Site Loader

Содержание

ДИПОЛЬ — это… Что такое ДИПОЛЬ?

  • ДИПОЛЬ — (от греч. di приставка, означающая дважды, двойной, и polos полюс) электрический, совокупность двух равных по абс. величине разноимённых точечных зарядов (+е, е), находящихся на нек ром расстоянии l друг от друга. Осн. хар кой электрич. Д. явл.… …   Физическая энциклопедия

  • ДИПОЛЬ — (от ди… и греч. polos полюс) 1) электрический диполь совокупность двух точечных электрических зарядов, равных по величине и противоположных по знаку, находящихся на некотором расстоянии друг от друга;2) магнитный диполь совокупность двух равных …   Большой Энциклопедический словарь

  • диполь — антенна Словарь русских синонимов. диполь сущ., кол во синонимов: 1 • антенна (17) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013 …   Словарь синонимов

  • диполь — я, м. dipôle < di(s) + polos полюс. 1. физ. Совокупность двух равных по ведичине электрических зарядов, расположенных на некотором расстонии друг от друга.

    Крысин 1998. 2. техн. Один из типов антенн для коротких волн. Крысин 1998. Антенна… …   Исторический словарь галлицизмов русского языка

  • диполь — Совокупность двух частиц, находящихся одна от другой на расстоянии, много большем размера частиц и много меньшем расстояния от частиц до точек наблюдения, и обладающих электрическими зарядами, равными по абсолютному значению, но противоположными… …   Справочник технического переводчика

  • Диполь — (от греческого di приставка, означающая дважды, двойной, polos полюс) гидродинамический точечная особенность в поле безвихревого течения идеальной несжимаемой жидкости, которая представляет собой предельное состояние источников и стоков равной… …   Энциклопедия техники

  • ДИПОЛЬ — антенна, представляющая собой короткий горизонтальный или вертикальный провод, в середине к рого подводится энергия от радиопередатчика или отбирается энергия для радиоприемника. Д. применяется при работе на коротких и ультракоротких волнах и… …   Технический железнодорожный словарь

  • ДИПОЛЬ — система двух разноименных равных по величине зарядов (электрических или магнитных), находящихся в непосредственной близости друг от друга. Д. характеризуется своим моментом, представляющим собой вектор, направленный от отрицательного заряда к… …   Геологическая энциклопедия

  • диполь — dipole Dipol – 1) Двополюсник. Розрізняють Д. електричний і магнітний. Електричний Д. – сукупність двох рівних за абсолютною величиною різнойменних зарядів, які знаходяться на певній відстані один від одного. Характеристикою Д. електричного є… …   Гірничий енциклопедичний словник

  • диполь — – электронейтральная частица, в которой центры частично отрицательного и частично положительного зарядов не совпадают в пространстве. Общая химия : учебник / А. В. Жолнин [1] …   Химические термины

  • Ориентация диполей воды — Справочник химика 21

        Ориентация диполей воды вокруг иона сопровождается дальнейшим изменением энергии. Экзотермический эффект является только главным эффектом кроме него происходят и другие эффекты. Одним из эффектов является поляризация молекулы воды вокруг иона под влиянием электрического заряда изменяется дипольный момент воды. Чем больше заряд иона, тем больше это изменение. [c.176]
        Если к ионным соединениям не применять термин молекула (см. гл. П1, 8), то следует говорить об ориентации диполей воды вокруг ионов на поверхности кристалла, а последующее их взаимодействие приводит к отрыву ионов от кристалла и переходу их в раствор. В этом случае процесс можно выразить уравнением 
    [c.151]
    Рис. 7. Ориентация диполей воды у катионов (а, б) и анионов (в, г).
        Рассмотрим растворение полярных соединений на примере НС1. При растворении хлороводорода в воде происходит ориентация диполей воды вокруг растворенных молекул, вызывающая еще больщую поляризацию молекул хлороводорода (рис. 50). Полярная связь между атомами водорода и хлора переходит в ионную. При этом общая электронная пара целиком сдвигается к атому хлора, п в результате происходит гетеролитиче-ский разрыв молекулы. Атом хлора превращается в гидратированный хлорид-ион, а протон с молекулой воды образует сложную положительно заряженную частицу Н3О+, называемую гидроксонием (рнс. 51)  
    [c.215]

        Если к ионным соединениям не применять термин моле-кула (см. стр. 74), то следует говорить об ориентации диполей воды вокруг ионов кристалла, а последующее их взаимодействие приводит к отрыву ионов от кристалла и переходу их в раствор. [c.117]

        При нагревании воды содержание молекул уменьшается. Степень диссоциации воды очень мала. Причиной диссоциации является притяжение, испытываемое молекулами растворенного вещества со стороны близлежащих молекул воды. Молекулы воды построены несимметрично, вследствие чего, несмотря на их электронейтральность в целом, они могут оказывать электростатическое воздействие на окружающие их ионы или диполи.

    Так, например, к положительным полюсам диполей они должны поворачиваться своими отрицательными полюсами, а к отрицательным — положительными. Подобная ориентация диполей воды создает условия для образования сил электростатического притяжения. Эти силы стремятся как бы разорвать молекулу электролита на составляющие ее ионы и тем самым ослабить связь между ними. Энергия теплового движения молекул оказывается достаточной, для того чтобы произошел такой разрыв и молекула подверглась диссоциации [46]. 
    [c.78]


        При ионизации молекул слабых электролитов появление заряда на органической молекуле вследствие ион-дипольного взаимодействия вызывает ориентацию диполей воды, существенно нарушающую структуру, образованную кластерами. Вследствие нарушения этой структуры возрастает энтропия системы, а ион-дипольное взаимодействие приводит к уменьшению ее энергии Гиббса. В результате растворимость слабого электролита с увеличением степени ионизации резко возрастает, т. е. возрастает энергия гидратации молекул.
    [c.13]

        Уравнение (501), а следовательно, и уравнение (503) будут оправдываться в том случае, если ориентация диполей воды в нулевой точке одинакова для всех металлов и двойной слой в металле (при потенциале нулевой точки) не изменяется при переносе его из вакуума в водный раствор. Обосновать теоретически выполнение этих условий невозможно, и справедливость уравнений (501) и (503) можно доказать или опровергнуть поэтому лишь опытным путем. [c.264]

        Бокрис, Бломгрен и Конвей используют модифицированную изотерму Ленг-мюра, в которой свободная энергия адсорбции является убывающей функцией от поверхностной ко1щептрации, но не в первой степени, как в теории Фрумкина, а в степени, отличной от единицы. Бокрис, Деваггатхан и Мюллер учитывают конкуренцию за место в двойном слое И ежду молекулами воды и органического вещества, подчеркивая роль ориентации диполей воды на поверхности раздела, зависящую от ее заряда. 

    [c.248]

        Многие работы, опубликованные за последние годы, посвящены строению внутреннего слоя. Наше понимание его структуры и сил, действующих в этой области, далеко от совершенства. В ряде работ [16—25] предложены теории этого слоя, образующегося на поверхности раздела ртутный электрод — раствор электролита. В этих работах обычно принимаются две возможные ориентации диполей воды во внутреннем слое. Существенным недостатком таких концепций, как подчеркивает Левин с сотр. 

    [c.23]

        Продолжает вызывать интерес исследователей природа горба на кривых емкости внутреннего слоя и связанное с этим направление ориентации диполей воды на поверхности раздела ртуть — раствор электролита. [c.24]

        Весьма важно, что, по современным представлениям, молекулы белка в растворе, в частности молекулы фермента, находятся в состоянии постоянного динамического изменения. Меняется распределение зарядов и ориентация диполей воды вокруг ионогенных группировок изменяется даже третичная структура, т. е. конфигурация молекул в пространстве. Таким образом, принято считать, что молекулы фермента в растворе образуют ряд конфигурационных и ионизационных изомеров В частности, изменения третичной структуры молекул фермента, связанные с напряжением валентных связей как в молекуле субстрата, так и в активном центре фермента, повидимому, имеют место при взаимодействии фермента с субстратом.

    В этих случаях говорят о конформационных изменениях молекул фермента, т. е. о деформации отдельных частей молекул без разрыва сил химического сродства. [c.120]

        Ориентация диполей воды вокруг ионов оказывает двойное влияние. Во-первых, поскольку противоположные заряды размещаются друг возле друга, энергия системы уменьшается. Это облегчает отрыв ионов от кристалла хлористого натрия и переход их в раствор. Кроме того, ориентация молекул вокруг ионов — закрепление их около ионов — способствует упорядоченному расположению частиц в растворе. А так как. любая система стремится к максимальной неупорядоченности, ориентация препятствует отрыву молекул от кристалла и переходу их в раствор. Эти два следствия гидратации ионов — понижение энергии при растворении 
    [c.469]

        Известно, что ориентация диполей воды вокруг электрических зарядов не везде одинакова. Слои воды, находящиеся непосредственно у поверхности коллоидных частиц, связаны с частицами наиболее прочно и являются наиболее упорядоченными. Чем даль- [c.388]

        Исследованиями А. Н. Фрумкина установлено [2], что поверхность водных растворов заряжена отрицательно вследствие определенной ориентации диполей воды и преимущественной адсорбции анионов. При добавлении к золю этилового спирта в таком количестве, когда большая часть его остается не адсорбированной коллоидными частицами, будет происходить адсорбция спирта поверхностным слоем. При атом молекулы спирта под действием поверхностных сил ориентируются таким образом, что гидрофобная группа СгН направляется наружу, а гидрофильная ОН — внутрь жидкости, в результате поверхность золя заряжается положительно. Поэтому выход положительно заряженных коллоидных частиц гидроокиси алюминия и бериллия на положительно заряженную поверхность золя будет сильно затруднен, а когда заряд станет достаточно большим, то невозможен совсем, что приведет к снижению скорости или к прекращению образования пленок. [c.97]


        При классическом описании такого взаимодействия молекулы воды изображают в виде диполей, и предполагается, что устойчивость u (aq) объясняется благоприятной ориентацией диполей воды вокруг этих ионов. Однако теперь мы сможем представить процесс гидратации несколько иным образом. Орбитальная заселенность иона Си » оставляет незаполненными четыре валентные орби- тали  [c.213]

        Изменение устойчивости ири изменении кислотности среды и незначительном изменении ионной силы может быть объяснено влиянием pH на свойства поверхности ЗЮг и, вследствие этого, на свойства и протяженность ГС. При щелочных pH образование ГС может быть связано с ориентацией диполей воды иод действием сильного электрического иоля поверхности частиц ЗЮг (л Ю В/см). Следует отметить, что при pH = 9- 11 существенную роль в устойчивости частиц кварца могут также играть поверхностные гелеобразные слои иоликремниевых кислот. При pH = 2 наблюдаемая устойчивость системы может быть обусловлена ориентацией молекул воды за счет водородных связей, возникающих около незаряженной поверхности, несущей недиссоциированные силанольные группы [502, 503, 508]. Таким образом, для золя ЗЮ2 в случае как незаряженной, так и высокозаряженной поверхности частиц возможно образование достаточно толстых и прочных ГС, что обусловливает высокую агрегативную устойчивость системы. В промежуточной области (рН = Зч-6), где с одной стороны, часть силанольных групп уже диссоциирована, а с другой стороны, плотность фиксированного заряда еще недостаточно велика, развитие ГС является минимальным. [c.175]

        В воде, сомнительно, чтобы этот ион мог существонать достаточно длительное время для ориентации диполей воды вокруг него и тем самым для выделения всей полагающейся при этом энергии гидратации. Для того чтобы обойти эту трудность, Уилмарт, Дэйтон и Флаурной предложили другой механизм. Они считают, что молекула водорода может одновременно взаимодействовать с ионом гидроксила и с молекулой воды  [c.213]

        Из ряда работ Б. В. Дерягина с сотрудниками было найдено, что для воды в пристенных слоях толщиной от 10 до 10 см обнаруживается сильное увеличение вязкости под влиянием поверхностных сил, обусловленных ориентацией диполей воды к образованием структур, обладающих прочностью на сдвиг. В работе Б. В. Дерягина и М. М. Кусакова, где пузырек воздуха в воде прижимался к стеклянной плоской поверхности, было установлено, что пристенные слои чистой воды, обладающие сдвиговой прочностью, достигают размеров 1 10 см. Эти наблюдения позволили авторам предположить наличие расклинивающего давления в зазоре между пузырьком газа и стенкой, которое оценивалось по известному уравнению Лапласа  [c.87]

        Если ограниченно растворимое в воде вещество обладает в растворе свойствами слабого электролита (частично ионизировано), то на его адсорбцию существенно влияет различие в энергии взаимодействия с водой неионизированных и ионизированных молекул. Электрическое ноле органического иона является причиной ориентации диполей воды и, следовательно, усиления энергии гидратации в расчете на 1 з-ион вещества. Поскольку гидратация молекул усиливает их связь с растворителем, адсорбция более сильно гидратированных ионов сопрял ена с выполнен11ем добавочной работы, и — адсорбции ионов, как было показано выше, меньше, чем — А/ адсорбции неионизированных молекул. Таким образом, частичная ионизация слабых электролитов в растворах приводит к неодинаковым условиям адсорбции ионизированных и неионизированных молекул, причем из-за более слабой гидратации должны адсорбироваться преимущественно [c. 133]

        Бринтцингер [2] определил вес иона из коэффициента диализа, он предполагал, что гидратная вода не окутывает передвигающийся ион, а молекулы воды располагаются соответствующим образом около ионов вследствие ориентации диполей воды. Центральные ионы, вследствие своего относительно мощного электрического поля, связывают особенно прочно некоторые молекулы воды, наход5Йциеся в непосредственной близости, и диффундируют в виде гидратированных ионов. Батлер [3] рассматривает энергию гидратации и энтропию органических соединений, исходя из представлений Лэнгмюра, он рассчитал теплоты гидратации АН для ряда спиртов посредством теоретически определяемого обмена энергий для различных органических групп с молекулами воды. У простых соединений теплоты гидратации обнаруживают аддитивность. При разветвлении цепей наблюдается определенная правильность, именно теплота гидратапии АН уменьшается для каждого разветвления на 0,6—1,0 ккал. Энтропия гидратации 15 вычисляется по уравнению  [c. 586]

        Бокрис, Девантхан и Мюллер учитывают конкуренцию за место в двойном слое между молекулами воды и органического вещества, подчеркивая роль ориентации диполей воды на поверхности раздела, зависящую от ее заряда. [c.248]

