CC BY
5УДК 004.652.4, 004.043, 004.942/.001.57
СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ДАННЫМИ ПРИ ПОИСКЕ ОПТИМАЛЬНЫХ КОНФИГУРАЦИЙ И УСТАНОВЛЕНИЕ АКТИВНЫХ ЦЕНТРОВ
Н.В. Золотарева, А.Ю. Макаренко
В статье рассматриваются основные принципы построения системы управления данными для поиска оптимальных конфигураций и установление активных центров (Molecular Model), описаны составные части данной автоматизированной системы, их принципы работы, функционал и структура базы данных для хранения результатов вычислений.
Ключевые слова: компьютерное моделирование, установление активных центров, поиск оптимальных конфигураций.
Key words: computer modelling, determination of active centers, search for the optimal configuration.
В химии процессов, происходящих при обычных температурах, важную роль играют межмолекулярные, а именно водородные, силы взаимодействия. Велика роль подобных взаимодействий в стабилизации конденсированных состояний молекулярных систем, например, воды, в стабилизации биополимеров, а также протекании биохимических процессов.
Данная статья является продолжением серии работ [1-3], посвященных моделированию механизмов воздействия низкомолекулярных токсичных соединений на биополимеры биологической системы, а точнее, клеточной мембраны. Поскольку клеточная мембрана представлена биомембранным слоем, состоящим из слоев липидных молекул со встроенными в них белками и углеводами [6], модель мембраны может быть представлена в виде набора структурных графов, изображающих отдельно белковую, липидную и углеводную компоненту. Но даже такие компоненты представляют собой громоздкие конструкции, состоящие из многих сотен атомов. Для проведения компьютерного моделирования из множества элементов жидкостно-мозаичной структуры нами были выделены схожие, тесно связанные друг с другом функциональные группы. В результате сложная молекулярная модель дифференцирована на небольшие составляющие, и все расчеты проводятся только для этих компонентов.
Используемый в работе программный комплекс Gamess (US)* реализует только численные методы оптимизации геометрии молекул. Дальнейшая обработка полученных результатов и их интерпретация пользователем проводится самостоятельно, что зачастую сводится к анализу большого количества вычислений. В связи с этим возникла потребность в создании автоматизированной системы управления результатами квантово-химических расчетов.
Разработанная автоматизированная система Molecular Model [5] реализует несколько основных задач, каждая из которых выполняет ряд функций.
1. Упрощение работы с файлами на протяжении всего процесса моделирования меж-молекулярных взаимодействий. Основные функции:
• оформление исходных документов, содержащих информацию о первоначальной геометрии молекул. Генерация исходных текстов для дальнейшей обработки программным комплексом Gamess (US);
Функционирование поддерживается группой профессора М. Гордона (М. Gordon, Ames Laboratory/Iowa State University, USA).
12
• обработка оптимизированных результатов вычислений программного комплекса Gamess (US) и внесение их в базу данных.
2. Предоставление информации о потенциальных «мишенях» воздействия токсичного вещества на биологические системы:
• расчет термодинамических характеристик, образующихся при взаимодействии межмолекулярных систем;
• многокритериальный поиск по базе данных.
3. Графическое сопровождение при интерпретации результатов, что упрощает анализ числовых данных:
• визуализация исследуемых объектов с учетом индексов реакционной способности.
Автоматизированная система Molecular Model состоит из нескольких модулей:
• первый - BioMolDiagrams - позволяет на основании результатов расчета составлять молекулярные диаграммы биополимеров клеточной мембраны [4];
• второй - Modellnteractions - предназначен для формирования схем взаимодействий и установления активных центров в молекуле биополимера.
Система Molecular Model интегрирована с базой данных. В качестве СУБД использовался FireBird 2.1. Это некоммерческое программное обеспечение, свободно распространяемое в сети Интернет (www.firebirdsql.org), работает под управлением многих операционных систем, в том числе и Windows. Рассмотрим структуру БД, хранящую информации об однокомпонентных (до воздействия) и двухкомпонентных (после взаимодействия) системах.
На рис. 1 приведена схема базы данных автоматизированной системы Molecular Model.
параметры
одиночной
структуры
i(Ltype
nametype
idstruct
name
formula
idtype
energy
heat
id method
idatom
id_atom2
idstruct
leng
connecttype
— id struct
M group
name
x
У
start 1 leng
idstruct
idgroup
idatom
name
density
charge
idstruct
idnodel
id_node2
connecttype
idstruct idatom name start 1 leng
X
У
id
name
formula
Рис. 1. Схема связей данных
Данная структура позволяет хранить информацию о следующих сущностях и их параметрах.
