Диплом, курсовая, контрольная работа
Помощь в написании студенческих работ

Компьютерное моделирование конформаций кольцевой двухнитевой макромолекулы

Диссертация: Компьютерное моделирование конформаций кольцевой двухнитевой макромолекулы
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Основываясь на стандартной модели линейной полимерной молекулы, была предложена модель двухнитевой макромолекулы с осевой закрученностью. Показано, что вторичная структура влияет только на масштабе персистентной длины, а макроскопические свойства полностью идентичны свойствам линейной макромолекулы. Автор приносит благодарность профессору университета г. Киото (Япония) К. Йошикаве (К. Yoshikawa… Читать ещё >

Содержание

Несколько очень интересных десятилетий прошло с момента открытия Д. Д. Ват-соном и Ф. X. К. Криком [1] двойной спирали молекулы ДНК, заложившего, таким образом, основу молекулярной биологии. В течении этого времени был сделан колоссальный вклад в понимание на молекулярном уровне основных биологических механизмов, таких как воспроизведение генетической информации, синтез молекул белка и многих других. Огромный интерес в этом направлении исследований ускорил развитие методов, средств и технологий изучения биополимеров. Невозможно представить полный обзор всех направлений деятельности.

Физика сыграла одну из ключевых ролей в развитии молекулярной биологии. Было показано, что многие физические свойства биологически важных молекул (биополимеров) сильно взаимосвязаны со многими биологическими функциями. Поведение отрицательно заряженной молекулы ДНК в растворе, содержащем противоположно заряженные контрионы, дополнительно содержащем положительно заряженные белки или другие заряженные молекулы не может быть объяснено без применения физических методов исследования. Другим примером может служить проблема компактизации биополимеров. Контурная длина молекулы ДНК варьируется в диапазоне от 1 мм до 1 метра. В то же время, размер клетки, содержащей молекулу ДНК, имеет порядок нескольких микрон. Ответ на вопрос, как разместить такую длинную молекулярную цепочку в столь малый объем лег в основу статистической физики макромолекул. Позже, много других явлений получили не менее убедительные объяснения и заложили отдельное направление физики полимеров -физики биополимеров. В результате исследований была оценена роль всех «движущих сил"в клетке: физических сил взаимодействия, геометрии, информатики. Но полное понимание всех функций и свойств биополимеров все еще скрыто за массой непроделанной работы.

В данной работе изучается связь конформационных и физических свойств кольцевой двухнитевой молекулы. При разработке модели особое внимание уделялось геометрическим (рассмотрением двухнитевой структуры молекулы с осевой закрученностью) и физическим (учетом сил взаимодействия между мономерами и жесткости молекулярной цепочки) характеристикам.

Предисловие i

Оглавление iii

1

Введение

1.1 Статистическая физика полимерной молекулы

1.1.1 Введение.

1.1.2 Свободно-сочлененная цепь

1.1.3 Гауссова модель.

1.1.4 Исключенный объем.

1.1.5 Персистентная модель

1.2 Структура и свойства ДНК

1.2.1 Первичная и вторичная структуры.

1.2.2 Силы, стабилизирующие вторичную структуру ДНК.

1.2.3 Сверхспирализованная ДНК.

1.2.4 Высокоупорядоченные формы ДНК в клетке.

1.3 Топология кольцевых двухнитевых макромолекул

1.3.1 Теория полос.

1.3.2 Торсионная жесткость двойной спирали.

1.4 Методы исследования сверхспирализации

1.4.1 Метод титрования.

1.4.2 Гель-электрофорез.

1.4.3 Зондовая силовая микроскопия.

1.4.4 Связь адсорбции и перехода спираль-клубок.

1.5 Статистическая физика двухнитевых полимеров

1.5.1 Введение.

1.5.2 Средне-полевая теория.

1.5.3 Исключенный объем и осевая закрученность

1.5.4 Сверхспирализация кольцевой макромолекулы

1.6 Постановка задачи.

2 Метод и модель

2.1 Компьютерное моделирование в физике.

2.1.1 Методы.

2.1.2 Метод Монте-Карло.

2.1.3 Моделирование канонического ансамбля методом Монте-Карло

2.1.4 Алгоритм Метрополиса.

