¹Институт математических проблем биологии – филиал Института прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН, 142290 Пущино, Россия
²Школа естественных наук и математики, Уральский федеральный университет, Екатеринбург, Россия
³Отдел техники керамики и стекла, Центр исследования керамики и композитов, Университет Авейро, Авейро, Португалия
⁴Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Москва, Россия

Аннотация. Структура и свойства пептидных нанотрубок дифенилаланина на основе фенилаланина были исследованы различными методами молекулярного моделирования. Основным подходом были полуэмпирические квантово-химические методы (PM3 и AM1). Были также использованы методы теории ab initio и функционала плотности, а также различные методы молекулярной механики. Были исследованы как модельные молекулярные структуры, так и молекулярные структуры, построенные на основе экспериментальных данных извлеченных из кристаллографических баз данных, полученных рентгеновскими методами. Сравнение оптимизированных модельных структур и структур, полученных в эксперименте при их естественной самосборке, показало их важные различия в зависимости от их хиральности: правой (D) и левой (L). В обоих случаях было установлено влияние хиральности на результаты самосборки пептидных нанотрубок дифенилаланина: нанотрубки на основе D-дифенилаланина имеют большую энергию конденсации E₀ в поперечном направлении и образуют более толстые и более короткие пучки нанотрубок, чем пептидные нанотрубки на основе L-дифенилаланина. Было установлено также и их топологическое различия: искусственные модели пептидных нанотрубок были оптимизированы в структуры, состоящие из колец, в то время как пептидных нанотрубки полученные после их естественной самосборки в эспериментальных условиях, как оказалось, состояли из спиральных витков. Эти последние нанотрубки отличались и по исходным хиральностям аминокислот дипептидов (L-дифенилаланин и D-дифенилаланин) и образовывали спиральные структуры другого знака хиральности в соответствии с правилом чередования хиральности с ростом иерархии макромолекул. На основе L-фенилаланина возникали D-спиральные структуры, а на основе L-фенилаланина образовались в эксперименте D-спиральные структуры. Полная энергия при оптимальных расстояниях между двумя кольцевыми структурами нанотрубок была глубже для L-дифенилаланина (–1.014 эВ), чем для D-дифенилаланина (–0.607 эВ) для их кольцевых моделей, тогда как для витков спирали они были примерно одинаковы и имели значения для L-дифенилаланина (–6.18 эВ) и для D-дифенилаланина (–6.22 эВ) пр расчетах методом методом PM3; для методов молекулярной механики изменения энергии были порядка 2–3 эВ в обоих случаях. Обсуждается также топологический переход между кольцевыми и спиральными структурами пептидных нанотрубок: самоорганизующиеся естественным образом спиральные структуры стабильнее и более предпочтительны, чем кольцевые, и имеют энергию ниже на величину порядка 1 эВ при расчетах методами молекулярной механики и около 5 эВ при расчетах квантовым методом PM3.

Ключевые слова: дифенилаланин, пептидная нанотрубка, молекулярное моделирование, полуэмпирические методы, DFT, методы ab initio, методы молекулярной механики, топология, самосборка.