        КахСилы сцепления между молекулами дистиллированной воды нри кипений настолько малы, что молекулы в подавляющем большинстве нереходяг в пар индивидуально, чем обусловливается ничтожная влажность пара. При кипении же растворов солей возможно образование довольно устойчивых поверхностных пузырей, так как плешка благодаря присутствию ионов приобретает квази-кристаллическую структуру и становится болеа прочной. При этом диполи воды получают взаимную ориентацию, отчего становится возможным наряду с индивидуальным переходом молекул в паровую фазу отрыв групп диполей воды и переход их в пар в вид мелкодисперсной влаги. С увеличением солесодержания воды уменьшаются расстояния между ионами в адсорбционном слое, что ведет к повышению взаимной ориентации диполей воды, благоприятствуюш,ей возникновению крупных дипольных групп.[c.51]

        Рассмотрим растворение полярных соединеиилг на примере НС , При растворении хлористого водорода в воде происходит ориентация диполей воды вокруг растворенных молекул, вызывающая еще большую поляризацию молекул хлористого водорода (рис. 34). Полярная связь между атомами водорода и хлора переходит в ионную. При этом общая электронная пара целиком [c.160]

        Согласно Бокрису, Деванатхану и Мюллеру [37], разность потенциалов, обусловленная ориентацией диполей воды, не превышает 0,1 в, а полярная группа органического соединения не должна влиять на распределение потенциала, как находящаяся вне пределов двойного слоя. Остается неясным, каким образом в этих условиях адсорбция органического вещества может вызвать сдвиги точки нулевого заряда, доходящие до 0,5 в. [c.185]

        Иногда в атмосфере встречается распределение объемных зарядов, обратное тому, которое представлено на рис. 1. По нашей гиЬотезе это связано с обратной полярностью двойного электрического слоя, которая появляется в результате сильного влияния примесей. В этом случае двойной электрический слой будет способствовать преимущественному захвату положительных ионов. Однако используемая нами для гипотезы преимущественного захвата атмосферных ионов схема двойного слоя Олти обладает целым рядом недостатков. Неясными остаются причины преимущественной ориентации диполей воды в по-верхностно.м слое. Ни один из авторов, считающих, что такая ориентация существует, конкретно не рассматривает те силы, которые могли бы привести к подобной ориентации (2, 3]. К тому же кажется маловероятной стройная картина, которая, вырисовывается в схеме Олти для ионов примесей, ориентированных полем диполей. Из теории гидратации хорошо извест- [c.184]

        Полученная линейная зависимость межфазного окачка электрического потенциала от плотности тока свидетельствует о том, что сопротивление границы разделяемого раствора и мембраны почти не зависит от соотношения ионных потоков через нее, но изменяется с переменой знака скачка электрического потенциала. По-видимому, это связано с ориентацией диполей воды на входе в поры активного слоя. Зависимость диэлектрической проницаемости связанной воды в порах активного слоя от плотности тока имеет более сложный характер. Установлено, что е изменяется аналогичным образом со значением скачка pH на границе исходного раствора и мембраны (рис. 5-8,в). [c.128]

        Интересно обратить внимание на некоторый параллелизм явления фильтрационного Эффекта и поведения омагниченной воды [17]. По-видй-мому, оба процесса связаны с ориентацией диполей воды. [c.16]


    Принцип действия. Статьи компании «ООО «НовАкваТех»»

    Принцип действия

    Молекулу воды можно представить, как элементарный диполь (рис.1). Под действием сил взаимного притяжения молекулы-диполи образуют кластеры (рис.2). Действие сил взаимного притяжения мало, поэтому диполи могут свободно отрываться от кластеров, примыкать к другим кластерам. Точно так же кластеры могут образовываться вокруг примесей, присутствующих в воде (Са(НС03)2, Мд(НС03)2, СаС03, МдС03). Таким образом, соли кальция и магния постоянно окружены молекулами воды.

    При нагревании кластерная структура становится нестабильной, молекулы воды больше не обволакивают примеси, и растворённые соли могут вступать в реакцию с другими солями. Таким образом, кристаллы вышеуказанных солей прочно пристанут к стенкам нагревательных элементов или трубопроводов, и начнётся процесс образования накипи. При использовании устройства магнитной водоподготовки MB или УМВ «НОВАКВАТЕХ» на молекулы воды и примеси действует магнитное поле. Диполи попадают в резонанс, и кластерная структура молекул воды разрушается. Примеси освобождаются от опеки водных кластеров и могут свободно вступать во взаимодействие друг с другом. При этом уже в холодной воде ионы кальция начинают осаждаться на поверхностях зёрен свободных примесей, то есть на центрах кристаллизации, образуя микрокристаллы.

    Процесс этот является лавинообразным: новые ионы кальция прикрепляются к уже выпавшему в осадок на поверхности микрокристаллов кальцию. Таким образом, ионы кальция, уже осевшие на центрах кристаллизации, не выпадают в виде накипи на нагревательных поверхностях. Микрокристаллы остаются в массе воды и выносятся в дренаж. Более того: ионы кальция из уже выпавшей в осадок накипи начинают отрываться и присоединяться к вновь образованным микрокристаллам. Со временем старая накипь разрыхляется и полностью вымывается с поверхности труб и нагревательных элементов. Если же устройства УМВ «НОВАКВАТЕХ» устанавливаются на новое оборудование, то накипь не выпадает на теплообменных поверхностях. Кроме того, с течением времени на поверхностях труб образуется тонкая оксидная плёнка, защищающая оборудование от коррозии.

     РИС. 1  РИС. 2

     

    Устранение жёсткости и механизм предотвращения образования накипи с помощью устройств магнитной водоподготовки сводится к инициированию структурной перестройки — фазового перехода второго рода (ФП2). Производится омагничивание воды, в результате чего карбонат кальция, который обычно, при наличии пресыщения, кристаллизуется в кристаллографической модификации кальцита, начинает кристаллизоваться в модификации арагонита. У арагонита существенно отличающиеся свойства:

    • высокое кристаллографическое несоответствие к окислам и карбонатам железа, которые при некачественной деаэрации образуются на стальной поверхности;

    • низкая адгезия к стали;

    • низкая когезия отдельных кристаллов друг к другу.

    Вода, обработанная устройствами УМВ «НОВАКВАТЕХ», сохраняет свои свойства от 10 часов до 8 суток в зависимости от состава воды и условий эксплуатации. Как правило, этого времени более чем достаточно для получения успешных результатов. Способ магнитной водоподготовки нашел широкое применение во многих странах мира, в том числе таких передовых, как Япония, США, Германия.

     

    Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

    Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


    Настройка браузера на прием файлов cookie

    Существует множество причин, по которым файл cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее распространенные причины:

    • В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки браузера, чтобы принять файлы cookie, или спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
    • Ваш браузер спрашивает, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файл cookie.
    • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Попробуйте другой браузер, если вы подозреваете это.
    • Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы это исправить, установите правильное время и дату на своем компьютере.
    • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

    Почему этому сайту требуются файлы cookie?

    Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Предоставить доступ без файлов cookie потребует от сайта создания нового сеанса для каждой посещаемой вами страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


    Что сохраняется в файле cookie?

    Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в файле cookie; никакая другая информация не фиксируется.

    Как правило, в файле cookie может храниться только та информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, если вы не решите ввести его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступ к остальной части вашего компьютера, и только сайт, создавший файл cookie, может его прочитать.

    межмолекулярных сил

    межмолекулярных сил

    Межмолекулярные силы


    Введение

    Вода — единственное вещество, с которым мы обычно сталкиваемся в твердом, жидком, и газ. При низких температурах это твердое тело, в котором отдельные молекулы замыкаются в жесткой структуре. При повышении температуры средняя кинетическая энергия молекул увеличивается, что увеличивает скорость, с которой эти молекулы движутся.

    Молекула воды движется тремя способами: (1) вибрация, (2) вращение и (3) перенос.Молекулы воды колеблются , когда связи Н-О растягиваются или изгибаются. Вращение включает в себя движение молекулы вокруг ее центра тяжести. Перевод буквально означает переход из одного места в другое. Поэтому он описывает движение молекул в пространстве.

    Чтобы понять эффект этого движения, нам нужно различать внутримолекулярных и межмолекулярных связей. Ковалентные связи между атомами водорода и кислорода в воде молекулы называются внутримолекулярными связями .(Приставка интра — происходит от латинской основы, означающей «внутри или внутри». Таким образом, интрамуральный команды спортивных матчей из одного и того же учреждения.) Связи между соседними молекулы воды во льду называются межмолекулярными связями , от латинского корня, означающего «между». (Этот гораздо более распространенный префикс используется в таких словах, как интерфейс , межвузовский и международный .)

    Внутримолекулярные связи , удерживающие атомы в молекулах H 2 O вместе, почти в 25 раз прочнее, чем межмолекулярных связей между молекулами воды. (Для разрыва связей Н-О требуется 464 кДж/моль. внутри молекулы воды и всего 19 кДж/моль для разрыва связей между водой молекул.)

    Все три режима движения разрушают связи между молекулами воды. Так как система становится теплее, тепловая энергия молекул воды со временем становится слишком большим, чтобы позволить этим молекулам быть запертыми в жесткой структуре льда. В этот момент твердое тело плавится, образуя жидкость, в которой межмолекулярные связи постоянно разрываются и восстанавливаются, когда молекулы движутся через жидкость.В конце концов, тепловая энергия молекул воды становится такой велики, что они движутся слишком быстро, чтобы образовать межмолекулярные связи, и жидкая кипит, образуя газ, в котором каждая частица движется более или менее беспорядочно через пространство.

    Таким образом, разница между твердыми телами и жидкостями или жидкостями и газами составляет на основе конкуренции между прочностью межмолекулярных связей и тепловая энергия системы. При данной температуре вещества, содержат прочные межмолекулярные связи, скорее всего, являются твердыми телами. Для Учитывая прочность межмолекулярных связей, чем выше температура, тем больше вероятно, вещество будет газом.

    Кинетическая теория предполагает отсутствие силы притяжения между частицы в газе. Если бы это предположение было верным, газы никогда бы не конденсируются с образованием жидкостей и твердых тел при низких температурах. В 1873 году голландцы физик Йоханнес ван дер Ваальс вывел уравнение, которое не только включало силы притяжения между частицами газа, но и с поправкой на тот факт, что объем этих частиц составляет значительную долю общий объем газа при высоких давлениях.

    Уравнение Ван-дер-Ваальса используется сегодня для лучшего соответствия экспериментальным данные о реальных газах, чем можно получить с помощью уравнения идеального газа. Но это не было целью ван дер Ваальса. Он пытался разработать модель, которая объяснил бы поведение жидкостей, включив термины, отражающие размер атомов или молекул в жидкости и прочность связи между этими атомами или молекулами. Слабые межмолекулярные связи в поэтому жидкости и твердые тела часто называют силами Ван-дер-Ваальса .Эти силы можно разделить на три категории: (1) диполь-диполь, (2) диполь, индуцированный диполем, и (3) диполь, индуцированный диполем.


    Диполь-дипольные силы

    Многие молекулы содержат связи, находящиеся между крайними ионными и ковалентные связи. Разница между электроотрицательностями атомов в этих молекулах достаточно велик, чтобы электроны не были разделены поровну, и все же достаточно малы, чтобы электроны не притягивались исключительно к одному атомов с образованием положительных и отрицательных ионов.Связи в этих молекулах называются полярными , потому что у них есть положительные и отрицательные концы, или полюса, и молекулы часто говорят, что они имеют дипольный момент .

    молекулы HCl, например, имеют дипольный момент, потому что атом водорода имеет небольшой положительный заряд, а атом хлора — небольшой отрицательный заряжать. Из-за силы притяжения между противоположно заряженными частицами существует небольшая диполь-дипольная сила притяжения между соседними HCl молекулы.

    Диполь-дипольное взаимодействие в HCl относительно слабое; всего 3,3 кДж/моль. (Ковалентные связи между атомами водорода и хлора в HCl равны 130 раз сильнее.) Сила притяжения между молекулами HCl настолько мала что хлористый водород кипит при -85,0 90 108 o 90 109 C.


    Дипольные силы, индуцированные диполем

    Что произойдет, если мы смешаем HCl с аргоном, у которого нет дипольного момента? Электроны на атоме аргона равномерно распределены вокруг ядро атома.Но эти электроны находятся в постоянном движении. Когда атом аргона приближается к полярной молекуле HCl, электроны могут сдвигаться к одной стороне ядра, чтобы создать очень маленький дипольный момент, который длится только на мгновение.

    Путем искажения распределения электронов вокруг атома аргона полярная Молекула HCl индуцирует небольшой дипольный момент на этом атоме, который создает слабая дипольно-индуцированная дипольная сила притяжения между молекулой HCl и атом Ar. Эта сила очень слабая, с энергией связи около 1 кДж/моль.


    Индуцированные дипольные силы

    Ни диполь-дипольные, ни дипольно-индуцированные силы не могут объяснить тот факт, что гелий становится жидкостью при температуре ниже 4,2 К. Сам по себе гелий атом совершенно симметричен. Но движение электронов вокруг ядра пары соседних атомов гелия могут синхронизироваться так, что каждый атом одновременно получает индуцированный дипольный момент.

    Эти флуктуации электронной плотности происходят постоянно, создавая индуцированный дипольно-индуцированная дипольная сила притяжения между парами атомов.Как мог бы Как и следовало ожидать, эта сила относительно слаба в гелии — всего 0,076 кДж/моль. Но атомы или молекулы становятся более поляризуемыми по мере того, как они становятся больше, потому что есть больше электронов, которые нужно поляризовать. Утверждается, что первичный сила притяжения между молекулами в твердом I 2 и в замороженном CCl 4 является индуцированным дипольным дипольным притяжением.


