Помощь студентам в учебе
ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОФОБНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ АМФИФИЛЬНЫХ МОЛЕКУЛ МЕТОДОМ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ДИНАМИКИ
|
ВВЕДЕНИЕ 4
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ 4
ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ 5
НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ 5
НАУЧНАЯ И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ 6
МЕТОДОЛОГИЯ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 6
НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ ПОЛОЖЕНИЯ: 6
СТЕПЕНЬ ДОСТОВЕРНОСТИ И АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ 7
ПУБЛИКАЦИИ 7
ЛИЧНЫЙ ВКЛАД СОИСКАТЕЛЯ 9
ОБЪЁМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ 9
ГЛАВА 1. МЕТОД МОЛЕКУЛЯРНОЙ ДИНАМИКИ 11
1.1. НАЧАЛО МЕТОДА МОЛЕКУЛЯРНОЙ ДИНАМИКИ 11
1.2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОДЫ 16
1.3. МОДЕЛИРОВАНИЕ МОЛЕКУЛЯРНЫХ СИСТЕМ 19
1.3.1. Первые работы по моделированию молекул 19
1.3.2. Термостат, баростат, расчёт электростатики 21
1.4. ПАКЕТЫ ПРОГРАММ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ДИНАМИКИ 23
1.5. ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛАВЛЕНИЯ И КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ЛЕННАРД-ДЖОНСОВСКОЙ ЖИДКОСТИ 25
1.5.1. Плавление кристалла 25
1.5.2. Кристаллизация жидкости 27
1.6. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЖИДКИХ С6-АЛКАНОВ 30
1.6.1. Получение моделей 32
1.6.2. Анализ функций радиального распределения 32
1.6.3. Анализ симплексов Делоне 34
ГЛАВА 2. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ РАСЧЁТЫ В МЕТОДЕ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ДИНАМИКИ 37
2.1. ПОЯВЛЕНИЕ МЕТОДОВ РАСЧЁТА СВОБОДНОЙ ЭНЕРГИИ 37
2.2. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ ВОЗМУЩЕНИЕ 39
2.3. МЕТОД BAR 40
2.4. АЛХИМИЧЕСКИЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ 41
2.5. МЕТОД MBAR 42
2.6. ТОНКОСТИ РАСЧЁТОВ 44
2.7. МЕТОД ВИДОМА 47
ГЛАВА 3. МЕТОД КОМПЬЮТЕРНОЙ ВОЛЮМОМЕТРИИ 49
3.1. ПАРЦИАЛЬНЫЙ МОЛЬНЫЙ ОБЪЁМ И ЕГО СОСТАВЛЯЮЩИЕ 49
3.2. РАСЧЁТ КАЖУЩЕГОСЯ ОБЪЁМА НА МОЛЕКУЛЯРНО-ДИНАМИЧЕСКИХ МОДЕЛЯХ РАСТВОРОВ 52
3.2.1. Прямой метод 52
3.2.2. Локальные методы 53
3.3. РАСЧЁТ СОСТАВЛЯЮЩИХ КАЖУЩЕГОСЯ ОБЪЁМА РАСТВОРЁННОЙ МОЛЕКУЛЫ 60
3.3.1. Декомпозиция раствора с помощью метода Вороного-Делоне 60
3.3.2. Расчёт собственного объёма 62
3.3.3. Расчёт вклада растворителя AV 62
Приложение 1 63
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОФОБНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В ВОДНЫХ РАСТВОРАХ СзЕе 67
4.1. ПОЛУЧЕНИЕ МОДЕЛЕЙ 68
4.2. РАСЧЁТ ГИДРОФОБНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ДЛЯ МОЛЕКУЛЫ С8Еб В ВОДНОМ РАСТВОРЕ МЕТОДОМ ВИДОМА 69
4.3. РАСЧЁТ СВОБОДНОЙ ЭНЕРГИИ ГИДРОФОБНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МОЛЕКУЛ С8Еб МЕТОДОМ MBAR 71
4.3.1. Расчёт свободной энергии растворения молекулы CsE6 71
4.3.2. Использование термодинамического цикла 73
4.4. ВОЛЮМОМЕТРИЧЕСКИЕ РАСЧЁТЫ ДЛЯ МОЛЕКУЛЫ С8Еб В ВОДНОМ РАСТВОРЕ 76
4.4.1. Вклад воды в кажущийся объём AV 76
4.4.2. Вклады в AV от гидрофильной и гидрофобной частей молекулы СзЕ6 78
4.4.3. Количество водородных связей 79
4.4.4. Сравнение термодинамических и волюмометрических результатов 82
ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ РАСТВОРОВ МОЛЕКУЛ КЛАССА СыЕм 85
5.1. ПОЛУЧЕНИЕ МОДЕЛЕЙ 86
5.2. ВОЛЮМОМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ РАСТВОРОВ CNEM 86
5.2.1. Температурные зависимости 86
5.2.2. Представление AV в координатах (n, m) 88
5.2.3. Составляющие AV от гидрофобной и гидрофильной частей молекулы CnEm 91
5.3. КОРРЕЛЯЦИИ С ТЕМПЕРАТУРОЙ ПОМУТНЕНИЯ РАСТВОРОВ 92
5.3.1. Сравнение То и ТС 92
5.3.2. Коррекция То 95
Приложение 2 98
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 101
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 102
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ 4
ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ 5
НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ 5
НАУЧНАЯ И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ 6
МЕТОДОЛОГИЯ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 6
НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ ПОЛОЖЕНИЯ: 6
СТЕПЕНЬ ДОСТОВЕРНОСТИ И АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ 7
ПУБЛИКАЦИИ 7
ЛИЧНЫЙ ВКЛАД СОИСКАТЕЛЯ 9
ОБЪЁМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ 9
ГЛАВА 1. МЕТОД МОЛЕКУЛЯРНОЙ ДИНАМИКИ 11
1.1. НАЧАЛО МЕТОДА МОЛЕКУЛЯРНОЙ ДИНАМИКИ 11
1.2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОДЫ 16
1.3. МОДЕЛИРОВАНИЕ МОЛЕКУЛЯРНЫХ СИСТЕМ 19
1.3.1. Первые работы по моделированию молекул 19
1.3.2. Термостат, баростат, расчёт электростатики 21
1.4. ПАКЕТЫ ПРОГРАММ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ДИНАМИКИ 23
1.5. ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛАВЛЕНИЯ И КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ЛЕННАРД-ДЖОНСОВСКОЙ ЖИДКОСТИ 25
1.5.1. Плавление кристалла 25
1.5.2. Кристаллизация жидкости 27
1.6. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЖИДКИХ С6-АЛКАНОВ 30
1.6.1. Получение моделей 32
1.6.2. Анализ функций радиального распределения 32
1.6.3. Анализ симплексов Делоне 34
ГЛАВА 2. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ РАСЧЁТЫ В МЕТОДЕ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ДИНАМИКИ 37
2.1. ПОЯВЛЕНИЕ МЕТОДОВ РАСЧЁТА СВОБОДНОЙ ЭНЕРГИИ 37
2.2. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ ВОЗМУЩЕНИЕ 39
2.3. МЕТОД BAR 40
2.4. АЛХИМИЧЕСКИЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ 41
2.5. МЕТОД MBAR 42
2.6. ТОНКОСТИ РАСЧЁТОВ 44
2.7. МЕТОД ВИДОМА 47
ГЛАВА 3. МЕТОД КОМПЬЮТЕРНОЙ ВОЛЮМОМЕТРИИ 49
3.1. ПАРЦИАЛЬНЫЙ МОЛЬНЫЙ ОБЪЁМ И ЕГО СОСТАВЛЯЮЩИЕ 49
3.2. РАСЧЁТ КАЖУЩЕГОСЯ ОБЪЁМА НА МОЛЕКУЛЯРНО-ДИНАМИЧЕСКИХ МОДЕЛЯХ РАСТВОРОВ 52
3.2.1. Прямой метод 52
3.2.2. Локальные методы 53
3.3. РАСЧЁТ СОСТАВЛЯЮЩИХ КАЖУЩЕГОСЯ ОБЪЁМА РАСТВОРЁННОЙ МОЛЕКУЛЫ 60
3.3.1. Декомпозиция раствора с помощью метода Вороного-Делоне 60
3.3.2. Расчёт собственного объёма 62
3.3.3. Расчёт вклада растворителя AV 62
Приложение 1 63
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОФОБНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В ВОДНЫХ РАСТВОРАХ СзЕе 67
4.1. ПОЛУЧЕНИЕ МОДЕЛЕЙ 68
4.2. РАСЧЁТ ГИДРОФОБНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ДЛЯ МОЛЕКУЛЫ С8Еб В ВОДНОМ РАСТВОРЕ МЕТОДОМ ВИДОМА 69
4.3. РАСЧЁТ СВОБОДНОЙ ЭНЕРГИИ ГИДРОФОБНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МОЛЕКУЛ С8Еб МЕТОДОМ MBAR 71
4.3.1. Расчёт свободной энергии растворения молекулы CsE6 71
4.3.2. Использование термодинамического цикла 73
4.4. ВОЛЮМОМЕТРИЧЕСКИЕ РАСЧЁТЫ ДЛЯ МОЛЕКУЛЫ С8Еб В ВОДНОМ РАСТВОРЕ 76
4.4.1. Вклад воды в кажущийся объём AV 76
4.4.2. Вклады в AV от гидрофильной и гидрофобной частей молекулы СзЕ6 78
4.4.3. Количество водородных связей 79
4.4.4. Сравнение термодинамических и волюмометрических результатов 82
ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ РАСТВОРОВ МОЛЕКУЛ КЛАССА СыЕм 85
5.1. ПОЛУЧЕНИЕ МОДЕЛЕЙ 86
5.2. ВОЛЮМОМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ РАСТВОРОВ CNEM 86
5.2.1. Температурные зависимости 86
5.2.2. Представление AV в координатах (n, m) 88
5.2.3. Составляющие AV от гидрофобной и гидрофильной частей молекулы CnEm 91
5.3. КОРРЕЛЯЦИИ С ТЕМПЕРАТУРОЙ ПОМУТНЕНИЯ РАСТВОРОВ 92
5.3.1. Сравнение То и ТС 92
5.3.2. Коррекция То 95
Приложение 2 98
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 101
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 102
Гидрофобное взаимодействие, возникающее между растворёнными молекулами в воде, играет важную роль в широком спектре явлений: от моющей активности детергентов до самосборки молекул в мицеллы и фолдинга белков. Несмотря на то, что основные физические принципы, лежащие в основе этого явления, качественно объяснены Кауцманом ещё в середине прошлого века, W. Kauzmann, Adv.Prot.Chem. 1959, 14, 1-63, возможности для его количественного изучения появились лишь в последнее десятилетие.
