БИОФИЗИКА, 2020, том 65, № 2, с. 219-228

МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОФИЗИКА

УДК 539.199; 544.723

МОЛЕКУЛЯРНО-ДИНАМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СВЯЗАННЫХ

С АТОМАРНЫМИ КЛАСТЕРАМИ ПОЛИАМФОЛИТНЫХ

ПОЛИПЕПТИДОВ НА ПОВЕРХНОСТЯХ

МЕТАЛЛОПОДОБНЫХ НАНООБЪЕКТОВ

Центр лазерной и информационной биофизики Оренбургского государственного университета,

460018, Оренбург, просп. Победы, 13

E-mail: kruchinin_56@mail.ru

Поступила в редакцию 15.11.2019 г.

После доработки 21.01.2020 г.

Принята к публикации 22.01.2020 г.

С использованием молекулярно-динамического моделирования были исследованы электрически

индуцированные конформационные изменения полиамфолитных полипептидов, связанных с мо-

дельными металлическими атомарными кластерами, на поверхностях металлоподобных наноча-

стицы и подложки с равномерным распределением электрического заряда, а также на поверхности

поляризованной наночастицы. Рассчитаны средние расстояния между связанными с полипепти-

дом атомарными кластерами и адсорбентом при изменении плотности заряда на его поверхности.

Электрически индуцированные изменения конформаций полиамфолита приводили к значитель-

ному смещению атомарных кластеров, связанных с макроцепью, относительно адсорбирующей по-

верхности нанообъекта, что может быть использовано в сенсорах на основе эффектов поверхност-

ного плазмонного резонанса и гигантского комбинационного рассеяния, а также в нанозондах с ре-

гулируемыми или переключаемыми под воздействием электрического поля параметрами.

Ключевые слова: молекулярная динамика, полиамфолитные полипептиды, атомарные кластеры, нано-

частицы, адсорбция, электрически индуцированные конформационные изменения.

DOI: 10.31857/S0006302920020027

рассеяния полимерные молекулы, адсорбирован-

В современных биомедицинских исследова-

ные на золотой подложке, часто связывают с на-

ниях, а также при разработке различных химиче-

ночастицами золота [1-9]. Также подобные ги-

ских сенсоров, таких как сенсоры на основе эф-

бридные нанообъекты могут быть использованы

фектов поверхностного плазмонного резонанса

в качестве нанозондов с перестраиваемыми ха-

или гигантского комбинационного рассеяния,

рактеристиками в биохимических и биофизиче-

широко используются пробиологические нано-

ских исследованиях. Поэтому перспективным

структуры, в которых конформации адсорбиро-

для создания новых чувствительных элементов

ванных на поверхностях нанообъектов полипеп-

приборов является разработка методов управле-

тидных цепей, связанных с золотыми наночасти-

ния изменениями конформаций полимерных це-

цами, могут изменяться под различными

пей под воздействием статического электриче-

внешними воздействиями [1-9]. В качестве на-

ского поля [10, 11], а также электромагнитного

нообъектов могут выступать как плоские метал-

излучения.

лические или полупроводниковые поверхности,

так и цилиндрические или сферические объекты

На конформационную структуру адсорбиро-

нанометрового радиуса, такие как наностержни,

ванных макромолекулярных цепей существенное

наночастицы и квантовые точки, которые могут

влияние оказывает форма адсорбента [12-15].

располагаться на подложке, образуя нанострук-

При этом в гибридных наносистемах, чувстви-

трурированную поверхность. С целью усиления

тельных к воздействию электрического поля,

сигнала и повышения чувствительности сенсоров

удобным является использование полиамфолит-

на основе эффектов поверхностного плазмонно-

ных макроцепей [15]. Если наносистему, в кото-

го резонанса и гигантского комбинационного

рой полиамфолитная макроцепь адсорбирована

на твердой поверхности, поместить во внешнее

Сокращениe: МД - молекулярная динамика.

электрическое поле, то конформационная струк-

219

220

КРУЧИНИН, КУЧЕРЕНКО

тура макромолекулы изменится в зависимости от

поверхностях металлоподобных подложки и на-

направления и величины вектора напряженности

ночастицы.

