Հայաստանի ատենախոսությունների բաց մատչելիության պահոց = Open Access Repository of the Armenian Electronic Theses and Dissertations (Armenian ETD-OA) = Репозиторий диссертаций Армении открытого доступа

Конформационные переходы в гетерогенных биополимерах

Андриасян, Арам Каренович (2018) Конформационные переходы в гетерогенных биополимерах. PhD thesis, ЕГУ.

[img] PDF (Thesis)
Available under License Creative Commons Attribution.

Download (2080Kb)
    [img] PDF (Abstract)
    Available under License Creative Commons Attribution.

    Download (548Kb)

      Abstract

      В науке о биополимерах одной из важнейших задач является выяснение основных физических принципов строения и функционирования молекул белков и нуклеиновых кислот. Экспериментально и теоретически установлено, что биологическая активность этих молекул чрезвычайно чувствительна к пространственной организации. В связи с этим существенно важно выявление факторов, влияющих на конформацию биополимеров, а также выяснение закономерностей протекания конформационных перестроек. К числу основных и, несмотря на достигнутые успехи, еще далеких от своего решения задач относится учет влияния гетерогенности на конформационные свойства биополимеров. Остается ряд открытых вопросов, связанных с влиянием гетерогенности на кооперативность. Более того, некоторые из этих вопросов лежат вне рамок применимости среднеполевого подхода. В частности, вопрос исследования влияния неоднородностей на скоррелированность конформационных состояний (кооперативность) не подлежит рассмотрению на основе среднеполевого подхода. Именно поэтому представляется интересным дальнейшее теоретическое исследование конформационных переходов в одномерных макромолекулярных системах. Среди специалистов в области статистической физики растет интерес к данным системам как к “полигонам” применения новейших моделей. В настоящее время многокомпонентная модель Поттса является мощным инструментом, применимым к широкому классу задач, как в решеточных и калибровочных моделях квантовой теории поля, так и в физике полимеров от задач случайных блужданий до переходов спираль-клубок. Полученные в последние десятилетия результаты по переходу спираль-клубок с использованием модели Поттса свидетельствует о правомочности такого подхода для описания перехода спираль-клубок как в полипептидах, так и в ДНК. Однако в рамках этого подхода гетерогенность не исследовалась с той полнотой, которая была бы необходима для адекватного описания кооперативной системы. В свете изложенного, актуальность настоящей работы определяется введением в гамильтониан гетерогенность и ее учет с использованием ОМПЦ гамильтониана с многочастичным взаимодействием, а также с применением различных подходов для вычисления термодинамических характеристик. Целью диссертационной работы являлось развитие микроскопической модели спираль-клубок ОМПЦ и ее использование для гетерополимерной системы, а также исследование гетерогенности по энергии и числу конформаций на харакеристики перехода. Для осуществления поставленной цели нами были приняты к решению следующие задачи: Развитие микроскопической теории перехода спираль-клубок ОМПЦ и ее численный анализ; Развитие раннее использованной модели для случая гетерополимерной модели; Применение метода отжига с ограничениями к переходам спираль-клубок в биополимерах; Исследование влияния гетерогенности по энергиям и по числу конформаций на характеристики перехода; Исследование некоторых вопросов связанных с взаимным влиянием гетерогенности разной природы; Рассмотрение некоторых вопросов, связаных с гибридизацией. Впервые в работе осуществлено развитие базовой модели (Обобщенной Модели Полипептидной Цепи (ОМПЦ)), описывающей переход спираль-клубок как в одноцепочечном, так и в двухцепочечном случае. Получен алгоритм вычисления статистической суммы и усредненных характеристик перехода (степени спиральности и корреляционной длины) на основе молекулярных параметров. Осуществлен численный анализ и сопоставление точных и оценочных результатов для гетерогенности