1. Отдельная однокомпонентная структуры {structure one). База данных хранит информацию о параметрах индивидуальных молекул. Заполнение таблицы происходит после завершения процесса оптимизации молекул программой Gamess. Из выходных файлов «,txt» производится выборка тех данных, которые указаны в таблицах 1-4.
Таблица 1
Structure one
id struct INTEGER Идентификатор структуры
name VARCHAR( 150) Наименование
formula VARCHAR( 150) Формула
id type INTEGER Тип
energy DOUBLE PRECISION Общая энергия
heat DOUBLE PRECISION Теплота образования
id method INTEGER Метод анализа
Размеры полей пате и formula составляют 150 знаков ввода. Размер и тип чисел, вводимых в поля energy и heat, соответствуют двойной точности. Общая энергия и теплота образования молекулы автоматически заполняют базу данных только в том случае, если в ходе итерационного процесса была найдена оптимальная конфигурация. Окончанием процесса оптимизации в программе Gamess является показатель «Equilibrium Geometry Located». Если структура не достигла оптимального положения, то процесс запускается повторно с новыми координатами.
2. Группы атомов {group one). Для характеристики группы атомов в таблице 2 group_one приведены условные обозначения; взаимное расположение в системе координат ху и положение нижних индексов для функциональных групп молекулы.
Таблица 2
Group one________________________________________
id struct INTEGER Идентификатор структуры
id group INTEGER Идентификатор группы атомов
name VARCHAR(7) Обозначение группы атомов
X INTEGER Положение на чертеже(Х-координата)
Y INTEGER Положение на чертеже (У-координата)
start 1 INTEGER Положение нижнего индекса
leng INTEGER Длина нижнего индекса
Поскольку в структуре возможно повторение функциональных групп, например -СН2-СН2-, было принято решение об идентификации атомов по группам. Поле пате может быть определено графическим представлением функциональной группы (-NH2, -S03H). Остальные данные определяют положение группы атомов на чертеже и положение нижних индексов.
3. Отдельные атомы структуры {atom one). Для формирования молекулярных диаграмм параметры зарядов на атомах <:/, и значения электронной плотности ж, являются ключевыми, поэтому они также заносятся в базу данных. За условными изменениями в электронной конфигурации можно проследить по значениям зарядов, определяющих некоторое интегральное значение электронной плотности вблизи каждого атома. Размер полей density и charge соответствует значениям с двойной плавающей точкой. В таблице 3 имеются идентификаторы как по структуре, по функциональным группам атомов, так и по типу атомов.
Таблица 3
Аіот опе
id struct INTEGER Идентификатор структуры
id group INTEGER Идентификатор группы атомов
id atom INTEGER Идентификатор атома
name VARCHAR(7) Обозначение атома
density DOUBLE PRECISION Электронная плотность
charge DOUBLE PRECISION Заряд
4. Связи между отдельными атомами структуры (соппесйоп_опе). Атомы объединены в группы, соответственно необходимо учитывать, что разные атомы по-разному могут быть связаны друг с другом, это количественно определяется степенью связывания. В таблице 4 приведены параметры, которые используются для описания связей между атомами.
Таблица 4
Connection
id atom INTEGER Идентификатор атома
id atom2 INTEGER Идентификатор атома
id struct INTEGER Идентификатор структуры
leng DOUBLE PRECISION Длина связи
connectiontype INTEGER Одинарная, двойная, тройная связи
Поле длины связи определено двойной точностью, остальные поля таблицы классифицированы целыми числовыми значениями.
Кроме того, в структуре БД (рис. 1) представлены 2 справочника:
• 1уре1 - содержит типы однокомпонентных структур (белок, углевод, липид и др.), табл. 5.
Таблица 5
Typel_____________________________________________
id type INTEGER Идентификатор
nametype VARCHAR(25) Наименование
Максимальное число знаков для ввода в поле пате_1уре составляет 25, это позволяет вписать общее название класса, в которую включена исследуемая молекула;
• те1:1юс1_апа1уз1з - методы анализа структур (РМЗ, 6-3 Ш и др.), табл. 6.
Таблица 6
Method analysis____________________________________________
id INTEGER Идентификатор
пате VARCHAR(IO) Наименование
Количество знаков в текстовом поле пате составляет 10.
Для графического отображения структур (схем молекулярных диаграмм) в пользовательском окне, рассмотрим схемы связей данных, хранящихся в таблицах 7-9. База содержит таблицы с информацией о базовых структурах (Ьазю_81хис1;), об узлах (Ьазю_пос1е) и о длинах связей (Ьазю_Нпе).
Таблица 7
Basic struct
id INTEGER Идентификатор
name VARCHAR( 150) Наименование
formula VARCHAR( 150) Формула
Колонки пате и formula определены текстовым типом данных, размер поля составляет 150 знаков.