поля. В том случае, если с полимерной цепью бу-

Полиамфолитные полипептиды состояли из

дет связана какая-либо молекула (например, мо-

аминокислотных остатков Ala (A) с равномерно

лекула красителя) или атомарный кластер не-

распределенными положительно заряженными

большого размера, то при перестройке конфор-

звеньями Arg (R) и отрицательными Asp (D), а

мационной структуры макроцепи расположение

также от одного до пяти звеньев Cys (C), каждое

таких атомарных групп также будет изменяться.

из которых могло быть ковалентно связано с мо-

Если металлический нанообъект находится во

дельным металлическим кластером из 32 или 80

внешнем электрическом поле, то на его поверх-

атомов. Аминокислотный остаток Cys вместе со

ности индуцируются электрические заряды и

связанным с ним атомарным кластером распола-

происходит его поляризация, а электрическое по-

гался около заряженного звена, обычно у остатка

ле вокруг нанообъекта сильно искажается. На по-

Asp. МД-моделирование было произведено как

верхности сферической наночастицы заряды рас-

для связанных с атомарными кластерами поли-

пределяются с поверхностной плотностью,

пептидов, так и без них.

пропорциональной косинусу угла между направ-

На поверхности металлоподобной наночасти-

лением вектора электрического поля и нормали к

цы проводили МД-моделирование со следующи-

поверхности наночастицы. В случае размещения

ми полипептидами:

полиамфолитной макромолекулы на поверхно-

1) полипептид A315R40D40С5, состоящий из

сти поляризованной металлической наночасти-

400 аминокислотных остатков с 315 звеньями Ala

цы подобное распределение индуцированных за-

с равномерно распределенными 20 парами зве-

рядов будет оказывать существенное влияние на

ньев Asp и 20 парами звеньев Arg, а также пятью

ее конформационную структуру. Если воздей-

звеньями Cys -

ствовать на гибридную наносистему такого типа

(A₄R₂A₈D₂A₈R₂A₈D₂СA₃(A₄R₂A₈D₂A₄)₂)₅;

электромагнитным излучением, то при низкой

2) полипептид A268R16D16С4_1, состоящий

частоте изменения электрического поля конфор-

из 304 аминокислотных остатков с 268 звеньями

мационная структура адсорбированной макроце-

Ala с равномерно распределенными восемью па-

пи будет успевать перестраиваться вслед за вари-

рами звеньев Asp и восемью парами звеньев Arg, а

ациями электрического поля.

также четырьмя звеньями Cys -

Такие электрически индуцированные измене-

A₈(A₈D₂СA₁₅R₂A₁₆D₂A₁₆R₂A₈)₄A₈;

ния конформационной структуры связанных с

3) полипептид A268R16D16С4_2, состоящий

кластерами золота полиамфолитных макроцепей

из 304 аминокислотных остатков с 268 звеньями

приведут к появлению новых условий в сенсорах

Ala с равномерно распределенными восемью па-

на основе эффектов поверхностного плазмонно-

рами звеньев Asp и восемью парами звеньев Arg, а

го резонанса и гигантского комбинационного

также четырьмя звеньями Cys, расположенными

рассеяния, а также других сенсорах, действие ко-

рядом со звеньями Asp и Arg -

торых основано на использовании ферстеровско-

A₈(A₈D₂СA₁₅R₂A₁₆D₂A₁₆R₂A₁₆D₂A₁₆R₂CA₁₅-

го переноса энергии между связанными макроце-

пью нанообъектами. Это может быть полезным

D₂A₁₆R₂A₈)₂A₈.

при создании сенсоров и нанозондов нового по-

Были рассмотрены следующие полипептиды

коления с улучшенными характеристиками, пе-

из 100 аминокислотных остатков, адсорбирован-

рестраиваемыми под воздействием электриче-

ные на металлоподобной подложке:

ского поля.

1) полипептид A89R5D5C1 -

Поэтому целью данной работы является ис-

(A₄RA₉DA₅)₂A₄RA₉DCA₄(A₄RA₉DA₅)₂;

следование характера расположения и конфор-

2) полипептид A79R10D10C1 -

мационной мобильности связанных с атомарны-

(A₄R₂A₈D₂A₄)₂A₄R₂A₈D₂CA₃(A₄R₂A₈D₂A₄)₂;

ми кластерами полиамфолитных полипептидов

на поверхности однородно заряженных и поля-

3) полипептид A91R4D4C1 -

ризованных нанообъектов.

A₁₁D₂A₂₃R₂A₂₂CD₂A₂₃R₂A₁₂.

