Моделирование процессов взаимодействия диоксинов со структурными элементами клеточной мембраны

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

Моделирование процессов взаимодействия диоксинов со структурными элементами клеточной мембраны

Специальность 05.13.18 - Математическое моделирование,

численные методы и комплексы программ

кандидата технических наук

Очередко Юлия Александровна

Астрахань - 2010

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Астраханский государственный университет».

Научный руководитель: доктор химических наук, профессор Алыков Нариман Мирзаевич

Официальные оппоненты: кандидат физико-математических наук, доцент Коваленко Илья Борисович

доктор физико-математических наук, профессор Элькин Михаил Давыдович

Ведущая организация: ФГУП «Научно-исследовательский институт гигиены, токсикологии и профпатологии» ФМБА России, г. Волгоград

Защита состоится «18» декабря 2010 г. в 13:00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.009.03 при Астраханском государственном университете по адресу: 414056, г. Астрахань, ул. Татищева, 20 а, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Астраханского государственного университета. Автореферат диссертации размещен на сайте университета www.aspu.ru.

Автореферат разослан «___» _________ 20__г.

Ученый секретарь диссертационного

совета, к.т.н.О. В. Щербинина

Общая характеристика работы

моделирование клеточный мембрана программный

Актуальность. Одной из важнейших проблем, угрожающих состоянию окружающей среды, является накопление большого количества чрезвычайно токсичных химических веществ, способных влиять на живые организмы.

Ведущее место среди токсикантов занимают диоксин и диоксиноподобные вещества, которые являются отходами или побочными продуктами (микропримесями) в целом ряде технологий и получаются только искусственным путем. В последние полвека их производится все больше и больше. Диоксины выбрасываются в окружающую среду и накапливаются в ней, не разлагаясь в течение длительного времени. Клинические проявления диоксиновой интоксикации весьма разнообразны и неспецифичны, что существенно затрудняет диагностику поражений, антидоты отсутствуют, а патогенетическая симптоматическая терапия малоэффективна.

В ряде случаев, как для цели их детоксикации, так и для аналитического определения, требуется знание механизма воздействия диоксинов на различные биологические структуры, в том числе и на биологические мембраны. Однако, в связи с их чрезвычайной токсичностью провести эксперимент невозможно. В этом случае математическое моделирование, как особый метод прогнозирования свойств изучаемого объекта, выступает удобным инструментом для развития науки о влиянии диоксинов на живые организмы. Компьютерное моделирование позволяет смоделировать ту или иную ситуацию, не подвергая опасности кого бы то ни было.

Цель и задачи исследования. Целью данной работы является создание математической модели процессов воздействия диоксинов на компоненты биологической мембраны. Это позволит выявить активные центры на поверхности макромолекулярной системы, подверженной воздействию диоксинов.

Для решения поставленной цели предусмотрено решение следующих задач:

· Разработка алгоритма моделирования взаимодействия диоксиноподобных соединений с компонентами клеточной мембраны и выбор программного обеспечения для решения поставленной цели;

· Разработка модели описания взаимодействий диоксинов со структурными элементами клеточных мембран;

· Усовершенствование формулы для расчета энергии межмолекулярного взаимодействия;

· Создание программы с целью обработки результатов квантовых расчетов;

· На основании проведенных расчетов установление наиболее вероятных мишеней - активных центров, атака которых приводила бы к соединениям высокой прочности;

· Создание базы данных взаимодействия диоксин - компонент биологической мембраны.

Методы исследований. С целью выяснения механизма сорбционного концентрирования токсиканта на поверхность биологических мембран были проведены расчеты моделей адсорбционных комплексов (АК) методами квантовой химии. Квантово-химические расчеты для адсорбционных комплексов проводились с использованием кластерного подхода методом РМ3 в программном комплексе МОРАС в рамках приближения Хартри-Фока, с полной оптимизацией геометрии молекул. Начальная геометрия молекул сорбата и сорбента выбиралась по справочным данным, заложенным в систему МОРАС. Были изучены конфигурации молекул с помощью программного комплекса ChemOffice, в результате чего составлена z-матрица.

Научная новизна. Разработана математическая модель в виде молекулярного графа процессов взаимодействия диоксиноподобных соединений с макромолекулярными структурами, которая позволяет оценивать адсорбционные процессы, происходящие на поверхности клеточной мембраны.

Предложена объединенная формула для расчета энергии межмолекулярного взаимодействия.

Разработана программа, позволяющая обработать результаты квантовых расчетов и на их основе с использованием предложенной формулы рассчитать энергии взаимодействия.

