Simulation of a polyaspartic acid in aqueous solutions of mineral salts

Abstract

В настоящее время все больше внимания уделяется созданию органоминеральных материалов медицинского назначения, в частности, для лечения костной ткани и создания имплантатов опорно-двигательной системы. Чтобы материал мог выполнять такие функции, его структура и механические свойства должны соответствовать структуре и свойствам костной ткани. Поэтому наиболее популярные способы синтеза соответствующих композиционных материалов основаны на имитации процессов, происходящих в организме. Известно, что в процессе биологической минерализации в качестве посредника в доставке ионов на поверхность коллагеновых молекул участвуют неколлагеновые белки. При синтезе композиционного материала в качестве такого посредника чаще всего используют полиаспарагиновую кислоту. Данная работа посвящена исследованию конформационных характеристик макромолекул полиаспарагиновых кислот в водных растворах солей, что является необходимым предварительным шагом для исследования процессов полимериндуцированной минерализации на молекулярном уровне. Было проведено полноатомное моделирование молекулы поли-α-L-аспарагиновой кислоты в водных растворах хлорида кальция с помощью метода молекулярной динамики. Показано, что при низких концентрациях соли, радиус инерции молекулы уменьшается в результате адсорбции ионов кальция, затем с ростом концентрации количество адсорбированных ионов кальция возрастает и при достижении инверсии заряда комплекса «полимер-адсорбированные ионы» радиус инерции полимерной молекулы увеличивается. Анализ распределения углов внутреннего вращения основной цепи молекулы показал, что при добавлении соли более выраженной становится область углов, соответствующая конформации левозакрученной α-спирали, практически отсутствующая у полиаспарагиновой кислоты в воде.

Nowadays lot of attention is devoted to a creation of organic materials for medical applications, in particular for the treatment of bone tissue and the synthesis of implants of the musculoskeletal system. It is obvious that bone implant should perform function of bone. To achieve this, structure and mechanical properties of bone implant material have to be similar to those of bone. Therefore, the most popular ways of synthesizing the composite materials are based on imitating the processes occurring in the body. It is known that in the process of biological mineralization non-collagenous proteins are involved as an intermediary in the delivery of ions to the surface of collagen fibrils. In the synthesis of composite materials for bone implants, poly-L-aspartic acid is usually used as the intermediary. This study is devoted to the research of the conformational characteristics of polyaspartic acid macromolecules in aqueous salt solutions. It is a necessary preliminary step for studying the processes of polymer-induced mineralization at the molecular level. In the framework of this study the atomistic molecular dynamics simulations of poly-α-L-aspartic acid in calcium chloride aqueous solutions were carried out. The simulation results show that at low salt concentrations the radius of gyration of the molecule decreases as a result of the adsorption of calcium ions. With increasing salt concentration the amount of adsorbed calcium ions increases, and polymer molecule swells after the charge inversion of the polymer-adsorbed ions complex is reached. The analysis of main chain dihedral angles distribution showed that the region of angles corresponding to the conformation of the left-handed α-helix (practically absenting for polyaspartic acid at water) becomes more pronounced after addition of the salt into the system.