Модель металлоподобной наночастицы была

получена путем вырезания шара радиусом 1.5 нм

МОЛЕКУЛЯРНО-ДИНАМИЧЕСКОЕ

из модельного кристалла золота (гранецентриро-

МОДЕЛИРОВАНИЕ

ванная кубическая решетка). Модель металлопо-

Было произведено молекулярно-динамиче-

добной подложки также была построена из мо-

ское (МД) моделирование полиамфолитных по-

дельного кристалла золота со сторонами 14 нм и

липептидов с разными законами распределения

толщиной в две элементарные ячейки, при этом

положительных и отрицательных аминокислот-

полипептид располагался на ней вблизи кристал-

ных остатков размером от 100 до 400 звеньев на

лографической поверхности Au(001). Модели ме-

БИОФИЗИКА том 65

№ 2

2020

МОЛЕКУЛЯРНО-ДИНАМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

221

таллических кластеров из 32 и 80 атомов были по-

рендсена) 300 К, а также при 900 К с последую-

строены согласно работе [16], в которой они были

щим снижением до

300 К. Это позволяло

получены методом Монте-Карло из атомов золо-

достигать более глубоких минимумов конформа-

та. Атомы наночастицы и подложки в процессе

ционной энергии макроцепи, в том числе на бо-

моделирования оставались зафиксированными.

лее коротком участке траектории. Длина времен-

ной траектории достигала 15 нс. Для контроля

МД-моделирование проводили с использова-

получения равновесных конформаций осуществ-

нием программного комплекса NAMD 2.12-2.13

ляли наблюдение за изменением среднеквадра-

[17]. Для полипептидов было использовано сило-

тичного расстояния между атомами полипептида

вое поле CHARMM22 [18]. Взаимодействия по-

в различных конформациях.

липептидов с металлоподобными подложкой и

наночастицей описывали потенциалом Лен-

Поверхности металлоподобных подложки и на-

нард-Джонса, разработанным в работе для ато-

ночастицы заряжали путем присваивания парци-

мов золота [19]: глубина потенциальной ямы для

альных зарядов их атомам, расположенным на по-

атома золота задавалась равной -5.29 ккал/моль,

верхности [23]. Были получены следующие значе-

а минимум потенциала находился на расстоянии

ния поверхностной плотности заряда подложки

2.951 Å. Взаимодействие связанных аминокис-

(нижний индекс означает парциальный заряд одно-

лотного остатка Cys полипептида и модельного

го атома на поверхности):

= ±1.24e/нм

±0.05

металлического кластера описывалось потенциа-

лами, разработанными в работе [20] для связан-

±0.1

=±2.48e/нм

±0.15

=±3.72e/нм

Были рас-

ного атома серы аминокислотного остатка Cys с

смотрены два варианта распределения заряда на по-

атомом золота металлической подложки: для гар-

верхности наночастицы: случай с равномерным

монического потенциала валентной связи Au-S

сферически симметричным распределением заря-

равновесное расстояние было равно 2.531 Å, кон-

дов на поверхности наночастицы и случай однород-

станту жесткости связи задавали равной

198

ной поляризации наночастицы. Получены следую-

щие значения поверхностной плотности заряда од-

ккал/(моль∙Å²); для связи S-C данные параметры

были равны 1.836 Å и 205 ккал/(моль∙Å²) соответ-

нородно заряженной наночастицы:σ

±0.1

=±2e/нм

ственно. Валентный угол Au-S-C имел равно-

=±4e/нм

=±6e/нм

Локальное элек-

±0.2

±0.3

весное значение 109°, а коэффициент жесткости

трическое поле поляризованной наночастицы зада-

в гармоническом потенциале валентного угла

вали через изменение зарядов атомов на ее поверх-

был равен 46.347 ккал/моль [20]. Потенциал дву-

ности по закону косинуса. Были получены следую-

гранного угла Au-S-C-C имел следующие пара-

щие значения индуцированного дипольного

метры: сдвиг фазы 180°, константа жесткости

момента наночастицы: p0.25 = 2.73 кД, p0.50 =

0.31 ккал/моль, кратность торсионного барьера

= 5.46 кД, p_1.00 = 10.92 кД и p_1.50 = 16.38 кД. При этих

равна двум; для угла S-C-C-C данные парамет-

значениях дипольного момента атомы на положи-

ры были равны соответственно

-19°,

тельно заряженном полюсе наночастицы имели

0.22 ккал/моль и 2 [20]. Потенциал Ван-дер-Ва-

парциальные заряды +0.25 e, +0.5 e, +1 e и +1.5 e со-

альса обрезали на расстоянии 1.2 нм с помощью

ответственно.