На защиту выносятся следующие положения:

· математическая модель в виде молекулярного графа и алгоритм математического моделирования процессов воздействия диоксинов на структурные элементы клеточной мембраны;

· квантово-химические расчеты для установления геометрии молекул и сопоставление результатов с известными данными;

· формула, позволяющая в один этап рассчитать энергии межмолекулярного взаимодействия, необходимые для построения графов;

· методика определения активных центров на молекулярных графах структурных компонентов мембраны, максимально подверженных воздействию со стороны диоксинов;

· программа для ЭВМ «Автоматизация расчетов основных энергетических характеристик при моделировании межмолекулярных взаимодействий»;

· база данных воздействия диоксинов на компоненты клеточной мембраны.

Практическая значимость. Создана программа, позволяющая обрабатывать результаты квантовых расчетов и автоматизировать расчеты энергетических характеристик.

Разработана концептуальная модель базы данных, которая позволяет структурировать результаты квантово-химических расчетов молекул диоксиноподобных соединений, компонентов клеточной мембраны - полипептидов, липидов, полисахаридов, а также образующихся в результате взаимодействия адсорбционных систем.

Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе по дисциплинам: «квантовая механика и квантовая химия», «экология на стыке математики, физики и химии».

Апробация работы. Результаты исследований доложены на различных Международных и Всероссийских научных конференциях, среди которых: «Эколого-биологические проблемы бассейна Каспийского моря» (Астрахань, 2006); III школа-семинар «Квантовохимические расчеты: структура и реакционная способность органических и неорганических молекул» (Иваново, 2007); «Экология биосистем: проблемы изучения, индикации и прогнозирования» (Астрахань, 2007); «Фундаментальные и прикладные проблемы современной химии» (Астрахань, 2008); «Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности АСТИНТЕХ-2009» (Астрахань, 2009); «Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности АСТИНТЕХ-2010» (Астрахань, 2010).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 научных работ, в том числе в 2 статьях в периодических и научно-технических изданиях, выпускаемых в РФ, в которых ВАК рекомендует публикацию основных научных результатов.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения, приложения и библиографического списка (112 наименований). Работа изложена на 124 страницах текста, содержит 18 рисунков, 8 z-матриц и 18 таблиц. В приложении имеется 2 акта о внедрении результатов диссертационных исследований в учебный процесс.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, научная новизна, практическая значимость, сформулированы цели и задачи исследования.

Первая глава посвящена обзору математических методов и моделей, описывающих межмолекулярные взаимодействия. В результате предложен собственный вариант блок-схемы создания математической модели взаимодействия диоксинов со структурными элементами клеточной мембраны.

Самой известной математической моделью химии является молекулярный граф. Молекулярный граф -- связный неориентированный граф, находящийся во взаимно-однозначном соответствии со структурной формулой химического соединения таким образом, что вершинам графа соответствуют атомы молекулы, а рёбрам графа -- химические связи между этими атомами. Структура молекул может быть удобно изображена на языке теории графов, что не просто приводит к новой формализации, но имеет эвристическое значение. Матричные представления молекулярных графов связываются с матричными методами квантовой химии.

В силу квантового характера движения электронов и ядер решение задачи нахождения межмолекулярных взаимодействий сводится, строго говоря, к решению уравнения Шредингера для системы взаимодействующих молекул.

Нш(R^/,r^/) = Eш(R^/,r^/),(1)

где гамильтониан системы при пренебрежении релятивистскими взаимодействиями имеет в атомной системе единиц следующий вид:

(2)

Все радиус-векторы отсчитываются от начала лабораторной системы координат, М_а - масса ядра а в атомной системе единиц, т.е. в единицах массы электрона, Z_a - заряд ядра а.

Уравнение (1) может быть решено только приближенно.

Один из наиболее эффективных методов приближенного решения электронного уравнения Шредингера был предложен впервые в работах Хартри и Фока и носит название метода Хартри-Фока или метода самосогласованного поля. Уравнение Хартри-Фока для электронной конфигурации с замкнутыми оболочками имеет вид:

(3)

с одноэлектронным оператором

(4)

который принято называть оператором Фока или фокианом.

Рутан и независимо Холл предложили представить варьируемые функции в виде линейных разложений по заданному базисному набору {Ц_q} и варьировать только коэффициенты с_qn в этих разложениях:

(5)

В результате интегро-дифференциальное уравнение Хартри-Фока для орбиталей заменяется системой нелинейных алгебраических уравнений для коэффициентов, записываемой в матричном виде как

(6)

где F и S -квадратные матрицы порядка нЧн на базисных функциях Ц_q , F - матрица оператора , S - матрица интегралов перекрывания ‹Ц_qРЦ_r›, с_n - одностолбцовая матрица искомых коэффициентов с_nq. Уравнение (6) принято называть уравнением Рутана.

Все основные расчетные методы современной квантовой химии используют приближение молекулярных орбиталей (МО) в форме схемы ЛКАО (линейная комбинация атомных орбиталей, английская аббревиатура - LCAO) МО Хартри-Фока-Рутана (или метод самосогласованного поля (ССП)).

Рассмотренные модель и метод легли в основу математической модели взаимодействия диоксинов с компонентами мембраны, алгоритм создания которой приведен на рисунке 1.



