Математическое моделирование спектра поглощения ДНК
DESCRIPTION
Математическое моделирование спектра поглощения ДНК. Модель цепочки связанных осцилляторов. План. 1) Актуальность темы 2) Методы изучения строения макромолекул 3) ТГц спектроскопия: преимущества и недостатки 4) Математическая модель 5) Выводы 6) Перспективы. Актуальность темы. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
![Page 1: Математическое моделирование спектра поглощения ДНК](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022081418/568149ed550346895db71c3f/html5/thumbnails/1.jpg)
Модель цепочки связанных осцилляторов
Математическое моделирование спектра
поглощения ДНК
![Page 2: Математическое моделирование спектра поглощения ДНК](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022081418/568149ed550346895db71c3f/html5/thumbnails/2.jpg)
План• 1) Актуальность темы
• 2) Методы изучения строения макромолекул
• 3) ТГц спектроскопия: преимущества и недостатки
• 4) Математическая модель
• 5) Выводы
• 6) Перспективы
![Page 3: Математическое моделирование спектра поглощения ДНК](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022081418/568149ed550346895db71c3f/html5/thumbnails/3.jpg)
Изучение строения и функций
биологических полимеров
Актуальность темыЗадачи
медицинской диагностики
Теоретическая биология
Спектроскопия биологических молекул в ТГц
диапазоне
![Page 4: Математическое моделирование спектра поглощения ДНК](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022081418/568149ed550346895db71c3f/html5/thumbnails/4.jpg)
Структура и конформационные переходы ДНК
• Конформация – взаимное расположение атомов в молекуле, ее структура. Конформационное состояние молекулы может изменяться без разрыва химических связей, за счет вращения вокруг одинарных связей.
A-форма ДНК B-форма ДНК Z-форма ДНК
![Page 5: Математическое моделирование спектра поглощения ДНК](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022081418/568149ed550346895db71c3f/html5/thumbnails/5.jpg)
Роль ДНК
1) Хранение генетической информации
Функции ДНК
2) Передача генетической информации
1) репарация
2) транскрипция
реакции ДНК
3) репликация
неизменность
использование
![Page 6: Математическое моделирование спектра поглощения ДНК](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022081418/568149ed550346895db71c3f/html5/thumbnails/6.jpg)
Реакции ДНК• Основные реакции ДНК:
• репарация, транскрипция,репликация -
• определяются не только набором атомов, входящих в состав ДНК, но и конфигурацией и конформацией молекулы, а также способностью ДНК изменять свою конформацию под воздействием внешних факторов или в результате теплового движения
![Page 7: Математическое моделирование спектра поглощения ДНК](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022081418/568149ed550346895db71c3f/html5/thumbnails/7.jpg)
Рентгеноструктурный анализ• Позволяет получить данные о структуре
кристаллов из исследуемых молекул.
![Page 8: Математическое моделирование спектра поглощения ДНК](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022081418/568149ed550346895db71c3f/html5/thumbnails/8.jpg)
Электронная микроскопия• Позволяет получить изображения
макромолекулы, зафиксированной в твердой пленке.
![Page 9: Математическое моделирование спектра поглощения ДНК](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022081418/568149ed550346895db71c3f/html5/thumbnails/9.jpg)
Атомно-силовая микроскопия• Позволяет получить изображения
макромолекул, адсорбированных на твердой подложке.
![Page 10: Математическое моделирование спектра поглощения ДНК](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022081418/568149ed550346895db71c3f/html5/thumbnails/10.jpg)
диапазон Соответствующий процесс в молекуле
Что можно обнаружить
УФ и видимый свет
Переходы электронов между орбиталями
1) Атомы химических элементов;
2) Небольшие группы атомов
ИК Деформация валентных связей между атомами
Функциональные группы молекул, такие, как:-CH3, -OH, -C6H5
ТГц 1) Вращательные переходы молекул в газах.
2) Коллективное движение больших групп атомов в молекуле
1) Молекулы того или иного вещества в газовой фазе.
2) Большие (10-100 атомов) группы атомов в молекуле
![Page 11: Математическое моделирование спектра поглощения ДНК](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022081418/568149ed550346895db71c3f/html5/thumbnails/11.jpg)
Преимущества методов ТГц спектроскопии для изучения динамики
молекул
1) Неинвазивность. Электромагнитное излучение в ТГц диапазоне не повреждает ткани живых существ и структуру биологических молекул.
2) Возможность изучения in vivo. Теоретически спектроскопические данные можно использовать для исследования биополимеров в их естественной среде – внутри клетки.
3) «Отпечатки пальцев». В ТГц диапазоне частот лежат линии поглощения, характерные для определенной макромолекулы в определенном состоянии.
![Page 12: Математическое моделирование спектра поглощения ДНК](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022081418/568149ed550346895db71c3f/html5/thumbnails/12.jpg)
Недостатки методов ТГц спектроскопии для изучения
динамики молекул1) Высокая сложность спектра.
2) Сложность генерации и детектирования ТГц сигналов.На данный момент основным методом ТГц-спектроскопии является Time Domain Terahertz Spectroscopy (TDTS) – спектроскопия. Разрешающая способность TDTS – техники ограничивается, как правило, ГГц, что недостаточно для прецизионных измерений.
3) Высокое поглощения ТГц излучения молекулами воды.
