WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 |   ...   | 4 | 5 || 7 | 8 |   ...   | 12 |

Моделирование аминокислот и пептидных фрагментов полуэмпирическими методами свидетельствует о том, что ориентация заряженных групп может быть различной и часто происходит втягивание атомов водорода H3N+-групп в электронную -OOС-групп (расстояния между атомами водорода и плотность атомов кислорода кислорода меньше суммы их радиусов Ван-дер-Ваальса), т.е. имеет место образование Hсвязи [3]. Моделям с нейтральными и заряженными группами соответствуют энергетические минимумы при использовании метода PM3 в отсутствии растворителя. На примере аминокислот показано, что применение метода PM6 в отсутствии растворителя приводит к модели, содержащей нейтральные группы (-(H)2N …HOOC-), но в присутствии молекул воды стабильна структура с заряженными группами (-N+H3 … OOC-).

Аналогичные результаты дают и неэмпирические методы моделирования (модель SCRF; BЗLYP/6-311 ++G(d,P)).

Рассмотрим пример предсказания вторичной структуры РНК [35].

Вторичная структура РНК – структура, образуемая спаренными основаниями на однонитевой молекуле РНК. Биологическая роль вторичной структуры: структурная (РНК – рибосомная, тРНК), регуляторная (рибопереключатели, микроРНК).

На рис. 25 показана типичная вторичная структура РНК.

Рис. 25. Одна из моделей вторичной структуры РНК.

Рассмотрим и другие модели структуры РНК (рис. 26).

Рис. 26. Различные модели вторичной структуры РНК.

Вся РНК состоит из петель и спиралей. Петли бывают следующих типов: шпилька, внутренняя, выпячивание, множественная, псевдоузел. Возникает задача о спаренности.

Биологическая формулировка этой задачи звучит так: дана последовательность РНК, определить ее правильную вторичную структуру. Количество возможных вторичных структур очень велико. Задачу можно сформулировать таким образом: надо минимизировать энергию, поскольку правильная вторичная структура наиболее стабильная (с физической точки зрения). С точки зрения биологии это не совсем верно, но формулировка очень удобная. Далее следует вопрос об оптимизации.

Предположим, что мы не будем минимизировать усилия по поиску, а все переберем.

Построим такой граф, в котором вершины – потенциальные спирали, а ребра проводятся, если две потенциальные спирали в вершинах совместимы (то есть, если две спирали могут одновременно существовать в данной молекуле РНК). Тогда вторичной структурой будет любой полный подграф, то есть такой граф, в котором все вершины между собой соединены – "клика". В этом случае задача такова: в графе найти клику. Клика будет соответствовать хорошей структуре. К сожалению, задача поиска клики в графе является математически неудобной – для нее, скорее всего, не существует эффективного алгоритма решения (кроме полного перебора всех вариантов).

Комбинаторный подход заключается в следующем:

Построим граф в котором вершины – потенциальные нуклеотидные пары (или потенциальные спирали). Ребро проводится, если пары совместимы (не образуют псевдоузлов и не имеют общих оснований).

Допустимая вторичная структура – клика в этом графе (рис. 27).

Рис. 27. Иллюстрация комбинаторного подхода.

Если удалить fgh, то получается клика (некая вторичная структура).

Вторичная структура может быть представлена в виде правильной скобочной структуры. Левая часть – открывающая скобка, правая часть – закрывающая скобка.

Вторичную структуру представляют и в виде дерева, но важно, что количество возможных структур порядка 1,8L (это доказывается в теореме). Это много, поэтому задача поиска клики не эффективна.

Возможна структура без псевдоузлов при правильном скобочном выражении. Такую структуру представим в виде дерева (рис. 28). Количество возможных структур посчитаем по формуле Т(L) 1.8 L.

Рис. 28. Структура без псевдоузлов.

Тем не менее, есть алгоритм так называемого динамического программирования, который позволяет за кубичное (а не квадратичное, как раньше) время найти структуру, имеющую наибольшее количество спаренных оснований. Задача поиска оптимального пути на графе решается методами динамического программирования следующим образом.