Данная работа посвящена изучению гидрофобного взаимодействия между амфифильными молекулами в водном растворе методами молекулярно-динамического моделирования. Исследуются молекулы класса CnEm, (полиэтиленгликолевые эфиры жирных спиртов), относящиеся к неионогенным ПАВ. Степень гидрофобности этих молекул меняется при нагревании. Интерес к ним вызван тем, что они представляют важную группу детергентов, а выраженные амфифильные свойства, простота химического строения и сравнительно небольшой размер этих молекул делают их удобными для теоретического исследования и компьютерного моделирования. Современное развитие методов молекулярной динамики позволяет приступить к такой работе. Помимо получения полноатомных молекулярно-динамических моделей необходимо уметь рассчитывать свободную энергию растворения, что является непростой задачей. Расчёт этой важной термодинамической характеристики стал возможным только сравнительно недавно. Ранее предпринимались попытки оценить степень гидрофобности таких больших молекул, как молекулы класса CnEm, D. Paschek et. al., Colloids Surf., A: Physicochemical and Eng. Aspects, 156 (1999) 489-500, однако при этом рассматривалось упрощённое
взаимодействие между одной молекулой CnEm и атомом неона как пробной гидрофобной частицы. В настоящее время появилась возможность рассчитывать свободную энергию таких процессов, как растворение нескольких крупных молекул. В данной работе используются последние достижения в этой области. Кроме трудоёмких термодинамических расчётов здесь используется новый подход к исследованию гидрофобности, основанный на расчёте волюмометрических характеристик раствора, рассматривается вклад растворителя в парциальный мольный объём растворенной молекулы.
Применение современных методов термодинамических расчётов и использование нового волюмометрического анализа для компьютерных моделей растворов является важной частью диссертационной работы. Это показывает пути для решения широкого круга других задач, поскольку гидрофобное взаимодействие проявляется в растворах в самых разных аспектах. Исследование гидрофобного взаимодействия амфифильных молекул СпЕт в зависимости от температуры представляет актуальную научно-исследовательскую задачу. Результаты, полученные в настоящей диссертации, являются шагом вперёд в понимании механизмов и условий включения в растворе гидрофобного взаимодействия, приводящего к агрегации амфифильных молекул.
Цели и задачи
Целью работы является получение количественных данных о гидрофобном взаимодействии между амфифильными молекулами в воде, изучение поведения гидрофобности этих молекул в зависимости от температуры.
Для достижения указанной цели решались следующие задачи:
• расчёт полноатомных молекулярно-динамических моделей водных растворов для класса молекул CnEm;
• оценка степени гидрофобного взаимодействия из вычисления свободной энергии
растворения, используя методы термодинамических расчётов, на примере
молекулы СзЕб;
• расчёт волюмометрических характеристик, в том числе вклада растворителя в парциальный мольный объём AV для молекул CnEm;
• поиск корреляции между температурой смены знака AV и экспериментальной температурой помутнения для растворов исследуемых молекул.
Научная новизна работы
Впервые проведено систематическое исследование гидрофобных свойств целого класса амфифильных молекул (CnEm) с использованием термодинамического и волюмометрического анализа молекулярно-динамических моделей растворов.
Обнаружена корреляция между вкладом растворителя в парциальный мольный объём (AV) и свободной энергией гидрофобного взаимодействия (AG) для исследуемого класса молекул. Отмечена связь этих величин с температурой помутнения раствора.
В приближении аддитивности вкладов от гидрофильной и гидрофобной частей наших молекул получена общая формула для величины AV для любых молекул класса CnEm.
Отмечено, что волюмометрическую характеристику ЛУ можно использовать в качестве меры гидрофобности молекулы, что важно, так как волюмометрические расчёты менее трудоёмки, чем термодинамические.
Научная и практическая значимость работы
Научная значимость диссертации в том, что понимание гидрофобного взаимодействия открывает пути к управлению агрегацией амфифильных молекул в водных растворах.
Большое значение имеет установление факта, что волюмометрическая характеристика ЛУ может использоваться в качестве меры гидрофобности молекулы вместо термодинамических, поскольку термодинамические расчёты являются значительно более трудоёмкими.
Методология и методы исследования
Для получения компьютерных моделей растворов использован метод классической молекулярной динамики. Термодинамический анализ (оценка свободной энергии растворения) проводился с помощью модифицированного метода термодинамического интегрирования (с использованием «алхимического» превращения и дополнительных приёмов, ускоряющих расчёты) и метода Видома. Волюмометрический анализ проводился с использованием разбиения Вороного-Делоне, которое даёт количественную декомпозицию раствора между растворённой молекулой и растворителем.
На защиту выносятся положения:
• Разработка способа расчёта свободной энергии гидрофобного взаимодействия между молекулами в водном растворе с использованием термодинамического цикла;
• развитие и использование метода волюмометрического анализа для расчёта вклада растворителя ЛУ в парциальный мольный объём для водных растворов органических молекул;
• установление общей феноменологической формулы для вычисления величины ЛУ для молекул CnEm как функции числа звеньев n и т, а также нахождение поправки к этой формуле, учитывающей наличие малой неаддитивности вкладов от гидрофильной и гидрофобной частей молекул;
• обнаружение корреляции между температурой смены знака ЛУ и экспериментальной температурой помутнения раствора молекул CnEm.
Степень достоверности и апробация результатов
Основные результаты работы обсуждались на конференциях:
1. Международная конференция по молекулярным жидкостям, Лиль, Франция, 2013 (EMLG - JMLG annual meeting 2013 “Global Perspectives in the Structure and Dynamics in Liquids and Mixtures: Experiment and Simulation”, France, Lille, 2013).