2.2 Модель.

2.2.1 Модель двухнитевой молекулы

2.2.2 Осевая закрученность.

2.2.3 Силы молекулярного взаимодействия.

2.2.4 Жесткость на изгиб.

2.2.5 Взаимодействие с поверхностью.

2.2.6 Замечания

2.3 Свойства кольцевой двухнитевой молекулы.

2.3.1 Скейлинг.

2.3.2 Осевая закрученность и флуктуации сверхспирализации.

2.3.3 Статический структурный фактор

Компьютерное моделирование конформаций кольцевой двухнитевой макромолекулы (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

3.2 Эффект осевой закрученности. Радиус инерции.46.

3.3 Скейлинг.49.

3.4 Сверхспирализация.50.

3.5 Торсионная энергия и энергия изгиба.52.

3.6 Эффект анизотропии жесткости.54.

3.7 Корреляционные функции.55.

3.8 Обсуждение.56.

3.9 Сравнение с экспериментом .61.

3.10 Заключение.61.

4 Переход клубок-глобула кольцевой двухнитевой молекулы 63.

4.1 Введение .64.

4.2 Радиус инерции и в—температура.65.

4.3 Полная энергия .67.

4.4 Энергия сопротивления на изгиб и кручение.68.

4.5 Энергия межмолекулярного взаимодействия.69.

4.6 Сверхспирализация.69.

4.7 Сравнение с экспериментом .71.

4.8 Заключение.71.

5 Адсорбция кольцевой двухнитевой макромолекулы 73.

5.1 Введение .74.

5.2 Результаты.76.

5.3 Сверхспирализация на поверхности.77.

5.4 Энергия адсорбции .78.

5.5 Торсионная энергия и энергия изгиба.79.

5.6 Радиус инерции .80.

5.7 Обсуждение.81.

5.8 Связь с экспериментальными наблюдениями.84.

5.9 Заключение.85.

6 Заключение 86.

Заключение

.

1. Основываясь на стандартной модели линейной полимерной молекулы, была предложена модель двухнитевой макромолекулы с осевой закрученностью. Показано, что вторичная структура влияет только на масштабе персистентной длины, а макроскопические свойства полностью идентичны свойствам линейной макромолекулы.

2. Показано, что осевая закрученность полимерной молекулы является причиной формирования сверхвитков. Исследована зависимость сверхспирализации от анизотропии жесткости.

3. Найдена зависимость среднеквадратичного райзинга от длины молекулы для различных величин плотности двухнитевых оборотов. Показано, что с увеличением плотности двухнитевых оборотов размерность увеличивается с линейной до квадратичной.

4. Найдены скейлинговые зависимости статистических величин от плотности числа зацеплений. Показано, что фрактальная размерность, характеризующая сверхспирализованную полимерную молекулу, зависит от плотности числа зацеплений.

5. Изучена зависимость фрактальной размерности сверхспирализованной полимерной молекулы от жесткости на изгиб и на кручение.

6. Изучен переход из клубкового состояния в глобулярное кольцевой двухнитевой макромолекулы. Найдена зависимость в—температуры от плотности числа зацеплений. Показано, что увеличение плотности двухнитевых оборотов увеличивает температуру перехода, а при достижении критической плотности или при больших значениях плотности, в—температуры исчезает и макромолекула принимает конформацию, больше похожую на глобулярную, чем на клубковую.

7. Изучена адсорбция кольцевых двухнитевых макромолекул на поверхность. Найдена зависимость величины сверхспирализации от потенциала адсорбции и плотности числа зацеплений. Найдены профили энергии кручения и изгиба, характеризующие распределение осевой закрученности в адсорбционном слое. Показано, что адсорбция вызывает перераспределение двухнитевых оборотов вдоль по цепи, аккумулируя их в сегментах, находящихся в непосредственной близости от поверхности и увеличивая энтропию неадсорбированных участков, что является причиной появления дополнительных сверхвитков.

Благодарности.

Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю профессору А. Р. Хохлову за предложенную тему, постоянное внимание и поддержку, дискуссии и критическое обсуждение результатов в ходе работы автора над диссертацией.