Рис. 1. Алгоритм создания математической модели взаимодействия диоксинов со структурными компонентами биологической мембраны

Для создания математической модели на первом этапе необходимо выбрать молекулы, участвующие во взаимодействии. В качестве токсиканта может быть выбрано одно из соединений, относящихся к группе диоксиноподобных, в которую входят полихлорированные дибензодиоксины (ПХДД), полихлорированные дибензофураны (ПХДФ), полихлорированные бифенилы (ПХБ), а также ряд других полихлорированных ароматических соединений (ПХФ). В качестве сорбатов используются компоненты биологической мембраны: белки, липиды, фосфолипиды, углеводы.

Для выбранных соединений необходимо найти равновесные геометрические структуры, т.е. оптимизировать геометрию (каждого в отдельности). («Раздельная» оптимизация помогает сократить время дальнейших расчетов.) Под оптимизацией геометрии понимается поиск молекулярной структуры - координат атомов, при которых система имеет наименьшее значение энергии. Цель оптимизации заключается в отыскании наиболее устойчивых молекулярных структур. Ведь не зная структуры молекулы, нельзя понять её реальное поведение и, хотя геометрия не является неотъемлемым характерным свойством системы, поскольку любое бесконечно малое изменение совокупности координат ядер приводит к новой геометрии, молекулярная структура позволяет зафиксировать некоторое временное положение молекулы, и понять концепцию его изменения, рассматривая поочередно различные внешние факторы воздействия.

На втором этапе проводится математическое моделирование адсорбционных комплексов (АК) взаимодействия диоксин - компонент мембраны и расчет геометрических и энергетических характеристик полученных АК. Из полученного множества АК необходимо выбрать те, которые удовлетворяют выбранным критериям.

Адсорбционные комплексы, не соответствующие выбранным критериям, не учитываются.

Из адсорбционных комплексов, геометрические и энергетические характеристики которых соответствуют критериям, выбирают те, энергия адсорбции которых будет минимальна. По выбранным АК определяют активные центры поверхности молекул, которые будут использованы для создания молекулярных графов - математической модели взаимодействия диоксинов со структурными элементами клеточных мембран.

Во второй главе представлен анализ квантово-химических программных комплексов и проведена оптимизация молекул, используемых в дальнейшем для математического моделирования.

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. Они отличаются рассчитываемыми параметрами, методами расчетов, а также рядом других свойств. Каждый из комплексов имеет свои преимущества и недостатки.

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.

Поскольку необходимым условием экстремума является равенство нулю градиента функции потенциальной энергии молекулярной системы от всех её независимых геометрических координат E(q)=E(q₁,q₂,…,q_3n-6) в критической точке (где n - количество атомных ядер, из которых состоит молекула), то малое значение нормы RMS Gradient (среднеквадратичный градиент) свидетельствует о близости к точке экстремума:

,(7)

где суммирование производится по всем n атомам модели, x_i, y_i, z_i - декартовы координаты i-го атома.

По умолчанию значение критерия окончания поиска установлено равным 0,1 ккал/моль/ангстрем.

Для вычисления энергии был использован полуэмпирический метод PM3. Оценкой энергии является теплота образования ДH⁰_f (Heat of Formation), которую обычно сравнивают со справочными или экспериментальными данными. Вычисляемая величина представляет собой теплоту образования соединения из составляющих его элементов в состоянии идеального газа при температуре 298 К. Она вычисляется как разность между суммой экспериментальных значений теплот образования составляющих молекулу изолированных атомов и энергией атомизации E_atom, вычисляемой методом Хартри-Фока:

ДH⁰_f = E_atom - ДH⁰_isol(8)

E_atom = E_el + E_rep + E_isol(9)

где E_el (Electronic Energy)- потенциальная энергия электронов в молекуле, вычисляемая методом Хартри-Фока; E_rep (Core-Core Repulsion) - энергия электростатического взаимодействия ядер; E_isol - энергии изолированных атомов, рассчитанные полуэмпирическим методом в выбранной параметризации.

Подставив (9) в уравнение (8):

ДH⁰_f = E_el + E_rep + E_isol - ДH⁰_isol (10)

Т.к. E_isol = ДH⁰_isol, то

ДH⁰_f = E_el + E_rep(11)

В результате проведенных расчетов, произошли преобразования пространственной геометрии молекул. На основании полученной структуры были составлены z-матрицы.

В качестве токсикантов оптимизировались диоксиноподобные соединения. К группе диоксиноподобных соединений относятся полихлорированные дибензодиоксины (ПХДД), полихлорированные дибензофураны (ПХДФ), полихлорированные бифенилы (ПХБ), а также ряд других полихлорированных ароматических соединений. Наиболее токсичными из них являются полихлорированные дибензодиоксины и полихлорированные дибензофураны.