    диполь-рев.дви

    %PDF-1.4 % 1 0 объект > эндообъект 4 0 объект > эндообъект 2 0 объект > эндообъект 3 0 объект > поток 2016-06-07T16:01:33+02:002016-06-07T16:01:33+02:00dvips(k) 5.96.1 Copyright 2007 Radical Eye Software

  • dipol-rev.dvi
  • конечный поток эндообъект 5 0 объект > >> /Содержание [42 0 R 43 0 R 44 0 R] /Анноты [45 0 Р] >> эндообъект 6 0 объект > /Содержание 48 0 Р >> эндообъект 7 0 объект > /Содержание 51 0 Р >> эндообъект 8 0 объект > /Содержание 54 0 Р >> эндообъект 9 0 объект > /Содержание 57 0 Р >> эндообъект 10 0 объект > /Содержание 60 0 Р >> эндообъект 11 0 объект > /Содержание 63 0 Р >> эндообъект 12 0 объект > /Содержание 66 0 Р >> эндообъект 13 0 объект > /Содержание 69 0 Р >> эндообъект 14 0 объект > /Содержание 72 0 Р >> эндообъект 15 0 объект > /Содержание 75 0 Р >> эндообъект 16 0 объект > /Содержание 78 0 Р >> эндообъект 17 0 объект > /Содержание 81 0 Р >> эндообъект 18 0 объект > /Содержание 84 0 Р >> эндообъект 19 0 объект > /Содержание 87 0 Р >> эндообъект 20 0 объект > /Содержание 90 0 р >> эндообъект 21 0 объект > /Содержание 93 0 Р >> эндообъект 22 0 объект > /Содержание 96 0 Р >> эндообъект 23 0 объект > /Содержание 99 0 Р >> эндообъект 24 0 объект > /Содержание 102 0 Р >> эндообъект 25 0 объект > /Содержание 105 0 Р >> эндообъект 26 0 объект > /Содержание 108 0 Р >> эндообъект 27 0 объект > /Содержание 111 0 Р >> эндообъект 28 0 объект > /Содержание 114 0 Р >> эндообъект 29 0 объект > /Содержание 117 0 Р >> эндообъект 30 0 объект > /Содержание 120 0 р >> эндообъект 31 0 объект > /Содержание 124 0 Р >> эндообъект 32 0 объект > /Содержание 127 0 Р >> эндообъект 33 0 объект > /Содержание 130 0 Р >> эндообъект 34 0 объект > /Содержание 133 0 Р >> эндообъект 35 0 объект > /Содержание 136 0 Р >> эндообъект 36 0 объект > /Содержание 139 0 Р >> эндообъект 37 0 объект > /Содержание 142 0 Р >> эндообъект 38 0 объект > /Содержание 145 0 Р >> эндообъект 39 0 объект > эндообъект 40 0 объект > эндообъект 41 0 объект > поток x

    Гибкая модель воды, построенная снизу вверх, с дипольным и квадрупольным моментами для крупнозернистого молекулярного моделирования

    Полный молекулярный дипольный момент для жидкой воды

    Аннотация

    Для молекулы воды диполь — это первый ненулевой мультипольный момент; он представляет полярность молекулы и широко используется для описания поведения сольватации.В литературе сообщается о довольно широком диапазоне теоретически определенных значений полного молекулярного дипольного момента воды в конденсированных фазах. В этой статье описывается способ, с помощью которого средний полный дипольный момент молекулы воды в жидком состоянии может быть связан с экспериментальными данными показателя преломления. Используемый подход среднего поля включает три компонента. Разработана формальная структура, которая связывает температурную зависимость эффективной молекулярной поляризуемости со средним локальным электрическим полем, испытываемым молекулой жидкой воды в выбранном диапазоне температур.Также необходима характеристика распределений локальных полей и градиентов поля, и это было определено на основе компьютерного моделирования проб жидкой воды при нескольких различных температурах для двух стандартных потенциалов воды. Последний компонент, свойства электрического отклика молекулы воды (включая нелинейные вклады вплоть до четвертого порядка), был определен из расчетов ab initio для молекул газовой и жидкой фаз и описан в другом месте [A. В. Губская и П.Г. Кусалик, мол. физ. 99, 1107 (2001)]. Путем объединения этих трех компонентов температурная зависимость среднего локального электрического поля и, следовательно, среднего полного дипольного момента извлекается из данных для показателя преломления жидкой воды. Почти 10-процентное изменение дипольного момента в зависимости от температуры наблюдается в диапазоне от 273 до 373 К. Значение, полученное для молекулярного дипольного момента при 300 К, 2,95 ± 0,2 Д, прекрасно согласуется с недавно опубликованным результатом, извлеченным из x -данные рассеяния лучей, а также некоторые недавние теоретические предсказания.

    Растворимость жидкостей

    Цели: Учащиеся узнают о растворах, полярности молекул и о том, как структура молекулы связана с ее растворимостью в полярных или неполярных жидкостях.


    11.A.5a Формулировать гипотезы, ссылаясь на предшествующие исследования и знания.

    11.A.5b Разработайте процедуры для проверки выбранных гипотез.

    12.C.5b Анализ свойств материалов (например, масса, температура кипения, точка плавления, твердость) по отношению к их физической и/или химической структуре.

    Научная база для учителей

    Полярные облигации

    Атомы связываются друг с другом, обмениваясь электронами. Однако в связях между различными типами атомов электроны распределяются неравномерно. В полярной ковалентной связи большая электронная плотность сосредоточена вокруг более электроотрицательного элемента. Для элементов периодической таблицы электроотрицательность возрастает слева направо по строке и снизу вверх по столбцу.

    Итак, в таких молекулах, как H 2 или N 2 , где атомы имеют одинаковую электроотрицательность, связь является неполярной ковалентной.Разница в электроотрицательности между H и C в углеводородах очень мала, и они также считаются неполярными связями.

    Водород и кислород сильно различаются по электроотрицательности. Связи между H и O в воде являются полярными ковалентными.

    Когда разница электроотрицательностей составляет 2 или больше, как в NaCl, связь является ионной .

    Полярные молекулы

    Линейные молекулы, такие как H-F, с полярной связью, всегда являются полярными молекулами.Мы можем представить это с помощью вектора, называемого дипольным моментом молекулы.

    Молекулы с полярными связями не обязательно являются полярными молекулами. Возьмем, к примеру, четыреххлористый углерод CCl 4 .

    1. Каждая связь C-Cl является полярной с разницей электроотрицательностей 0,61 единицы.
    2. Мы можем представить полярность каждой связи в виде вектора, показывающего, что электроны в связи приближаются к более электроотрицательному атому хлора.
    3. Векторная сумма 4 векторов связей равна нулю.Они отменяются. Итак, это неполярная молекула.

    Замените один из атомов Cl на атом H. Теперь векторы не сокращаются, и молекула имеет чистый дипольный момент.

    Решения

    Межмолекулярные силы

    Воду часто называют универсальным растворителем. Он растворяет полярные соединения посредством диполь-дипольных взаимодействий . Соединения с кислородными и азотными группами стабилизируются и сольватируются посредством водородных связей взаимодействий. Это особенно важно для спиртов, аминов и амидов.

    Молекулы с дипольным моментом, то есть полярные молекулы, растворяются в полярных жидкостях. Диполь-дипольное взаимодействие между растворителем и растворенным веществом слабее, чем взаимодействие водородных связей.

    Неполярные молекулы, растворенные в полярных растворителях, или полярные молекулы, растворенные в неполярных растворителях, имеют диполь-индуцированное дипольное взаимодействие. Молекулы при комнатной температуре обычно быстро колеблются. Когда они вибрируют, плотность электронов может на мгновение измениться, образуя временный диполь.Этот временный диполь стабилизируется, когда он находится рядом с другой молекулой с постоянным диполем. Диполь-индуцированное дипольное взаимодействие очень похоже на диполь-дипольное взаимодействие, но слабее.

    Когда неполярная молекула растворяется в неполярном растворителе, возникает индуцированное диполь-индуцированное дипольное взаимодействие между временными диполями растворенного вещества и растворителя. Эти типы взаимодействия также называются лондонскими дисперсионными силами .

    Вода имеет очень высокую диэлектрическую проницаемость , что позволяет солям растворяться в воде с диссоциацией.Диэлектрическая проницаемость говорит нам, насколько хорошо растворитель способен разделять ионы. Координация молекул воды вокруг аниона и катиона значительно снижает ион-ионное притяжение в соли.

    Ниже приведен список сил, существующих между атомами и молекулами в конденсированных фазах. Силы между молекулами различаются по силе. Все они уменьшаются с расстоянием, но не одинаково.

      взаимодействие сила Функция расстояния
      ковалентная очень сильный комплекс
      ионная очень сильный 1/р
      ионно-дипольный сильный 1/р 2
      диполь-диполь умеренный 1/р 3
      ионно-индуцированный диполь слабый 1/р 4
      диполь-индуцированный диполь очень слабый 1/р 6
      Лондонские силы очень слабый 1/р 6

    Молекулы растворяются в жидкостях (или твердых телах), когда силы растворенного вещества/растворителя превышают силы, удерживающие материал в исходном состоянии. Хорошее эмпирическое правило: ПОДОБНО РАСТВОРЯЕТСЯ ПОДОБНО . То есть молекулы с группами OH или NH очень хорошо растворяются в растворителях, которые могут связываться водородом. Полярные молекулы лучше всего растворяются в полярных растворителях. Неполярные молекулы лучше всего растворяются в неполярных растворителях.

    Давайте сравним свойства воды с другими распространенными растворителями.

    Типичные растворители

    Соединение рКа Дипольный момент Диэлектрическая проницаемость
    Н 2 О
    вода
    15.7 1,84 80
    CS 2
    сероуглерод
      0 2,64
    H 2 SO 4
    серная кислота
    -9 101
    NH 3
    аммиак
    38 ([NH 4 ] + = 9,25) 1,47 26,7
    CH 3 CO 2 H
    уксусная кислота
    4. 75 1,74 6.19
    CCl 4
    четыреххлористый углерод
    0 2.23
    CHCl 3
    хлороформ
      1,87 4.70
    СН 3 СН 2 ОН
    этанол
    16 1,69 24,3
    CH 2 Cl 2
    метиленхлорид
      1.60 8,9
    C 6 H 5 CH 3
    толуол
      0,36 2,38
    CH 3 CN
    ацетонитрил
    25 3,92 36,2
    n-C 6 H 14
    гексан
    44 0,08 1,89
    цикло-CH 2 [CH 2 ] 3 O
    тетрагидрофуран
      1. 63 7,32
    C 5 H 5 N
    пиридин
    ([pyH] + = 5,29) 2,19 12,3



    Ионы в воде

    Ионы образуют твердые тела за счет стабилизации внутри решетки ионных связей. (ЭНЕРГИЯ РЕШЕТКИ). Они будут растворяться в жидкости, когда силы между ионами и растворителем будут больше, чем между ионами в кристалле. Это в значительной степени зависит от диэлектрической проницаемости , которая показывает, насколько хорошо ионы защищены друг от друга, и от способности растворителя координировать и стабилизировать ионы.
    Загрузите предварительный/последующий тест здесь.

    Вы видели, что некоторые молекулы легко растворяются в воде. Например, столовый сахар (сахароза) растворяется в воде, образуя раствор. Молекулы сахарозы распределены в воде хаотично и взаимодействуют только с молекулами воды. Взаимодействие молекулы сахарозы с другими молекулами сахарозы в твердом сахаре нарушается при его растворении.

    В этом случае вода является растворителем, а сахароза – растворенным веществом. Между молекулами есть взаимодействия, но не химические связи.Молекулы сахарозы остаются сахарозой. Они не превращаются в другую молекулу.

    Физические свойства раствора могут отличаться от свойств чистого растворителя. Температуры кипения и замерзания могут меняться. Плотность раствора также может отличаться от плотности чистого растворителя.

    Когда растворенное вещество представляет собой другую жидкость и хорошо растворяется в растворителе, мы говорим, что эти две жидкости смешиваются. Вы можете комбинировать две жидкости в любой пропорции, и они не разделятся.

    Сегодня вы проверите растворимость группы жидкостей друг в друге. Отметьте любые изменения, которые вы наблюдаете при смешивании жидкостей. Структуры жидкостей и некоторые данные о них приведены ниже.

    вода
    100 град С
    18 г/моль
    18 мл
    этанол
    78 град С
    46 г/моль
    36,3 мл
    пентан
    36 град С
    72 г/моль
    45 мл
    декан
    174 град С
    142 г. моль
    104 мл
    наименование
    температура кипения
    масса 1 моля
    молярный объем

    Исследовательский вопрос: Какие жидкости могут смешиваться?


    Для каждой группы учащихся:
    • Флаконы по 100 мл, содержащие сухой этанол, пентан или гексан, декан или додекан
    • Бутылка воды 200 мл
    • Мерный цилиндр 100 мл
    • Мерный цилиндр 50 мл
    • парапленка или полиэтиленовая пленка для покрытия градуированных цилиндров
    • 16 флаконов по 15 мл с крышками
    • термометр или датчик температуры
    • банка для отходов

    Загрузите лабораторный лист здесь.

    Выберите процедуру, чтобы ответить на вопрос исследования.

    Для пар смешивающихся жидкостей измерьте объем разделенных жидкостей вместе с общим объемом.


    1. Объем газовой фазы 1 моль (6 x 10 23 молекул) каждого из них составляет 25 литров. Почему молярные объемы жидкостей так сильно различаются?
    2. Какие растворы жидкость-жидкость можно образовать из этих молекул? Как вы думаете, почему одни жидкости легко смешиваются с образованием растворов, а другие нет?
    3. Есть ли у вас признаки выделения или поглощения энергии при смешивании жидкостей?
    4. Если бы вы были барменом, было бы лучше приготовить смешанный напиток, добавив 6 унций миксера перед наполнением стакана 8 унций алкоголем, или добавив 2 унции алкоголя перед наполнением стакана миксером?

    Модель поляризуемой воды для крупнозернистого силового поля MARTINI

    Abstract

    Крупнозернистое моделирование (CG) стало важным инструментом для изучения большого разнообразия биомолекулярных процессов, изучения временных и пространственных масштабов, недоступных для традиционных моделей атомистического разрешения. Одним из основных упрощений CG-моделей является представление растворителя, которое либо неявно, либо моделируется явно как частица Ван-дер-Ваальса. Эффект поляризации, а значит и надлежащая экранировка взаимодействий в зависимости от локальной среды, отсутствует. Учитывая важную роль воды как вездесущего растворителя в биологических системах, ее обработка имеет решающее значение для свойств, полученных в результате моделирования. Здесь мы параметризуем поляризуемую крупнозернистую модель воды для использования в сочетании с силовым полем CG MARTINI.Используя модель с тремя шариками для представления четырех молекул воды, мы показываем, что ориентационная поляризуемость реальной воды может быть эффективно объяснена. Следствием этого является воспроизведение диэлектрического экранирования объемной воды. В то же время мы настроили нашу новую модель воды таким образом, чтобы объемная плотность воды и данные о разделении нефть/вода оставались на том же уровне точности, что и для стандартного силового поля MARTINI. Мы применяем новую модель к двум случаям, для которых текущие силовые поля ЦТ не подходят.Во-первых, мы обращаемся к транспорту ионов через липидную мембрану. Вычисленный потенциал средней силы показывает, что ионы теперь естественным образом ощущают изменение диэлектрической среды при движении от водной фазы с высокой диэлектрической проницаемостью к внутренней части мембраны с низкой диэлектрической проницаемостью. Во втором приложении мы рассматриваем процесс электропорации как масляного слоя, так и липидного бислоя. Электростатическое поле вызывает образование пор, заполненных водой, в обоих случаях по тому же механизму, что и в атомистически детализированных моделях.