2. Международная интердисциплинарная Гумбольдовская конференция:
Специализированная секция по компьютерному моделированию в химии и биологии, Новосибирск, 2013 (Regional Interdisciplinary Conference - Humboldt Kolleg «Magnetic resonance as a tool for interdisciplinary research», Specialized session on Computer simulations in chemistry and biology, Novosibirsk, 2013).
3. Международная конференция по молекулярным жидкостям, Эгер, Венгрия, 2012 (Molecular association in fluid phases and at fluid interfaces EMLG/JMLG Annual Meeting, Hungary, Eger, 2012).
4. VIII международная конференция имени Воеводского по физике и химии элементарных химических процессов, Новосибирск, 2012 (VIII International Voevodsky Conference Physics and Chemistry of Elementary Chemical Processes, (Novosibirsk, 2012).
5. Международная конференция по перспективам в физической и теоретической химии, Бад- Маленте, Германия, 2011 (Workshop «Perspectives in Physical and Theoretical Chemistry. Malente IV» Germany, Bad-Malente, 2011).
6. XI Международная конференция «Проблемы сольватации и комплексообразования в растворах» и VI Конференция молодых учёных "Теоретическая и экспериментальная химия жидкофазных систем" (Крестовские чтения) (Иваново, 2011).
7. XVIII Всероссийской конференции "Структура и динамика молекулярных систем" (Яльчик, 2011).
8. XV Симпозиум по межмолекулярному взаимодействию и конформациям молекул (Петрозаводск, 2010)
9. Всероссийская научная конференция "Структура и динамика молекулярных систем" (Яльчик, 2009).
Публикации
По теме диссертации имеется 17 публикаций, из которых 8 статей в рецензируемых журналах и сборниках трудов конференций (индексируемых в базе данных Web of Science), а также 9 тезисов конференций.
Список статей в рецензируемых журналах (индексируемых в базе данных Web of Science):
1. Kim, A.V. Molecular dynamics study of the volumetric and hydrophobic properties of the
amphiphilic molecule C8E6 / A.V. Kim, N.N. Medvedev, A. Geiger // Journal of Molecular Liquids. Special issue: Fluid phase associations. - 2014. - V. 189. - P. 74-80.
DOI: 10.1016/j.molliq.2013.05.001.
2. Voloshin, V.P. Calculation of the volumetric characteristics of biomacromolecules in solution by the Voronoi-Delaunay technique / V.P. Voloshin, A.V. Kim, N.N. Medvedev et al // Biophysical Chemistry. - 2014. - V. 192. - P. 1-9. DOI: 10.1016/j.bpc.2014.05.001.
3. Медведев Н.Н. Расчёт парциального мольного объёма и его составляющих на молекулярнодинамических моделях разбавленных растворов / Н.Н. Медведев, В.П. Волошин, А.В. Ким, А.В. Аникеенко, А. Гайгер // Журн. структ. хим. - 2013. - №54 (Приложение 2). - С. S276- S297.
В переводной версии журнала: Medvedev, N.N. Culation of partial molar volume and its components for molecular dynamics models of dilute solutions / N.N. Medvedev, V.P. Voloshin, A.V. Kim, A.V. Anikeenko, A. Geiger // J. of Struct. Chem. - 2013. - V. 54. - Supp. 2. - P. 271288. DOI: 10.1134/S0022476613080088
4. Аникеенко, А.В. Исследование структуры жидких С6-алканов методом молекулярной динамики / А.В. Аникеенко, А.В. Ким, Н.Н. Медведев // Журн. структ. хим. - 2010. - Т. 51. - № 6. - C. 1127-1133.
В переводной версии журнала: Anikeenko A.V. Molecular dynamics simulation of the structure of C6 alkanes / A.V. Anikeenko, A.V. Kim, N.N. Medvedev // J. of Struct. Chem. - 2010. - V. 51.
- № 6. - P. 1090-1096. DOI: 10.1007/s10947-010-0167-z
5. Ким, А.В. Плавление и гомогенная кристаллизация леннард-джонсовской системы / А.В. Ким, Н.Н. Медведев // Журн. Структ. Хим. - 2006. - Т. 47. - C. S144 - S154.
В переводной версии журнала: Kim, A.V. Melting and homogeneous crystallization of a Lennard- Jones system / A.V. Kim, N.N. Medvedev // J. of Struct. Chem. - 2006. - V. 47. - № 1. - P. S141- S150. DOI: 10.1007/s10947-006-0388-3
6. Kim, A.V. Decomposition of a protein solution into Voronoi shells and Delaunay layers: calculation of the volumetric properties / A.V. Kim, V.P. Voloshin, N.N. Medvedev, A. Geiger // Trans. Computat. Sci. XX: Springer. - 2013. - Vol. 8110. - P. 56-71. DOI: 10.1007/978-3-642-41905-8_5
Список статей в рецензируемых сборниках конференций (индексируемых в базе данных Web of Science):
7. Anikeenko A.V. Delaunay simplexes in liquid cyclohexane / A.V. Anikeenko, A.V. Kim, N.N. Medvedev // Proceedings of Sixth International Symposium on Voronoi Diagrams in Science and Engineering (ISVD 2009), 23-26 July 2009, Technical University of Denmark, Kongens Lyngby, Municipality of Lyngby-Taarbsk, Denmark; published by IEEE Computer Society. - P. 271-277. DOI: 10.1109/ISVD.2009.10
8. Kim, A.V. Decomposition of a Protein Solution into Voronoi Shells and Delaunay Layers / A.V. Kim, V.P. Voloshin, N.N. Medvedev, A. Geiger // Voronoi Diagrams in Science and Engineering (ISVD). - 2012. Ninth International Symposium on. - P. 95-102. DOI: 10.1109/ISVD.2012.18
Личный вклад соискателя
Ким А.В. участвовала в постановке научных задач, лично поводила молекулярнодинамическое моделирование и анализ моделей, внесла важный вклад в разработку метода компьютерной волюмометрии, самостоятельно освоила и реализовала современные методы расчёта свободой энергии. Анализ результатов и подготовка публикаций по теме диссертации проводились совместно с научным руководителем и соавторами работ.
