۵-۲-شروع شبیه سازی:
از آنجا که بررسی برهمکنش گرافن و پروتئین یکبار در محیط آبی و بار دوم بدون حضور آب انجام گرفته است. پس در هر قسمت از این فصل علاوه بر توضیح نتایج به دست آمده به بررسی برهمکنش در محیط آبی و بدون آب خواهیم پرداخت. یادآوری می کنیم که راه اندازی شبیه سازی برای هر دو مورد یکسان بوده و تمام مراحل شبیه سازی با نرم افزار متن باز لمپس انجام گرفته است.

(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))

سیستم شبیه سازی ما یک جعبه به ابعاد x=74cm y=74cm z=40cm انتخاب شده است. یک گرافن به ابعاد cm50در cm 50در وسط جعبه قرار می دهیم( شکل۵-۱):
(شکل ۵-۱):سیستم شامل:آب،پروتئین و گرافن
پروتئین را در ابتدا در فاصله z=10از گرافن و در بالای آن قرار می دهیم. سپس کل جعبه را با مولکولهای آب با چگالی gr/ml 1 پر می کنیم بطوری که گرافن و پروتئین در داخل آب قرار می گیرند. تعداد اتم های کربن گرافن ۱۰۰۸ است و تعداد اتم های این پروتئین کوچک ۱۴۳ و همچنین تعداد مولکولهای آب در حدود ۶۰۰۰می باشد. در کل، این شبیه سازی تعداد ۱۹۱۵۱ اتم دارد. در این شبیه سازی، اتم های کربن در گرافن بار جزیی ندارند، این به این دلیل است که بار جزیی موجود در روی اتم کربن خیلی کوچک بوده و دائماً در حال تغییر است.در نتیجه و با توجه به اینکه نیروی کولنی ایجاد شده توسط این بارهای کوچک در مقایسه با نیروی واندروالسی کربن کوچک است، نادیده گرفته شد. برهمکنش داخلی بین اتم های کربن در گرافن با پتانسیل ترسوف مدل شده است. این پتانسیل سه جسمی است و برای سیستم های کوالانی مناسب تشخیص داده شده است. گرافن نیز دارای پیوندهای بین اتمی کوالانی می باشد. برهمکنش بین اتمی برای پروتئین در نظر گرفته شده با کد۲OTQ و همچنین بین اتم های آب را با میدان نیروی چارم مدل کرده ایم. مدل آب استفاده شده در این کار TIP3P بوده است که از پارامترهای میدان نیرو بهره می گیرد. برهمکنش دیگری که باید در نظر گرفت مربوط به برهمکنش گرافن با بقیه سیستم (شامل آب و پروتئین) است. این برهمکنش بدلیل نداشتن بار جزیی روی اتم های گرافن، فقط پتانسیل لنارد-جونز خواهد بود. بدین منظور ما بایستی ضرایب پتانسیل را برای اتم کربن گرافن داشته باشیم. برای این موضوع، ما از ضرایب لنارد-جونز اتم کربن حلقه فنیل در اسید آمینه فنیل آلانین همانطور که در (شکل ۵-۲):نشان داده شده است، استفاده کردیم.
(شکل ۵-۲): اتم کربن حلقه ی فنیل
دلیل این کار این است که، اتم کربن روی حلقه فنیل همانند کربن روی گرافن با سه اتم کربن در تماس است و شرایط آنها یکی است. بنابراین با دقت قابل توجه همان ضرایب لنارد-جونز برای اتم کربن گرافن نیز قابل استفاده است.
پارامترهای لنارد جونز برای کربن بصورت و می باشد.
پروتئینی را استفاده کرده ایم که پروتئین ضد میکروب می باشد و دارای توالی رزیجو های زیر می باشد.
ID : 2OTQ {ARG، ARG، TRP، PHE، TRP، ARG}
در ابتدا سیستم را با حضور آب بررسی می کنیم. این سیستم همانند سیستم بدون حضور آب است چه از نظر برهمکنش ها و چه از لحاظ پیکربندی اولیه. بنابراین هر توضیحی درباره نحوه شبیه سازی برای سیستم با حضور آب و سیستم بدون حضور آب یکسان خواهد بود. همه ی شبیه سازی ها با بهره گرفتن از بسته رایگان انجام شده است.
