SUPERVISOR
بیژن نجفی (استاد راهنما) سامان علوی شوشتری (استاد راهنما) حسین فرخ پور (استاد مشاور) سیف اله جلیلی (استاد راهنما)
STUDENT
Afsaneh Maleki
افسانه مالکی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده شیمی
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1385
TITLE
Molecular Dynamics Simulations of Biological Molecules on Surfaces and in Membranes: Adsorption and Pattern Formation of DNA Bases on the Au(111) Surface and the Amyline Peptide in the Dioleoylphosphatidylcholine Bilayer Membrane
Investigating of the mechanism of self-assembly of bases of deoxyribonucleic acid (DNA) on the Au(111) surface showes that at 300 and 400 K and at low coverage, guanine, adenine, and thymine form hydrogen bonded chains on the surface, while cytosine molecules cluster into islands. At larger coverage, simulations indicate that adenine molecules form ordered two-dimensional hexagonal structures, while guanine, cytosine, and thymine molecules aggregate into small random clusters. These observations agree with scanning tunneling microscopy (STM) experiments of the DNA bases on gold surfaces. The hydrogen bond interactions and stability of base _ base homopairs, which are the smallest components of the self-assembled structures on the Au(111) surface, are calculated and compared with calculations of the homopairs in the gas phase and with values available in the literature. The binding energies per base on the surface initially decrease in magnitude with increasing surface coverage and then reach constant plateau at large coverages. The mechanisms of molecular mobility for the bases with one molecule coverage on the surface are analyzed at two temperatures. The study of amylin peptid in dioleoylphosphatidylcholine (DOPC) is performed using molecular dynamics simulations. Dynamics and traort properties of the peptide and phospholipids bilayer are investigated. The lateral diffusion of DOPC is in the order of 10 -8 cm 2 s -1 and is in agreement with the experimental results. Order parameter, thickness, density profile and area per head group of lipids in membranes are calculated. The second structure shows that the amino acids in two terminals are structureless and two ?-helix segments in the peptide are connected through an unstructured link. This structure is similar to experimental structure in the quasi membrane. Root mean square deviations and root mean square fluctuations of peptide are calculated. Free energy calculations of the mutation of Ile-26 ? Pro-26 in the amylin peptide are performed in bilayer membrane and aqueous solution using molecular dynamics simulations and cyclic thermodynamics. It is shown that the amount of ?-helix of mutated peptide in aqueous solution reduce to 5-helix whereas this configuration preserve in bilayer membrane. It is interesting that accessible surface areas increase for hydrophobic amino acids in membrane environment and for hydrophilic amino acids in aqueous solution when coupling parameter changes from 0 to 1. At the end, radius of gyration of peptide are calculated.
در این رساله، از روش دینامیک مولکولی برای مطالعه رفتار باز های دزوکسی ریبونوکلئیک اسید (DNA) روی سطح طلا، بررسی رفتار دینامیکی و ساختاری پپتید آمیلین در غشا دولایه ای DOPC و نیز محاسبه تغییرات انرژی گیبس پپتید آمیلین در اثر جهش ایزولوسین به پرولین در دو محیط متفاوت آب و غشا استفاده شده است. در فصل اول توضیحاتی درباره شبیه سازی دینامیک مولکولی ارائه شده است. در فصل دوم دینامیک بازهای DNA جذب شده روی سطح (111) طلا به کمک شبیه سازی های دینامیک مولکولی مورد مطالعه قرار گرفته است. مکانیسم حرکت مونومرها و جفت های همسان بازهای DNA بر روی سطح (111) طلا در دماهای K 300 و K 400 بررسی شده است. تغییرات انرژی پیکربندی بازهای DNA به صورت تابعی از پوشش سطحی مورد توجه قرار گرفته است. انرژی پیوندی جفت های همسان بازهای DNA روی سطح (111) طلا با انرژی پیوندی این جفت ها در فاز گازی مقایسه شده است. در بررسی مکانیسم خود تجمعی باز هایDNA بر سطح (111) طلا مشخص شد که در دما های K 300 و K 400 و در پوششهای کم، گوانین، آدنین و تیمین روی سطح به صورت زنجیر مانند شکل می گیرند، در حالی که مولکولهای سیتوزین به صورت خوشه ای مجتمع می شوند. شبیه سازی پوشش های بالاتر نشان می دهد که مولکولهای آدنین ساختار شش ضلعی، در حالی که مولکولهای گوانین، سیتوزین و تیمین ساختار های خوشه ای را روی سطح تشکیل می دهند. این مشاهدات با نتایج حاصل از میکروسکوپ تونل زنی روبشی(STM) باز های DNA بر روی سطح طلا همخوانی دارد. انرژی پیوندی و پایداری جفت های همسان که کوچکترین واحد سازنده ساختارهای خود تجمعی روی سطح طلا است محاسبه شد و با محاسبات انرژی پیوندی جفت های همسان در فاز گازی و مقادیر قابل دسترس در مطالعات قبلی مقایسه شد. انرژی های پیوندی به‌ازای یک مولکول باز روی سطح با افزایش پوشش سطح کاهش می یابند و سپس در پوشش های بالا به مقداری ثابت می رسند. همچنین مکانیسم تحرک بازها در پوشش های تک مولکولی در دو دمای متفاوت تجزیه و تحلیل شد. فصل سوم شبیه سازی دینامیک مولکولی پپتید آمیلین در لیپید دولایه دی اولوئیل فسفاتیدیل کولین (DOPC) و در فصل چهارم تغییرات انرژی آزاد گیبس پپتید آمیلین در اثر جهش ایزولوسین به پرولین در دو محیط متفاوت آب و غشا محاسبه شده است. دینامیک و خواص انتقالی پپتید و فسفولیپید دولایه در این سامانه بررسی شد. مقدار نفوذ جانبی لیپید از مرتبهcm 2 s -1 8- 10 است و در توافق با مقدار تجربی است. پارامتر نظم لیپید، ضخامت، توزیع دانسیته لیپید دو لایه و مساحت سر هر گروه لیپید درغشا نیز محاسبه شدند. بررسی ساختار دوم پپتید نشان داد که اسید آمینه ها در دو پایانه بدون ساختارند. ساختار دوم نشان دهنده وجود دو ساختار آلفا پایدار است که با استفاده از یک رابط بدون ساختار به هم متصل شده اند. این ساختاردوم مشابه ساختار تجربی در محیط شبه غشا است. از جمله خواص دینامیکی که برای پپتید محاسبه شد، افت و خیز جذر میانگین مربع (RMSF)و انحراف جذر میانگین مربع است. همچنین محاسبات انرژی آزاد جهش Ile26 ? pro26 پپتید آمیلین در حلال آب و در غشا DOPC با استفاده از شبیه سازی دینامیک مولکولی و چرخه ترمودینامیکی صورت گرفت. نشان داده شد که مقدار ساختار های مارپیچ آلفا پپتید جهش یافته در حلال آب کاهش می یابد و مارپیچ 5 افزایش می یابد، در حالی که پپتید ضمن جهش در غشا ساختار مارپیچ آلفا خود را همچنان حفظ می کند. نکته جالب این است که با تغییر پارامتر جفت شدگی از صفر به یک در محیط غشایی، مساحت سطح قابل دسترس آمینواسید های آب گریز افزایش می یابد، در حالی که در محیط آبی مساحت سطح قابل دسترس آمینواسید های آب دوست بیشتر می شود. در انتها، شعاع چرخش میانگین پپتید جهش یافته در هر دو سامانه محاسبه شد.