6. Yang, P. Molecular dynamics simulations of PAMAM dendrimer-encapsulated Au nanoparticles of different sizes under different pH conditions / P. Yang, S. Ju, Y. Chuang, H. Chen // Computational Materials Science. - 2017. - V. 137.- P. 144-152

7. Кучеренко, М.Г. Кинетика диффузионно-контролируемых фотореакций в приповерхностном слое фуллерен-тубуленовой наночастицы с адсорбированной полимерной цепью / М.Г. Кучеренко, С.В. Измоденова, Т.М. Чмерева, Н.Ю. Кручинин, Н.С. Подрезова // Вестник ОГУ. - 2013. - №9. C. 100-109.

8. Кручинин, Н.Ю. Молекулярно-динамическое моделирование адсорбции полипептидов с фотоактивными молекулами поверхностью углеродной нанотрубки / Н.Ю. Кручинин, М.Г. Кучеренко // Хим. физика и мезоскопия. - 2016. - Т. 13. - № 2. - С. 225.

9. Phillips, J.C. Scalable molecular dynamics with NAMD / J.C. Phillips, R. Braun, W. Wang, J. Gumbart, E. Tajkhorshid, E. Villa, C. Chipot, R.D. Skeel, L. Kale, K. Schulten // Journal of Computational Chemistry. - 2005. - V. 26. - P. 1781-1802.

10. MacKerell Jr., A. D. All-atom empirical potential for molecular modeling and dynamics studies of proteins / A. D. MacKerell Jr., D. Bashford, M. Bellott, R. L. Dunbrack Jr., J. D. Evanseck, M. J. Field, S. Fischer, J. Gao, H. Guo, S. Ha, D. Joseph-McCarthy, L. Kuchnir, K. Kuczera, F. T. K. Lau, C. Mattos, S. Michnick, T. Ngo, D. T. Nguyen, B. Prodhom, W.E. Reiher III, B. Roux, M. Schlenkrich, J. C. Smith, R. Stote, J. Straub, M. Watanabe, J. Wiorkiewicz-Kuczera, D. Yin, M. Karplus // Journal of Physical Chemistry B. - 1998. - V. 102. - P. 3586-3616.

11. Zhu, F. Water and Proton Conduction through Carbon Nanotubes as Models for Biological Channels / F. Zhu, K. Schulten // Biophysical Journal Vol-ume. - 2003. - V. 85. - P. 236-244.

12. Vanommeslaeghe, K. CHARMM General Force Field: A Force field for Drug-Like Molecules Compatible with the CHARMM All-Atom Additive Biolog-ical Force Field / K. Vanommeslaeghe, E. Hatcher, C. Acharya, S. Kundu, S. Zhong, J. Shim, E. Darian, O. Guvench, P. Lopes, I. Vorobyov, A. D. MacKerell Jr. // J. Comput. Chem. - 2010. - 31. - P. 671-690.

13. Yu, W. Extension of the CHARMM General Force Field to Sulfonyl-Containing Compounds and Its Utility in Biomolecular Simulations / W. Yu, X. He, K. Vanommeslaeghe, A. D. MacKerell Jr. // J. Comput. Chem. - 2012. - V. 33. - P. 2451-2468.

Размещено на Allbest.ru