С целью моделирования процессов взаимодействия диоксинов с компонентами мембраны были выбраны следующие вещества: из класса полихлорированных дибензодиоксинов - 2,3,7,8 - тетрахлордибензо-п-диоксин (рис. 2), из полихлорированных дибензофуранов - 2,3,7,8-тетрахлордибензофуран (рис. 3), из класса полихлорированных бифенилов рассматривалась молекула 3,3^/,4,4^/-тетрахлорбифенила (рис. 4) и из класса полихлорированных фенолов был выбран 2,4-дихлорфенол (рис. 5).

В таблице 1 представлены значения потенциальной энергии электронов в молекуле и энергии электростатического взаимодействия ядер, вычисляемых методом Хартри-Фока.

Таблица 1. Значения потенциальной энергии электронов и энергии электростатического взаимодействия ядер диоксиноподобных соединений

Диоксин	Eel, эВ	Erep, эВ
2,3,7,8 - тетрахлордибензо-п-диоксин	-18445.79724	15109.70536
2,3,7,8-тетрахлордибензофуран	-16417.63801	13374.95885
3,3/,4,4/-тетрахлорбифенил	-14783.27778	12002.79289
2,4-дихлорфенол	-6774.31061	5074.91241

Мембраны - это активные биохимические системы, имеющиеся у всех без исключения клеток и играющие ключевую роль в процессах биологической регуляции и жизнедеятельности клетки и организма в целом. Основу мембран клетки составляет липидный матрикс, образуемый высокоорганизованными ансамблями липидов. Большинство же функций мембран связано с белками, встроенными в липидную фазу или локализованными на ее поверхности. Кроме того, в состав многих мембран могут входить углеводы, а также соединения другой природы (каротиноиды, порфирины и т. п.).

Мембрана 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. Поэтому мембрану, для упрощения расчетов, рассматривали как совокупность мембранных компонентов: белков, липидов, фосфолипидов и углеводов.

В качестве белкового компонента клеточной мембраны был выбран трипептид произвольной формы - цистеиналанинсерин, оптимизированная структура которого представлена на рис. 6. В качестве одной из моделей поверхности липидов рассматривался триацилглицерид (рис. 7), а в качестве модели поверхности сложного класса липидов был выбран фосфолипид - кефалин (рис. 8). Из всего многообразия углеводов оптимизировался дисахарид трегалоза (рис. 9).



Значения потенциальной энергии электронов в молекуле и энергии электростатического взаимодействия ядер, вычисляемых методом РМ3 в программном комплексе МОРАС, представлены в таблице 2.

Таблица 2. Значения потенциальной энергии электронов и энергии электростатического взаимодействия ядер компонентов клеточных мембран

Компонент мембраны	Eel, эВ	Erep, эВ
цистеиналанинсерин	-22313.19469	18841.82664
триацилглицерид	-126592.20047	116400.58903
кефалин	-96314.17318	87579.68304
трегалоза	-36874.84315	31882.31979

В третьей главе представлено математическое моделирование взаимодействия диоксинов со структурными компонентами мембраны.

Математическое моделирование заключается в том, что рассчитываются энергии взаимодействия молекул рассматриваемых соединений со структурными элементами отдельных компонентов клеточных мембран. В тех случаях, когда энергия взаимодействия на отдельных участках молекул имеет глубокий минимум, представляется возможным характеризовать этот участок как мишень, на которую воздействует тот или иной токсикант. В виде графов это представляется как набор физико-химических параметров, в которых мишени обозначаются стрелкам. Подобное представление позволяет с помощью расчетов методом молекулярных орбиталей безошибочно определить реакционные центры, которые будут атакованы диоксинами.

Для выявления активных центров необходимо было смоделировать взаимодействие двух систем: молекулы диоксина и молекулы компонента мембраны. Для этого оптимизированные модели молекул необходимо связать в одной программе в общую систему совокупностей и связей и применить к полученной общей системе квантово-химический вычислительный процесс.

Было составлено и исследовано множество различных, получаемых при моделировании структур, среди которых были выбраны те, геометрические и энергетические характеристики которых соответствовали следующим критериям:

· Длина связи должна лежать в пределах межмолекулярного взаимодействия;

· Энергия адсорбции также должна быть меньше нуля. Энергия адсорбции рассчитывалась как:

ДH⁰_f(обр) = E_el(обр) + E_rep(обр)(12)

где E_el(обр) и E_rep(обр) рассчитывали как разность соответствующих энергий адсорбционных комплексов и энергий диоксина и компонента мембраны, т.е.