حال برای به تعادل رساندن دمای سیستم، آن را درآنسامبل همراه با دینامیک لانژون قرار می دهیم. سیستم در مدت زمان به تعادل گرمایی می رسد. سپس سیستم را برای تحول در آنسامبل قرار می دهیم. این آنسامبل برای کنترل فشار و دما از الگوریتم بهره میگیرد. دما را ۳۰۰ کلوین و فشار را یک اتمسفر انتخاب می کنیم تا شرایط آزمایشگاه را بتوانیم ایجا کنیم. گام زمانی را یک فمتوثانیه در نظر گرفتیم. در شرایط دمای ۳۰۰ کلوین و فشار ۱ اتمسفر سیستم به اندازه ۵۰ پیکوثانیه حرکت می کند تا فشار و دما به این مقدار برسند، سپس سیستم به اندازه۲ns با همین شرایط متحول می شود. داده ها را هر ۱۰۰۰ گام ذخیره و بعنوان نتیجه آورده خواهد شد. کمیت هایی که اندازه گرفتیم: فاصله متوسط پروتئین از گرافن، انرژی واندروالسی برهمکنشی بین پروتئین و گرافن برحسب زمان وارتفاع ، آبدوستی و آبگریزی اسیدهای آمینه پروتئین، شعاع ژیراسیون پروتئین بر حسب زمان، مساحتی که پروتئین بیشترین زمان را روی گرافن می گذارد.
۵-۳-نتایج شبیه سازی
حرکت خود به خودی پروتئین به سمت مرکز گرافن با بهره گرفتن از شبیه سازی دینامیک مولکولی مشاهده گردید.(شکل۵-۳): پیکربندی اولیه سیستم در لحظه و (شکل ۵-۴):پیکربندی سیستم در زمان را نشان می دهد.
(شکل۵-۳):حالت اولیه سیستم شبیه سازی بعد از تعادل گرمایی
(شکل۵-۴): حالت نهایی سیستم شبیه سازی در
برای اینکه تصاویر واضح باشند مولکول های آب نشان داده نشده اند. کمیت هایی مانند دما، فشار، انرژی و چگالی که در این برهمکنش محاسبه شده اند درستی شبیه سازی و به تعادل رسیدن آن را بیان می کند .
۵-۳-۱- نوسانات دما بر حسب زمان شبیه سازی
از جمله کمیت هایی که در هر شبیه سازی به آن توجه می شود دما می باشد. دما در شبیه سازی های دینامیک مولکولی حول مقدار متوسط خود که در اینجا ۳۰۰ کلوین است، نوسان می کند. افت و خیز دما با توجه به مکانیک آماری با تعداد اتم های سیستم کاهش می یابد. نمودار۵-۱ دما بر حسب زمان در محیط آبی می باشد. همانطور که از شکل دیده می شود حداکثر افت و خیز دما بصورت است. معمولاً افت و خیز دما در یک شبیه سازی دما ثابت کم و در همین حدود می باشد.
(نمودار۵-۱): دما بر حسب زمان در محیط آبی
(نمودار۵-۲) دما بر حسب زمان در محیط بدون آب می باشد. همانطور که در توضیح شکل دیدیم، افت و خیز دما برای سیستمی که دارای تعداد اتم های کمی باشد زیاد خواهد بود. چون شکل زیر برای سیستم بدون آب است بنابراین تعداد اتم های موجود در سیستم نسبت به سیستم با آب کمتر و در نتیجه افت و خیزهای دما بیشتر است. همانطور که از شکل دیده می شود حداکثر افت و خیز دما بصورت است.

(نمودار۵-۲): دمابرحسب زمان در محیط بدون آب
۵-۳-۲-نوسانات فشار حول مقدار متوسط یک اتمسفر
از دیگر کمیت های مهم فشار می باشد. در اینجا فشار حول مقدار متوسط یک اتمسفر در حال نوسان می باشد. نمودار۵-۳ مربوط به محیط آبی می باشد. فشار یک اتمسفر از این جهت در نظر گرفته شده است که شرایط آزمایشگاه را ارضا کند. همانطور که مشاهده می شود فشار دارای افت و خیز زیادی نسبت مقدار متوسط خود است، برعکس دما که نسبت به متوسط خود از نوسانات کمی برخوردار بود. در یک شبیه سازی دینامیک مولکولی، افت و خیز فشار زیاد بوده ولی مهم آن است که مقدار میانگین آن در یک بازه زمانی نسبتاً بلند به مقدار ۱ اتمسفر برسد. فشار منفی در این نمودار به این معنی است که سیستم در آن زمان به طرف داخل جعبه شبیه سازی رمبیده می شود و فشار مثبت نیز به معنی معمول آن می باشد. همانطور که مشاهده می شود نوسانات فشار بصورت می باشد.