    Резюме автора

    Во многих биомолекулярных процессах заряженные вещества перемещаются между областями с высокой полярностью, такими как водная фаза, и областями с более низкой полярностью, такими как липидная мембрана. Из-за изменения электростатического экранирования между этими двумя средами изменяется и сила взаимодействия между движущимся зарядом и окружающими молекулами. Это имеет важные последствия для способа контроля биологической активности. Чтобы помочь понять силы, управляющие движением биомолекул, мы разработали вычислительную модель, способную описывать эти процессы с почти атомарными подробностями.Чтобы сделать это эффективно, мы используем крупнозернистое описание молекул, в котором усредняются некоторые атомистические детали. Чтобы уловить неоднородный характер диэлектрического отклика, мы повторно вводим некоторые детали в модель воды; новая модель эффективно имитирует ориентационную поляризуемость реальных молекул воды и реалистично экранирует электростатические взаимодействия. Это позволяет изучать ряд важных биологических процессов, которые до сих пор считались сложными для крупнозернистых моделей, таких как проникновение ионов через липидную мембрану и разрыв мембран из-за электростатического поля, при относительно низких вычислительных затратах.

    Образец цитирования: Есилевский С.О., Шефер Л.В., Сенгупта Д. , Марринк С.Дж. (2010) Модель поляризуемой воды для крупнозернистого силового поля МАРТИНИ. PLoS Comput Biol 6(6): е1000810. https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1000810

    Редактор: Майкл Левитт, Стэнфордский университет, США

    Получено: 18 декабря 2009 г.; Принято: 6 мая 2010 г .; Опубликовано: 10 июня 2010 г.

    Copyright: © 2010 Есилевский и др.Это статья с открытым доступом, распространяемая в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии указания оригинального автора и источника.

    Финансирование: Мы благодарим Нидерландскую организацию научных исследований (NWO) за финансирование через грант CW-Top 700.57.303, грант ALW-open 818.02.002, грант Veni 700.57.404, компьютерный доступ от Национального суперкомпьютерного центра. (НКФ).Спонсоры не участвовали в разработке исследования, сборе и анализе данных, принятии решения о публикации или подготовке рукописи.

    Конкурирующие интересы: Авторы заявили об отсутствии конкурирующих интересов.

    Введение

    С момента первого введения крупнозернистых (CG) моделей, основанных на физике, в вычислительной биологии [1], модели CG становятся все более популярными при моделировании сложных биологических систем [2]. Они значительно снижают вычислительную сложность по сравнению с моделями всего атома (AA) и позволяют производить выборку в гораздо более длительных временных масштабах и на больших размерах системы.Одной из наиболее широко применяемых моделей КГ является силовое поле МАРТИНИ [3]. Модель MARTINI первоначально была разработана для липидных систем [4] и недавно была расширена для белков [5] и углеводов [6]. Как правило, в MARTINI используется отображение «четыре к одному», что означает, что в среднем четыре атома и связанные с ними атомы водорода представлены одной гранулой CG. Частицы CG взаимодействуют с другими частицами CG в системе посредством взаимодействий Леннарда-Джонса (LJ); дополнительно заряженные группы (т.грамм. ионы, головные группы липидов, заряженные боковые цепи аминокислот) взаимодействуют через кулоновскую функцию энергии. Вода обрабатывается явно, на том же уровне крупнозернистости, что и все другие молекулы, что подразумевает, что четыре молекулы воды объединяются в одну крупнозернистую гранулу.

    Водяные шарики

    MARTINI, как и многие другие водяные модели CG, не несут заряда и, следовательно, слепы к электростатическим полям и поляризационным эффектам. Чтобы компенсировать пренебрежение явной поляризацией, экранирование электростатических взаимодействий выполняется неявно, предполагая постоянную относительную диэлектрическую проницаемость.Хотя это приемлемое приближение для объемной воды, проблемы возникают на границах между водой и другими фазами и вблизи заряженных частиц. Из-за неявного экранирования сила взаимодействия полярных веществ недооценивается в неполяризующихся растворителях. Корректное моделирование разделения полярных и заряженных соединений в среде с низкой диэлектрической проницаемостью, т.е. липидный бислой оказался большой проблемой для компьютерных моделей в целом [7]. Приложения, связанные с образованием полярных/заряженных комплексов в неполярной среде, особенно подвержены влиянию.Потенциальное решение состоит в том, чтобы сделать потенциалы взаимодействия зависимыми от локальной среды (см., например, [8]), что особенно полезно в подходах без растворителей. При наличии явных частиц растворителя большая гибкость достигается с помощью модели поляризуемой воды.

    Попытки учесть эффект поляризации в упрощенных моделях воды относятся еще к заре биомолекулярного моделирования. Особо следует отметить разработку дипольной модели мягких сфер [9], [10]. В этой модели молекулы воды представлены точечными диполями, которые могут переориентироваться в ответ на электростатическое поле встроенной (макро)молекулы.Недавно индуцированные диполи были также добавлены в модель растворителя CG и сделаны совместимыми с силовым полем белка CG [11]. Проблема поляризуемости также стоит в силовых полях всех атомов (AA) на более мелкозернистом уровне. В силовых полях АА отсутствует электронная поляризуемость, что оказалось существенным недостатком при моделировании ионов и сильно поляризуемых систем [12], [13]. Существует несколько подходов к разработке поляризуемых силовых полей АА, таких как модель индуцируемого точечного диполя [14], модель с осцилляторами Друде [15], [16], модель флуктуирующего заряда [17] и модель мультипольного расширения [18].Общая идея всех этих методов состоит в том, чтобы ввести в каждую поляризуемую частицу флуктуирующий диполь, реагирующий на локальное электрическое поле в окрестности этой частицы.

    В этой работе мы вводим ориентационную поляризуемость водяных шариков силового поля МАРТИНИ, используя подход, аналогичный подходу осциллятора Друде [15], [16]. Полученная в результате поляризуемая компьютерная модель воды в сочетании с силовым полем МАРТИНИ позволяет более реалистично моделировать взаимодействие воды с заряженными частицами. При параметризации модели поляризуемой воды использовались следующие три критерия: i) диэлектрическая проницаемость объемной поляризуемой воды должна быть достаточно близкой к значению в реальной воде; ii) Плотность частиц поляризуемой воды должна быть близка к плотности частиц воды в стандартном MARTINI; iii) Воспроизведение разделения свободных энергий между водой и органическими растворителями для большого разнообразия малых соединений, одного из краеугольных камней модели МАРТИНИ, должно оставаться неизменным.

    Остальная часть этого документа организована следующим образом. В следующем разделе мы сначала опишем детали модели и способ ее параметризации. Затем следует раздел «Результаты», в котором мы исследуем пространство параметров и приходим к оптимальному набору параметров на основе воспроизведения плотности и диэлектрической проницаемости объемной воды, а также поведения разделения вода/нефть строительных блоков MARTINI. Затем мы тестируем ряд свойств новой модели, в том числе динамическое поведение объемной воды, поверхностное натяжение границы раздела вода/пар и структурные свойства ионных растворов и липидного двойного слоя. Мы также рассмотрим эффект дальнодействующих электростатических взаимодействий. Наконец, показаны два приложения, которые не были бы осуществимы ни со стандартной моделью MARTINI, ни с большинством других моделей компьютерной графики. Приложения представляют собой реалистичное описание свободной энергии переноса ионов через липидный бислой и процесс электропорации как октановой плиты, так и липидного бислоя. Раздел обсуждения об ограничениях и перспективах модели завершает эту статью.

    Методы

    Топология модели воды

    Поляризуемая вода CG состоит из трех частиц вместо одной в стандартном силовом поле MARTINI (рис.1). Центральная частица W нейтральна и взаимодействует с другими частицами в системе посредством леннард-джонсовских взаимодействий, как и стандартная частица воды. Дополнительные частицы WP и WM связаны с центральной частицей и несут положительный и отрицательный заряд + q и — q соответственно. Они взаимодействуют с другими частицами только через кулоновскую функцию и не имеют никаких LJ-взаимодействий. Связи W-WP и W-WM стеснены на расстоянии l .Взаимодействия между частицами ВП и ВМ внутри одного и того же водяного шарика ЦТ исключены, поэтому эти частицы «прозрачны» по отношению друг к другу. В результате заряженные частицы могут вращаться вокруг частицы W. Дипольный импульс водяного шарика зависит от положения заряженных частиц и может изменяться от нуля (заряженные частицы совпадают) до 2 lq (заряженные частицы находятся на максимальном расстоянии). Кроме того, добавляется гармонический угловой потенциал с углом равновесия θ и постоянной силы K θ для управления вращением частиц WP и WM и, таким образом, для регулирования распределения дипольного импульса.Средний дипольный импульс капельки воды будет зависеть от распределения заряда и, как ожидается, будет в среднем равен нулю в неполярной среде, такой как внутренняя часть липидного двойного слоя. Напротив, некоторый ненулевой средний диполь будет наблюдаться в объемной воде или в какой-либо другой полярной среде. Массы заряженных частиц, а также центральной частицы установлены равными 24 а.е.м., что в сумме составляет 72 а.е.м. (масса четырех реальных молекул воды).

    В поляризуемой водной частице имеется пять регулируемых параметров: заряд q , расстояние l , параметры угла θ и K θ , а также тип атома центральной частицы W.Доступный диапазон дипольного импульса водяного шарика определяется как l , так и q ; чтобы ограничить наше пространство параметров, мы использовали q в качестве единственного регулируемого параметра и зафиксировали l на значении 0,14 нм. Это расстояние достаточно мало, чтобы предотвратить перекрытие заряженных частиц соседних водяных шариков (что может привести к очень большим силам), и достаточно велико, чтобы представить мгновенный диполь кластера из четырех молекул воды. Точно так же варьировалось только K θ .Угол равновесия был зафиксирован на уровне θ = 0, чтобы гарантировать, что шарик воды в неполярном растворителе имеет исчезающий дипольный момент (напоминая, что один шарик воды CG эффективно представляет собой кластер из четырех реальных молекул воды).

    Понятно, что поляризуемые шарики воды притягиваются друг к другу сильнее, чем стандартные водяные шарики CG, из-за дополнительных электростатических взаимодействий между их заряженными частицами WP и WM. Это дополнительное притяжение должно быть уравновешено уменьшенным LJ самовзаимодействием W-частиц.Таким образом, мы тестировали менее привлекательные уровни взаимодействия II, III и IV (стандартная вода MARTINI имеет тип атома P 4 , который имеет уровень силы самодействия I. Обратите внимание, что для каждого из этих уровней параметр LJ σ LJ  = 0,47 нм Глубина ямы ЖД ε LJ  = 5,0, 4,5, 4,0, 3,5 кДж моль −1 для уровней I–IV соответственно). Что касается ЛД-взаимодействий между частицами W и другими частицами в силовом поле МАРТИНИ, мы ожидали, что они останутся незатронутыми, т.е.е. соответствуют таковым для частицы P 4 (полную матрицу взаимодействия см. в [3]). Однако, как мы покажем ниже, сила перекрестного взаимодействия должна быть немного уменьшена, чтобы воспроизвести правильное поведение разделения.

    Поскольку поляризация воды явно рассматривается в нашей поляризуемой модели, глобальная диэлектрическая проницаемость ε r  = 15, используемая в стандарте MARTINI, должна быть скорректирована соответствующим образом. Это значение ε r представляет собой компромисс между большими ε в воде и малыми ε в гидрофобных областях, таких как сердцевина липидной мембраны.В поляризуемой модели глобальная диэлектрическая проницаемость уменьшена до ε r  = 2,5, чтобы обеспечить реалистичные диэлектрические свойства в гидрофобных областях. Остальные параметры силового поля такие же, как у стандартного MARTINI [3].

    Детали моделирования

    Все симуляции были выполнены с помощью набора программ GROMACS версий 3.3.1 [19], 4.0.2 и 4.0.5 [20]. Если не указано иное, использовались стандартные параметры моделирования, связанные с силовым полем MARTINI [3].Шаг по времени 20 фс использовался во всех симуляциях. Мы повторили некоторые симуляции, используя временные шаги 10 фс и 30 фс; результаты были практически идентичны приведенным ниже. Температуру и давление поддерживали постоянными с помощью схем слабой связи [21] с постоянными времени τ T  = 0,3 пс и τ p  = 3,0 пс соответственно. Расстояние l между центральной частицей W и заряженными частицами WP/WM было ограничено с помощью алгоритма LINCS [22].Визуализация результатов была выполнена с помощью VMD [23]. Оценки ошибок были получены с использованием процедуры блочного усреднения [24]. Подробная информация о составе и настройке системы представлена ​​вместе с презентацией результатов. Время сообщается как фактическое время моделирования, за исключением случаев, когда явно указано как эффективное время для сравнения кинетики либо с моделированием всех атомов, либо с экспериментом. Эффективное время учитывает ускорение в крупнозернистой динамике (см. [4]) и в четыре раза превышает фактическое время моделирования. Файлы параметров доступны в наборе данных S1. Их также можно загрузить с http://cgmartini.nl вместе с некоторыми примерами приложений.

    Результаты

    Параметризация модели

    Плотность частиц и диэлектрические свойства объемной воды.

    Для изучения свойств объемной воды система, содержащая 400 поляризуемых шариков воды, была смоделирована в кубическом боксе при условиях NPT, при T  = 300 K и P  = 1 бар. Заряд q изменен с 0.38 до 0,50, угловая силовая постоянная К θ варьировалась в пределах от 0 до 6 кДж моль -1 рад -2 , а уровень самовоздействия ЛД выбирался как уровень II, III или IV. . Как объяснялось в разделе «Методы», другие параметры оставались фиксированными: длина связи l  = 0,14 нм и равновесный угол θ = 0 рад. Системы моделировались в течение не менее 150 нс в каждой из исследованных точек пространства параметров. Мы стремились воспроизвести экспериментальную плотность и диэлектрическую проницаемость объемной воды. Плотность напрямую получается из среднего объема коробки во время моделирования. Диэлектрическая проницаемость ε вычисляется из флуктуаций полного дипольного момента 2 > системы [25] с использованием уравнения типа Клаузиуса–Мосотти [26]: (1)где ε 0 — диэлектрическая проницаемость вакуума, V — объем, k B — постоянная Больцмана, T — температура, ε rf — диэлектрическая проницаемость поля реакции используется коррекция.В данной работе вычислялось ε , реализованное в программе g_dipoles пакета GROMACS, при этом ε r  = 2,5, ε rf  = ∞ (что интерпретируется как отсутствие поправки в ГРОМАКС).

