Макромолекулаларды модельдеу

БИОНАНОҚҰРЫЛЫМДАРДЫ МОДЕЛЬДЕУ. Жаңа бионаномашиналарды құрастыру кезінде компьютерлік моделдеу биологиялық экспериментпен қатар, көбінесе итерациялық түрде қолданылады.  Алдымен молекулалар компьютерде жобаланады, содан кейін ең жақсы нұсқалар синтезделіп, тестіленеді. Модельдеу мен эксперименттер нәтижесінде жасалған қорытындылар келесі цикллекомпьютерлік әзірлемелерде және т. б. ескеріледі. Мұндай тәсіл, атап айтқанда, дәрі-дәрмек молекулаларын (rationaldrugdesign) мақсатты құрастыруда (немесе ұтымды дизайнда) пайдаланылды, олардың ішіндегі ең әсерлі ЖҚТБ-ға қарсы әзірленетін дәрілік препараттар болып табылады. Компьютерлік модельдеу көбінесе экспериментаторға қол жетпейтін жүйелерді зерттеудің жалғыз ықтимал әдісі болып табылады, болжамдарды қамтамасыз етеді және әрі қарай зерттеулер мен әзірлемелерді бағыттайды.

Макромолекулаларды модельдеу.   Компьютерлік графика бионаномолекулалардың зерттеулерін революциялады және қазір ол барлық молекулалық ғылымдарда таптырмайтын құрал болып табылады. Компьютерлік графика ерекше формаларды, қасиеттерді және Молекулалардың өзара әрекеттесуін біз үшін үйреншікті түрде визуализациялауға мүмкіндік береді. Молекулалық графика зерттеушіге синтезделген немесе модификацияланатын молекулаларды елестетуге және түсінуге мүмкіндік беретін жаңа жобаның алғашқы қадамы болып табылады.Молекулалар көрінетін диапазонның жарық толқынының ұзындығынан аз болатын объектілер болып табылатындықтан, микроскопта жеке молекуланы көру мүмкін емес. Сондықтан молекулалардың құрылымын ұсынудың әртүрлі тәсілдері әзірленді (102 сурет).

102 сурет –лизоцимнің молекулалық құрылымының визуализациясы: а-коваленттік байланыстар схемасы; Б-Вандерваальстік молекула моделі; в - "резеңке таспа"

Молекуладағы барлық коваленттік байланыстардың кеңістіктік орналасуын бейнелеуге болады (сурет 102 (а)). Бұл ұсыныс  біршама көп, бірақ оны талдау қиын. Кейде әр атом алып жатқан аймақтарды сәйкес радиусының сфералары - ван дер Ваальс моделімен толтыруға ыңғайлы (сурет 102 (b)). Көрнекіліктің бұл әдісі молекуланың пішіні мен мөлшері туралы жақсы түсінік береді, бірақ глобуланың  ішкі құрылымы көрінбейді. Мұндай көрініс молекулааралық өзара әрекеттесуді зерттеу үшін ыңғайлы, бірақ ақуыздың қайталама құрылымының сипаттамаларына байланысты процестерді зерттеуді қиындатады.

Ақуыздар тізбегінің топологиясын көзбен көру үшін ақуыздағы пептидтік байланыстар тізбегін көрсететін «резеңке жолақ» түріндегі схемалық көрініс қолданылады (102-сурет (c)). Мұндай ұсыныс биомолекулалардың фолдингін  зерттеу үшін ыңғайлы.

Визуализацияның ең жақсы бағдарламалары бізге көрінетін түрде үш өлшемді модельдер түрінде молекулалардың негізгі нанопрофильдерін ұсынады.

Бүгінгі таңда компьютерлік жабдық тіпті ең үлкен биомолекулалардың интерактивті көрсетілімі үшін жеткілікті. Көрнекі бағдарламалар Protein Data Base (PDB) веб-сайтында http://sw-tools.pdb.org/index.htm

Макромолекулалардың құрылымы мен функцияларын болжау. Молекулалық үлгілеу зерттеушіге атомдардың құрамдас бөліктерінің белгілі молекулалық геометриясы негізінде кез келген қалаған молекуланы құруға мүмкіндік береді ([14] п.15 қараңыз). Содан кейін осы үшөлшемді құрылымға молекуланың әрбір екі атомының арасындағы өзара әрекеттесуді анықтайтын күштер өрісі қолданылады.  Мұндай жүйе келесі міндеттерді шешу үшін пайдаланылуы мүмкін.

1.Оңтайландыру.Молекулалық құрылымның бастапқы нұсқасы алынған құрылым салынған күш өрісіне жақсы сәйкес келуі үшін оңтайландырылуы мүмкін.

2.Қалыпты режимдерді талдау. Бүкіл молекуланың иілу және бұралу негізгі қозғалысын білдіретін белгілі бір гармоникалық тербелмелі режимдер үшін молекулааралық өзара әрекеттесулер мен атомдық позицияларды талдауға болады.

3.Молекулалық динамика. Молекула құрамдас бөліктерінің қозғалысы уақыт өткен сайын қалай өзгеретінін қарастыруға болады, себебі бастапқыда молекуламен байланысқан жылу тербелістерінің энергиясы таралады.

4. Бос энергияны қалпына келтіру. Молекулалық жүйенің берілген бастапқы күйден әр түрлі соңғы күйге ауысуы аралық күйлердің қалыптасуы мен даму процестерінің егжей-тегжейлерімен егжей-тегжейлі модельденген. Кейде физикалық мағынасыз реакция жолын модельдеу пайдалы, ол термодинамикалық тұрғыдан нақты ауысумен бірдей және компьютерлік модельдеу шешілетін міндет болып табылады, ал нақты өтуді компьютерлік модельдеу принципі бойынша шешілмейді.