![Page 13: Математическое моделирование спектра поглощения ДНК](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022081418/568149ed550346895db71c3f/html5/thumbnails/13.jpg)
ТГц-спектроскопия
TDTS – спектроскопия(Anis Rahman, Bruce Stanley, Aunik K. Rahman. Ultrasensitive label-free detection and quanti-tation of DNA hybridization via terahertz spectrometry. //Proc. of SPIE Vol. 7568 756810-1 (2010))
Спектроскопия с высоким разрешением
![Page 14: Математическое моделирование спектра поглощения ДНК](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022081418/568149ed550346895db71c3f/html5/thumbnails/14.jpg)
Возможный алгоритм решения проблемы интерпретации ТГц спектра
макромолекулы
1) Слабое полеЛинейное приближение
2) Спектры поглощения «простых типов» колебаний.Вычисление характерного вида и определение зависимости от параметров
3) Серия экспериментов.Зависимость реальных спектров поглощения от параметров.
4) Сравнение теории и практики.
![Page 15: Математическое моделирование спектра поглощения ДНК](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022081418/568149ed550346895db71c3f/html5/thumbnails/15.jpg)
Модель колебаний ДНК во внешнем ТГц поле
1) Молекула ДНК моделировалась, как две цепочки осцилляторов, между соответствующими элементами которых существует связь.
2) Предполагалось, что воздействие электромагнитного поля с молекулой происходит из-за частичных разноименных зарядов на нуклеотидах.
m1 m2
n-2
n-1
n
n+1
n+2
z
y
- +
- +
- +
- +
- +
a
yn
K0K1
..0 cceEE tiikz
![Page 16: Математическое моделирование спектра поглощения ДНК](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022081418/568149ed550346895db71c3f/html5/thumbnails/16.jpg)
Свободные колебания ДНК
N
n
nnchem
nnchem
nH
n UUUTH1
1,1,0 2
1
2
2 nn yT
20
2 nnH yU
21
11,
2 nnnnchem yyU
![Page 17: Математическое моделирование спектра поглощения ДНК](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022081418/568149ed550346895db71c3f/html5/thumbnails/17.jpg)
Вынужденные колебания
nikznn
ntin
n
n
eqEzF
dt
dye
zF
dy
dH
dt
yd
cos
;
0
02
2
yn
φn
E
tihn en
N
hyy
2
1cos
i
fy
h
hh
220
zNa
hf
zF N
Nh
cos
![Page 18: Математическое моделирование спектра поглощения ДНК](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022081418/568149ed550346895db71c3f/html5/thumbnails/18.jpg)
Дисперсионная характеристика
0wavenumber
frequ
ency K
1
K0
![Page 19: Математическое моделирование спектра поглощения ДНК](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022081418/568149ed550346895db71c3f/html5/thumbnails/19.jpg)
Рассчитанный спектр для N=1000
300 300.2 300.4 300.6 300.8 301 301.2 301.4 301.6 301.8 3020
0.5
1
1.5
2
2.5
3
frequency, GHz
abso
rptio
n, u
. e.
![Page 20: Математическое моделирование спектра поглощения ДНК](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022081418/568149ed550346895db71c3f/html5/thumbnails/20.jpg)
Спектр поглощения, измеренный в эксперименте
мал.
![Page 21: Математическое моделирование спектра поглощения ДНК](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022081418/568149ed550346895db71c3f/html5/thumbnails/21.jpg)
ВыводыСвойства рассчитанного спектра:
1) Число мод, для которых выполняются условия:kq=kelectr; ωq=ωelectr,зависит от числа пар нуклеотидов в цепочке
2) Расстояние между пиками поглощения обратно пропорционально длине цепочки.
3) Нижний предел частотной полосы спектра поглощения определяется энергией водородной связи;
4) Ширина спектра поглощения определяется свойствами химических связей
![Page 22: Математическое моделирование спектра поглощения ДНК](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022081418/568149ed550346895db71c3f/html5/thumbnails/22.jpg)
Перспективы
Предсказанные численной моделью свойства линий поглощения ДНК позволяют идентифицировать линии поглощения по серии экспериментальных спектров молекул ДНК различной длины.
![Page 23: Математическое моделирование спектра поглощения ДНК](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022081418/568149ed550346895db71c3f/html5/thumbnails/23.jpg)
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!
![Page 24: Математическое моделирование спектра поглощения ДНК](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022081418/568149ed550346895db71c3f/html5/thumbnails/24.jpg)
Построение модели ДНК
• Использовавшаяся в работе модель ДНК является частным случаем модели Peyrard-Bishop-Dauxois (PBD), опубликованной в
• Physical Review E, vol. 47 (1), January 1993• Модель PBD, как и некоторые другие,
использует для описания ДНК, как цепочки связанных осцилляторов, приближение
• Modified self-consistent phonon approximaton (MSPA)
![Page 25: Математическое моделирование спектра поглощения ДНК](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022081418/568149ed550346895db71c3f/html5/thumbnails/25.jpg)
PBD - модель
m1 m2
n-2
n-1
n
n+1n+2
z
y
- +
- +
- +
- +
- +
a
yn
K0K1
2
2 nn yT
N
nnnnn
chemn
Hn UUUTH
11,1,0 2
1
21 nay
nH eDU
211,
112
nnyyb
nn yyek
U nn