различного происхождения на переход спираль-клубок в рамках ОМПЦ. Для учета влияния гетерогенности на переход применен микроканонический метод, применяемый для других систем. Таким образом удалось произвести усредненение статистической суммы по последовательностям с заданным содержанием беспорядка. Показано, что в процессе перехода происходит изменение режима усреднения температурного параметра. Կենսապոլիմերների մասին գիտության կարևորագույն խնդիրներից է սպիտակուցների և նուկլեինաթթուների մոլեկուլների կառուցվածքի և գործառնության հիմնական ֆիզիկական սկզբունքների պարզաբանումը: Փորձարարական և տեսական եղանակներով հաստատվել է, որ այդ մոլեկուլների կենսաբանական ակտիվությունը չափազանց զգայուն է նրանց տարածական կազմակերպման նկատմամբ: Ուստի շատ կարևոր է դառնում կենսապոլիմերների կոնֆորմացիայի վրա ազդող գործոնների բացահայտումը, ինչպես նաև կոնֆորմացիոն վերակառուցումների ընթացքի օրինաչափությունների պարզաբանումը: Նման խնդիրների թվին է դասվում հետերոգենության ազդեցությունը կենսապոլիմերների կոնֆորմացիոն հատկությունների վրա: Խնդիրների որոշ մասը միջին դաշտային մոտեցման կիրառելիության շրջանակներից դուրս է: Հենց այս պատճառով հետաքրքիր է դառնում հետերոգեն պոլիմերներում պարույր-կծիկ անցումների հետագա տեսական ուսումնասիրությունը՝ կիրառելով պոլիպեպտիդային շղթայի ընդհանրացված մոդելը (ՊՇԸՄ): Նպատակաուղղված տեսական հետազոտությունների արդյունքում ատենախոսության մեջ զարգացվել է հետերոգեն կենսապոլիմերների (պոլիպեպտիդների և պոլինուկլեոտիդների) համար ՊՇԸՄ հիմնական մոդելը՝ նկարագրելու պարույր-կծիկ անցումը ինչպես միաշղթա, այնպես էլ երկշղթա կառուցվածքներում։ Ստացվել է վիճակագրական գումարի և անցման միջինացված բնութագրիչների (պարուրվածության աստիճանը և կորելյացիոն երկարությունը) հաշվարկի ալգորիթմը, ինչպես նաև իրականացվել է ՊՇԸՄ շրջանակներում պարույր-կծիկ անցման վրա տարբեր ծագման հետերոգենությունների ազդեցության ճշգրիտ և գնահատված տվյալների քանակական վերլուծություն և համեմատություն: Ատենախոսական աշխատանքում անցման վրա հետերոգենության ազդեցությունը հաշվի առնելու համար կիրառվել է միկրոկանոնիկ մեթոդ: Ցույց է տրվել, որ անցման ընթացքում տեղի է ունենում ջերմաստիճանային պարամետրի միջինացված ռեժիմի փոփոխություն: Առաջին անգամ հետերոպոլիմերներում պարույր-կծիկ անցման նկարագրության համար կիրառվել է սահմանափակումներով թրծաթողման մեթոդը (constrain annealing): Մեթոդի շրջանակներում ցույց է տրվել, որ խնդիրը հանգեցվում է հոմոպոլիմերային դեպքին՝ լագրանժյան անորոշ պարամետրով բարելավմամբ: Ատենախոսության մեջ դիտարկվել է հետերոպոլիմերի մոդելի հետերոգենությունը՝ ըստ ջրածնային կապի էներգիայի: Ստացվել են հալման և դիֆերենցիալ հալման կորերը: Ստացվել են նաև արտահայտություններ անցման կետի և միջակայքի համար: Մոդելի հաշվարկված ջերմաստիճանը և անցման միջակայքը որակապես համաձայնեցվում են հալման դասական արդյունքների հետ: Սահմանափակումներով թրծաթողման մոտարկման հիման վրա ստացվել է երկբաղադրիչ պատահական հետերոպոլիմերի հալման կորերի հաշվարկման ալգորիթմը, երբ բաղադրիչների միջև հարաբերությունը տարբեր է, ինչը թույլ է տալիս դիտարկել այնպիսի համակարգ, ինչպիսին է ԴՆԹ-ն՝ տարբեր GC-կազմով: Աշխատանքում վերլուծության են ենթարկվել այն գործոնները, որոնք ազդում են ինչպես ԴՆԹ-ԴՆԹ դուպլեքսների հիբրիդացման թերմոդինամիկայի, այնպես էլ դրանց կայունության վրա պինդ մարմին-լուծույթ բաժանման սահմանին: Նման տիպի ազդեցությունների ուսումնասիրությունը կարևոր նշանակություն ունի կենսապոլիմերների կոնֆորմացիոն վերակառուցումների, ինքնակազմակերպման և գործառնության մեխանիզմների հետազոտություններում: Աշխատանքը, փաստացիորեն հանդիսանում է նախկինում առաջադրված պոլիպեպտիդային շղթայի ընդհանրացված մոդելի տրամաբանական շարունակությունը: Նման միկրոսկոպիկ մոտեցման զարգացումը հնարավորություններ է ստեղծում ավելի բարդ փոխազդեցություններով համակարգերի ճշգրիտ նկարագրության համար: Մակերեսի վրա ԴՆԹ-ի ոչ մրցակցային հիբրիդացման դեպքերի համար ուսումնասիրվել են համակարգի այնպիսի թերմոդինամիկական բնութագրիչներ, ինչպիսիք են ԴՆԹ-զոնդերով ԴՆԹ-թիրախ հիբրիդացման իզոթերմերը և զոնդ-թիրախ կոմպլեքսներում ինտերկալացվող լիգանդների ադսորբցիայի իզոթերմերը: Իրականացված վերլուծությունը ցույց է տվել, որ լիցքավորված ինտերկալացվող լիգանդների հետ կապումը հանգեցնում է ԴՆԹ-սենսորների զգայունության մեծացմանը: One of