(نمودار۵-۳): فشار بر حسب زمان در محیط آبی
۵-۳-۳- نوسانات چگالی سیستم در طول زمان شبیه سازی
یکی از نشانه های به تعادل رسیدن سیستم تعادل چگالی می باشد. چگالی آب خالص در حدود می باشد. وجود گرافن و پروتئین در سیستم بدلیل تعداد اتم های کم آنها در مقایسه با تعداد اتم های آب روی چگالی تاثیر محسوسی نگذاشته است. در محیط بدون آب چون آب وجود نداشت پس این کمیت دارای اهمیت نمی باشد. می توان از این نمودار نتیجه گرفت که برای شبیه سازی اینگونه سیستم ها که دارای مولکولها غیر زیستی نیز هستند چگالی اولیه سیستم را در حدود چگالی آب در نظر بگیریم. البته باید برای رسیدن سیستم به چگالی واقعی، سیستم را در آنسامبلNPT قرار دهیم تا با کوچک و یا بزرگ شدن حجم جعبه، به چگالی واقعی برسیم.
(نمودار۵-۴): چگالی بر حسب زمان در محیط آبی
۵-۳-۴-تغییرات شعاع ژیراسیون پروتئین
برای مولکول های بزرگ مانند پروتئین ها و دی ان ای ها کمیت مهمی به نام شعاع ژیراسیون تعریف می شود، که ما در اینجا تغییرات آن را مورد بررسی قرار داده ایم. شعاع ژیراسیون با رابطه زیر داده می‌شود:
(۵-۱):
که در آن و به ترتیب محل و جرم اتم ام پروتئین می باشد. و هم بترتیب مرکز جرم جرم کل پروتئین است. این شعاع می تواند معیاری از باز و بسته شدن پروتئین باشد. هر جا که این شعاع بزرگ باشد پروتئین باز شده است و هر جا که شعاع ژیراسیون کوچک باشد پروتئین جمع شده است. نمودار۵-۵ تغییرات شعاع ژیراسیون بر حسب زمان را نشان می دهد.
با توجه به نمودار، پروتئین در بازه ی زمانی ۲۰۰ تا ۱۲۰۰پیکوثانیه که به سمت گرافن در حرکت است دارای تغییرات در شعاع ژیراسیون کمی است، این به این معنی است که پروتئین حالت قبلی خود را حفظ کرده است. ولی در بازه زمانی ۱۲۰۰تا ۱۸۰۰پیکوثانیه شعاع ژیراسیون افزایش می یابد یعنی در این بازه پروتئین رفته رفته بازتر شده و سطحش بزرگتر و پهن تر می شود. دلیل اینکه پروتئین تمایل دارد پهن تر شود این است که وقتی اتم های پروتئین به گرافن نزدیکتر می شوند آنگاه انرژی واندوالسی برهمکنشی بین گرافن و پروتئین در کمینه مقدار خودش قرار میگیرد. پس می توان نتیجه گرفت که پروتئین با کاهش انرژی واندروالسی خود، می تواند گرافن دوست تلقی شود. این یک قاعده کلی است، مولکولهایی که مولکول دیگری را دوست دارند، تمایل دارند با مولکول دیگر با بیشترین سطح در تماس باشند. همانطور که از شکل پیداست حضور گرافن در این سیستم باعث افزایش شعاع ژیراسیون از به شده است. همانطور که می دانیم کارکرد پروتئین ها بر اساس شکل سه بعدی (فضایی) آنها شکل می گیرد، بدین معنی که اگر شکل فضایی پروتئین تغییر کند آن پروتئین کارایی خود را از دست خواهد داد. این نکته در اینجا لازم است بیان شود که در اینجا با افزایش شعاع ژیراسیون شکل سه بعدی آن تغییر می کند و اگر این تغییر شکل به اندازه کافی زیاد محسوب شود آنگاه کارایی پروتئین از بین برود. در صورت اثبات آزمایشگاهی این موضوع، این مقدار تغییر شکل پروتئین بر کارایی آن اثر می گذارد، می توان از آن بعنوان مولکول خطرناک یاد کرد. چرا که اگر وارد بدن موجود زنده ای شود می تواند پروتئین های آنها را بخود جذب کرده و باعث از بین بردن کارایی آن پروتئین ها گردد. ( آزمایش تجربی این موضوع می تواند در آینده در ادامه موضوع این پایان نامه تعریف شود).