Объём и структура работы
Диссертация изложена на 110 страницах машинописного текста, содержит 58 рисунков, 118 литературных ссылок и 2 приложения. Состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы.
Первая глава знакомит с методом молекулярной динамики. Проведён обзор первых основополагающих работ. Обсуждается развитие метода от работ с одноатомными системами к моделированию молекулярных систем. Подчёркивается, что получение молекулярнодинамической модели является только первым шагом научной работы. Следующим этапом является анализ полученных моделей, т.е. выделение физически-значимой информации из координат и скоростей атомов, которые записаны в файл молекулярно-динамической траектории. Для иллюстрации возможностей метода обсуждаются две работы соискателя, где было изучено плавление леннард-джонсовской системы и структура жидких С6-алканов.
Во второй главе обсуждаются современные методы расчёта свободной энергии Гиббса, которые используются в диссертации для нахождения гидрофобного взаимодействия. Даётся краткий обзор развития теории расчёта свободной энергии и её реализации для работы с молекулярно-динамическими моделями. Обсуждаются имеющиеся программные продукты для таких расчётов, интегрированные в известные пакеты молекулярной динамики.
Третья глава посвящена описанию метода расчёта волюмометрических характеристик на молекулярно-динамических моделях растворов. Особый интерес для наших целей представляет вклад растворителя в парциальный мольный (кажущийся) объём растворённой молекулы (AV). Данный метод разрабатывался в лаборатории, где работает соискатель, и она принимала непосредственное участие в этой работе. Обсуждаются методические результаты, полученные соискателем, в частности, сравнительный анализ различных способов расчёта кажущегося объема.
В четвёртой главе исследуются растворы молекулы СзЕб при различных температурах. Проведены интенсивные термодинамические расчёты свободной энергии растворения и вкладов в эту энергию от различных типов взаимодействий. Обнаружено, что свободная энергия гидрофобного взаимодействия меняет знак при повышении температуры: становится отрицательной, начиная с некоторого значения То. Проведены также волюмометрические расчёты. Получена зависимость вклада растворителя в парциальный мольный объём от температуры. Оказалось, что AV также меняет знак, причём примерно при той же температуре Т0.
В пятой главе рассматривается семейство молекул CnEm, где число гидрофобных звеньев n равно 6, 8, 10, 12, а гидрофильных, т, принимает значения 3, 4, 5, 6. Проведён
волюмометрический анализ всех этих моделей для различных температур. (Термодинамические расчёты для всех молекул были бы чрезвычайно трудоёмки). Обсуждается поведение величины AV от температуры в координатах (n, т). Получена эмпирическая формула для расчёта AV для произвольных значений n, т и температур. Отмечена корреляция температуры смены знака Т0 величины AV с экспериментальной температурой помутнения ТС для растворов нашего класса молекул. Это означает, что волюмометрические расчёты могут использоваться для оценки гидрофобных свойств амфифильных молекул наряду с термодинамическими.
Данная работа посвящена изучению гидрофобного взаимодействия между амфифильными молекулами в водном растворе методами молекулярно-динамического моделирования. Исследуются молекулы класса CnEm, (полиэтиленгликолевые эфиры жирных спиртов), относящиеся к неионогенным ПАВ. Степень гидрофобности этих молекул меняется при нагревании. Интерес к ним вызван тем, что они представляют важную группу детергентов, а выраженные амфифильные свойства, простота химического строения и сравнительно небольшой размер этих молекул делают их удобными для теоретического исследования и компьютерного моделирования. Современное развитие методов молекулярной динамики позволяет приступить к такой работе. Помимо получения полноатомных молекулярно-динамических моделей необходимо уметь рассчитывать свободную энергию растворения, что является непростой задачей. Расчёт этой важной термодинамической характеристики стал возможным только сравнительно недавно. Ранее предпринимались попытки оценить степень гидрофобности таких больших молекул, как молекулы класса CnEm, D. Paschek et. al., Colloids Surf., A: Physicochemical and Eng. Aspects, 156 (1999) 489-500, однако при этом рассматривалось упрощённое
взаимодействие между одной молекулой CnEm и атомом неона как пробной гидрофобной частицы. В настоящее время появилась возможность рассчитывать свободную энергию таких процессов, как растворение нескольких крупных молекул. В данной работе используются последние достижения в этой области. Кроме трудоёмких термодинамических расчётов здесь используется новый подход к исследованию гидрофобности, основанный на расчёте волюмометрических характеристик раствора, рассматривается вклад растворителя в парциальный мольный объём растворенной молекулы.
Применение современных методов термодинамических расчётов и использование нового волюмометрического анализа для компьютерных моделей растворов является важной частью диссертационной работы. Это показывает пути для решения широкого круга других задач, поскольку гидрофобное взаимодействие проявляется в растворах в самых разных аспектах. Исследование гидрофобного взаимодействия амфифильных молекул СпЕт в зависимости от температуры представляет актуальную научно-исследовательскую задачу. Результаты, полученные в настоящей диссертации, являются шагом вперёд в понимании механизмов и условий включения в растворе гидрофобного взаимодействия, приводящего к агрегации амфифильных молекул.