E_el(обр) = E_el(АК) - E_el(Д) - E_el(К)(13)

E_rep(обр) = E_rep(АК) - E_rep(Д) - E_rep(К)(14)

Подставляя уравнения (13) и (14) в уравнение (12), получаем

ДH⁰_f(обр) = E_el(АК) - E_el(Д) - E_el(К) + E_rep(АК) - E_rep(Д) - E_rep(К)(15)

Т. к. полуэмпирический метод РМ3 рассчитывает потенциальную энергию электронов E_el и энергию электростатического взаимодействия ядер E_rep в эВ, а теплоту образования ДH⁰_f принято обозначать в кДж/моль (1 эВ = 1,602.10^-19 Дж или 96,485 кДж/моль), то уравнение (14) можно преобразовать:

ДH⁰_f(обр)= 6,485*[E_el(АК) - E_el(Д) - E_el(К) + E_rep(АК) - E_rep(Д) - E_rep(К)] (16)

Данная формула (16) позволяет в один этап рассчитать энергию взаимодействия диоксинов с элементами клеточных мембран, используя значения потенциальной энергии электронов и энергии взаимодействия ядер, получаемые при расчетах полуэмпирическим методом РМ3 в программном комплексе МОРАС.

При моделировании взаимодействия диоксинов со структурными элементами клеточной мембраны было получено большое множество структур. Обработка полученных результатов и расчет энергии взаимодействия всех структур требует большого количества времени. Поэтому для ускорения и упрощения расчетов была создана программа «Автоматизация расчетов основных энергетических характеристик при моделировании межмолекулярных взаимодействий». Данная программа позволяет одновременно обрабатывать результаты всех полученных систем и рассчитать энергию взаимодействия по предложенной формуле (16). Программа написана на языке программирования Python, результаты выдаются в HTML-страницах в виде таблиц.

Входными параметрами программы являются вычисленные энергетические характеристики молекул в программе MОРАС и результаты квантово-химических расчетов адсорбционных комплексов. Выходными данными является таблица основных энергетических параметров адсорбционных комплексов.

В результате моделирования были получены наиболее вероятные оптимизированные структуры адсорбционных комплексов. Геометрические и энергетические характеристики адсорбционных комплексов 2,3,7,8-тетрахлордибензо-п-диоксина со структурными компонентами клеточной мембраны представлены в табл. 3.

Таблица 3. Значения длин связей и энергии в адсорбционных комплексах взаимодействия 2,3,7,8 - тетрахлордибензо-п-диоксин - компонент мембраны по результатам РМ3-расчета в программном комплексе МОРАС

АК	Атомы	Длина связи, Е	Eel, эВ	Erep, эВ	ДH0f, кДж/моль
Адсорбционные комплексы в системе тетрахлордибензо-п-диоксин - трипептид
1	Cl2 …H14	1.938	-50212,301	43405,189	-17,657
2	Cl2 …H23	1.825	-51880,671	45073,506	-22,770
3	O5 …H10	1.835	-52295,146	45487,953	-25,472
4	O5 …H14	1.890	-49468,594	42661,446	-21,130
Адсорбционные комплексы в системе тетрахлордибензо-п-диоксин - липид
1	Cl2 …H77	2,280	-186508,352	172980,973	-19,972
2	Cl2 …H79	1,919	-183969,128	170441,596	-34,734
3	O5 …H77	2,142	-192823,781	179296,481	-12,350
4	O5 …H79	2,249	-187951,633	174423,680	-75,355
Адсорбционные комплексы в системе тетрахлордибензо-п-диоксин - кефалин
1	Cl2 …H102	1,591	-162312,126	150241,952	-15,379
2	Cl2 …H122	2,311	-154363,458	142293,121	-27,605
Адсорбционные комплексы в системе тетрахлордибензо-п-диоксин - трегалоза
1	Cl2 …H50	1,921	-73478,400	65150,082	-22,577
2	Cl2 …H31	1,845	-75520,542	67191,727	-70,530
3	O5 …H58	1,978	-85278,551	76950,193	-26,437
4	O5 …H31	1,873	-81969,670	73640,874	-68,697
5	O5 …H30	1,861	-81812,836	73484,385	-35,410

В результате расчетов были выявлены активные центры в молекуле 2,3,7,8-тетрахлордибензо-п-диоксина. Они отмечены стрелками на полученном молекулярном графе (рис. 10).

Рис. 10. Молекулярный граф 2,3,7,8-тетрахлордибензо-п-диоксина

Геометрические и энергетические характеристики наиболее вероятных адсорбционных комплексов 2,3,7,8-тетрахлордибензофурана со структурными компонентами клеточной мембраны представлены в табл. 4.