(نمودار۵-۵): تغییرات شعاع ژیراسیون بر حسب زمان در محیط آبی
نمودار(۵-۶ )تغییرات شعاع ژیراسیون در محیط بدون آب می باشد. در اینجا نیز شعاع ژیراسیون رفته رفته بیشتر شده است. در اینجا چون آب وجود ندارد هیچ نیرویی از اطراف به اتم های پروتئین وارد نمی شود و بنابر این پروتئین براحتی و حتی قبل از اینکه کاملاً به نزدیکی گرافن برسد شروع به افزایش شعاع ژیراسیون می کند ولی بیشترین مقدار افزایش شعاع هنگامی است که به گرافن چسبیده باشد. در اینجا نیز همانند مورد قبل (در حضور آب) شعاع به مقدار افزایش یافته است.
(نمودار۵-۶): تغییرات شعاع ژیراسیون در محیط بدون آب
۵-۳-۵-بررسی انرژی واندروالسی
با توجه به نمودار۵-۷ با کاهش فاصله متوسط پروتئین از گرافن انرژی برهمکنشی واندروالسی کاهش می یابد. همانطور که می بینیم رابطه بین این دو خطی نیست. این بخاطر آن است که رابطه مربوط به انرژی واندوالسی با فاصله خطی نیست. البته در این نمودار، انرژی برهمکنشی تمام اتم های پروتئین را با گرافن در نظر گرفته شده که مسلما همه اتم ها در یک فاصله از گرافن قرار ندارند. بنابراین تابع آن نیز بصورت توان۶ و توان ۱۲ فاصله نخواهد بود. نوسانات اتم ها و اسید آمینه ها باعث می شود که نمودار دارای نوسان باشد. رفتار کلی که در این نمودار دیده می شود این است که با کاهش فاصله متوسط پروتئین از گرافن، انرژی واندروالسی نیز کاهش می یابد. کاهش انرژی در یک فاصله ۱۲آنگسترومی نشان از قید این پروتئین به گرافن است.
(نمودار۵-۷): کاهش ارتفاع بر حسب کاهش انرژی برهمکنشی واندروالسی
تحول انرژی برهمکنشی واندروالسی را بر حسب زمان نیز می توان بررسی کرد. از شکل( ۵-۸ )پیداست که این انرژی بجز اول در بقیه زمان ها با شیب نسبتاً کمی کاهش پیدا می کند. در نهایت این کاهش انرژی متوقف می شود که آن نقطه بعنوان چاه انرژی برای پروتئین در نظر گرفته می شود.
(نمودار۵-۸): تغییرات انرژی برهمکنشی واندروالسی بر حسب زمان
۵-۳-۶-فاصله پروتئین و گرافن بر حسب زمان
این نمودار تحول زمانی فاصله بین گرافن و پروتئین را نشان می دهد. از نمودار دیده می شود که پروتئین در حدود ۴۰۰ فمتو تانیه خود را به گرافن رسانده است در حالی که انرژی واندروالسی در این مدت به کمینه مقدار خود نرسیده است. دلیل این موضوع را می توان در این نکته دید که هر چند پروتئین در مدت کوتاهی خود را به گرافن رسانده است ولی این زمان برای پروتئین جهت بازآرایی و تغییر شعاع ژیراسون کم است و در این مدت نمی تواند روی سطح گرافن پهن شود. برای تغییر شعاع ژیراسیون و در نتیجه آن کاهش انرژی واندر والسی به مدت زمان بیشتری لازم است.
(نمودار۵-۹): تغییرات فاصله پروتئین بر حسب زمان
همانطور که مشاهده می شود دو نمودار اخیر مشابه هم می باشند البته باید شبیه هم باشند و همانطور که می بینیم در هر دو انرژی واندروالسی کاهش می یابد. بالا رفتن اولیه نمودار به خاطر بنزن های پروتئین می باشد که خیلی سریع بالا می روند. پروتئین دارای اسید آمینه های آبدوست و آبگریز است. اسید آمینه های آبدوست وقتی در قسمت زیرین پروتئین که به سمت گرافن است قرار می گیرد، دوست دارد به نحوی خود را از گرافن دور کند و به آن سمت دیگر رود که در آن سمت دیگر در کنار مولکولهای آب باشد. این طبیعت اسید آمینه های آبدوست باعث می شود که پروتئین در نزدیکی سطح گرافن ( در بازه زمانی تا ) افت و خیز کند تا حالت پایدار خود را پیدا کند.