Для отображения молекулы с учетом всех атомов, принято решение об использовании нижних индексов, которые задают количественный состав какого-либо атома в структуре, например:
ч
н н
у
>снз,-
В табл. 8 приведены узлы для базовых структур.
Таблица 8
Basic node
id struct INTEGER Идентификатор структуры
id atom INTEGER Идентификатор атома
name VARCHAR(20) Наименование
start 1 INTEGER Начало текста нижним индексом
leng INTEGER Длина текста нижним индексом
X INTEGER Х-координата узла
У INTEGER У-координата узла
Таблица включает идентификатор по структуре и по атомам; включены числовые поля нижнего индекса (start 1); координаты узлаХи Yуказывают на месторасположение атомов на схеме, размер поля определен длинным целым числом.
В табл. 9 представлены параметры связей базовых структур, которые классифицированы по кратности.
Таблица 9
Basic line
id struct INTEGER Идентификатор структуры
id nodel INTEGER Начало связи
id node2 INTEGER Конец связи
connectiontype INTEGER Тип связи
Все поля в этой таблице определены целыми числовыми данными, если структура имеет одинарную связь - это единица, если двойная связь - это двойка, если присутствует тройная связь между атомами, то поле определено тройкой. Поля 1с1_пос1е1 и 1с1_пос1е2 указывают на наличие начальной и конечной точек связывания.
В результате модуль BioMolDiagrams позволяет автоматизировать поток информации, хранящийся в БД, и предоставить пользователю выбор показателей, которые могут быть присвоены молекулярным диаграммам, что позволяет проводить сравнительный анализ между отдельными фрагментами в структуре биополимеров.
Входными данными модуля ВіоМоЮіа§гатз являются:
1) квантово-химический метод расчета, параметры оптимизации (норма градиента);
2) название исследуемой молекулы и принадлежность к конкретному типу фрагмента клеточной мембраны;
3) исходные геометрические параметры молекулы в виде 2-матрицы для конкретного метода расчета;
4) исходные энергетические и зарядовые характеристики молекулы.
Выходными данными модуля BioMolDiagrams являются:
1) минимизированные энергетические параметры молекулы (общая энергия, теплота образования);
2) таблица оптимизированных геометрических параметров молекулы (длина химической связи);
3) зарядовые характеристики молекулы;
4) двухмерная молекулярная модель (молекулярная диаграмма);
5) таблица входных параметров для модуля МоёеПгЛегасйопэ в режиме квантовохимического моделирования взаимодействий и расчета основных параметров, образующихся систем.
При описании межмолекулярных взаимодействий необходимо расширить структуру базы данных. На рис. 2 приведена схема, иллюстрирующая связывание данных в таблицах, определяющих взаимодействие.
idstruct
name
formula
id_type
energy
heat
id method
idinteraction
id struct mem
idstructtok
energy
heat
leng
id method
id
name
idinteraction
idatom
id_atom2
idstruct
id_struct2
leng
connectiontype
idinteraction
idatom
idstruct
density
charge
active
Рис. 2. Схема связей данных взаимодействующих молекул Данные о структуре адсорбата и адсорбента приведены в табл. 10.
Таблица 10
Interaction
id interaction INTEGER Идентификатор взаимодействия
id strucl mem INTEGER Идентификатор структуры - мембраны
id struct tok INTEGER Идентификатор структуры - токсиканта
energy DOUBLE PRECISION Энергия
heat DOUBLE PRECISION Количество теплоты
leng DOUBLE PRECISION Длина связи между структурами
id method INTEGER Метод анализа
Идентификация моделей взаимодействия обеспечивается полем idinteraction, размер которого определен целым числом. Таблица включает идентификатор по структуре токсиканта id struct_tok и по структуре компонента мембраны id struct_тет. Поле id method содержит информацию о методе расчета, аналогично исследованиям однокомпонентных структур. Метод анализа определяется исключительно адекватностью описания геометрии структуры, сопоставлением результатов расчетов с экспериментальными данными.
Поскольку в работе рассматриваются взаимодействия, образованные за счет водородной связи, отбор систем и внесение данных в базу производится только в том случае, если длина связи между ближайшими атомами взаимодействующих молекул лежит в интервале от 1,7-1,9 А. Это первый критерий, по которому производится отбор адсорбционных систем. Тип данных полей leng числовой, а размер определен двойной, с плавающей точкой. Величина общей энергии (кДж/моль) и количество теплоты (кДж/моль) характеризуют систему в целом. Тип данных полей energy и heat определен числом, а размер соответствует двойной, с плавающей точкой.
Параметры электронной плотности и зарядовые характеристики атомов реагирующих молекул приведены в таблице 11.