Таблица 4. Значения длин связей и энергии в адсорбционных комплексах взаимодействия 2,3,7,8-тетрахлордибензофуран - компонент мембраны по результатам РМ3-расчета в программном комплексе МОРАС

АК	Атомы	Длина связи, Е	Eel, эВ	Erep, эВ	ДH0f, кДж/моль
Адсорбционные комплексы в системе тетрахлордибензофуран - трипептид
1	Cl2 …H10	2,479	-50818,660	44304,533	-7,815
2	Cl3 …H10	2,291	-52395,962	45881,726	-18,332
3	Cl3 …H14	2,364	-51494,879	44980,395	-42,260
Адсорбционные комплексы в системе тетрахлордибензофуран - липид
1	Cl2 …H77	1,682	-179891,235	166656,836	-10,613
2	Cl2 …H78	1,849	-180313,028	167078,628	-10,710
3	Cl3 …H77	1,733	-179303,887	166069,493	-10,131
4	Cl3 …H78	1,934	-180954,856	167720,500	-6,464
5	O5 …H79	1,565	-182526,983	169291,910	-75,644
Адсорбционные комплексы в системе тетрахлордибензофуран - кефалин
1	Cl2 …H138	2,567	-149917,425	138140,160	-9,359
2	Cl3 …H138	2,791	-145415,060	133637,874	-1,737
3	O5 …H138	2,683	-149906,638	138129,203	-25,761
Адсорбционные комплексы в системе тетрахлордибензофуран - трегалоза
1	Cl2 …H56	2,341	-74297,900	66262,054	-62,233
2	Cl2 …H58	1,846	-74338,582	66303,029	-33,963
3	Cl2 …H31	2,494	-75114,322	67078,722	-38,498
4	Cl3 …H56	2,300	-76483,325	68447,614	-49,207
5	Cl3 …H30	1,812	-74393,312	66357,893	-21,034
6	O5 …H56	1,845	-80784,132	72748,62	-30,007
7	O5 …H58	2,456	-71479,805	63444,265	-32,708
8	O5 …H31	2,031	-78163,310	70127,610	-48,146
9	O5 …H30	1,857	-78743,884	70708,483	-19,297

Молекулярный граф молекулы 2,3,7,8-тетрахлордибензофурана представлен на рис. 11.

Рис. 11. Молекулярный граф 2,3,7,8-тетрахлордибензофурана

Были получены наиболее вероятные оптимизированные структуры адсорбционных комплексов 3,3^/,4,4^/-тетрахлорбифенила со структурными компонентами клеточной мембраны., геометрические и энергетические характеристики которых представлены в табл. 5.

Таблица 5. Значения длин связей и энергии в адсорбционных комплексах 3,3/,4,4/-тетрахлорбифенил - компонент мембраны по результатам РМ3-расчета в программном комплексе МОРАС

АК	Атомы	Длина связи, Е	Eel, эВ	Erep, эВ	ДH0f, кДж/моль
Адсорбционные комплексы в системе тетрахлорбифенил - трипептид
1	Cl3 …H10	2,426	-49188,509	42936,604	-5,017
2	Cl3 …H14	2,347	-49021,346	42769,486	-0,675
3	Cl4 …H10	1,861	-49247,599	42995,689	-5,500
4	Cl4 …H21	2,004	-51601,146	45349,239	-5,210
5	Cl4 …H30	2,335	-52030,110	45778,207	-4,824
Адсорбционные комплексы в системе тетрахлорбифенил - липид
1	Cl3 …H77	2,470	-174650,958	161678,599	-25,376
2	Cl3 …H79	2,611	-181379,295	168406,711	-47,085
3	Cl4 …H77	2,603	-172523,112	159550,911	-10,131
4	Cl4 …H78	2,623	-172401,474	159429,197	-17,464
Адсорбционные комплексы в системе тетрахлорбифенил - кефалин
1	Cl3 …H138	2,124	-144975,628	133460,634	-1,833
2	Cl4 …H138	2,506	-148679,835	137164,804	-5,403
Адсорбционные комплексы в системе тетрахлорбифенил - трегалоза
1	Cl3 …H52	2,158	-70413,177	62640,107	-5,982
2	Cl3 …H51	2,483	-68709,638	60936,149	-46,409
3	Cl3 …H50	2,114	-72214,773	64441,667	-9,456
4	Cl4 …H55	2,357	-67275,262	59501,578	-65,224
5	Cl4 …H52	2,458	-69065,921	61292,031	-85,100
6	Cl4 …H50	2,296	-70731,591	62958,031	-52,260

Полученные в результате активные центры поверхности 3,3^/,4,4^/-тетрахлорбифенила отображены на молекулярном графе (рис. 12).

Рис. 12. Молекулярный граф 3,3/,4,4/-тетрахлорбифенила

Для 2,4-дихлорфенола также были получены адсорбционные комплексы и рассчитаны их характеристики (табл. 6).