Автор приносит благодарность профессору университета г. Киото (Япония) К. Йошикаве (К. Yoshikawa) за интерес к работе, предоставленную возможность посетить университет г. Киото и ознакомиться со многими экспериментальными методами, используемыми для изучения ДНК.

Автор пользуется случаем, чтобы выразить свою искреннюю признательность всему коллективу кафедры физики полимеров и кристаллов физического факультета МГУ, на которой была выполнена работа, за внимание и поддержку в ходе работы. Автор особо благодарен В. А. Иванову за многочисленную помощь и дискуссии, которые оказали значительное влияние на овладение автором методов компьютерного моделирования. Автор признателен В. В. Василевской, И. И. Потемкину, Е. Ю. Кра-маренко, С. С. Абрамчуку и К. Б. Зельдовичу за постояное внимание и помощь во время работы над диссертацией.

Показать весь текст

Список литературы

  1. J. D. Watson and F. H. C. Crick, Nature, 171, 373 (1953).
  2. A. V. Vologodskii, Topology and Physical Properties of Circular DNA, (Nauka, Moscow, 1988).
  3. R. L. Nossal and H. Lecar, Molecular and Cell Biophysics, (Addison-Wesley Pub. Сотр., Redwood, 1995).
  4. H. Tsuru and M. Wadati, Biopolymers, 25, 2083 (1986).
  5. К. V. Klenin, A.V. Vologodslii, V.V. Ashkevich, A.M. Dykhne and M.D. Frank-Kamenetskii, J. Mol. Biol., 217, 413 (1991).
  6. Y. Grosberg and A.R. Khokhlov, Statistical Physics of Macromolecules, (American Institute of Physics, New York, 1994).
  7. T.C. Boles, J.H. White and N.R. Cozzarelli, J. Mol. Biol., 213, 931 (1990).
  8. R. L., Rein R., Breen D. L. к Macelroy R. D., «An Optimized Potential Function for the Calculation of Nucleic Acid Interaction Energies. I. Base Stacking», (1978) Biopolymers 17, 2341−2360
  9. K. Yoshikawa, M. Takahashi, V.V. Vasilevskaya and A.R. Khokhlov, Phys. Rev. Lett, 76, 3029 (1996).
  10. M. Takahashi, K. Yoshikawa, V.V. Vasilevskaya and A.R. Khokhlov, J. Phys. Chem. B, 101, 9396 (1997).
  11. H. Noguchi and K. Yoshikawa, J. Chem. Phys., 109 N12, 5070 (1998).
  12. V. A. Ivanov, W. Paul and K. Binder, J. Chem. Phys., 109, N13, 5659 (1998).
  13. F. B. Fuller, Proc. Nat. Acad. Sci. USA, 68, 815 (1971).
  14. P.J. Flory, Statistical Mechanics of Chain Molecules, (Wiley, New York, 1969)
  15. P. G. de Gennes, Scaling Concepts in Polymer Physics, (Cornell Univ. Press, Ithaca, NY, 1978).
  16. A.R. Khokhlov, Polymer, 19, 1387 (1978).
  17. L. D. Landau and E. M. Lifshitz, Statistical physics, (Pergamon Press, New York, 1980).
  18. I. Nyrkova, A. Semenov, J.-F. Joanny and A. Khokhlov, J. Phys. II France, 7, 1411 (1997).
  19. I. Nyrkova, A. Semenov and J.-F. Joanny, J. Phys. II France, 6, 825 (1997).
  20. I. Nyrkova, A. Semenov and J.-F. Joanny, J. Phys. II France, 7, 847 (1997).
  21. Т. B. Liverpool, R. Golestanian and K. Kremer, Phys. Rev. Lett., 80 N2, 405 (1998).
  22. R. Everaers, R. Bundschuh and K. Kremer, Europhys. Lett., 29, 263 (1995).
  23. R. Golestanian, and Т. B. Liverpool, Phys. Rev. E, 62, 5488 (2000)