    На рис. 2 показаны плотность частиц и диэлектрическая проницаемость ε в зависимости от заряда q и постоянной угловой силы K θ . Плотность увеличивается линейно с q в исследованном диапазоне заряда (рис. 2а). Уровень взаимодействия ЛД II дает плотность выше экспериментальной плотности в исследованном диапазоне зарядов (черная кривая). Снижение взаимодействия до уровня III приводит к сдвигу в сторону более низких плотностей (красная кривая), при этом целевая плотность достигается примерно при q  = 0,4. Дальнейшее уменьшение силы взаимодействия дает экспериментальную плотность примерно q  = 0,45 (уровень IV, синяя кривая). На рис. 2б показана сильная зависимость диэлектрической проницаемости от заряда.Для уровней взаимодействия II и III (черная и красная кривые соответственно) заряд 0,46 приводит к диэлектрической проницаемости 77,1 и 75,6 соответственно, что близко к экспериментальному целевому значению 78,4 при 298 К (штриховая линия) [27]. . Для силы взаимодействия уровня IV (синяя кривая) для получения экспериментальной диэлектрической проницаемости требуется немного больший заряд, примерно q  = 0,47.

    Рис. 2. Плотность частиц и диэлектрическая проницаемость поляризуемой воды при T  = 300 K в зависимости от заряда q и угловой силовой постоянной K θ .

    В a) и b), k сохранялось фиксированным при 4,2 кДж моль -1 рад -2 , тогда как q было зафиксировано на значении 0,46 в c) и d). Штриховыми линиями показаны экспериментальная диэлектрическая проницаемость ( ε  = 78,4 при 298 К) и плотность реальной воды (ρ = 996 кг·м −3 при 300 К [31]) соответственно.

    https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1000810.g002

    Из рис. 2а и 2б видно, что уровень взаимодействия IV в сочетании с зарядом 0.47 был бы оптимальным выбором, поскольку такая модель дала бы экспериментальную диэлектрическую проницаемость при плотности около 1028 кг м 90 108 -3 90 109 , что всего на 3% выше. Однако было обнаружено, что при силе взаимодействия уровня IV свободная энергия гидратации воды и связанное с ней поверхностное натяжение воды/пара становятся слишком низкими (-16,0 кДж моль 90 108 -1 90 109 и 24,7 мН/м соответственно для уровня IV). модели по сравнению с −18,7 кДж моль 90 108 −1 90 109 и 30,5 мН/м для модели уровня III). Таким образом, мы остановились на модели с уровнем взаимодействия ЛД III и зарядом 0,46, что дает плотность на 4,7% больше (1043 кг м -3 ).

    На рис. 2в и 2г показано влияние угловой силовой постоянной K θ на плотность и диэлектрическую проницаемость соответственно, полученные по модели с уровнем взаимодействия ЛД III и q = 0,46. Для исследованных малых силовых постоянных плотность умеренно падает с увеличением K θ (рис.2с). Напротив, диэлектрическая проницаемость сильно зависит от угловой силовой постоянной (рис. 2г): ε  = 75,6 получается при оптимальной силовой постоянной 4,2 кДж моль −1 рад −2 , тогда как в отсутствие угловой потенциал (нулевая силовая постоянная) диэлектрическая проницаемость увеличивается почти до 150.

    Окончательные параметры модели поляризуемой воды MARTINI приведены в таблице 1 вместе с некоторыми выбранными свойствами, которые подробно описаны ниже. Модель несет заряды q  = ±0,46 на частицах WP и WM соответственно, которые ограничены на фиксированном расстоянии 0,14 нм по отношению к центральной частице W (см. рис. 1). Добавляется гармонический угловой потенциал с силовой константой К θ  = 4,2 кДж моль −1 рад −2 и углом равновесия θ = 0 градусов. Взаимодействие LJ между водяными шариками описывается взаимодействием уровня III (потенциал LJ 12-6 с ε LJ  = 4.0 кДж моль -1 и σ = 0,47 нм).

    Поведение при разбиении.

    Силовое поле MARTINI основано на воспроизведении распределения свободной энергии между водой и органическими растворителями. В новой модели поляризуемой воды самовзаимодействия объемной воды были изменены по сравнению со стандартной моделью воды MARTINI. Следовательно, свободные энергии разделения ΔG часть типов частиц CG необходимо переоценить. Поскольку свободная энергия сольватации ΔG solv частиц ХГ в органических растворителях не изменилась (эти взаимодействия не пострадали, кроме взаимодействий с участием заряженных частиц Q-типа, см. ниже), достаточно рассчитать свободные энергии гидратации ΔG гидр ; свободная энергия разделения получается из ΔG часть  = ΔG Hydr −ΔG solv .Свободная энергия гидратации выбранных типов шариков была получена методом термодинамического интегрирования (TI) [28], отделяющим шарик растворенного вещества от окружающих его молекул растворителя путем отключения всех взаимодействий растворенного вещества и растворителя. Моделирование проводилось при 300 К. Двадцать два моделирования, каждое продолжительностью 6 нс, выполнялись при равномерно распределенных значениях λ в диапазоне от 0 до 1. Для несвязанных взаимодействий использовался потенциал мягкого ядра. Производная свободной энергии по λ, ∂ G /∂ λ , интегрировалась методом трапеций.

    Были протестированы три разные модели поляризуемой воды. В первой модели используются точно такие же перекрестные взаимодействия между полярной частицей W и другими частицами, как и для стандартной частицы W, т. е. центральная частица моделируется как тип P 4 . Две другие модели получены путем настройки перекрестных взаимодействий на 95% или 92% от силы, определенной для частицы P 4 , за исключением взаимодействий с заряженными частицами Q-типа, которые обрабатываются по-разному (см. ниже). .Это соответствует масштабированию глубины скважины LJ, т.е. ε LJ  =  a ε LJ с a  = 0,92 или 0,95. Кроме того, была рассчитана свободная энергия гидратации для стандартной модели MARTINI. Обратите внимание, что в стандартной модели MARTINI экспериментальные свободные энергии гидратации не воспроизводятся. Хотя наблюдается правильная тенденция, фактические значения систематически завышены. Это известное следствие использования потенциала взаимодействия LJ 12-6, который имеет ограниченный диапазон жидкости.Поскольку приложения направлены на изучение конденсированной фазы, наиболее важным термодинамическим свойством является свободная энергия разделения. Поэтому наша цель состоит в том, чтобы воспроизвести свободную энергию гидратации стандартной модели.

    Результаты расчетов свободной энергии приведены в таблице 2. Прежде всего отметим, что результаты TI немного отличаются от значений, опубликованных в оригинальной статье MARTINI [3]. По-видимому, это связано с конечными эффектами концентрации, влияющими на первоначальные расчеты, в которых свободная энергия гидратации была получена путем прямого разделения шариков растворенного вещества между водой и вакуумом.Результаты TI, которые действительно отражают бесконечное разведение, считаются более точными. Статистическая точность свободных энергий гидратации ТИ находится в пределах ±0,3 кДж моль -1 . Сравнение трех разных моделей поляризуемой воды показывает, что в случае модели 100%-ного уровня свободные энергии гидратации слишком благоприятны. Две другие модели, как 92%, так и 95%, лучше воспроизводят свободную энергию гидратации стандартной модели MARTINI. Основываясь на дальнейших тестах, описанных ниже, в конечном итоге была выбрана модель 95%, поскольку она лучше всего воспроизводит экспериментальное поведение липидных мембран. Свободная энергия гидратации самой воды, не зависящая от перекрестных взаимодействий, составляет -18,7 кДж моль -1 , что сравнимо со стандартной моделью (ср. P 4 свободная энергия гидратации, -18,5 кДж моль −1 ).

    Свободная энергия гидратации заряженных частиц (тип Q) заслуживает более подробного обсуждения. В исходной модели МАРТИНИ взаимодействие заряженных групп с частицами воды сравнимо по силе со взаимодействием других полярных групп. Следовательно, свободная энергия гидратации заряженных групп также одинакова (-24.7 кДж моль -1 ). Несмотря на то, что заряженные группы, особенно маленькие, такие как одиночные ионы, считаются имеющими неявную гидратную оболочку в их представлении МАРТИНИ, их свободная энергия гидратации сильно недооценена. Следовательно, в первой версии модели КГ [4] наблюдалось слишком легкое разбиение ионов на неполярные среды. В следующей версии модели [3], предложенной МАРТИНИ, прагматичное решение было представлено за счет увеличения эффективного размера ионов, попадающих в неполярные среды. Каким бы прагматичным оно ни было, это специальное решение, не имеющее большого смысла с точки зрения физики. В модели поляризуемой воды свободная энергия гидратации заряженных частиц увеличивается естественным образом из-за электростатических взаимодействий между ионным зарядом и поляризуемыми зарядами, заложенными в модели воды. Следовательно, взаимодействие между частицами типа Q и частицами типа C 1 /C 2 можно моделировать с нормальным диапазоном сил взаимодействия, который также используется для других частиц.Однако тест-моделирование связывания пептидов с мембранами (не показано) показал, что гидратация заряженных групп является слишком сильной, предотвращая связывание амфифильных и гидрофобных пептидов с границей раздела липидов/воды. Чтобы компенсировать сильный электростатический вклад в свободную энергию гидратации, LJ-взаимодействие между частицами Q-типа и поляризуемыми частицами воды уменьшается, в результате чего свободная энергия составляет около -70 кДж моль -1 , как указано в таблице 2. Кроме того, относительное взаимодействие частиц Q-типа с другими типами частиц в целом увеличилось, а их самовзаимодействие уменьшилось. Полный список изменений взаимодействий с участием частиц типа Q приведен в таблице 3. В разделе приложений о проникновении ионов через липидные мембраны мы покажем, что новая модель приводит к более реалистичному поведению без необходимости нефизических исправлений.

    Чтобы проиллюстрировать поведение исходной и поляризуемой модели воды в отношении разделения, мы рассчитали профиль свободной энергии для молекулы бутана (представленной одной гранулой типа C 1 ) на границе раздела гексадекан/вода.Система состоит из 3708 CG-вод и 776 молекул гексадекана. Для расчета профиля свободной энергии шарика бутана в зависимости от расстояния от границы раздела вода-гексадекан использовалось моделирование зонтичного отбора проб. Моделирование зонтичной выборки было выполнено для 60 окон с константой сдерживающей силы 500 кДж моль -1 нм -2 . Каждое окно моделировалось в течение 25 нс.

    Потенциал средней силы показан на рис. 3 вместе с распределениями плотностей частиц.Хорошо видно, что форма профилей свободной энергии для стандартной модели и модели поляризуемой воды достаточно близка (рис. 3а). Распределения плотностей частиц также практически идентичны (рис. 3б). Разность свободных энергий между объемными фазами составляет ΔG  = 20 кДж моль −1 для стандартного MARTINI и ΔG  = 18 кДж моль −1 для поляризуемой модели. Как и ожидалось, в поляризуемой воде он немного ниже, чем в стандартной воде MARTINI (см. Таблицу 2).Оба значения хорошо согласуются с экспериментальным значением ΔG  = 18 кДж моль −1 [3].

    Рис. 3. Свойства границы раздела вода-гексадекан.

    а) Потенциал средней силы для бутана CG и б) профили плотности частиц для моделей стандартной и поляризуемой воды (черная и красная кривые соответственно).

    https://doi. org/10.1371/journal.pcbi.1000810.g003

    Тестирование модели

    Распределение дипольных моментов.

    На рис. 4 сравниваются распределения дипольного момента, полученные для модели поляризуемой воды MARTINI, с распределением, полученным при 10-нс моделировании 1600 SPC/E [29] молекул воды. Для возможности сравнения дипольный момент для SPC/E был рассчитан для групп из четырех случайно выбранных молекул. Распределение, полученное для воды SPC/E, широкое, со средним дипольным моментом 4,4 Дебая. Поляризуемая вода MARTINI дает более четкое и отчетливо асимметричное распределение со средним дипольным моментом 4.9 Дебай. На этапе параметризации мы протестировали несколько альтернативных наборов параметров, чтобы улучшить перекрытие, но есть несколько противоположных факторов, которые ограничивают степень соответствия, которого можно достичь. Максимальный дипольный момент, который может быть получен с моделью поляризуемой воды CG, равен 2 ql , что соответствует 6,2 Дебая для текущей модели. Однако вода SPC / E имеет максимальный диполь, достигаемый идеальным выравниванием четырех молекул воды с диполем 2,35 Дебая каждая, что составляет 9.4 Дебай. Единственный способ расширить диапазон доступных дипольных моментов для модели ЦТ — существенно увеличить либо заряд q , либо длину l . Последний вариант невозможен (заряженные частицы должны оставаться хорошо погруженными в радиусе ЛД частицы W), тогда как первый вариант приводит к выбросу диэлектрической проницаемости (см. рис. 2б). Этому в принципе можно противодействовать сопутствующим увеличением постоянной угловой силы K θ (см.рис. 2г), что, однако, привело бы к слишком резкому распределению. В целом, поскольку наша главная цель состоит в том, чтобы создать модель, максимально точно воспроизводящую глобальные диэлектрические свойства экспериментальной воды, соответствие между распределениями поляризуемой воды MARTINI и SPC/E, как показано на рис. 4, является разумным. Следует также иметь в виду, что неясно, в какой степени распределение дипольного момента, полученное с помощью атомистической модели, действительно представляет реальную воду.

    Температурная зависимость плотности и диэлектрической проницаемости.

    Далее мы исследовали температурную зависимость плотности и диэлектрической проницаемости. На рис. 5 эти свойства, полученные в модели поляризуемой воды, сравниваются с экспериментом, охватывающим диапазон температур от 300 до 350 К. Система та же, что и для параметризации (см. выше). Начиная со значения 1043 кг м 90 108 -3 90 109 при 300 К (см. табл. 1), падение плотности модели поляризуемой воды более выражено по сравнению с экспериментом (рис. 5а). При 350 К плотность CG-воды составляет 984 кг м -3 , что всего на 1% выше, чем в реальной воде.На рис. 5б видно, что, как и плотность, диэлектрическая проницаемость CG-воды несколько сильнее зависит от температуры по сравнению с реальной водой: тогда как измеренное ε падает с 78,4 при 298 К до 60,8 при 353 К, ε CG воды уменьшается с 75,6 при 300 K до 49,0 при 350 K. В совокупности хорошо воспроизводятся экспериментальные тенденции уменьшения плотности и диэлектрической проницаемости с повышением температуры.