функции сглаживания между 1.0 и 1.2 нм. Элек-

тростатические взаимодействия рассчитывали

По результатам МД-моделирования на конеч-

непосредственно на расстоянии 1.2 нм, для боль-

ном стационарном участке траектории по всем

ших дистанций использовали метод «частица-

полученным конформациям при различных ва-

сетка» Эвальда [21] с шагом сетки 0.11 нм. Вся мо-

риантах распределения заряда на поверхности

лекулярная система была помещена в куб с ребра-

наночастицы рассчитывали радиальные распре-

ми до 24 нм, заполненный молекулами воды

деления средней плотности атомов полипептида

TIP3P [22].

с дифференциацией по типам звеньев, зависимо-

сти средних угловых распределений атомов поли-

В начальный момент времени макромолекула

пептида на поверхности поляризованной наноча-

полипептида располагалась в виде неравновесно-

стицы, а на поверхности подложки рассчитыва-

го клубка рядом с незаряженной поверхностью

лись

«высотные» распределения средней

металлоподобной наночастицы или подложки.

плотности атомов полипептида. Также были рас-

Были рассмотрены три разных стартовых клубка

считаны расстояния между центрами атомарных

для каждого полипептида. По результатам МД-

кластеров, связанных с полипептидом, и центром

моделирования были получены по три равновес-

наночастицы или поверхностью подложки.

ные конформационные структуры для каждого

рассмотренного полипептида, которые впослед-

ствии были использованы в качестве стартовых

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

конфигураций для МД-моделирования на заря-

женной поверхности. МД-моделирование прово-

МД-моделирование связанных с модельным ме-

дили при постоянной температуре (термостат Бе-

таллическим атомарным кластером полиамфолит-

БИОФИЗИКА том 65

№ 2

2020

222

КРУЧИНИН, КУЧЕРЕНКО

(а)

(б)

Рис. 1. Полипептид A91R4D4C1 с модельным металлическим кластером из 80 атомов на нейтральной (а) и отрица-

тельно заряженной с поверхностной плотностью заряда

(б) поверхности металлоподобной подложки после

-0.15

МД-моделирования (светло-серая трубка - звенья Ala, черным цветом изображен атомарный кластер, темно-серым -

звенья Arg, а светло-серым - Asp).

ных полипептидов на поверхности плоской метал-

знак заряда, одинаковый с подложкой, отдалялись

лоподобной подложки. При МД-моделировании

от нее, а остатки с противоположным знаком рас-

полипептидов длиной 100 звеньев как с атомар-

полагались на поверхности. При достижении зна-

ным кластером, так и без него на нейтральной ме-

чений поверхностной плотности

для поли-

-0.15

таллоподобной подложке происходила адсорб-

пептидов A89R5D5C1 и A91R4D4C1, а для поли-

ция аминокислотных остатков полипептида вне

зависимости от их типа (рис. 1а). При этом ато-

пептида A79R10D10C1 при

все звенья,

-0.1

марный кластер находился в цепи полипептида

имеющие знак заряда, одинаковый с подложкой,

на небольшом расстоянии от подложки. Наличие

отдалялись на максимально возможное расстояние

небольшого атомарного кластера оказывало сла-

от подложки, а все звенья с противоположным

бое влияние на конформационную структуру ад-

знаком заряда располагались на подложке

сорбированной макроцепи. В этом случае фор-

(рис. 1б). Отличие для полипептида A79R10D10C1

мировались характерные «высотные» распреде-

связано с большей плотностью заряженных зве-

ления плотности атомов полипептида, которые

ньев в макроцепи. При этом расстояние, на кото-

хорошо аппроксимируются экспоненциальной

рое удалялись одноименно заряженные звенья, за-

кривой [24]. Параметры аппроксимирующих экс-

висело от первичной структуры макроцепи и опре-

поненциальных кривых распределений средних

делялось расстоянием между разноименно

«высотных» плотностей атомов полипептида в

заряженными звеньями полипептида. Так как кла-

случаях, когда полипептид был связан с неболь-

стер был связан с остатком Cys, который находил-

шим атомарным кластером, так и без него, отли-

ся рядом с отрицательно заряженным аминокис-

чались незначительно. При МД-моделировании

лотным остатком Asp, то при изменении заряда

на нейтральной подложке центр кластера вне за-

подложки он смещался вслед за смещением остат-

висимости от его размера находился в среднем на

ка Asp, поэтому на отрицательно заряженной по-

расстоянии около 1 нм от ее поверхности.