Таблица 6. Значения длин связей и энергии в адсорбционных комплексах взаимодействия дихлорфенол - компонент мембраны по результатам РМ3-расчета в программном комплексе МОРАС

АК	Атомы	Длина связи, Е	Eel, эВ	Erep, эВ	ДH0f, кДж/моль
Адсорбционные комплексы в системе дихлорфенол - трипептид
1	Н1 …О4	1,808	-40293,872	35122,872	-22,561
2	Н1 …О15	1,814	-39593,982	34422,995	-21,369
3	O1 …H7	1,848	-39940,198	34769,246	-17,994
4	O1 …H8	1,861	-39854,576	34683,750	-5,767
5	O1 …H10	1,809	-37679,693	32508,702	-21,741
6	O1 …H12	1,846	-40090,506	34919,591	-14,384
7	O1 …H13	1,838	-40069,793	34898,840	-18,038
Адсорбционные комплексы в системе дихлорфенол - липид
1	Н1 …О28	1,818	-154725,635	142834,073	-23,359
2	O1 …H77	1,799	-155142,724	143251,619	-9,251
3	Cl2 …H78	1,987	-154879,503	142988,338	-14,982
4	Cl4 …H77	1,848	-155088,146	143197,021	-11,151
Адсорбционные комплексы в системе дихлорфенол - кефалин
1	Н1 …О19	1,799	-120645,846	110211,683	-26,514
2	Н1 …О62	1,849	-125566,917	115132,891	-13,365
Адсорбционные комплексы в системе дихлорфенол - трегалоза
1	Н1 …О7	1,837	-57121,551	50429,210	-40,564
2	Н1 …О8	1,850	-55917,824	49225,599	-29,369
3	Н1 …О16	1,821	-56655,192	49963,050	-21,315
4	Н1 …О17	1,828	-55740,362	49048,140	-29,044
5	Н1 …О18	1,895	-58946,943	52254,652	-35,688
6	Н1 …О20	1,813	-56535,461	49843,202	-32,597
7	Н1 …О21	1,810	-55999,259	49306,864	-45,703
8	Н1 …О23	1,816	-56013,921	49321,644	-34,316
9	O1 …H31	1,839	-58098,342	51406,202	-21,115
10	O1 …H56	1,846	-58425,703	51733,430	-33,915
11	Cl4 …H50	1,921	-55756,440	49064,379	-13,459

На рис. 12 представлен молекулярный граф 2,4-дихлорфенола, на котором изображены полученные в результате расчетов активные центры молекулы.

Рис. 13. Молекулярный граф 2,4-дихлорфенола

В результате всех проведенных расчетов были выявлены активные центры поверхности молекул компонентов клеточной мембраны. На рисунках 14-17 представлены молекулярные графы компонентов клеточной мембраны. Активные центры модели обозначены стрелками: ( ) - нуклеофильные, ( ) - электрофильные.

В таблице 7 представлены наиболее глубокие минимумы энергии адсорбционных комплексов с компонентами биологической мембраны для каждого диоксиноподобного соединения.

Таблица 7. Значения наиболее глубоких минимумов энергии адсорбции токсикантов на компонентах биологической мембраны

Диоксиноподобные соединения	Белок	Липид	Фосфолипид	Углевод
2,4-дихлорфенол	-22,561	-23,359	-26,514	-45,703
2,3,7,8 - тетрахлордибензо-п-диоксин	-25,472	-34,734	-27,605	-70,530
2,3,7,8-тетрахлордибензофуран	-42,260	-45,644	-25,761	-62,233
3,3/,4,4/-тетрахлорбифенил	-5,500	-47,085	-5,403	-85,100

По данным табл. 7 можно судить, с каким компонентом биологической мембраны представленные диоксиноподобные соединения образуют адсорбционные комплексы в первую очередь. В результате, углевод сильнее остальных компонентов (липидных, белковых) подвержен воздействию со стороны диоксинов.

Для подтверждения результатов математического моделирования были экспериментально определены основные термодинамические характеристики сорбции 2,4-дихлорфенола на белках и углеводах.

Величины экспериментально определенных ДЕ_эксп. (идентичных величине ДН) и наиболее глубокие минимумы рассчитанных ДЕ_рас., соответствующих более выгодным положениям, приведены в таблице 8.

Таблица 8. Энергии адсорбции 2,4-дихлорфенола на компонентах биологической мембраны, полученные в результате квантово-химических расчетов (ДЕрас.) и эксперимента (ДЕэксп.)

Сорбент	ДЕрас., кДж/моль	ДЕэксп., кДж/моль
Белок	-22,561	-21,64
Липид	-23,359	-
Фосфолипид	-26,514	-
Углевод	-45,703	-46,12

Как видно из результатов, представленных в таблице 8, экспериментальные энергии адсорбции дихлорфенола на белках и углеводах не противоречат рассчитанным величинам.

По результатам проведенных расчетов была разработана база данных. Созданная база данных хранит информацию о параметрах взаимодействующих структур и образовавшихся адсорбционных комплексов. Приведённая на рисунке 18 схема иллюстрирует связывание данных в таблицах.

Рис. 18. Схема связей в базе данных

База данных предназначена для учебных заведений, научно-исследовательских центров, служб безопасности жизнедеятельности химических предприятий, предприятий, выпускающих ПАВ и военных организаций.

Основные результаты и выводы

1. Разработана математическая модель взаимодействия диоксинов с компонентами клеточной мембраны, которая представлена в виде графов с указанием мишеней. Она ориентирована на изучение адсорбционных процессов и установление активных центров в сложных структурах, это позволяет предоставить информацию химикам и экологам о возможных механизмах направленного воздействия диоксинов на объекты окружающей среды.

