Details

Данная работа посвящена разработке и применению вычислительного метода анализа солевых мостиков, позволяющего находить и анализировать солевые мостики - ионные взаимодействия между заряженными аминокислотными остатками в МД траекториях. Солевые мостики играют важную роль в стабилизации пространственной структуры белков, формировании межсубъединичных контактов и регуляции конформационной подвижности. Для количественного анализа таких взаимодействий требуется инструмент, способный корректно идентифицировать химически допустимые зарядонесущие группы и эффективно обрабатывать большие молекулярно-динамические траектории. В работе проведён анализ устаревшей реализации gmx_saltbr, входившей в состав пакета GROMACS. Разработан новый модуль gmx_saltbridge, интегрированный в современный C++-фреймворк анализа траекторий GROMACS. В новой реализации применён химически строгий критерий отбора заряженных групп. Валидация модуля выполнена на тестовых белковых системах и кристаллографических структурах. Сравнение старой и новой реализаций проведено по потреблению оперативной памяти, времени выполнения, специфичности определения. Полученные результаты показывают, что разработанный модуль обеспечивает более корректное определение солевых мостиков.

This work is devoted to the development and application of a computational method for the analysis of salt bridges, which makes it possible to detect and study salt bridges — ionic interactions between charged amino acid residues — in molecular dynamics trajectories. Salt bridges play an important role in stabilizing the spatial structure of proteins, forming intersubunit contacts, and regulating conformational mobility. Quantitative analysis of such interactions requires a tool capable of correctly identifying chemically valid charge-bearing groups and efficiently processing large molecular dynamics trajectories. The work includes an analysis of the outdated implementation of gmx_saltbr, which was previously part of the GROMACS package. A new gmx_saltbridge module was developed and integrated into the modern C++ trajectory analysis framework of GROMACS. The new implementation applies a chemically strict criterion for selecting charge-bearing groups. The module was validated on test protein systems and crystallographic structures. The old and new implementations were compared in terms of RAM usage, execution time, and detection specificity. The results obtained show that the developed module provides more accurate detection of salt bridges.

• ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ 8
• ВВЕДЕНИЕ 10
• ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 13
• 1.1. Аминокислоты 13
• 1.2. Белки 15
• 1.3. Солевые мостики 16
• 1.4. Молекулярная динамика как метод исследования солевых мостиков 20
• 1.5. Силовые поля и проблема описания заряженных групп 22
• 1.6. Пакет GROMACS 23
• 1.7. Существующие инструменты определения солевых мостиков и их ограничения 24
  • ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ 28
• 2.1. Основной принцип метода поиска солевых мостиков 28
• 2.2. Исходные данные и тестовые белковые системы 29
• 2.3. Биофизический критерий идентификации солевых мостиков 32
• 2.4. Аналитическая модель потребления памяти исходной реализации 33
• 2.5. Алгоритм нового модуля gmx_saltbridge 35
• 2.7. Формат выходных данных и последующая обработка 40
• 2.8. Методика валидации биофизической корректности 42
• 2.9. Методика сравнения вычислительной эффективности 43
  • ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ 45
• 3.1. Валидация биофизической корректности модуля 45
• 3.2. Анализ динамики солевых мостиков в тестовых системах 54
• 3.3. Сравнительный анализ вычислительной эффективности 62
  • ЗАКЛЮЧЕНИЕ 65
  • СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 70
• ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ
• ВВЕДЕНИЕ
• ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
  • 1.1. Аминокислоты
  • 1.2. Белки
  • 1.3. Солевые мостики
    • 1.3.1. Химическая природа и определение
    • 1.3.2. Критерии определения
    • 1.3.3. Биофизическое значение
    • 1.3.4. Динамика солевых мостиков
  • 1.4. Молекулярная динамика как метод исследования солевых мостиков
    • 1.4.1. Принципы метода молекулярной динамики
    • 1.4.2. Ограничения классического приближения
  • 1.5. Силовые поля и проблема описания заряженных групп
    • 1.5.1. Семейства силовых полей
    • 1.5.2. Проблема идентификации заряженных групп
  • 1.6. Пакет GROMACS
    • 1.6.1. Пакет программ GROMACS
    • 1.6.2. Фреймворк анализа траекторий
  • 1.7. Существующие инструменты определения солевых мостиков и их ограничения
    • 1.7.1. VMD Salt Bridges Plugin
    • 1.7.2. CPPTRAJ
    • 1.7.3. gmx_saltbr
• ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
  • 2.1. Основной принцип метода поиска солевых мостиков
  • 2.2. Исходные данные и тестовые белковые системы
    • 2.2.1. Тестовые белковые системы
    • 2.2.2. Подготовка молекулярно-динамических траекторий
  • 2.3. Биофизический критерий идентификации солевых мостиков
  • 2.4. Аналитическая модель потребления памяти исходной реализации
  • 2.5. Алгоритм нового модуля gmx_saltbridge
    • 2.5.1. Инициализация и формирование заряженных групп
    • 2.5.2. Поиск потенциальных контактов
    • 2.5.3. Покадровая потоковая обработка
  • 2.7. Формат выходных данных и последующая обработка
  • 2.8. Методика валидации биофизической корректности
  • 2.9. Методика сравнения вычислительной эффективности
• ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
  • 3.1. Валидация биофизической корректности модуля
    • 3.1.1. Сравнение с gmx_saltbr
    • 3.1.2. Верификация на кристаллографической структуре Браззеина
    • 3.1.3. Верификация на кристаллографической структуре апо-формы лактоферрина человека
    • 3.1.4. Верификация на кристаллографической структуре полимеразы PB1 вируса гриппа A
    • 3.1.5. Общий результат проверки на кристаллографической структуре
  • 3.2. Анализ динамики солевых мостиков в тестовых системах
    • 3.2.1. Браззеин
    • 3.2.2. Апо-форма лактоферрина человека
    • 3.2.3. Субъединица PB1 полимеразы вируса гриппа A
  • 3.3. Сравнительный анализ вычислительной эффективности
    • 3.3.1. Потребление оперативной памяти
    • 3.3.2. Время выполнения
• ЗАКЛЮЧЕНИЕ
• СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