верхности кластер отдалялся от нее (рис. 1б).

При увеличении абсолютной величины поверх-

Максимальное смещение атомарного кластера

ностной плотности заряда наблюдалась значитель-

для полипептидов A89R5D5C1 и A91R4D4C1 на-

ная перестройка конформационной структуры ад-

блюдалось при поверхностной плотности заряда

сорбированного полипептида как при МД-моде-

лировании вместе с кластером (рис. 1б), так и без

подложки

: расстояние от центра кластера до

-0.15

него: все большее количество остатков, имеющих

подложки в среднем было 3 нм и 5.2 нм соответ-

БИОФИЗИКА том 65

№ 2

2020

МОЛЕКУЛЯРНО-ДИНАМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

223

ственно (рис. 1б). Для полипептида A79R10D10C1

(рис. 2б). На рис. 2б видно, что кластеры, связан-

максимальное смещение кластера происходило

ные с полипептидом A268R16D16С4_1, находятся

на значительном расстоянии от наночастицы. На

при

, при этом расстояние от центра кластера

-0.1

рис. 3б изображено радиальное распределение

до подложки составляло в среднем 2.5 нм. На по-

средней плотности атомов полипептида

ложительно заряженной подложке наблюдалось

A268R16D16С4_1, полученное по результатам

меньшее смещение кластера: для полипептидов

МД-моделирования с поверхностной плотно-

A89R5D5C1 и A91R4D4C1 при

среднее рас-

+0.15

стью заряда

. Из данного распределения вид-

-0.3

стояние от центра кластера до подложки было 1.5

но, что все остатки Arg находятся у поверхности

нм и 1.8 нм соответственно, а для полипептида

отрицательно заряженной наночастицы, остатки

A79R10D10C1 при

+0.1

оно в среднем было 1.6 нм.

Asp максимально отдалены, а остатки Ala нахо-

Такое смещение кластера от поверхности связано с

дятся между ними. Среднее расстояние атомар-

вытягиванием цепи в направлении нормали от

ных кластеров от центра отрицательно заряжен-

подложки и, соответственно, смещением остатка

ной наночастицы по мере изменения поверхност-

Суs вместе с кластером в вертикальном направле-

ной плотности заряда для полипептида

нии. Также такое поведение связано с тем, что по-

A268R16D16С4_1 составило при

- 2 нм, при

ложительный заряд Arg звена и отрицательный Asp

-0.1

звена сосредоточены на конце R-группы амино-

- 3.2 нм, а при

- 4.5 нм. Для полипепти-

-0.2

-0.3

кислотного остатка, поэтому такие аминокислот-

да A315R40D40С5 данные расстояния равнялись

ные остатки касаются заряженной подложки кон-

при

-0.1

- 2 нм, при

-0.2

- 2.6 нм, а при

-0.3

цом R-группы, при этом вытягиваясь перпендику-

3.5 нм. Различие удаленностей атомарных кла-

лярно поверхности.

стеров от наночастицы для полипептидов

МД-моделирование связанных с модельными

A315R40D40С5 и A268R16D16С4_1 связано с раз-

металлическими атомарными кластерами полиам-

ным расстоянием между звеньями Asp и Arg в

фолитных полипептидов на поверхности металло-

макроцепи.

подобной наночастицы с равномерным сферически

симметричным распределением зарядов. В случае

При МД-моделировании полипептидов

МД-моделирования полипептидов, связанных с

A315R40D40С5 и A268R16D16С4 на наночастице

несколькими кластерами, состоящими из 32 ато-

с равномерным сферически симметричным рас-

мов, на поверхности незаряженной сферической

пределением положительных зарядов наблюда-

металлоподобной наночастицы наблюдалась ад-

лась зеркально симметричная картина по отно-

сорбция большинства аминокислотных остатков

шению к случаю отрицательно заряженной нано-

вне зависимости от их типа, при этом рассмот-

частицы: звенья Asp находились у поверхности

ренные полипептиды полностью обволакивали

наночастицы, а звенья Arg были отдалены от нее

наночастицу (рис. 2а). Характер радиальных рас-

(рис. 2в), что также видно из радиального распре-

пределений средней плотности атомов полипеп-

деления средней плотности атомов полипептида

тида (рис. 3а) на незаряженной наночастице был

(рис. 3в). Кластеры, связанные с полипептидом,

схож с полученными в работе [15] результатами.

