Исследование белковых молекул на модельном эксперименте

[Bobinwl]

Идея такая: в нашем макромире создать белковую молекулу из некоторого конструктора, как делают наглядные модели. Состав:
- шарики атомов (углерод, водород, кислород, азот, сера и т.д. в правильном соответствии с их атомным весом),
- "пружинки" межатомных связей, повторяющие форму электронных орбиталей. Очевидно, что пружинки должны быть "не по закону Гука", а аналогичные для зависимости силы от расстояния для межатомного взаимодействия.
- очевидно, что "шариков атомов" / пружинок связей будет очень много. Для крупного белка примерно порядка $10^4$ шариков.

Т.е. наделать столько шариков / пружинок не проблема. Для сборки потребуется автоматизированная линия - что то типа макро-рибосомы.
Далее этот макро белок как нибудь изолируют от гравитации (ну не на МКС конечно, а в бассейне к примеру) и смотрят за его поведением. "Тепловые макро-колебания" передают на конструкцию переменным магнитным полем к примеру.
Понятно, что звучит как бред. Но есть ли принципиальные проблемы (кроме сложности и стоимости) в моделировании белка таким образом?
Можно даже упросить себе жизнь и создавать (штамповать) уже заготовки аминокислот "без прорисовки" составляющих аминокислоты атомов, а лишь воспроизведя "общий контур" и свободные связи.

Вот что уже ответили разумные люди (я начал в другой теме):

Bobinwl в сообщении #710428 писал(а):

Sergey K в сообщении #710393 писал(а):

фуллерен - это не шарик и не мячик. это как система пружинок не подчиняющихся закону Гука.

У меня кстати будет вопрос по этому поводу. Интересно было бы прояснить одно "мыслепреступление". Возникла дурацкая идея - нельзя ли белковые молекулы "рассчитывать" на физических моделях. Т.е. с помощью модельных экспериментов "на шариках с пружинками" (воссоздающих особенности межатомного взаимодействия). Создам отдельную тему.

Sergey K в сообщении #710454 писал(а):

так делают экономя производительность. Разбивают белок на функциональные блоки, подбирают между ними потенциалы (могут и пружинками, но давно такого не встречал) и вперед. Если интересуетесь смотрите Leach A.R. (2001) Molecular modelling. Principles and applications. Ничего особо интересно в этом и нет... Это все от отсутствия квантовых компьютеров

zask в сообщении #710475 писал(а):

На Gromacs-е уже порядка десяти лет считают. И без пружинок, с реалистичными потенциалами (например, Леннард-Джонс). Рассчитывают и белки и сложные молекулы и фазовые переходы для простых молекул. Для аргона наблюдают зародыши фазового перехода жидкость/газ, рассчитывают парную функцию распределения при совпадении с экспериментом в пределах толщины линий на графике.

Про Gromacs скажу - идея в том, чтобы не считать на компьютере, а попытаться осилить задачу "аналоговым" моделированием. Можно ли воспроизвести (если конечно очень сильно постараться) на макромодели поведение молекулы?

[myhand]

Bobinwl в сообщении #710514 писал(а):

Про Gromacs скажу - идея в том, чтобы не считать на компьютере, а попытаться осилить задачу "аналоговым" моделированием.

Зачем?!

[Sergey K]

вы размер молекулы прикиньте) если делать нечто подобное, то встает проблема размеров (или придется моделировать целые функциональные блоки), пружинки ОЧЕНЬ плохо имитируют потенциал взаимодействия, силы ван-дер-ваальса между молекулами вообще непонятно как делать, диполи, а влияние гравитации уже чувствуется...

[Bobinwl]

myhand в сообщении #710536 писал(а):

Зачем?!

Денег сэкономить. Я же говорил - всего десять тысяч шариков на пружинках и ключик к белку у нас в кармане.

[ant224]

Bobinwl в сообщении #710580 писал(а):

всего десять тысяч шариков на пружинках и ключик к белку у нас в кармане.

Для того, чтобы собрать эти 10000 шариков, надо для начала, знать строение молекулы. Но, если знаешь строение, так зачем дублировать то, что уже знаешь?
Строение многих молекул известно, но исследование их свойств является главной задачей.
Нельзя представлять молекулу в виде соединённых шариков для исследования их свойств, в частности химических, так как они определяются взаимодействиями электронов в первую очередь и ядер атомов во вторую.
Атомные орбитали в молекуле преобразуются в молекулярные и неизвестно, куда конкретный электрон двинется в молекуле и в какой части её локализуется.
Чтобы говорить о какой-то механической модели, то сначала надо смоделировать что-то простое, например, образование молекулы водорода.
Вижу это так: берём 2 одинаковых тела, заряженные положительно (протон) и располагаем их на строгом расстоянии. При этом, нужно иметь устройство для замера сил взаимодействия между этими телами.
На каждом из тел есть прорезь и внутри моторчик со стержнем, на конец которого прикручено отрицательно заряженное тело (электрон).
Для простоты, сначала, исследуется движение в 1 плоскости.
Частота и фаза вращения каждого электрона должна регулироваться.
Вот и всё. Если, при определённой частоте и фазе вращения электронов появится сила притяжения, то есть возможность построить механическую модель.

[Munin]

На компьютере всё это считать намного легче, чем из реальных шариков и пружинок.

[parton aka]

(Оффтоп)

ant224 в сообщении #710631 писал(а):

Вижу это так: берём 2 одинаковых тела, заряженные положительно (протон)....со стержнем, на конец которого прикручено отрицательно заряженное тело (электрон).