Пишем одну последовательность над другой. Имеется некая ячейка, в которой хранится вес наилучшего выравнивания префиксов (фрагментов последовательности от начала до данного места). И если известен вес наилучшего выравнивания в 3 ячейках, то можно определить вес наилучшего выравнивания в четвертой ячейке. Для того, чтобы найти вес оптимального выравнивания, надо просмотреть m*n ячеек (количество ячеек в прямоугольной матрице M*N). Как принято говорить в информатике, это есть квадратичный алгоритм. Он занимает время и размер памяти, пропорциональный квадрату длины последовательности. И вместо случайного перебора большого числа вариантов, решаем задачу довольно быстро. Основная идея его (как и любого алгоритма динамического программирования) заключается в том, что если знаем все решения на какой-то части, то можем сказать, какое будет решение на чуть большем фрагменте.

Количество спаренных оснований в оптимальной структуре определяется как максимум функции. Можно минимизировать не число спаренных оснований, а энергию (эта задача сложнее, но ее с помощью разных ухищрений тоже можно оставить кубичной).

Минимизация все равно не позволяет достигнуть большой точности предсказания.

Проблемы предсказания вторичной структуры РНК связаны с определенными трудностями. Только около 70% тРНК сворачиваются в правильную структуру. Для предсказания вторичной структуры используются энергетические параметры, а они определены не очень точно. Более того, в клетке бывают разные условия, и, соответственно, реализуются разные параметры. Находится единственная структура с минимальной энергией, в то время как обычно существует несколько структур с энергией, близкой к минимальной. Поэтому можно искать субоптимальные структуры и эволюционно консервативные структуры (структуры тРНК и рРНК определены именно так), то есть не абсолютизировать энергетический подход.



При проведении компьютерного эксперимента исследуется модель, предоставляемая информационной системой, а затем данные, полученные в результате исследовании модели, переносятся на объект. В таком случае одни исследователи работают с объектами, а другие - использующие информационные системы - с моделями (рис. 29).

Рис. 29. Схема исследований; n – количество объектов, m – количество моделей.

Экспериментаторы, изучая объекты или системы объектов различными методами, занимаются и построением информационных моделей, которые представляются в информационные системы. Какие-то информационные модели могут заинтересовать пользователя информационной системы. В таком случае у него имеется возможность скопировать информационную модель на свой персональный компьютер и заняться исследованием этой модели (проводить компьютерный эксперимент). Информация, полученная при проведении компьютерного эксперимента c последующим правильном перенесении на объект, может значительно углубить наши знания об объекте (например, для того, чтобы модифицировать объект).

4. Синтез макромолекул (полимеров), их свойства и применение.

В природе макромолекулы синтезируются с использованием ферментов, о которых писалось ранее. К настоящему времени разработано большое количество лабораторных и промышленных синтезов полимеров [3].

Среди методов синтеза полимеров выделяю полимеризацию и поликонденсацию, так как данные методы синтеза используют наиболее часто. При проведении полимеризации происходит соединение молекул мономера, приводящее к образованию макромолекул (частный случай реакции присоединения). Поликонденсация – частный случай реакции замещения. Кроме полимера в среде образуется и низкомолекулярное химическое соединение (вода, хлороводород и т.д.). В отдельную группу выделяют реакции полиприсоединения, сопровождающиеся переносом подвижного атома при образовании полимера.

Рассмотрим одну из классификаций полимеризационных процессов:

.

Смешанный случай между ионной и координационной полимеризацией есть ионнокоординационная полимеризация.

При проведении радикальной полимеризации в качестве промежуточных частиц образуются макрорадикалы. Инициировать радикальную полимеризацию можно действием нескольких факторов: высокой температурой, электромагнитным излучением УФ-видимой области спектра, радиацией, введением химических веществ (инициаторов).

Различают термическую, фотохимическую, радиационную и инициированную радикальную полимеризацию. Последний тип радикальной полимеризации рассмотрим подробнее.