۵-۳-۷-تغییرات فاصله اسید آمینه ها و گرافن بر حسب زمان
کمیت دیگری که در اینجا مورد بررسی قرار می گیرد آبدوستی و آبگریزی اسیدهای آمینه در مقایسه با یکدیگر است. به همین منظور فاصله اسیدهای آمینه را از سطح گرافن محاسبه می کنیم. ملاک برای تشخیص آبدوستی و آبگریزی، فاصله از سطح گرافن است. چرا که اگر اسید آمینه در بیشترین فاصله از گرافن قرار بگیرد یعنی تمایل دارد کنار مولکولهای آب باشد تا کنار صفحه گرافن. همین طور برعکس، اگر اسید آمینه ای نزدیک صفحه گرافن باشد پس دوست دارد دور از مولکولهای آب باشد یعنی آبگریز محسوب می شود. با توجه به نمودار، می توان گفت فنیل آبگریز بوده چرا که در نهایت فاصله آن از سطح گرافن از همه کمتر است. که در حال نزدیک شدن می باشد. اسید آمینه ای که با رزیجو آرگ می باشد کاملاً دور شده پس آبدوست می باشد و به همین ترتیب در مورد بقیه رزیجو ها هم می شود نظر داد. در مورد آرجینین نمی توان گفت آبدوست است یا آبگریز. چرا که در فاصله بین آبگریزی و آبدوستی واقع شده است. متاسفانه این پروتئین دارای تعداد زیادی اسید آمینه نیست که بتوان در مورد اسید آمینه با بهره گرفتن از فاصله آنها تا سطح اظهار نظر کرد. مثلا تریپتوفان هم در نزدیکترین فاصله قرار دارد و هم در بیشترین فاصله که نمی توان در مورد آن قضاوت کرد. ولی اگر تعداد اسید آمینه های پروتئین بیشتر می بود می توانستیم تعداد اسید آمینه هایی که به سطح نزدیکترند را با آنهایی که دورترند مقایسه کنیم آنگاه معیار ما خود را بهتر نشان می داد.
(نمودار۵-۱۰): فاصله اسید آمینه ها از سطح گرافن بر حسب زمان
۵-۳-۸- بررسی حرکت پروتئین بر روی سطح گرافن
در این حالت کمیت X میانگین وYمیانگین تمام اتم های پروتئین را در نظر می گیریم. بررسی می کنیم که در هر گام زمانی پروتئین در چه قسمتی از گرافن قرار دارد. به این منظور یک نمودار ۵۰در ۵۰ را بعنوان نماینده ای از گرافن که دارای ابعاد ۵۰در ۵۰ می باشد را در نظر می گیریم. با توجه به شکل، پروتئین بیشتر در فضای بالای قسمت مرکزی گرافن حرکت می کند. این به این معنی است که گرافن دوست ندارد به سمت لبه ها حرکت کند چرا که در این صورت با تعداد اتم های کمتری از گرافن بر همکنش می کند و باعث می شود انرژی واندروالسی افزایش پیدا کند. چون این موضوع در حرکت خود به خودی نامطلوب است پس اتفاق نمی افتد. اگر به فیلم مربوط به شبیه سازی توجه کنیم می بینیم که پروتئین در این حالت نسبت به حالت بدون آب کمتر حرکت می کند و این به خاطر وجود محیط آبی می باشد که مولکول های آب اجازه حرکت بیشتر را نمی دهند. نمودار( ۵-۱۱) نشان می دهد که ضریب پخش پروتئین در حضور آب در سطح گرافن کمتر از زمانی است که آب وجود ندارد.
(نمودار۵-۱۱): مسیر حرکت پروتئین در فضای بالای گرافن در حضور آب
(نمودار۵-۱۲): نمودار مربوط به این بررسی در محیط بدون آب می باشد
پروتئین در این محیط حرکت بیشتری را از خود نشان می دهد چون در این محیط آب وجود ندارد پس طبیعی به نظر می رسد که با توجه به کم شدن تعداد مولکول ها در محیط، پروتئین آزادی حرکت بیشتری را داشته باشد و در مقایسه با حالت قبلی در سطح بیشتری از گرافن حضور داشته باشد. این گونه حرکت و همچنین کاهش انرژی واندوالسی نشان می دهد که پروتئین به گرافن مقید شده است و برای اینکه پروتئین از گرافن جدا شود باید یک نیروی خارجی اعمال گردد. همچنین اگر پروتئین در یک طرف گرافن باشد هیچگاه نخواهد توانست بصورت خود به خودی از آن جدا شود و یا به طرف دیگر گرافن حرکت کند.