2. Разработан алгоритм, который может быть использован для создания молекулярных графов, отображающих процессы взаимодействия других соединений.

3. Установлены критерии оптимизации, которые позволяют выбрать из образующихся адсорбционных комплексов те, которые являются наиболее устойчивыми.

4. Предложена объединенная формула, позволяющая в один этап рассчитать энергию взаимодействия диоксинов с элементами клеточных мембран, используя значения энергий, получаемых при расчетах полуэмпирическим методом РМ3 в программном комплексе МОРАС.

5. Разработана программа, которая позволяет одновременно обрабатывать результаты квантовых расчетов всех смоделированных систем и рассчитывает энергию взаимодействия по предложенной формуле.

6. Разработана методика определения активных центров на молекулярных графах структурных компонентов мембраны, что позволяет устанавливать очередность воздействия диоксинов, и может быть применена для других токсикантов.

7. Разработана концептуальная модель базы данных, которая позволяет структурировать результаты квантово-химических расчетов молекул диоксиноподобных соединений, компонентов клеточной мембраны - полипептидов, липидов, полисахаридов, а также образующихся в результате взаимодействия адсорбционных комплексов.

Публикации по теме диссертации

Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, включенных в список ВАК РФ

1. Очередко, Ю. А. Квантово-химическое моделирование процесса адсорбции 2,4-дихлорфенола в компоненты биологической мембраны [Текст] // Экологические системы и приборы. - 2007. - № 9. - С. 40-47.

2. Очередко, Ю. А. Квантово-химическое моделирование процесса хемосорбции 2,3,7,8-тетрахлор-п-дибензодиоксина на поверхности белкового компонента биологической мембраны [Текст] / Ю. А. Очередко, Н. М. Алыков // Вестник Московского государственного областного университета. Сер. Естественные науки. - 2006. - № 2 (24). - С. 29-32. - ISBN 5-7017-0928-0.

Статьи в материалах международных и всероссийских конференций

1. Очередко, Ю. А. Математическое моделирование сорбции диоксиноподобных соединений на компонентах биологических мембран [Текст] // Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности «АСТИНТЕХ-2009»: материалы Международной научной конференции (11-14 мая 2009 г.). - Астрахань, 2009. - С. 136-142. - ISBN 978-5-9926-03162-3.

2. Очередко, Ю. А. Моделирование адсорбционного взаимодействия диоксиноподобных соединений с мембранными компонентами [Текст] // Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности «АСТИНТЕХ-2010»: материалы Международной научной конференции (11-14 мая 2010 г.). - Астрахань, 2010. - С. 136-142. - ISBN 978-5-9926-03165-3.

3. Очередко, Ю. А. Квантовохимическое моделирование процесса химической адсорбции 2,4-дихлорфенола с компонентами биологической мембраны [Текст]// III школа-семинар: Квантовохимические расчеты: структура и реакционная способность органических и неорганических молекул (14 марта 2007 г.). - Иваново, 2007. - С. 158-162. - ISBN 5-7807-0609-3.

4. Очередко, Ю. А. Математическое моделирование и экспериментальное изучение сорбционных характеристик хлорсодержащих бифенилов и фенолов на различных поверхностях [Текст] // Фундаментальные и прикладные проблемы современной химии: материалы II Международной конференции (15-17 апреля 2008 г.) - Астрахань, 2008. - С. 222-225. - ISBN 978-5-9926-0191-6.

5. Очередко, Ю. А. Создание противодиоксиновых средств защиты живых организмов [Текст] // Экология биосистем: проблемы изучения, индикации и прогнозирования: Материалы конференции - Астрахань, 2007 - С.215-217. - ISBN 5-88200-995-2

6. Очередко, Ю. А. Квантово-химическое моделирование адсорбции диоксиноподобных соединений на компонентах биологических мембран [Текст] // Геология, география и глобальная энергия: научно-технический журнал - Астрахань, 2009 - №4(35) - С. 142-150. - ISSN 1818-5169.

7. Очередко, Ю. А.Квантово-химическое моделирование процесса хемосорбции 2,3,7,8-тетрахлор-п-дибензодиоксина на поверхности липидного компонента биологической мембраны [Текст] // Эколого-биологические проблемы бассейна Каспийского моря: материалы IX международной научной конференции (10-11 октября 2006г.) - Астрахань, 2006 - С.61-63. - ISBN 5-88200-907-3.

Регистрация интеллектуальной собственности

1. Свидетельство о регистрации базы данных. № 2010620482 Воздействие диоксинов на компоненты клеточной мембраны [Текст] / Ю. А. Очередко, Л. И. Жарких, Н. М. Алыков: заявитель и патентообладатель Астраханский государственный университет. - № 2010620344; заяв. 05.07.10; опубл. 01.09.10.

Размещено на Allbest.ru