Таблица 11
Atom two
id interaction INTEGER Идентификатор взаимодействия
id atom INTEGER Идентификатор атома
id struct INTEGER Идентификатор структуры
density DOUBLE PRECISION Электронная плотность
charge DOUBLE PRECISION Заряд
active INTEGER Идентификатор активности
Идентификация проводится по взаимодействию (id interaction); по атому (idatom); по структуре (id struct), в которой находится интересующий нас атом. Тип данных, перечисленных полей, задается целым числом. Размер полей density и charge определен двойной, с плавающей точкой. Величина степени смещения электронной плотности в молекуле от одного атома к другому определена дробным значением. Атомы в системе классифицированы согласно нумерации, соответствующей одиночным структурам. Идентификатор активности (active) позволяет определить реакционную способность атомов при взаимодействии. Числовой тип данных, размер поля - целое число. Числовые значения зарядов и электронных плотностей атомов сгенерированы из выходного текстового файла программы Gamess, величина «нуль» в поле active свидетельствует о слабой активности атома; «единица» классифицирует повышенную активность атомов (графически можно представить в виде *"); «двойка» свидетельствует об активности атома к образованию не только водородной, но и химической связи (графически изображается в виде О).
Таблица 12
Connection
id interaction INTEGER Идентификатор взаимодействия
id atom INTEGER Идентификатор атома
id atom2 INTEGER Идентификатор атома
id struct INTEGER Идентификатор структуры
id struct2 INTEGER Идентификатор структуры
leng DOUBLE PRECISION Длина связи
connectiontype INTEGER Тип связи
Характеристика длины связи в двухкомпонентных системах проводится аналогично однокомпонентным структурам, поэтому форма табл. 12 практически не изменяется.
Идентификатор взаимодействия устанавливает порядок адсорбционных систем; идентификатор атомов указывает на атомы, между которыми происходит образование связи; идентификаторы структур позволяют установить порядок взаимодействия между ними и соотнести нумерацию атомов. Тип данных характеризуется целой числовой последовательностью, а размер поля leng определен двойной величиной с плавающей точкой, т.е. дробным значением.
В результате модуль Modellnteractions автоматизированной системы предназначен для управления параметрами взаимодействующих систем. Это позволяет проводить отбор наиболее стабильных конфигураций, определять активные центры на поверхности биополимеров и формировать схемы взаимодействий.
Входными данными модуля Modellnteractions являются:
1) исходные геометрические параметры системы в виде z-матрицы;
2) исходные энергетические и зарядовые характеристики системы;
3) квантово-химический метод расчета, параметры оптимизации (норма градиента);
4) название и формула соединения;
5) длина связи между атомами взаимодействующих молекул.
Выходными данными модуля являются:
1) таблица оптимизированных геометрических параметров системы;
2) минимизированные энергетические параметры системы;
3) зарядовые характеристики атомов в системе;
4) характеристика активности атомов;
5) двухмерная молекулярная модель взаимодействия.
Таким образом, в рамках данного исследования была разработана структура реляционной базы данных для хранения параметров взаимодействия одно- и двухкомпонентных структур, а также интегрированная с базой данных автоматизированная система для ввода информации, расчета параметров и визуализации структур.
Библиографический список
1. Алыков, Н. М. Моделирование воздействия диоксида серы на структурированную белковую поверхность с использованием квантово-химического аппарата / Н. М. Алыков, Н. В. Золотарева // Безопасность жизнедеятельности. - 2009. - № 10. - С. 12-17.
2. Казанцева Н. В. (Золотарева) Теоретическое обоснование сорбции диоксида серы на структурных элементах клеточных мембран / Н. В. Казанцева (Золотарева) // Экологические системы и приборы. - 2007. - № 9. - С. 35-37.
3. Казанцева, Н. В. (Золотарева) Квантово-химическое моделирование хемосорбции диоксида серы на структурных элементах клеточных мембран / Н. В. Казанцева (Золотарева), Н. Н. Алыков // Известия вузов. - 2007. - Т. 50, № 12. - С. 132-133. - (Химия и хим. технология).
4. Свидетельство о регистрации базы данных № 2009620395. Молекулярные диаграммы структурированных поверхностей / Н. В. Золотарева, Н. М. Алыков ; заявитель и патентообладатель Астраханский государственный университет. - № 2009620306; заяв. 27.05.09; опубл. 24.07.09.
5. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ № 2009615137. Автоматизированная система Molecular Model / Н. В. Золотарева, А. Ю. Макаренко ; правообладатель Общество с ограниченной ответственностью УК «Специалист». -№ 2009613882; заяв. 20.02.09; опубл. 18.09.09.
6. Справочник биохимика / Р. Досон, Д. Элиот, У. Элиот и др. - М. : Мир, 1991. - 544 с.