В качестве инициаторов для проведения полимеризации используют соединения со связью -О-О-, например, пероксид водорода, пероксид бензоила. При незначительном нагревании указанная связь разрывается гомолитически с образованием радикалов (при использовании пероксида водорода это гидроксильные радикалы). Если в качестве инициатора применять пероксид, то вначале получается кислородсодержащий радикал, который затем распадается на диоксид углерода и углеводородный радикал:

(C6H5COO)2 2 C6H5COO. 2 C6H5. + 2CO2 (3).

Углеводородный радикал взаимодействует с мономером, при этом образуется другой радикал (стадии образования радикалов из инициатора и взаимодействие радикала инициатора с молекулой мономера относят к инициированию), полученный радикал реагирует с другой молекулой мономера с образованием радикала большей массы и т.д.

(стадии роста цепи). В результате получаются макрорадикалы. Макрорадикалы способны взаимодействовать друг с другом путем рекомбинации или диспропорционирования (стадии обрыва цепи).

Радикальная полимеризация - один из основных промышленных методов, которым получают более половины производимых в мире полимеров, в том числе полиэтилен (высокого давления), полистирол, сополимеры этилена и стирола с различными полярными мономерами, поливинилхлорид, полиакрилаты и полиметакрилаты, ряд синтетических каучуков и водорастворимых карбоцепных полиэлектролитов.

Кинетическая схема радикальной полимеризации включает четыре элементарных стадии: инициирование, рост, передачу и обрыв цепи. На стадии инициирования образуются первичные радикалы мономера в результате непосредственного энергетического воздействия (тепло, УФ либо ионизирующее излучение) или, чаще, при взаимодействии мономера с радикалами, возникающими при гомолитическом распаде специально вводимых веществ – инициаторов (например, пероксидов, гидропероксидов, азосоединений). Для увеличения скорости инициирования при низких температурах к пероксидам добавляют восстановители (например, соли переходных металлов или амины).

Стадия инициирования включает, по меньшей мере, два последовательных элементарных акта - генерирование радикалов R• и их взаимодействие с мономером:

Присоединение мономеров при радикальной полимеризации происходит преимущественно по типу "голова к хвосту":

.

Доля звеньев, присоединенных по типу "голова к голове" и "хвост к хвосту" обычно не превышает несколько процентов и уменьшается при полимеризации мономеров, содержащих объемные заместители X. В то же время не происходит стереорегулярного присоединения. Так, при радикальной полимеризации виниловых мономеров образуются атактичные полимеры с некоторым преобладанием синдиотактических структур.





Снижение температуры полимеризации способствует увеличению доли синдиотактических структур.

Ограничение растущих цепей при радикальной полимеризации возможно путем обрыва и (или) передачи цепи. Обрыв цепи - необратимая химическая дезактивация растущих цепей протекает обычно в результате диспропорционирования двух макрорадикалов (реакция 7) или их рекомбинации (8):

.

С увеличением степени превращения мономера в ходе радикальной полимеризации происходят существенные изменения состава и физических свойств реакционной среды, которые отражаются на кинетике реакции и характеристиках образующихся продуктов.

Так, значительное увеличение вязкости реакционной среды ограничивает в первую очередь диффузионную подвижность макрорадикалов и, следовательно, снижает скорость обрыва, приводя к увеличению скорости радикальной полимеризации и молекулярной массы образующегося полимера (гель-эффект). При образовании нерастворимого полимера подобные явления проявляются уже в начале процесса вследствие иммобилизации ("застревания") растущих цепей в матрице полимера.

В радикальной полимеризации широко используют полифункциональные инициаторы, мономеры, агенты передачи цепи, повторное участие которых в ходе полимеризации изменяет структуру полимера или кинетические характеристики. Так, полиинициаторы способны придавать радикальной полимеризации кинетические закономерности поликонденсации, из полифункциональных мономеров образуются сшитые полимеры, а введение полифункциональных агентов передачи цепи приводит к получению звездообразных полимеров.