the most important problems in biopolymer science is the revelation of the basic physical principles of both structure and function of protein and nucleic acid molecules. The biological activity of these molecules has been experimentally and theoretically found to be extremely sensitive to their spatial organization. Thus, revealing the factors affecting biopolymer conformation as well as elucidating laws governing conformational reorganizations become sufficiently important tasks. The influence of heterogeneity on the conformational properties of biopolymers belongs to a subset of such problems. Some of these problems require solutions that are out of the mid-field approach application frame. Because of this, further theoretical study of helix-coil transitions in heterogeneous polymers becomes interesting using the generalized model of polypeptide chain (GMPC). Directed theoretical studies lead to development of the main model (GMPC) for heterogeneous biopolymers (polypeptides and polynucleotides), which describes the helix-coil transition both in single-stranded and in double-stranded structures. Algorithm of calculation of the transition averaged characteristics and statistic sum (helicity degree and correlation length) was obtained as well as the quantitative analysis and comparison of precise and evaluated results of heterogeneity effects with different origin on helix-coil transitions were carried out in the framework of GMPC. In the current dissertation the microcanonical method was applied to take into account the heterogeneity effect on the transition. It was shown that during the transition a change of the temperature parameter averaged regime occurs. For the first time the constrained annealing method was applied to describe the helix-coil transition in heteropolymers. In this methodology framework it was shown that the problem is approximated to the homopolymer case with optimization by Lagrangian indefinite parameter. In this work a model with hydrogen binding energy heterogeneity was considered. The melting and differential melting curves were obtained. The expressions for the transition point and interval were obtained as well. The calculated temperature and interval of the model agreed qualitatively with the melting curves from the classical results. Based on the constrain annealing approximation the calculation algorithm of the melting curves of two-component arbitrary heteropolymer was obtained, when the relation between components varied, this enables observation of a the system like DNA with different GC-composition. In the dissertation the factors affecting both DNA-DNA duplex hybridization thermodynamics and stability on the solid-liquid division boundary were analyzed. The investigation of this type of effects has immense value for understanding conformational reconstructions, self-organization and functioning mechanisms of biopolymers. The work, in essence, is a follow up to a previously suggested generalized model of polypeptide chain. Development of such microscopic approach makes it possible to precisely describe systems with more complex interactions. For the cases of DNA non-competitive hybridization on the surface, the system thermodynamic characteristics like DNA-target hybridization isotherms by DNA-probes and adsorption isotherms of intercalating ligands in probe-target complexes were studied. The performed analysis showed that the binding with charged intercalating ligands results in sensitivity enhancement of DNA-sensors.

      Item Type: Thesis (PhD)
      Additional Information: Կոնֆորմացիոն անցումները հետերոգեն կենսապոլիմերներում: Conformational transitions in heterogeneous biopolymers.
      Uncontrolled Keywords: Անդրիասյան Արամ Կարենի, Andriasyan Aram K.
      Subjects: Biology
      Divisions: UNSPECIFIED
      Depositing User: NLA Circ. Dpt.
      Date Deposited: 30 Aug 2018 12:03
      Last Modified: 05 Sep 2018 15:29
      URI: http://etd.asj-oa.am/id/eprint/7577

      Actions (login required)

      View Item