также отдалились от поверхности наночастицы

Атомарные кластеры для всех рассмотренных по-

по сравнению со случаем незаряженной наноча-

липептидов в среднем находились на расстоянии

стицы (рис. 2в). Это связано с вытягиванием пе-

2 нм от центра незаряженной наночастицы.

тель макроцепи вдоль нормали от поверхности

В случае МД-моделирования полипептидов

наночастицы. Среднее расстояние атомарных

A315R40D40С5 и A268R16D16С4_1 (рис. 2б и 2в)

кластеров от центра положительно заряженной

на поверхности наночастицы с равномерным

наночастицы по мере изменения поверхностной

сферически симметричным распределением за-

плотности

заряда

для

полипептида

рядов происходила перестройка конформацион-

A268R16D16С4_1 составило при

+0.1

- 2 нм, при

ной структуры полипептида, связанного с ато-

марными кластерами, схожая со случаем МД-мо-

- 2.2 нм, а при

- 3 нм. Для полипептида

+0.2

+0.3

делирования

на

плоской

заряженной

A315R40D40С5 данные расстояния были равны

поверхности. В полипептидах A315R40D40С5 и

при

+0.1

- 2 нм, при

+0.2

- 2.5 нм, а при

+0.3

A268R16D16С4_1 кластеры были связаны с ами-

3 нм. Схожие значения расстояния модельных

нокислотными остатками Cys, которые распола-

металлических кластеров от центра положитель-

гались около отрицательно заряженных звеньев

но заряженной наночастицы для полипептидов

Asp. Поэтому на отрицательно заряженной нано-

A315R40D40С5 и A268R16D16С4_1 связаны с

частице кластеры отдалялись от поверхности на-

одинаковым расположением кластеров у остатка

ночастицы вместе со звеньями Asp по мере увели-

Asp и не зависят от расстояния между звеньями

чения поверхностной плотности заряда на нано-

Asp и Arg в макроцепи, а обусловлены лишь раз-

частице, максимально отдаляясь при

ной степенью вытягивания петель макроцепи в

-0.3

БИОФИЗИКА том 65

№ 2

2020

224

КРУЧИНИН, КУЧЕРЕНКО

(а)

(б)

(в)

(г)

Рис. 2. Полипептид A268R16D16С4_1 с четырьмя модельными металлическими кластерами из 32 атомов на

незаряженной (а), отрицательно (б) и положительно (в) заряженной с поверхностной плотностью заряда

0.3

соответственно, а также поляризованной (г) в вертикальном направлении (вверху положительный полюс, внизу -

отрицательный) с дипольным моментом p_1.50 металлообразной наночастице после МД-моделирования (светло-серая

трубка - звенья Ala, черным цветом изображены атомарные кластеры, темно-серым - звенья Arg, а светло-серым -

Asp).

зависимости от величины заряженности поверх-

ванной металлоподобной наночастицы. Для поли-

ности наночастицы.

пептидов A315R40D40С5, A268R16D16С4_1 и

МД-моделирование связанных с модельными

A268R16D16С4_2 было произведено МД-модели-

металлическими атомарными кластерами полиам-

рование на поверхности поляризованной наноча-

фолитных полипептидов на поверхности поляризо-

стицы. На рис. 2г видно, что на поверхности по-

БИОФИЗИКА том 65

№ 2

2020

226

КРУЧИНИН, КУЧЕРЕНКО

(а)

Pep

(б)

Pep

Ala

Arg

Asp

500

400

300

200

100

–80

-60 -40

-20

0 -80 -60 -40

-20

Угол, град

Рис. 4. Зависимости средних угловых распределений атомов полипептида A315R40D40С5 на незаряженной (а) и

поляризованной (б) с дипольным моментом p_1.50 металлоподобной наночастице с дифференциацией по типам

звеньев. На рисунке: Pep - усредненное угловое распределение по всем атомам полипептида; Ala, Arg и Asp -

усредненные угловые распределения по типам аминокислотных остатков.