Цели и задачи
Целью работы является получение количественных данных о гидрофобном взаимодействии между амфифильными молекулами в воде, изучение поведения гидрофобности этих молекул в зависимости от температуры.
Для достижения указанной цели решались следующие задачи:
• расчёт полноатомных молекулярно-динамических моделей водных растворов для класса молекул CnEm;
• оценка степени гидрофобного взаимодействия из вычисления свободной энергии
растворения, используя методы термодинамических расчётов, на примере
молекулы СзЕб;
• расчёт волюмометрических характеристик, в том числе вклада растворителя в парциальный мольный объём AV для молекул CnEm;
• поиск корреляции между температурой смены знака AV и экспериментальной температурой помутнения для растворов исследуемых молекул.
Научная новизна работы
Впервые проведено систематическое исследование гидрофобных свойств целого класса амфифильных молекул (CnEm) с использованием термодинамического и волюмометрического анализа молекулярно-динамических моделей растворов.
Обнаружена корреляция между вкладом растворителя в парциальный мольный объём (AV) и свободной энергией гидрофобного взаимодействия (AG) для исследуемого класса молекул. Отмечена связь этих величин с температурой помутнения раствора.
В приближении аддитивности вкладов от гидрофильной и гидрофобной частей наших молекул получена общая формула для величины AV для любых молекул класса CnEm.
Отмечено, что волюмометрическую характеристику ЛУ можно использовать в качестве меры гидрофобности молекулы, что важно, так как волюмометрические расчёты менее трудоёмки, чем термодинамические.
Научная и практическая значимость работы
Научная значимость диссертации в том, что понимание гидрофобного взаимодействия открывает пути к управлению агрегацией амфифильных молекул в водных растворах.
Большое значение имеет установление факта, что волюмометрическая характеристика ЛУ может использоваться в качестве меры гидрофобности молекулы вместо термодинамических, поскольку термодинамические расчёты являются значительно более трудоёмкими.
Методология и методы исследования
Для получения компьютерных моделей растворов использован метод классической молекулярной динамики. Термодинамический анализ (оценка свободной энергии растворения) проводился с помощью модифицированного метода термодинамического интегрирования (с использованием «алхимического» превращения и дополнительных приёмов, ускоряющих расчёты) и метода Видома. Волюмометрический анализ проводился с использованием разбиения Вороного-Делоне, которое даёт количественную декомпозицию раствора между растворённой молекулой и растворителем.
На защиту выносятся положения:
• Разработка способа расчёта свободной энергии гидрофобного взаимодействия между молекулами в водном растворе с использованием термодинамического цикла;
• развитие и использование метода волюмометрического анализа для расчёта вклада растворителя ЛУ в парциальный мольный объём для водных растворов органических молекул;
• установление общей феноменологической формулы для вычисления величины ЛУ для молекул CnEm как функции числа звеньев n и т, а также нахождение поправки к этой формуле, учитывающей наличие малой неаддитивности вкладов от гидрофильной и гидрофобной частей молекул;
• обнаружение корреляции между температурой смены знака ЛУ и экспериментальной температурой помутнения раствора молекул CnEm.
Степень достоверности и апробация результатов
Основные результаты работы обсуждались на конференциях:
1. Международная конференция по молекулярным жидкостям, Лиль, Франция, 2013 (EMLG - JMLG annual meeting 2013 “Global Perspectives in the Structure and Dynamics in Liquids and Mixtures: Experiment and Simulation”, France, Lille, 2013).
2. Международная интердисциплинарная Гумбольдовская конференция:
Специализированная секция по компьютерному моделированию в химии и биологии, Новосибирск, 2013 (Regional Interdisciplinary Conference - Humboldt Kolleg «Magnetic resonance as a tool for interdisciplinary research», Specialized session on Computer simulations in chemistry and biology, Novosibirsk, 2013).
3. Международная конференция по молекулярным жидкостям, Эгер, Венгрия, 2012 (Molecular association in fluid phases and at fluid interfaces EMLG/JMLG Annual Meeting, Hungary, Eger, 2012).
4. VIII международная конференция имени Воеводского по физике и химии элементарных химических процессов, Новосибирск, 2012 (VIII International Voevodsky Conference Physics and Chemistry of Elementary Chemical Processes, (Novosibirsk, 2012).
5. Международная конференция по перспективам в физической и теоретической химии, Бад- Маленте, Германия, 2011 (Workshop «Perspectives in Physical and Theoretical Chemistry. Malente IV» Germany, Bad-Malente, 2011).
6. XI Международная конференция «Проблемы сольватации и комплексообразования в растворах» и VI Конференция молодых учёных "Теоретическая и экспериментальная химия жидкофазных систем" (Крестовские чтения) (Иваново, 2011).
7. XVIII Всероссийской конференции "Структура и динамика молекулярных систем" (Яльчик, 2011).
8. XV Симпозиум по межмолекулярному взаимодействию и конформациям молекул (Петрозаводск, 2010)
9. Всероссийская научная конференция "Структура и динамика молекулярных систем" (Яльчик, 2009).
Публикации
По теме диссертации имеется 17 публикаций, из которых 8 статей в рецензируемых журналах и сборниках трудов конференций (индексируемых в базе данных Web of Science), а также 9 тезисов конференций.