  24. C. S. O’Hern, R. D. Kamien, Т. C. Lubensky, and P. Nelson, Eur. Phys. J. В., 1, 95 (1998).
  25. J. D. Moroz and P. Nelson, Macromolecules, 31, 6333 (1998).
  26. D. E. Comings, Ann. Rev. Genet., 12, 25 (1978).
  27. К. E. van Holde, Chromatin (Springer-Verlag, New York, 1988).
  28. D. Sprous, R. Tan and S. Harvey, Biopolymers, 39, 243 (1996).
  29. R. Tan, D. Sprous and S. Harvey, Biopolymers, 39, 259 (1996).
  30. J. Gebe and M. Schurr, Biopolymers, 38, 493 (1995).
  31. J. Bednar, P: Furrer, A. Stasiak, J. Dubochet, E.H. Egelman and A.D. Bates, J. Mol. Biol., 235, 825 (1994).
  32. A. D. Bates and A. Maxwell, DNA Topology, (Oxford University Press, New York, 1993).
  33. N. R. Cozzarelli and J. C. Wang, DNA Topology and its Biological Effects, (Cold Spring Harbor, Nyw York, 1990).
  34. D.M. Fishman and G.D. Patterson, Biopolymers, 38, 535 (1996).
  35. D.S. Horowitz and J.C. Wang, J. Mol. Biol., 173, 75 (1984).
  36. C. Ma and V.A. Bloomfield, Biophysical Journal, 67, 1678 (1994).
  37. J. White and W. Bauer, J.Mol.Biol., 189, 329 (1986).
  38. A.M. Campbell, Biochemical Journal, 171, 281 (1978).
  39. M. Tanigawa and T. Okada, Anal. Chim. Acta, N365, 19 (1998).
  40. M.O. Dayhoff, Atlas of Protein Sequence and Structure, vol. 5, suppl. 1−3, (National Biomedical Research Foundation, Washington, D.C., 1972−1979).
  41. К. Binder, Monte Carlo and Molecular Dynamics Simulations in Polymer Science, (Oxford Press, New York, 1995).
  42. Carmesin and K. Kremer, Macromolecules, 21, 2819 (1988).
  43. W. Paul, K. Binder, D.W. Heermann and K. Kremer, J. Phys. II France, 1, 37 (1991).
  44. N. Metropolis, A. Rosenbluth, M. Rosenbluth, A. Teller and E. Teller, J. Chem. Phys., 21, 1087 (1953).
  45. P.Meakin, Fractals, scaling and growth far from equilibrium, (Cambridge University Press, Cambridge, 1998).
  46. U. E. Hansmann and Y. Okamoto, J. Chem. Phys., 110, N2, 1267 (1999).
  47. W. Bruch, M.W. Cole and E. Zaremba, Physical Adsorption: Forces and Phenomena, (Clarendon Press, Oxford, 1997).
  48. E. Eisenriegler, Polymer near Surface, (World Scientific, Singapore, 1993).
  49. K. Sumithra and A. Baumgaertner, J. Cem. Phys., 109, 1540 (1998).
  50. M.C.P. van Eijk, M.A. Cohen Stuart, S. Rovillard and J. De Coninck, Eur. Phys. J. В, 1, 233 (1998).
  51. D.V. Kuznetsov and W. Sung, J. Phys. II France, 7, 1287 (1997).
  52. A. N. Sem6nov, J. Bonet-Avalos, A. Johner and J. F. Joanny, Macromolecules, 29, 2179 (1996).
  53. A. Johner, J. Bonet-Avalov, С. C. van der binder, A.N.Semenov and J.F. Joanny, Macromolecules, 29, 3629 (1996).
  54. K. Sumithra and A. Baumgaertner, J. Cem. Phys., 110, 2727 (1999).
  55. E. A. Zheligovskaya, P. G. Khalatur and A. R. Khokhlov, J. Cem. Phys., 106, 8588 (1997).
  56. С. C. van der binder, F. A. M. Leermakers and G.J.Fleer, Macromolecules, 29, 1172 (1996).
  57. G. A. Carri and M. Muthukumar, J. Cem. Phys., 82, 5405 (1999).