Это замечательно, но вот чем\как $\alpha$ будем "имитировать"? :)

[myhand]

Bobinwl в сообщении #710580 писал(а):

Денег сэкономить.

Сколько конкретно денег, почему вы уверены что меньше?

[vicont]

Bobinwl в сообщении #710514 писал(а):

Понятно, что звучит как бред. Но есть ли принципиальные проблемы (кроме сложности и стоимости) в моделировании белка таким образом?

Таким образом молекулы моделируются в молекулярной механике. Я тут нашел ее краткое описание:
МОЛЕКУЛЯРНАЯ МЕХАНИКА (м е т о д а т о м-а т о м н ы х п о т е н ц и а л ь н ы х ф у н к ц и й), расчетный эмпирич. метод определения геом. характеристик и энергии молекул. Основан на предположении о том, что энергия Е молекулы м. б. представлена суммой вкладов, к-рые м. б. отнесены к длинам связей , валентным углам и двугранным (торсионным) углам (соответствующие компоненты энергии обозначаются Eсв, Евал и Етор). Кроме того, в общем выражении для энергии всегда имеется член Евдв, отражающий ван-дер-ваальсово взаимод. валентно не связанных атомов, и член Екул, учитывающий электростатич. взаимод. атомов и обусловливающий наличие эффективных атомных зарядов. Т. обр., полная энергия молекулы представляется суммой:
Для расчета первых двух слагаемых чаще всего применяют известный из механики Гука закон (отсюда назв. метода):

Аналит. выражение для энергии Етор, напр. для молекулы С2Н6, имеет вид:

где V3 - потенц. барьер внутр. вращения. Энергии Евдв и Екул рассчитывают по ф-лам Леннард-Джонса или Букингема для модельных потенциалов (см. Меж молекулярные взаимодействия, Невалентные взаимодействия). Параметры kr, ka, r0, a0 и др. во всех используемых ур-ниях подбираются таким образом, чтобы удовлетворить эксперим. структурным и термохим. данным для простейших молекул, выбираемых в качестве эталонов (для углеводородов эталонными молекулами служат СН4, С2Н6 и нек-рые др.). Полученный набор параметров затем применяют для расчета характеристик молекул определенного класса соед. (напр., предельных углеводородов, спиртов и т.п.), а также для исследования неизученных в-в. Расчет по методу молекулярной механики состоит в минимизации каждого из энергетич. вкладов, что дает оптим. значения r, a и t и энергии Е молекулы в целом. Спец. программы для ЭВМ требуют гораздо меньше машинного времени, чем квантовохим. расчеты, а точность предсказаний сравнима с погрешностью структурных и термохим. измерений.

Метод молекулярной механики позволяет получать информацию для полного описания геометрии разл. конформеров в осн. состоянии и в седловых точках на пов-сти потенц. энергии (ППЭ), а также геом. строения в кристалле. Определяют также теплоты образования, энергии напряжения, энергии отдельных конформеров и высоты барьеров для конформац. превращений, частоты колебаний, распределения электрич. заряда, дипольные моменты, хим. сдвиги в спектрах ЯМР, скорости хим. р-ций и др. Диапазон применения молекулярной механики велик: от простых молекул до полисахаридов и белков. В сочетании с др. методами, в частности газовой электронографией и рентгеновским структурным анализом, надежность и точность определения геом. характеристик повышается.

На основе расчета структурных параметров и энергии молекул в равновесном состоянии исследуют возможности внутри- и межмол. движений, составляющих предмет изучения мол. динамики.

Молекулярная механика разработана в 60-х гг. 20 в. Т. Хиллом и А. И. Китайгородским. Термин предложен Л. Бартеллом в 1958.
http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2655.html

В любом случае компьютерный рассчет проще.

[Bobinwl]

Munin в сообщении #710648 писал(а):

На компьютере всё это считать намного легче, чем из реальных шариков и пружинок.

Ну да, после того как прикинул сколько "шариков" в даже простом белке, как то энтузиазма поубавилось.

myhand в сообщении #710662 писал(а):

Сколько конкретно денег, почему вы уверены что меньше?

Это была ирония и отсылка к Буратино: "Ещё десять тысяч вёдер и золотой ключик у нас в кармане!" Я как бы понял, что идея утопическая. Но все равно спасибо за ваше внимание к теме.

-- 16.04.2013, 10:37 --

ant224 в сообщении #710631 писал(а):

Для того, чтобы собрать эти 10000 шариков, надо для начала, знать строение молекулы. Но, если знаешь строение, так зачем дублировать то, что уже знаешь?

Вот именно! Хочется например изучить складку белка из нити (folding), но для этого надо знать во что это свернется и какой атом с каким свяжется. Т.е. действительно "пружинки" не подойдут (даже растягиваемые не по закону Гука а так как более менее в реальности). Нужно вводить межатомное взаимодействие - да еще разных видов - химические связи, силы ван-дер-вальса, учитывать влияние растворителя (воды) и т.д. - т.е. их тоже нужно в модель включать. У меня идей кроме как "шарики на управляемых магнитиках" нет. Уныло.. С моторчиком я думаю, вы переборщили. Достаточно анализировать расстояние между шариками - атомами и динамически менять силу притяжения / отталкивания между ними, чтобы воспроизвести реальное межатомное взаимодействие. Вырисовывается сложное и дорогое устройство каждого шарика. А еще говорят, что эти частицы элементарные.