Список статей в рецензируемых журналах (индексируемых в базе данных Web of Science):
1. Kim, A.V. Molecular dynamics study of the volumetric and hydrophobic properties of the
amphiphilic molecule C8E6 / A.V. Kim, N.N. Medvedev, A. Geiger // Journal of Molecular Liquids. Special issue: Fluid phase associations. - 2014. - V. 189. - P. 74-80.
DOI: 10.1016/j.molliq.2013.05.001.
2. Voloshin, V.P. Calculation of the volumetric characteristics of biomacromolecules in solution by the Voronoi-Delaunay technique / V.P. Voloshin, A.V. Kim, N.N. Medvedev et al // Biophysical Chemistry. - 2014. - V. 192. - P. 1-9. DOI: 10.1016/j.bpc.2014.05.001.
3. Медведев Н.Н. Расчёт парциального мольного объёма и его составляющих на молекулярнодинамических моделях разбавленных растворов / Н.Н. Медведев, В.П. Волошин, А.В. Ким, А.В. Аникеенко, А. Гайгер // Журн. структ. хим. - 2013. - №54 (Приложение 2). - С. S276- S297.
В переводной версии журнала: Medvedev, N.N. Culation of partial molar volume and its components for molecular dynamics models of dilute solutions / N.N. Medvedev, V.P. Voloshin, A.V. Kim, A.V. Anikeenko, A. Geiger // J. of Struct. Chem. - 2013. - V. 54. - Supp. 2. - P. 271288. DOI: 10.1134/S0022476613080088
4. Аникеенко, А.В. Исследование структуры жидких С6-алканов методом молекулярной динамики / А.В. Аникеенко, А.В. Ким, Н.Н. Медведев // Журн. структ. хим. - 2010. - Т. 51. - № 6. - C. 1127-1133.
В переводной версии журнала: Anikeenko A.V. Molecular dynamics simulation of the structure of C6 alkanes / A.V. Anikeenko, A.V. Kim, N.N. Medvedev // J. of Struct. Chem. - 2010. - V. 51.
- № 6. - P. 1090-1096. DOI: 10.1007/s10947-010-0167-z
5. Ким, А.В. Плавление и гомогенная кристаллизация леннард-джонсовской системы / А.В. Ким, Н.Н. Медведев // Журн. Структ. Хим. - 2006. - Т. 47. - C. S144 - S154.
В переводной версии журнала: Kim, A.V. Melting and homogeneous crystallization of a Lennard- Jones system / A.V. Kim, N.N. Medvedev // J. of Struct. Chem. - 2006. - V. 47. - № 1. - P. S141- S150. DOI: 10.1007/s10947-006-0388-3
6. Kim, A.V. Decomposition of a protein solution into Voronoi shells and Delaunay layers: calculation of the volumetric properties / A.V. Kim, V.P. Voloshin, N.N. Medvedev, A. Geiger // Trans. Computat. Sci. XX: Springer. - 2013. - Vol. 8110. - P. 56-71. DOI: 10.1007/978-3-642-41905-8_5
Список статей в рецензируемых сборниках конференций (индексируемых в базе данных Web of Science):
7. Anikeenko A.V. Delaunay simplexes in liquid cyclohexane / A.V. Anikeenko, A.V. Kim, N.N. Medvedev // Proceedings of Sixth International Symposium on Voronoi Diagrams in Science and Engineering (ISVD 2009), 23-26 July 2009, Technical University of Denmark, Kongens Lyngby, Municipality of Lyngby-Taarbsk, Denmark; published by IEEE Computer Society. - P. 271-277. DOI: 10.1109/ISVD.2009.10
8. Kim, A.V. Decomposition of a Protein Solution into Voronoi Shells and Delaunay Layers / A.V. Kim, V.P. Voloshin, N.N. Medvedev, A. Geiger // Voronoi Diagrams in Science and Engineering (ISVD). - 2012. Ninth International Symposium on. - P. 95-102. DOI: 10.1109/ISVD.2012.18
Личный вклад соискателя
Ким А.В. участвовала в постановке научных задач, лично поводила молекулярнодинамическое моделирование и анализ моделей, внесла важный вклад в разработку метода компьютерной волюмометрии, самостоятельно освоила и реализовала современные методы расчёта свободой энергии. Анализ результатов и подготовка публикаций по теме диссертации проводились совместно с научным руководителем и соавторами работ.
Объём и структура работы
Диссертация изложена на 110 страницах машинописного текста, содержит 58 рисунков, 118 литературных ссылок и 2 приложения. Состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы.
Первая глава знакомит с методом молекулярной динамики. Проведён обзор первых основополагающих работ. Обсуждается развитие метода от работ с одноатомными системами к моделированию молекулярных систем. Подчёркивается, что получение молекулярнодинамической модели является только первым шагом научной работы. Следующим этапом является анализ полученных моделей, т.е. выделение физически-значимой информации из координат и скоростей атомов, которые записаны в файл молекулярно-динамической траектории. Для иллюстрации возможностей метода обсуждаются две работы соискателя, где было изучено плавление леннард-джонсовской системы и структура жидких С6-алканов.
Во второй главе обсуждаются современные методы расчёта свободной энергии Гиббса, которые используются в диссертации для нахождения гидрофобного взаимодействия. Даётся краткий обзор развития теории расчёта свободной энергии и её реализации для работы с молекулярно-динамическими моделями. Обсуждаются имеющиеся программные продукты для таких расчётов, интегрированные в известные пакеты молекулярной динамики.