  58. T. D. Hahn, S. L. Hsu and H. D. Stidham, Macromolecules, 30, 87 (1997).
  59. S. L. Burkett, and M. J. Read, Langmuir, 17, 5059 (2001).
  60. M. Yanagida, Y. Hiraoka and I. Katsura, Cold Spring Harb. Symp. Quant. Biol., 48, 177 1983.
  61. K. Minagawa, Y. Matsuzawa, K. Yoshikawa, M. Matsumoto and M. Doi, FEBS Lett., 295 67 1991.
  62. J. Yang, K. Takeyasu and Z. Shao, FEBS Lett., 301, 173 1992.
  63. Y. Fang and H. Hoh, J. Am. Chem. Soc., 120, 8903 (1998).
  64. Y. Fang and H. Hoh, Nucleic Acids Res., 26, 588 (1998).
  65. Y. S. Velichko, K. Yoshikawa and A. R. Khokhlov, J. Chem. Phys., Ill, 9424 (1999).
  66. A. Milchev, W. Paul and K. Binder, J. Chem. Phys., 99, 4786 (1993).
  67. Y. S. Velichko, K. Yoshikawa, and A. R. Khokhlov, Biomacromolecules, 1, 459 (2000).
  68. O. Kratky, and G. Porod, Rec. Trav. Chim., 68, 1106 (1949)
  69. J. S. Plewa, and T. A. Witten, J. Chem. Phys., 112, 10 042 (2000).
  70. Ma, C. and V. A. Bloomfield. Biophys. J., 67, 1678 (1994).
  71. C. Ma, L. Sun and V. A. Bloomfield, Biochemistry, 34 3521 (1995).
  72. Y. A. Kuznetsov, and E. G. Timoshenko, J.Chem. Phys., Ill, 3744 (1999)
  73. A. Baumgartner, J.Chem. Phys., 72, 871 (1980)
  74. A. Kholodenko, M. Ballauff, and M. Aguero Granados, Physica A, 260, 267. (1998).
  75. H. Liang, and H. Chen, J.Chem. Phys., 113, 4469 (2000).
  76. V. A. Ivanov, M. R. Stukan, V. V. Vasilevskaya, W. Paul, and K. Binder, Macroml. Theory Simul., 9, 488 (2000).
  77. С. B. Post, and В. H. Zimm, Biopolymers, 18, (1979).
  78. V. V. Vasilevskaya, A. R. Khokhlov, S. Kidoaki, and K. Yoshikawa, Biopolymers, 41, 51 (1997).
  79. Y. Zhou, С. K. Hall, and M. Karplus, Phys. Rev. Lett., 77, 2822 (1996).
  80. V. A. Bloomfield, Curr. Opin. Struct. Biol., 6, 333 (1996).
  81. V. A. Bloomfield, Biopolymers, 44, 269 (1998).
  82. P. G. Arscott, A. Li, and V. A. Bloomfield, Biopolymers, 30, 619(1990).
  83. G. E. Plum, P. G. Arscott, and V. A. Bloomfield, Biopolymers, 30, 631(1990).
  84. C. Wu and S, Zhou, Phys. Rev. Lett., 77, 3053 (1996).
  85. S. M. Melnikov, V. G. Sergeev, Y. S. Melnikova, and K. Yoshikawa, J. Chem. Soc. Faraday Trnas., 93, 283 (1997).
  86. M. Ueda, and K. Yoshikawa, Phys. Rev. Lett., 77, 2133 (1996).
  87. Y. Yamasaki, and K. Yoshikawa, J. Am. Chem. Soc., 119, 10 573 (1997).
  88. Y. Ichiba, and К. Yoshikawa, Biochem. Biophys. Res. Commun., 242, 411 (1998).
  89. S. G. Starodubtsev and K. Yoshikawa, J. Phys. Chem., 100, 19 702 (1996).
  90. K. Yoshikawa, Y. Yoshikawa, Y. Koyama and T. Kanbe, J. Am. Chem. Soc., 119, 6473 (1997).
  91. P. Chodanowski and S. Stoll, J. Chem. Phys., Ill, 6069 (1999). (1997).
  92. Yakushevich L.V., Nonlinear Physivs of DNA, John Wiley (1995).
  93. B. Alberts, D. Bray, J. Lewis, M. Raff, K. Roberts, J. D. Watson, Molecular biology of the cell, 3-rd Ed. Garland Publishing Inc., New York, (1994.)
  94. P. J. Hagerman, Ann. Rev. Biophys. Biochem. Chem., 17, 265 (1988).
Заполнить форму текущей работой

На отлично!