    Константа диффузии.

    Коэффициент самодиффузии шарика поляризуемой воды составляет D CG  = 6.25·10 −6 см 2 с −1 при 300 K, рассчитанное по среднеквадратичному смещению (msd) за эффективное время. Поскольку одна гранула CG представляет четыре реальных молекулы воды, а среднее значение msd центра масс четырех молекул в четыре раза меньше, чем среднее значение msd отдельных молекул этих молекул, эффективный коэффициент диффузии отдельных молекул воды, представленный водой CG борт 4· D CG  = 2,5·10 −5 см 2 с −1 .Это значение несколько выше, чем коэффициент самодиффузии исходной модели воды MARTINI, равный 2·10 −5 см 2 с −1 , и хорошо сравним с экспериментальным коэффициентом диффузии 2,3·10 −5 . см 2 с −1 при 300 К [30].

    Поверхностное натяжение границы раздела вода/пар.

    Чтобы проверить, отличается ли поведение поляризуемой модели от стандартной модели воды MARTINI вблизи границы раздела, мы оценили поверхностное натяжение воды/пара.Смоделированная система содержала 3708 шариков воды, расположенных в виде плиты в плоскости XY; водяная плита была окружена вакуумной плитой в направлении Z. Система моделировалась в течение 40 нс в условиях НВТ при T = 300 K. Поверхностное натяжение γ рассчитывалось как (2)где P z и P обозначают перпендикулярную и латеральную составляющие давления соответственно , < > обозначает среднее значение по ансамблю, а L — длину блока. Наша модель поляризуемой воды дала поверхностное натяжение воды/пара, равное 30.5 мН/м. Это значение хорошо коррелирует со значениями, полученными для стандартного силового поля MARTINI (30–45 мН/м в зависимости от размера системы [3]). Размер системы, используемой в этой работе, соответствует «большой» системе, использованной в работе [3], и поэтому его следует сравнивать с соответствующим значением 30 мН/м. Однако она еще весьма далека от экспериментального значения 73 мН/м [31], [32], и в этом отношении поляризуемая модель не превосходит неполяризуемую версию. Выравнивание диполей вблизи границы вода/пар наблюдается в атомистических моделях воды [33], но существенного упорядочения диполей водяных шариков ЦГ вблизи границы вода-вакуум не наблюдается (данные не показаны).Как мы покажем ниже, в случае границы раздела вода/липид действительно имеет место значительное упорядочение воды.

    Температура замерзания воды.

    Для определения точки замерзания модели поляризуемой воды была смоделирована система, содержащая 1800 поляризуемых вод при постоянном давлении 1 бар и постоянной температуре в диапазоне 270–300 К. Исходная конфигурация состояла из системы, в которой жидкость и замерзшая вода сосуществует. Моделирование проводилось в течение 100 нс. При температурах 285 К и выше наблюдалось таяние замерзшей воды, тогда как при температурах 280 К и ниже вся система в конечном итоге кристаллизовалась. Мы заключаем, что модель поляризуемой воды имеет температуру плавления 280 K < T Melt < 285 K. Хотя температура плавления немного выше экспериментальной точки замерзания (273 K), она улучшилась по сравнению со стандартной Модель МАРТИНИ, для которой Тл плавят  = 290±5 К (определены по той же методике [4]).

    Радиальные функции распределения ионных растворов.

    Чтобы изучить взаимодействие поляризуемых молекул воды с заряженными шариками CG, мы провели моделирование 0.4 М солевой раствор, состоящий из 485 СГ воды, 16 СГ хлорид-анионов (тип Q и ) и 16 СГ катионов натрия (тип Q d ). Также была смоделирована эталонная система того же состава, но содержащая неполяризуемые водяные шарики MARTINI. Обе системы моделировались в течение 200 нс при постоянном давлении 1 бар и постоянной температуре 325 К. Функции радиального распределения (ФРР) пар частиц разного типа показаны на рис. 6.

    Хорошо видно, что РФР пар вода-вода и вода-ион практически идентичны в стандартной модели MARTINI и в поляризуемой модели. Это означает, что дополнительное притяжение между шариками воды, вызванное заряженными частицами, почти точно уравновешивается уменьшенным притяжением W-частиц. Положения пиков в РФР катион-катион (что совпадает с анион-анион) и РФР катион-анион почти идентичны в поляризуемой модели и в стандартной модели. Однако высоты пиков точно не совпадают, особенно в случае взаимодействия хлорида натрия. В поляризуемой модели ХГ пара хлорид натрия имеет почти втрое большую вероятность появления по сравнению со стандартной моделью, что соответствует относительной стабилизации контактной пары порядка k B T .Какой из двух более реалистичен, трудно сказать; исходная модель была оптимизирована по отношению к конкретному набору данных атомистического моделирования, однако между атомистическими силовыми полями существуют большие различия [34]. Принимая во внимание, что образование контактной пары при низкой или средней ионной силе маловероятно из-за энтропийных причин, различия между двумя моделями, вероятно, не имеют большого значения для моделирования в физиологических условиях. Далее исследуется, верно ли это для свойств других заряженных групп, таких как головные группы липидов.

    Свойства липидного бислоя.

    Был смоделирован бислой, содержащий 128 липидов DPPC (дипальмитоилфосфатидилхолин) и 2000 CG воды, как с поляризуемой, так и с неполяризуемой моделью воды. Моделирование проводилось при постоянной температуре 323 К и постоянном давлении 1 бар. Использовалась полуизотропная муфта давления, позволяющая бислою находиться в состоянии без натяжения. Обе системы моделировались в течение 100 нс. Средняя площадь на липид составляет 0,644 нм 2 в случае неполяризуемой воды и 0.635 нм 2 в сочетании с поляризуемой водой. Как показано на рис. 7, структура бислоев практически одинакова в обоих моделях. Сложная поверхность раздела липид/вода, где ожидается значительное влияние поляризации, структурно не затронута изменением модели воды, за исключением ожидаемого увеличения плотности объемной водной фазы. Мы пришли к выводу, что репараметризация модели воды существенно не изменила структурные свойства липидного бислоя.Учитывая общее хорошее совпадение свойств бислоя для модели МАРТИНИ по сравнению с атомистическими моделями и экспериментом [4], это обнадеживает.

    В то время как структурно бислой, по-видимому, мало реагирует на присутствие поляризуемого растворителя, существует важное различие в отношении электростатического потенциала на бислое. Электростатический потенциал на бислое, полученный путем двойного интегрирования локальной плотности заряда, показан на рис. 8а для обеих моделей.Потенциал разделен на вклады воды и липидов для поляризуемой модели. В случае стандартной модели электростатический потенциал в системе создается только липидами, поскольку модель воды не имеет никаких зарядов. Из-за предпочтительной ориентации диполя фосфат-холиновой головной группы, слегка направленного в сторону фазы растворителя, внутри мембраны создается значительный отрицательный электростатический потенциал. В случае поляризуемой модели общий электростатический потенциал представляет собой сумму вкладов липидных головных групп и водяных шариков.Вклад липидов по форме аналогичен потенциалу для стандартной модели, но его величина меньше. Однако вклад поляризуемой воды противоположен, т.е. создает положительный потенциал внутри бислоя. Таким образом, вода компенсирует липидный потенциал, уменьшая общую разность потенциалов в бислое с более чем 4 В до менее чем 2 В. Это прямое и важное следствие поляризуемой природы модели. Знак полного дипольного потенциала все еще расходится с результатами моделирования АА (т.грамм. [35], [36]), которые предсказывают, что вода действительно способна сверхкомпенсировать липидный потенциал, что приводит к общему положительному дипольному потенциалу внутри мембраны.

    Рис. 8. Эффекты поляризации двойного слоя DPPC (центр двойного слоя при Z = 0).

    а) Электростатические потенциалы на бислое как для стандартной, так и для поляризуемой модели воды. б) Распределение дипольного момента поперек бислоя в случае поляризуемой воды. Показана только Z-компонента дипольного момента.

    https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1000810.g008

    Чтобы дополнительно охарактеризовать поведение шариков поляризуемой воды на границе раздела липидов и воды, мы проанализировали распределение среднего дипольного момента как для воды, так и для липидов. группы головок вдоль мембраны по нормали (ось Z). Результат показан на рис. 8б. Можно оценить четкую ориентацию диполей воды на границе раздела, уравновешивающую диполи головных групп липидов.

    Наконец, мы изучили влияние поляризуемой воды на динамические свойства липидного бислоя путем анализа латеральной диффузии липидов.Константа самодиффузии, полученная из наклона среднеквадратичного смещения липидов в длинном интервале времени, составляет 1,1±0,1·10 −7 см 2 с −1 с новой моделью поляризуемой воды. , по сравнению с 2,0±0,1·10 90 108 -7 90 109 см 90 108 2 90 109 с 90 108 -1 90 109, полученными со стандартной водой MARTINI (эффективное время; статистические ошибки из отдельного анализа двух отдельных монослоев). Таким образом, мы заключаем, что латеральная диффузия замедляется почти в два раза с новой моделью воды из-за электростатического трения между головными группами липидов и диполями воды.Обратите внимание, что оба значения согласуются с экспериментально определенными коэффициентами диффузии, которые обычно составляют около 1·10 90 108 -7 90 109 см 90 108 2 90 109 с 90 108 -1 90 109 при температурах, близких к 323 К [37], [38].

    Эффект ПМЭ.

    Суть моделей компьютерной графики в целом заключается в использовании потенциалов ближнего действия для повышения вычислительной эффективности. Этот выбор мотивирован тем фактом, что большинство взаимодействий, управляющих самоорганизацией в биомолекулярных системах, являются короткодействующими.Это относится, например, к водородные связи, стерическое отталкивание, дисперсионные взаимодействия, а также коллективные эффекты, такие как гидрофобные взаимодействия. Однако электростатические взаимодействия носят дальнодействующий характер. Подобно подходу, используемому в моделировании AA, можно было бы включить этот дальнодействующий эффект за счет использования решеточных сумм, как в PME [39]. Уже было показано, что включение дальнодействующих эффектов в моделирование с использованием стандартной модели МАРТИНИ обеспечивает более реалистичное описание взаимодействия заряженных молекул с липидными мембранами, например.грамм. в случае дендримеров [40] и антимикробных пептидов [41].

    Ожидается, что с новой моделью поляризуемой воды эффекты дальнего действия станут еще более реалистичными, учитывая явное экранирование. Чтобы проверить влияние включения дальнодействующей электростатики на равновесные свойства объемной воды, а также липидных мембран, мы пересчитали плотность и диэлектрические свойства воды, а также площадь на липид липидного двойного слоя DPPC (см. выше), используя Электростатика ПМЭ вместо смещенной отсечки.Для PME использовались отсечка в реальном пространстве 1,2 нм и шаг сетки Фурье 0,12 нм. Использование PME приводит к снижению плотности примерно на 0,6–1,1% по сравнению со смещенной отсечкой при аналогичной зависимости от температуры. В соответствии с более низкой плотностью скорость диффузии немного выше (2,5, 3,7 и 4,7·10 −5 см 2 с −1 с ПМЭ по сравнению с 2,5, 3,2 и 4,4·10 −5 см ). 2 с −1 без ФМЭ, при 300, 325 и 350 К соответственно). Кроме того, PME дает немного более высокую диэлектрическую проницаемость для температур ниже 350 K и более сильную зависимость от температуры: ε падает с 82.4 при 300 K до 49,2 при 350 K. Наконец, площадь на липид для двойного слоя DPPC составляет 0,648 нм 90 108 2 90 109 с PME, что можно сравнить с 0,635 нм 90 108 2 90 109, полученным при смещенной границе отсечки (см. выше). . Таким образом, PME и смещенная отсечка дают очень похожие результаты, и мы делаем вывод, что модель поляризуемой воды MARTINI можно одинаково хорошо использовать с обоими настройками.

    Применение модели

    Транслокация ионов через липидный бислой.

    Реалистическое описание разбиения заряженных групп на среду низкой полярности всегда было слабым местом стандартных КГ-моделей.Мы ожидаем, что с моделью поляризуемой воды приложения, связанные с переносом заряда, станут более реалистичными. Здесь мы описываем перенос ионов Na + и Cl CG через бислой DPPC посредством расчета потенциала средней силы (PMF). Настройка системы аналогична описанной выше. Для построения PMF использовалась зонтичная выборка, ограничивающая ион на разных расстояниях от центра бислоя. Всего было использовано 80 зонтичных окон для отбора проб с константой сдерживающей силы 400 кДж моль -1 нм -2 .Каждое окно моделировалось в течение 25 нс. Моделирование также проводилось с электростатикой PME, а также со стандартной моделью воды для справки. Как было сказано выше, свободная энергия гидратации ионов была сильно занижена в ранней версии силового поля МАРТИНИ [4]. В этой версии взаимодействия Q a /Q d −C 1 были установлены на уровне VIII, тогда как в более поздней версии для этих взаимодействий использовался уровень IX [3]. PMF для параметров уровня VIII (называемых «ранний MARTINI») также были рассчитаны для сравнения.

    Потенциалы средней силы (ПМС) показаны на рис. 9, а соответствующие высоты барьеров сведены в табл. 4. Хорошо видно, что ПМП для Na + и Cl весьма близки в случае стандартной модели. Барьер свободной энергии для Cl лишь незначительно выше, чем для Na + . В случае поляризуемой воды со смещенной электростатикой отсечки высота барьеров как для Na + , так и для Cl очень близка к стандартной модели.Однако формы ПМФ различны. Ширина центрального барьера для Cl больше, чем у стандартной модели. Также имеется ярко выраженная энергетическая яма для ионов Na + в области головных групп липидов, что указывает на сильное связывание Na + с головными группами. Для ионов Cl такого связывания не наблюдается. Предпочтительное связывание натрия с карбонильными группами также наблюдается в атомистическом моделировании [42], [43].

    Рисунок 9.PMF транслокации ионов Na + и Cl через бислой ДПФХ в зависимости от расстояния от центра мембраны.