ляризованной наночастицы (вверху положитель-

разных широт, начиная от отрицательно заря-

ный полюс, внизу - отрицательный) произошла

женного полюса (-90°) до положительного полю-

перестройка конформационной структуры поли-

са (90°) наночастицы. Зависимости угловых рас-

пептида A268R16D16С4_1, которая значительно

пределений атомов адсорбированного полипеп-

отличается как от случая незаряженной наноча-

тида были нормированы на амплитудные

стицы (рис. 2а), так и от случая с равномерным

значения концентрации атомов в экваториаль-

сферически симметричным распределением за-

ной области с учетом различий площади поверх-

рядов на поверхности наночастицы (рис. 2б и 2в).

ности сферических сегментов, ограниченных

Видно, что часть положительно заряженных зве-

окружностями различного радиуса. Видно, что на

ньев Arg сместилась к отрицательному полюсу

поляризованной наночастице произошло пере-

наночастицы, а часть отрицательно заряженных

распределение аминокислотных остатков Arg в

звеньев Asp - к положительному полюсу. Также

отрицательно заряженное полушарие, а звенья

наблюдается вытягивание «опушки» макроцепи в

Asp сместились в положительно заряженную об-

районе полюсов из-за отталкивания одноименно

ласть наночастицы.

заряженных полюсу наночастицы аминокислот-

Среднее расстояние атомарных кластеров от

ных остатков (рис. 2г) и их смещением вдоль на-

центра поляризованной наночастицы по мере

правления дипольного момента наночастицы.

увеличения дипольного момента наночастицы

Радиальное распределение средней плотности

для полипептида A315R40D40С5 составило при

атомов полипептида на поверхности поляризо-

p_0.25 - 2.1 нм, при p_0.50 - 2.4 нм, при p_1.00 - 2.9 нм,

ванной наночастицы также значительно отлича-

а при p_1.50

3.2 нм. Для полипептида

ется от рассмотренных выше случаев. Из рис. 3г

видно, что максимумы радиального распределе-

A268R16D16С4_1 данные расстояния были равны

ния средней плотности заряженных аминокис-

при p_0.25 - 2 нм, при p_0.50 - 2.4 нм, при p_1.00 -

лотных остатков Arg и Asp полипептида

3.1 нм, а при p_1.50 - 3.3 нм, а для полипептида

A268R16D16С4_1 находятся у поверхности нано-

A268R16D16С4_2 при p_0.25 - 2 нм, при p_0.50 -

частицы, а профиль радиального распределения

2.3 нм, при p_1.00 - 2.9 нм, а при p_1.50 - 3.2 нм.

средней плотности звеньев Ala смещен от поверх-

ности.

Таким образом, при МД-моделировании на по-

На рис. 4 изображены зависимости средних уг-

ляризованной наночастице среднее расстояние свя-

ловых распределений атомов полипептида

занных с макроцепью модельных металлических

A315R40D40С5 на незаряженной (рис. 4а) и поля-

кластеров почти не меняется при различном рассто-

ризованной (рис. 4б) наночастице: по оси абс-

янии между положительными и отрицательно заря-

цисс отложены средние значения углов сфериче-

женными звеньями в макроцепи (полипептиды

ского сегмента, ограниченному окружностями

A315R40D40С5 и A268R16D16С4_1), а также в том

БИОФИЗИКА том 65

№ 2

2020

МОЛЕКУЛЯРНО-ДИНАМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

227

случае, если кластеры находятся рядом у звеньев

СОБЛЮДЕНИЕ ЭТИЧЕСКИХ СТАНДАРТОВ

разного знака (как Asp, так и Arg) полимерной цепи

Настоящая работа не содержит описания ка-

(полипептид A268R16D16С4_2).

ких-либо исследований с использованием людей

и животных в качестве объектов.

ВЫВОДЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Под воздействием электрического поля распре-

J. Lee, K. Chung, J. Lee, et al., Adv. Funct. Mater. 25,

деленных электрических зарядов на поверхности

6716 (2015).

нанообъектов конформационная структура поли-

A. R. Ferhan and D. Kim, Nano Today 11, 415 (2016).

амфолитных полипептидов, связанных с неболь-

шими атомарными кластерами, существенно из-

H. Chen, Y. Wang, X. Li, et al., RSC Adv. 8, 22177

меняется. Связанные с макроцепью небольшие

(2018).

атомарные кластеры смещаются относительно ад-

H. Chen, T. You, G. Xu, et al., Sci. China Mater. 61

сорбирующей поверхности вслед за электрически

(9), 1201 (2018).