Третья глава посвящена описанию метода расчёта волюмометрических характеристик на молекулярно-динамических моделях растворов. Особый интерес для наших целей представляет вклад растворителя в парциальный мольный (кажущийся) объём растворённой молекулы (AV). Данный метод разрабатывался в лаборатории, где работает соискатель, и она принимала непосредственное участие в этой работе. Обсуждаются методические результаты, полученные соискателем, в частности, сравнительный анализ различных способов расчёта кажущегося объема.
В четвёртой главе исследуются растворы молекулы СзЕб при различных температурах. Проведены интенсивные термодинамические расчёты свободной энергии растворения и вкладов в эту энергию от различных типов взаимодействий. Обнаружено, что свободная энергия гидрофобного взаимодействия меняет знак при повышении температуры: становится отрицательной, начиная с некоторого значения То. Проведены также волюмометрические расчёты. Получена зависимость вклада растворителя в парциальный мольный объём от температуры. Оказалось, что AV также меняет знак, причём примерно при той же температуре Т0.
В пятой главе рассматривается семейство молекул CnEm, где число гидрофобных звеньев n равно 6, 8, 10, 12, а гидрофильных, т, принимает значения 3, 4, 5, 6. Проведён
волюмометрический анализ всех этих моделей для различных температур. (Термодинамические расчёты для всех молекул были бы чрезвычайно трудоёмки). Обсуждается поведение величины AV от температуры в координатах (n, т). Получена эмпирическая формула для расчёта AV для произвольных значений n, т и температур. Отмечена корреляция температуры смены знака Т0 величины AV с экспериментальной температурой помутнения ТС для растворов нашего класса молекул. Это означает, что волюмометрические расчёты могут использоваться для оценки гидрофобных свойств амфифильных молекул наряду с термодинамическими.
В диссертационной работе проведено исследование гидрофобности амфифильных молекул ПАВ класса CnEm, (полиэтиленгликолевые эфиры жирных спиртов), для n = {6, 8, 10, 12}, m = {3, 4, 5, 6} при различных температурах методом молекулярной-динамики. Для анализа
использованы современные подходы для расчёта свободной энергии Гиббса и новый метод волюмометрического анализа. Описанный в работе подход и выводы относятся к молекулам класса CnEm, однако в перспективе они могут быть распространены на ещё более сложные и крупные молекулы. Тема имеет развитие в таких областях, как самоорганизация молекул, денатурация белков под действием температуры, давления и других явлениях, в которых задействованы механизмы гидрофобной ассоциации.
Основные результаты и выводы
1. Получены молекулярно-динамические модели водных растворов для шестнадцати амфифильных молекул ПАВ класса CnEm (полиэтиленгликолевые эфиры жирных спиртов) при различных температурах.
2. Используя современные методы термодинамических расчётов (расчёт свободной энергии растворения), изучено изменение степени гидрофобности амфифильной молекулы C8E6 с температурой. Показано, что свободная энергия гидрофобного взаимодействия AGA меняет знак с ростом температуры.
3. Разработан способ расчёта вклада растворителя (AV) в парциальный мольный (кажущийся) объём органических молекул на молекулярно-динамических моделях растворов. Показано, что значения AV меняют знак с ростом температуры для всех исследуемых молекул CnEm.
4. В приближении аддитивности вкладов гидрофильной и гидрофобной частей амфифильной молекулы в парциальный мольный объём получена формула для вычисления AV в зависимости от числа звеньев n и m молекул CnEm.
5. Показано, что температура смены знака AV для молекул CnEm хорошо коррелирует с известной температурой помутнения водных растворов этих молекул.
6. Отмечено, что волюмометрическая характеристика раствора AV может служить мерой гидрофобности для амфифильных молекул. Это важно, поскольку волюмометрические расчёты существенно проще, чем термодинамические.
использованы современные подходы для расчёта свободной энергии Гиббса и новый метод волюмометрического анализа. Описанный в работе подход и выводы относятся к молекулам класса CnEm, однако в перспективе они могут быть распространены на ещё более сложные и крупные молекулы. Тема имеет развитие в таких областях, как самоорганизация молекул, денатурация белков под действием температуры, давления и других явлениях, в которых задействованы механизмы гидрофобной ассоциации.
Основные результаты и выводы
1. Получены молекулярно-динамические модели водных растворов для шестнадцати амфифильных молекул ПАВ класса CnEm (полиэтиленгликолевые эфиры жирных спиртов) при различных температурах.
2. Используя современные методы термодинамических расчётов (расчёт свободной энергии растворения), изучено изменение степени гидрофобности амфифильной молекулы C8E6 с температурой. Показано, что свободная энергия гидрофобного взаимодействия AGA меняет знак с ростом температуры.
3. Разработан способ расчёта вклада растворителя (AV) в парциальный мольный (кажущийся) объём органических молекул на молекулярно-динамических моделях растворов. Показано, что значения AV меняют знак с ростом температуры для всех исследуемых молекул CnEm.
4. В приближении аддитивности вкладов гидрофильной и гидрофобной частей амфифильной молекулы в парциальный мольный объём получена формула для вычисления AV в зависимости от числа звеньев n и m молекул CnEm.
5. Показано, что температура смены знака AV для молекул CnEm хорошо коррелирует с известной температурой помутнения водных растворов этих молекул.
6. Отмечено, что волюмометрическая характеристика раствора AV может служить мерой гидрофобности для амфифильных молекул. Это важно, поскольку волюмометрические расчёты существенно проще, чем термодинамические.