Радикальная полимеризация может быть осуществлена в массе, эмульсии, суспензии, растворе и других средах.

Ионная полимеризация делится на катионную и анионную. В первом случае промежуточными частицами являются макрокатионы, а во втором случае – макроанионы.

Катионную полимеризацию можно проводить в присутствии катализаторов - кислот Бренстеда (например, серной кислоты) или с применением смешанной системы (кислота Бренстеда – сокатализатор и кислота Льюиса- катализатор).

Особенность катионной полимеризации – высокая скорость при отрицательных температурах.

К этому типу полимеризации способны: олефины, ароматические соединения с ненасыщенной боковой цепью, алифатические альдегиды и тиоальдегиды, виниловые эфиры и тиоэфиры, кетены, нитрилы, диазоалканы, цианамиды, изоцианаты, напряженные циклоалканы (например, циклопропан), гетероциклические простые и сложные эфиры, ацетали, амиды, амины, сульфиды, дисульфиды, силоксаны, иминоэфиры. В катионной полимеризации наиболее активны мономеры, имеющие в альфа-положении к двойной связи электронодонорные заместители (например, изобутилен, альфа-метилстирол, винилалкиловые эфиры, изопрен). Реакционная способность гетероциклических соединений определяется природой гетероатома и размером цикла. Введение заместителя в цикл существенно влияет на его активность. Катионная полимеризация протекает под действием: 1) протонных кислот - НСlO4, Н3РО4, H2SO4, CF3COOH и др.; 2) апротонных кислот (кислоты Льюиса) - BF3, SbCl5, SnCl4, А1С13, TiCl4, ZnCl2 и др.; 3) галогенов и межгалогенных соединений - I2, IC1, IВr; 4) карбениевых солей; 5) алкоксикарбениевых солей - ROCH+2A-(R=-СН3, -С2Н5 и др.); 6) оксониевых солей - R3О+А-; 7) алкилпроизводных металлов - ZnR2, A1R3; 8) излучений высокой энергии. Считают, что для действия апротонными кислотами и металлалкилами необходимо присутствие протонодонорной добавки, например Н2О или HHal. В большинстве случаев максимальной скорости полимеризации соответствует определенное соотношение количеств апротонной кислоты и протонодонорной добавки. Катионная полимеризация - цепной процесс и в общем случае включающий три стадии: 1) образование активных центров, несущих положительный заряд; 2) рост цепи - присоединение мономера (М) к активному центру; 3) ограничение роста цепи - обрыв и передача цепи. Образование активных центров во многих случаях сложный процесс, нередко включающий более одного элементарного акта. В стадии, предшествующей образованию активных центров, из компонентов системы (апротонная кислота, протонодонорная добавка, мономер) образуются первичные активные частицы. Известны следующие их типы: катионы К+ (А-), цвиттер-ионы К+—А-, ион-радикалы, координационные комплексы неионного характера.

Частицы КМ+(А-) и образующиеся при росте цепи К~М+(А-) - активные центры полимеризации (упрощенно их можно обозначить как М+(А-)). При катионной полимеризации ненасыщенных соединений - это карбениевые ионы, при катионной полимеризации гетероциклических соединений - как правило, ониевые (оксониевые, аммониевые, сульфониевые и т. п.) ионы. Акт роста цепи при катионной полимеризации ненасыщенных соединений происходит по типу присоединения, в случае гетероциклических соединений - по типу замещения:

В общем виде в качестве активного центра катионной полимеризации можно представить ряд состояний от ковалентных до свободных ионов; промежуточное состояние - контактная ионная пара (II) и сольватно-разделенная ионная пара (III).

Для проведения анионной полимеризации используют следующие системы:

1) амиды и алкоксиды щелочных металлов (NaNH2);

2) щелочные металлы или щелочные металлы с добавками органических соединений (Na + нафталин);

3) металлоорганические соединения (алкиллитий) в полярных растворителях.

Pages:     | 1 |   ...   | 4 | 5 || 7 | 8 |   ...   | 12 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.