индуцированными конформационными измене-

A. Zengin, U. Tamer, and T. Caykara, J. Colloid Inter-

ниями полиамфолитной макромолекулы. Расстоя-

face Sci. 448, 215 (2015).

ние, на которое кластеры смещаются от заряжен-

D. Li, Y. Ma, H. Duan, et al., Biosens. Bioelectron. 99,

ной поверхности, зависит от закона распределения

389 (2018).

заряженных аминокислотных остатков в макроце-

X. Zhu, J. Li, H. He, et al., Biosens. Bioelectron. 74,

пи. Это расстояние достигает максимального зна-

113 (2015).

чения в случае однородного распределения заря-

дов на подложке или наночастицы, когда все зве-

E. Chang, J. S. Miller, J. Sun, et al., Biochem. Biophys.

Res. Commun. 334 (4), 1317 (2005).

нья макроцепи, заряженные одноименно по

отношению к заряженной поверхности, макси-

S. Hamd-Ghadareh, A. Salimi, F. Fathi, S. Bahrami,

мально отдалены от нее, а атомарные кластеры при

Biosens. Bioelectron. 96, 308 (2017).

этом связаны с макроцепью рядом с этими звенья-

10.

Y. Chen, E. R. Cruz-Chu, J. C. Woodard, et al., ACS

ми. В случае поляризованной наночастицы наблю-

Nano 6 (10), 8847 (2012).

дается характерное вытягивание «опушки» поли-

11.

E. Cantini, X. Wang, P. Koelsch, et al., Acc. Chem.

амфолитной макроцепи в районе заряженных по-

Res. 49 (6), 1223 (2016).

люсов, а вместе с ней и смещение атомарных

12.

M. G. Kucherenko, A. P. Rusinov, T. M. Chmereva,

кластеров.

et al., Optics and Spectroscopy 107, 480 (2009).

Таким образом, воздействием электрического

13.

M. G. Kucherenko, S. V. Izmodenova, N. Yu. Kruchi-

поля можно управлять расстоянием между ато-

nin, and T. M. Chmereva, High Energy Chemistry 43

марными кластерами, связанными с полиамфо-

(7), 592 (2009).

литной цепью, и адсорбирующей поверхностью

14.

M. G. Kucherenko, V. N. Stepanov, and N. Yu. Kru-

металлоподобного нанообъекта. Такой эффект

chinin, Optics and Spectroscopy 118 (1), 103 (2015).

может быть использован при создании сенсоров

15.

N. Yu. Kruchinin and M. G. Kucherenko, Colloid J. 81

нового поколения на основе эффектов поверх-

(2), 110 (2019).

ностного плазмонного резонанса и гигантского

16.

J. P. K. Doye and D. J. Wales, New J. Chem. 22, 733

комбинационного рассеяния, а также в нанозон-

(1998).

дах с регулируемыми или переключаемыми под

17.

J. C. Phillips, R. Braun, W. Wang, et al., J. Comput.

воздействием электрического поля параметрами,

Chem. 26 (16), 1781 (2005).

что может найти применение в биофизических и

биохимических исследованиях.

18.

A. D. MacKerell, Jr., D. Bashford, M. Bellott, et al., J.

Phys. Chem. B 102 (18), 3586 (1998).

19.

H. Heinz, R. A. Vaia, B. L. Farmer, and R. R. Naik, J.

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

Phys. Chem. C 112 (44), 17281 (2008).

20.

A. R. Bizzarri, G. Costantini, and S. Cannistraro, Bio-

Исследование выполнено при финансовой

phys. Chem. 106 (2), 111 (2003).

поддержке Российского фонда фундаментальных

21.

T. Darden, D. York, and L. Pedersen, J. Chem. Phys.

исследований и Оренбургской области в рамках

98, 10089 (1993).

научного проекта № 19-43-560003.

22.

W. L. Jorgensen, J. Chandrasekhar, J. D. Madura,

et al., J. Chem. Phys. 79, 926 (1983).

23.

M. Shankla and A. Aksimentiev, Nat. Commun. 5, 5171

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

(2014).

Авторы заявляют об отсутствии конфликта

24.

А. Ю. Гpоcбеpг и А. P. Xоxлов, Статистическая

интересов.

физика макромолекул (Наука, М., 1989).

БИОФИЗИКА том 65

№ 2

2020