ИСТИНА

Биологические мембраны – частый объект исследования при молекулярном моделировании. Их структура и функции во многом определяют биологические процессы. Одной из интересных проблем, затрагиваемых при изучении мембран, является изучение её барьерной и транспортной функций. Известно, что для гидрофильных веществ, которыми являются большинство биологических молекул, они служат барьером. Таким образом, реально пассивный транспорт возможен для гидрофобных веществ. В данной работе методом молекулярной динамики моделировались два типа мембран – из углеводорода (моно- и бислои н-тетрадекана) и из липида (бислой ПОФХ – 1-пальмитоил-2-олеил-sn-глицеро-3-фосфатидилхолина). Исследуемые мембраны были в достаточной степени гидратированы (15 и 44 молекул воды на 1 молекулу тетрадекана и ПОФХ, соответственно). В качестве молекул, чьё взаимодействие с мембраной и возможный транспорт через неё изучались, были отдельно взятые атомы, функциональные группы атомов, молекулярный кислород, аминокислотные остатки разной степени полярности и гидрофобности (Ala, Asp, Gly, Phe, Trp, Val), а также углеродная нанотрубка диаметром 13,5 Å и длиной 35 Å (тип расположения атомов – кресло). Модель воды, выбранная для расчёта, была TIP3P. Расчёт вёлся в силовом поле Amber99©. При этом использовался термостат на основе коллизионной динамики. Периодические условия осуществлялись в двух типах термодинамических ансамблей – NVT и NPT (при изотропном и анизотропном давлении). Баростатирование велось с помощью баростата Берендсена. Изначально предполагалось наблюдать самопроизвольный транспорт наиболее гидрофобных молекул. Как выяснилось, этот процесс при 300 К можно зарегистрировать за время счёта (а оно не превышало 10 нс) только для кислорода, причём при повышении температуры до 2 000 К кислород проникает в тетрадекановую мембрану только в NVT-ансамбле, тогда как в NPT-условиях, допускающих флуктуации объёма системы, кислород не проникает внутрь бислоя, демонстрируя тем самым снижение своей гидрофобности (что может быть связано со снижением роли энтропийного вклада в гидрофобный эффект). При комнатной температуре поведение остальных молекул на границе раздела фаз коррелировало с их размером, поляризуемостью и зарядом (для сравнения применялись экспериментальные шкалы гидропатии аминокислот и закон Борна для энергии переноса сферически симметричных частиц в гидрофобную среду). Не имея возможности наблюдать самопроизвольный транспорт молекул через мембрану, следует отметить поверхностно-активные свойства, которые проявляли молекулы. Для ускорения процессов транспорта к исследуемым молекулам прикладывали силу (либо постоянную, либо переменную) с амплитудой от 0,2 до 10 ккал/моль/Å в расчёте на атом. За время расчёта опять-таки проход через мембрану наблюдался лишь при достаточно высоких силах (больше 3 ккал/моль/Å). Зависимость скорости прохода от частоты внешнего поля говорит о возможном существовании резонансной частоты, определяющей характерное время необходимых перестроек такой структурированной среды как мембрана. Вычисленные по соотношению Стокса-Эйнштейна характерные вязкости и коэффициенты диффузии молекул в среде нелинейно зависят от их размеров и приложенной силы, что даёт повод думать о различных неравновесных режимах динамики молекул при относительно больших внешних силах либо о требовании большей статистической достоверности и без того вычислительноёмких расчётов. В целом, показана невозможность обозревать за разумное время расчёта пассивный транспорт небольших молекул. Возможный путь обхода этой проблемы – рассмотрение неравновесной динамики в поле внешних сил.