    Стандартная модель воды сравнивается с моделью поляризуемой воды с электростатикой дальнего действия (PME) и без нее.

    https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1000810.g009

    В случае электростатики ПМЭ дальнодействующие взаимодействия приводят к некоторым изменениям ПМП, особенно в центральной области мембраны.Энергетические барьеры систематически выше для обоих типов ионов. Барьер для Cl возрастает даже существенно, что делает его примерно на 20 кДж моль -1 выше, чем барьер для Na + в случае ПМЭ. Общее увеличение высоты барьера при ПМЭ ранее наблюдалось при МД-моделировании и объясняется взаимодействием между периодическими изображениями системы в латеральной плоскости [44]. Следовательно, это артефакт PME. Однако относительное увеличение барьера Cl по сравнению с барьером Na + может быть реалистичным эффектом дальнего действия, поскольку он также исследуется в атомистическом моделировании (см. Ниже).Отметим также закругление вершины барьера в случае ПМЭ, отражающее параболическую форму электростатического потенциала (см. рис. 8а).

    PMF для ранних моделей MARTINI резко отличаются от PMF для других моделей. Высоты барьеров сильно занижены для обоих ионов, а разница между высотами для Na + и Cl слишком велика. Напротив, связывание Na + с головными группами значительно завышено.Интересно, что стандартный MARTINI показывает реалистичную высоту барьера, но не имеет связывания Na + с липидными головками, в то время как ранний MARTINI показывает такое связывание, но приводит к неправильной высоте барьера. Поляризуемая модель позволяет правильно описать связывание Na + наряду с реалистичными высотами барьеров.

    Представляет также интерес сравнить наши данные с PMF для транслокации ионов Na + и Cl через бислой DMPC, полученными недавно в атомистическом МД моделировании [45].Формы ИМП очень хорошо соответствуют для обоих ионов (см. рис. 9 и рис. 2 в [45]). Атомистические ПМП демонстрируют ярко выраженную энергетическую яму в области головной группы для Na + , которая также наблюдается в нашей поляризуемой модели, но не в стандартной модели. Высоты барьеров сравниваются в табл. 4. Высота барьера для Cl в поляризуемой модели с ПМЭ практически одинакова по сравнению с атомистической моделью, которая также моделировалась с ПМЭ.Барьер для Na + несколько занижен в поляризуемой модели по сравнению с атомистическими результатами, но все же показывает значительное улучшение по сравнению с неполяризуемой моделью. Обе модели предсказывают существенно большую высоту барьера для Cl по сравнению с Na + , что объясняется [45] специфическим взаимодействием иона Na + с фосфатными и карбонильными группами, облегчающими перемещение катиона. Обратите внимание, что природа нашей модели CG не позволяет нам различать длины липидных хвостов, отличающиеся только одной или двумя метиленовыми группами.Наша модель для DPPC также моделирует DMPC, и, следовательно, сравнение между нашими результатами компьютерной графики и атомистическими результатами имеет смысл и не может быть улучшено переключением на другое представление компьютерной графики. Кроме того, наша главная цель здесь — сравнить высоты барьеров. (Незначительно) другая толщина мембраны явно изменяет ширину барьера, но не столько его высоту.

    Электропорация.

    Экспериментально мембраны можно порировать с помощью процесса, называемого электропорацией, при котором к мембране или клетке прикладывается внешняя разность потенциалов.Разность напряжений на мембране из-за применения импульсов наносекундной длины оценивается до нескольких вольт. Эту установку можно воспроизвести в атомистическом моделировании мембран, применив к системе постоянное электрическое поле [46], [47], [48], [49]. Здесь мы тестировали два различных события электропорации, а именно порирование октановой плиты (как простой аналог липидного бислоя) внешним электрическим полем и порирование липидного бислоя из-за электрического поля, созданного ионным дисбалансом на мембрана.

    Электропорация октановой плитки в воде изучалась с использованием установки, очень похожей на установку, использованную при моделировании, выполненном Тилеманом с использованием атомистической модели, состоящей из 182 октана и 1802 молекул воды [50]. Наша система CG также содержала 182 молекулы октана, расположенные в виде плиты в плоскости XY, окруженной 450 поляризуемыми шариками воды. Система была смоделирована в ансамбле NP z AT, где давление в направлении Z было привязано к 1 бару, а площадь была зафиксирована на уровне 4.0×4,0 нм. Температура составляла 300 К. Электрическое поле прикладывалось в направлении Z. Использовалась напряженность поля 0,4–0,8 В нм 90 108 -1 90 109 , а моделирование выполнялось для эффективного времени 400 нс. Мы обнаружили, что поля слабее 0,5 В нм 90 108 -1 90 109 не вызывали каких-либо существенных изменений в системе на этом временном масштабе. Однако поля 0,5 В нм 90 108 -1 90 109 и выше приводят к электропорации октанового сляба. Чем сильнее поле, тем быстрее процесс, в пределах от 10 с наносекунд при E = 0.5 В нм -1 до субнаносекундной пористости при E = 0,8 В нм -1 . На рис. 10 показаны снимки процесса пористости, наблюдаемого в нашем моделировании при высокой напряженности поля. Начиная с небольшого водяного пальца, выступающего в октановую фазу, полная пора воды открывается примерно через 500 пс. Пора продолжает расти, и, в конце концов, октановая плита ориентируется параллельно внешнему полю. Очень похожий механизм наблюдается в моделировании АА, описанном Тилеманом [50], демонстрирующем воспроизводимое образование пор с полем 0.8 В нм 90 108 -1 90 109 , в масштабе времени, варьирующемся от 50 пс до 2 нс. Поле 0,5 В нм 90 108 -1 90 109 или ниже не приводило к образованию пор в этих временных масштабах. Таким образом, как напряженность поля, необходимая для инициирования образования пор, так и кинетика процесса находятся в удивительно хорошем согласии между двумя моделями.

    Рис. 10. Электропорация октанового сляба электрическим полем.

    Вода представлена ​​в виде шариков и палочек. Октановая плита изображена в виде белых прозрачных сфер.Направление и величина внешнего поля указаны стрелкой.

    https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1000810.g010

    Для электропорации липидной мембраны мы имитировали установку, использованную в атомистическом исследовании Гуртавенко и Ваттулайнена [51]. Авторы показали, что бислой DMPC из 128 липидов может порироваться за счет дисбаланса трансмембранного ионного заряда. Электрическое поле около 0,4 В нм 90 108 -1 90 109 , созданное избытком 12 ионов натрия на одной стороне бислоя, вызывало открытие поры воды в наносекундном масштабе.Наша мембранная система CG содержала 512 липидов DPPC и 5640 поляризуемых вод, расположенных в виде двойного бислоя, аналогичного атомистическому исследованию [51]. В один из отсеков с водой помещали 52 иона натрия. Эквивалентное количество ионов хлорида также было добавлено для нейтрализации системы, при этом важно учитывать, что ионы хлорида были равномерно распределены между двумя отсеками с водой. Эта установка приводит к дисбалансу ионного заряда 26e на бислой, создавая поле 0.7 В нм -1 , усредненное по системе (оценено путем интегрирования распределения заряда). Моделирование проводилось в ансамбле NP Z P XY T с давлением в нормальном (Z) направлении и боковом (X, Y) направлениях, независимо связанных с 1 бар. Температуру поддерживали на уровне 325 К, и несколько симуляций эффективно выполнялись в течение 400 нс. Электростатика дальнего действия была включена через PME.

    Последовательность событий типичного моделирования показана на рис.11. Начиная с двух неповрежденных мембран, разделяющих два водных отсека с неравным количеством ионов натрия (t = 0 нс), быстро в наносекундном масштабе (t = 1 нс) образуется небольшая водная пора. Пора начинает проводить ионы (t = 2 нс), разряжая ионный дисбаланс. Ионы натрия, и ионы хлора транспортируются в противоположных направлениях. Размер поры увеличивается до тех пор, пока не достигнет максимального размера около 4 нм в диаметре (t = 20 нс), после чего пора снова медленно закрывается, поскольку оставшееся электрическое поле становится слишком малым (t = 50 нс).После закрытия пор ионы больше не могут проникать через мембрану (t = 80 нс). Окончательное распределение ионов: 40 ионов Na + /37 Cl в компартменте, который первоначально содержал все ионы натрия, и 12 ионов Na + /15 Cl в другом компартменте. Эти числа означают, что 12 ионов Na 90 108 + 90 109 двигаются вниз по градиенту натрия, а 11 ионов Cl 90 108 — 90 109 движутся в противоположном направлении. Остаточный ионный дисбаланс снижается до 3е, а оставшееся поле разряжается до 0.04 В нм -1 . Повторные симуляции со случайно назначенными начальными скоростями показывают то же самое поведение в очень похожих временных масштабах. Поры всегда открываются в течение нескольких наносекунд, а закрытие пор наблюдается в диапазоне 10–60 нс. Однако иногда образуются две поры, но всегда в одной и той же мембране. Последовательность событий, а также кинетика процесса хорошо согласуются с наблюдаемыми в атомистическом моделировании [51]. Моделирование, в котором вместо PME использовалась стандартная схема отсечения, не привело к образованию пор.Это неудивительно, учитывая, что расстояния в 1,2 нм (радиус отсечки) недостаточно для того, чтобы ионы действительно почувствовали ионный дисбаланс через мембрану.

    Рисунок 11. Электропорация мембраны DPPC за счет ионного дисбаланса.

    Поляризуемая вода показана в виде прозрачных желтых сфер, головные группы липидов в виде голубых (холин) и золотых (фосфат) сфер, липидные хвосты в виде зеленых палочек, а ионы натрия в виде больших зеленых шаров. Формирование поры показано желтой стрелкой.Направление и величина эффективного поля указаны черной стрелкой.

    https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1000810.g011

    Мы также исследовали процесс электропорации при меньшей напряженности поля 0,3–0,7 В нм -1 и обнаружили, что поры все еще образуются спонтанно. Однако время образования пор увеличивается с уменьшением напряженности поля и может потребовать >100 нс в случае системы с ионным дисбалансом 10е (0,3 В нм -1 ).Независимо от начальной напряженности поля, мы наблюдали закрытие пор, как только поле уменьшалось до ∼0,04 В нм 90 108 -1 90 109 , что соответствует остаточному ионному дисбалансу 3-4e. Однако при начальном ионном дисбалансе 6е (0,2 В нм -1 ) спонтанного порообразования не наблюдается даже в микросекундном масштабе времени. Интересно, что при промежуточных значениях напряженности поля иногда наблюдалась утечка одиночных ионов через мембрану без образования пор. Последовательность такого события показана на рис.12. Видно, что образование крупного водного дефекта (так называемого водяного пальца [52], [53]) запускает процесс транслокации, который заканчивается соединением двух кончиков пальцев с обеих сторон мембраны. Ион остается гидратированным на протяжении всего процесса транслокации. Было замечено, что только ионы Na + пересекают мембрану таким образом.

    Рис. 12. Утечка ионов через бислой DPPC.

    Липиды показаны зеленым цветом (головы в виде сфер, хвосты в виде связей), ионы натрия — голубым, а поляризуемая вода — фиолетовыми прозрачными шариками с положительной частицей WP розовым цветом и отрицательной частицей WM оранжевым цветом.

    https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1000810.g012

    Обсуждение

    Пренебрежение ориентационной поляризуемостью во многих моделях воды, связанных с липидными силовыми полями CG [54], [55], [56], [57], [58], возможно, является одним из самых грубых сделанных приближений. Вода в этих силовых полях представлена ​​сферически симметричными местами взаимодействия либо на основе аналитических потенциалов, либо на основе эффективных потенциалов, полученных в результате атомарного моделирования. Ни одна из этих моделей воды не включает электростатические взаимодействия, что означает, что они неполяризуемые.Модель МАРТИНИ страдает тем же приближением. Неспособность образовывать трансмембранную водную пору при протаскивании липида через мембрану [3] или при связывании противомикробных пептидов [41], [59], [60] являются примерами, указывающими на недостатки стандартной модели воды MARTINI.

    Для улучшения поведения модели воды необходимо включение электростатических взаимодействий; для учета ориентационной поляризуемости минимальным требованием является наличие точечного диполя, как в моделях e.грамм. Варшел и др. [9], [10], [13] и Орси и др. [61]. Наша новая модель воды представляет собой модель с тремя шариками, состоящую из центральной частицы с двумя встроенными зарядами на пружине, и была выбрана потому, что она сочетает в себе простоту и универсальность. Она похожа на классическую модель Друде, используемую в поляризуемых полностью атомных (AA) силовых полях для имитации электронной поляризации [15], [16]. В отличие от случая AA, где заряженные частицы не имеют массы, а их положение определяется дорогостоящим самосогласованным способом, в нашей модели CG частицы несут массу и подчиняются нормальному уравнению движения.Модель имеет всего несколько регулируемых параметров, но их достаточно, чтобы воспроизвести диэлектрические свойства объемной воды, с одной стороны, и соответствовать стандартной философии MARTINI, с другой. Несмотря на ограниченное количество свободных параметров в модели, полное исследование пространства параметров практически невозможно; Руководствуясь отчасти интуицией, а отчасти путем тщательного тестирования, мы в конечном итоге остановились на сочетании параметров, которые в целом работают очень хорошо. По сравнению со стандартной моделью воды MARTINI поляризуемая модель обладает улучшенными свойствами не только в отношении ее диэлектрических свойств, но и, например, в несколько сниженной температуре замерзания.Нельзя исключать, что другие комбинации параметров могут работать еще лучше, и мы ожидаем, что в будущем будет происходить дальнейшая оптимизация модели наряду с расширением области применения модели.

    Основной причиной включения поляризуемости в модель является ожидание более реалистичного описания процессов взаимодействия заряженных и полярных групп в среде с низкой диэлектрической проницаемостью. В качестве примера мы представили два приложения, для которых стандартные модели CG, включая MARTINI, менее подходят, а именно перенос ионов через липидную мембрану и электропорацию октанового слоя и липидного бислоя.Оба процесса включают перемещение зарядов из среды с высокой диэлектрической проницаемостью (вода) в среду с низкой диэлектрической проницаемостью (внутренняя часть мембраны). Для реалистичного описания таких процессов требуется модель, способная выполнять локальное электростатическое экранирование. Два представленных приложения показывают, что, несмотря на крупнозернистость, наша модель поляризуемой воды может делать это на уровне, сравнимом с атомистическим моделированием. Это открывает путь к изучению ряда важных (био)физических процессов с использованием модели МАРТИНИ, включая поризацию мембран противомикробными и проникающими в клетку пептидами, трансфекцию ДНК, индуцированное солью слияние мембран, функционирование потенциалзависимых мембранных каналов, электропорацию и электрокинетические явления в целом.

    Наконец, важно указать на несколько ограничений модели поляризуемой воды: во-первых, она немного дороже с вычислительной точки зрения (для чистой воды моделирование замедляется примерно в три раза). Во-вторых, текущая параметризация модели еще не так тщательно протестирована по сравнению со стандартной моделью MARTINI. Например, поведение липидной фазы или влияние на белки и пептиды практически не изучены. В-третьих, несмотря на общее улучшение характеристик, некоторые свойства по-прежнему не соответствуют экспериментальным измерениям или данным атомистического моделирования.К ним относятся поверхностное натяжение воздуха/воды, которое значительно занижено, а также знак мембранного дипольного потенциала, противоположный тому, который наблюдается при более детальных силовых полях. Дальнейшее улучшение можно было бы получить, изменив аналитическую форму несвязанного потенциала (т.е. отойдя от формы LJ 12-6) и добавив поляризуемость другим шарикам в силовом поле. Последняя идея может также привести к более реалистичному описанию остова белка, что позволит описать формирование вторичной структуры с помощью MARTINI, вариант, который мы в настоящее время изучаем.Наконец, отметим, что модель поляризуемой воды MARTINI не предназначена для замены стандартной модели воды MARTINI, а должна рассматриваться как альтернатива с улучшенными свойствами в некоторых случаях, но аналогичным поведением при сниженной эффективности в других приложениях.

    Вклад авторов

    Задумал и разработал эксперименты: SOY LVS DS SJM. Выполняли опыты: SOY LVS DS DS SJM. Проанализированы данные: SOY LVS DS DS SJM. Предоставленные реагенты/материалы/инструменты для анализа: SOY LVS DS.Написал статью: SOY LVS DS SJM.

    Каталожные номера

    1. 1. Левитт М., Уоршел А. (1975) Компьютерное моделирование сворачивания белков. Природа 253: 694–698.
    2. 2. Voth GA (2008) Крупнозернистая конденсированная фаза и биомолекулярные системы. Бока-Ратон: пресса CRC.
    3. 3. Марринк С.Дж., Рисселада Х.Дж., Ефимов С., Тилеман Д.П., де Врис А.Х. (2007) Силовое поле МАРТИНИ: крупнозернистая модель для биомолекулярного моделирования. Журнал физической химии B 111: 7812–7824.
    4. 4. Marrink SJ, de Vries AH, Mark AE (2004) Крупнозернистая модель для полуколичественного моделирования липидов. J Chem Phys 108: 750–760.
    5. 5. Monticelli L, Kandasamy SK, Periole X, Larson RG, Tieleman DP, et al. (2008) Крупнозернистое силовое поле MARTINI: расширение для белков. J Chem Theory and Comput 4: 819–834.
    6. 6. Лопес К.А., Рзепела А.Дж., де Врис А.Х., Дийхуизен Л., Хуненбергер П.Х. и соавт. (2009) Крупнозернистое силовое поле Мартини: расширение до углеводов.J Chem Theory Comput 5: 3195–3210.
    7. 7. Воробьев И., Ли Л., Аллен Т.В. (2008)Оценка атомистических и крупнозернистых силовых полей для белок-липидных взаимодействий: огромная проблема ионизируемой боковой цепи в мембране. J Phys Chem 112: 9574–9587.
    8. 8. Мессер Б.М., Рока М., Чу З.Т., Викатос С., Кильштайн А.В. и др. (2009) Многомасштабное моделирование белковых ландшафтов: использование крупнозернистых моделей в качестве эталонных потенциалов для полных явных моделей. Белки 78: 1212–1227.
    9. 9. Варшел А. (1979) Расчеты химических процессов в растворах. J Phys Chem 1640–1652.
    10. 10. Варшел А., Левитт М. (1976) Теоретические исследования ферментативных реакций: диэлектрическая, электростатическая и стерическая стабилизация иона карбония в реакции лизоцима. Дж. Мол. Биол. 103: 227–249.
    11. 11. Ха-Дуонг Т., Басдевант Н., Боргис Д. (2009)Модель поляризуемой воды для моделирования крупнозернистых белков. Chem Phys Lett 468: 79–82.
    12. 12. Халгрен Т.А., Дамм В. (2001)Поляризуемые силовые поля. Текущее мнение в структурной биологии 11: 236–242.
    13. 13. Варшел А., Като М., Писляков А.В. (2007) Поляризуемые силовые поля: история, примеры и перспективы. Журнал химической теории и вычислений 3: 2034–2045.
    14. 14. Ван Белль Д., Фройен М., Липпенс Г., Водак С.Дж. (1992) Моделирование молекулярной динамики поляризуемой воды расширенным лагранжевым методом. Мол. физ. 77: 239–255.
    15. 15. Lamoureux G, MacKerell AD, Roux B (2003) Простая поляризуемая модель воды, основанная на классических осцилляторах Друде. J Chem Phys 119: 5185–5197.
    16. 16. Lamoureux G, Roux B (2003) Моделирование индуцированной поляризации с помощью классических осцилляторов Друде: Теория и алгоритм моделирования молекулярной динамики. J Chem Phys 119: 3025–3039.
    17. 17. Рик С.В., Стюарт С.Дж., Берн Б.Дж. (1994) Динамические флуктуирующие силовые поля заряда: приложение к жидкой воде.J Chem Phys 101: 6141–6156.
    18. 18. Ponder JW, Wu C, Ren P, Pande VS, Chodera JD и др. (2010) Текущее состояние поляризуемого силового поля AMAEBA. J Phys Chem B 114: 2549–2564.
    19. 19. ван дер Споэль Д., Линдал Э., Гесс Б., Гроенхоф Г., Марк А.Э. и др. (2005) GROMACS: быстро, гибко и бесплатно. J Comput Chem 26: 1701–1718.
    20. 20. Hess B, Kutzner C, van der Spoel D, Lindahl E (2008) GROMACS 4: Алгоритмы для высокоэффективного, сбалансированного по нагрузке и масштабируемого молекулярного моделирования.J Chem Theor Comp 4: 435–447.
    21. 21. Berendsen HJC, Postma JPM, van Gunsteren WF, DiNola A, Haak JR (1984) Молекулярная динамика с подключением к внешней ванне. J Chem Phys 81: 3684–3690.
    22. 22. Hess B, Bekker H, Berendsen HJC, Fraaije JGEM (1997) LINCS: Решатель линейных ограничений для молекулярного моделирования. Журнал вычислительной химии 18: 1463–1472.
    23. 23. Хамфри В., Далке А., Шультен К. (1996) VMD — Визуальная молекулярная динамика.J Molec Graphics 14: 33–38.
    24. 24. Хесс Б. (2002) Определение сдвиговой вязкости модельных жидкостей на основе моделирования молекулярной динамики. J Chem Phys 116: 209–217.
    25. 25. Нейманн М. (1983) Формулы флуктуаций дипольного момента в компьютерном моделировании полярных систем. Мол Физика 50: 841–858.
    26. 26. ван дер Споэль Д., ван Маарен П.Дж., Берендсен Х.Дж.К. (1998) Систематическое исследование моделей воды для молекулярного моделирования. J Chem Phys 108: 10220–10230.
    27. 27. Мюррелл Дж. Н., Дженкинс А. Д. (1994) Свойства жидкостей и растворов. Чичестер, Англия: John Wiley & Sons.
    28. 28. van Gunsteren WF, Berendsen HJC (1987) Интеграция термодинамического цикла с помощью компьютерного моделирования как инструмент для получения различий в свободной энергии в молекулярной химии. J Comput Aided Mol Des 1: 171–176.
    29. 29. Берендсен Х.Дж.К., Григера Дж.Р., Страатсма Т.П. (1987) Недостающий член в эффективных парных потенциалах.J Phys Chem 91: 6269–6271.
    30. 30. Миллс Р. (1973) Самодиффузия в нормальной и тяжелой воде в диапазоне 1–45°С. J Phys Chem 77: 685–688.
    31. 31. Lide DR (1990) Справочник CRC по химии и физике;. В: Lide DR, редактор. Бока-Ратон (Флорида): CRC Press.
    32. 32. Амайя Дж., Рана Д., Хорноф В. (2002) Динамическое поведение межфазного натяжения систем вода/нефть, содержащих поверхностно-активные вещества, образующиеся на месте. Журнал химии растворов 31: 139–148.
    33. 33. Сохан В.П., Тилдесли Д.Дж. (1997) Свободная поверхность воды: молекулярная ориентация, поверхностный потенциал и нелинейная восприимчивость. Молекулярная физика 92: 625–640.
    34. 34. Гесс Б., Холм С., ван дер Вегт Н. (2006) Осмотические коэффициенты силовых полей атомистического NaCl (водн.). J Chem Phys 124: 164509.
    35. 35. Zheng C, Vanderkooi G (1992)Молекулярное происхождение внутреннего дипольного потенциала в липидных бислоях: расчет электростатического потенциала.Биофиз J 63: 935–941.
    36. 36. Saiz L, Klein ML (2002) Электростатические взаимодействия в нейтральной модели фосфолипидного бислоя с помощью моделирования молекулярной динамики. J Chem Phys 116: 3052–3057.
    37. 37. Kuo AL, Wade CG (1979)Боковая диффузия липидов с помощью импульсного ядерного магнитного резонанса. Биохимия 18: 2300–2308.
    38. 38. Sheats JR, McConnell HM (1978) Фотохимический метод измерения боковой диффузии спин-меченых фосфолипидов в мембранах.Proc Natl Acad Sci USA 75: 4661–4663.
    39. 39. Дарден Т., Йорк Д., Педерсен Л. (1993) Сетка частиц Эвальда: метод N log (N) для сумм Эвальда в больших системах. J Chem Phys 98: 10089–10092.
    40. 40. Lee H, Larson RG (2008) Крупнозернистые молекулярные динамические исследования зависимости концентрации и размера дендримеров PAMAM пятого и седьмого поколений от образования пор в двойном слое DMPC. J Phys Chem 112: 7778–7784.
    41. 41. Rzepiela AJ, Sengupta D, Goga N, Marrink SJ (2010) Мембранное порирование с помощью антимикробных пептидов, сочетающих атомистические и крупнозернистые описания.Фарадеевские дискуссии 144: 431–443.
    42. 42. Бёкманн Р.А., Хак А., Хаймбург Т., Грубмюллер Х. (2003) Влияние хлорида натрия на липидный бислой. Биофиз J 85: 1647–1655.
    43. 43. Гуртовенко А.А., Ваттулайнен И. (2008) Мембранный потенциал и электростатика фосфолипидных бислоев с асимметричным трансмембранным распределением анионных липидов. J Phys Chem B 112: 4629–4634.
    44. 44. Аллен Т.В., Андерсен О.С., Ру Б. (2006)Молекулярная динамика – потенциал расчета средней силы как инструмент для понимания проникновения ионов и селективности в узких каналах.Биофизическая химия 124: 251–267.
    45. 45. Хавруцкий И.В., Горфе А.А., Лу Б., Маккаммон Дж.А. (2009) Свободная энергия для проникновения ионов Na и Cl и их ионной пары через цвиттерионный димиристоилфосфатидилхолиновый липидный бислой путем зонтичной интеграции с гармоническими бусами Фурье. JACS 11: 1706–1716.
    46. 46. Тилеман Д.П., Леонтиаду Х., Марк А.Е., Марринк С.Дж. (2003) Моделирование образования пор в липидных бислоях под действием механического напряжения и электрических полей.J Am Chem Soc 125: 6382–6383.
    47. 47. Тарек М. (2005) Мембранная электропорация: моделирование молекулярной динамики. Биофиз J 88: 4045–4053.
    48. 48. Vernier PT, Ziegler MJ (2007)Наносекундное выравнивание поля головной группы и диполей воды в электропорирующих фосфолипидных бислоях. J Phys Chem 111: 12993–12996.
    49. 49. Бёкманн Р.А., де Гроот Б.Л., Какорин С., Нойманн Э., Грубмюллер Х. (2008)Кинетика, статистика и энергетика электропорации липидной мембраны, изученные с помощью моделирования молекулярной динамики.Биофиз J 95: 1837–1850.
    50. 50. Тилеман Д.П. (2004) Молекулярная основа электропорации. BMC Биохимия 5: 10.
    51. 51. Гуртовенко А.А., Ваттулайнен И. (2005) Порообразование, связанное с транспортом ионов через липидные мембраны, вызванное трансмембранным дисбалансом ионного заряда: исследование атомистической молекулярной динамики. J Am Chem Soc 127: 17570–17571.
    52. 52. Уилсон М.А., Похорилле А. (1996) Механизм переноса ионов без посторонней помощи через мембранные бислои.JACS 118: 6580–6587.
    53. 53. Теппер Х.Л., Вот Г.А. (2006) Механизмы пассивного проникновения ионов через липидные бислои: результаты моделирования. J Phys Chem B 110: 21327–21337.
    54. 54. Шиллкок Дж. К., Липовски Р. (2002) Равновесная структура и распределение боковых напряжений амфифильных бислоев на основе моделирования динамики диссипативных частиц. J Chem Phys 117: 5048–5061.
    55. 55. Shelley JC, Shelley MY, Reeder RC, Bandyopadhyay S, Moore PB, et al.(2001) Моделирование фосфолипидов с использованием крупнозернистой модели. J Phys Chem 105: 9785–9792.
    56. 56. Извеков С., Вот Г.А. (2005)Многомасштабный крупнозернистый метод для биомолекулярных систем. J Phys Chem 109: 2469–2473.
    57. 57. Краненбург М., Смит Б. (2005) Фазовое поведение модельных липидных бислоев. J Chem Phys 109: 6553–6563.
    58. 58. Любарцев А.П. (2005) Многомасштабное моделирование липидов и липидных бислоев. Европейский журнал биофизики с письмами по биофизике 35: 53–61.
    59. 59. Bond PJ, Parton DL, Clark JF, Sansom MSP (2008)Грубое моделирование мембраноактивного противомикробного пептида макулатина 1.1. Биофиз J 95: 3802–3815.
    60. 60. Thøgersen L, Schiøtt B, Vosegaard T, Nielsen NC, Tajkhorshid E (2008) Агрегация пептидов и образование пор в липидном бислое: комбинированное крупнозернистое и всеатомное молекулярно-динамическое исследование. Биофиз J 95: 4337–4347.
    61. 61. Орси М., Хаубертин Д.Ю., Сандерсон В.Е., Эссекс Дж.В. (2008)Количественная крупнозернистая модель липидных бислоев.J Chem Phys 112: 802–815.
    .

    alexxlab

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.