Биофизика, 2024, № 2

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК
 
БИОФИЗИКА
 
Том 69    вып. 2    2024    Март—Апрель
Журнал основан в январе 1956 года
Выходит 6 раз в год
ISSN: 0 
006-3029
1956-1962 гг. — гл. ред. А.М. КУЗИН
1962-1976 гг. — гл. ред. Г.М. ФРАНК
19 
76-1977 гг. — гл. ред. Л.А. БЛЮМЕНФЕЛЬД
197 
7-1989 гг. — гл. ред. А.А. КРАСНОВСКИЙ
1989-2022 гг. — гл. ред. Е.Е. ФЕСЕНКО
Жуpн 
ал издается под pуководcтвом
Отделения биологичеcкиx наук ₽АН
Главный редактор
П.Я. Грабарник
Редак 
ционная коллегия
В.С. Акатов, В.Г. Артюхов, А.Ф. Ванин, И.М. Вихлянцев,
О.В. Галзитская, Н.Г. Есипова (ответственный секретарь), В.М. Комаров,
М.С. Кондратьев, Н.И. Кукушкин, В.Ю. Макеев, Д.Ю. Нечипуренко,
О.Н. Озолинь, Н.В. Пеньков, С. Петровский, И.Ю. Петрушанко,
Г.Ю. Ризниченко, А.Б. Рубин, Е.И. Слобожанина, А.И. Сушков,
В.А. Твердислов, В.Г. Туманян, С.Н. Удальцов,
Е.Е. Фесенко мл. (заместитель главного редактора), Е.Я. Фрисман,
К.В. Шайтан (заместитель главного редактора), М.Г. Шарапов
Редак 
ционный совет
Ф.И. Атауллаханов, Ю.А. Владимиров, И.Д. Волотовский,
А.Ю. Гросберг, А.Г. Дегерменджи, Г.Р. Иваницкий, А.А. Красновский,
А.А. Макаров, Д.И. Рощупкин, А.Б. Рубин, В.О. Самойлов,
Е.Е. Фесенко, А.В. Финкельштейн, М.Д. Франк-Каменецкий
Заведующая редакцией М.А. Пуценкова
Адрес редакции: 142290, Пущино, Просп. Науки, 3, оф. 226
Телефон +7(963)698-77-22
E-mail: biophysica1@mail.ru
Москв 
а
ФГБУ  
«Издательство «Наука»
© Российская академия наук 2024
© Редколлегия журнала
    «Биофизика» (составитель) 2024

СОДЕРЖАНИЕ
Том 69, номер 2, 2024
МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОФИЗИКА
Суперкомпьютерное моделирование внутримолекулярных колебаний глицина, 
дифенилаланина и триптофана в электрическом поле терагерцового 
и инфракрасного диапазонов
М.А. Баранов, Э.К. Карсеева, О.Ю. Цыбин
213
Восстановительное нитрозилирование гемоглобина и миоглобина 
и его антиоксидантное действие
К.Б. Шумаев, Д.И. Грачев, О.В. Космачевская, А.Ф. Топунов, Э.К. Рууге
230
Теоретический анализ коротких фрагментов ДНК при действии
плотноионизирующей радиации
Ю.А. Эйдельман, И.В. Сальников, С.Г. Андреев 
237
Распределение значений GC-состава фрагментов в пространственной
структуре геномов хлоропластов, бактерий и митохондрий
М.Ю. Сенашова, М.Г. Садовский 
246
БИОФИЗИКА КЛЕТКИ
Ингибирующее действие оксибиола на процесс модификации белков 
водорастворимыми продуктами фотоокислительной деструкции бисретиноида А2Е
А.Е. Донцов, Н.Л. Аронштам, М.А. Островский 
257
Рентгенодифракционное исследование липидных пленок с ИХФАНом
А.В. Кривандин, А.Н. Голощапов
264
Амбиол модулирует функциональные характеристики митохондрий проростков гороха
И.В. Жигачева, Н.И. Крикунова, Ю.В. Кузнецов, А.Н. Голощапов 
271
Сероводород приводил к модификации структуры мембран митохондрий 
эпикотилей проростков гороха Pisum sativum L. в условиях дефицита воды
Н.Ю. Герасимов, О.В. Неврова, И.В. Жигачева, И.П. Генерозова, А.Н. Голощапов
277
Изучение действия натрий-μ2-дитиосульфатотетранитрозилдиферрат тетрагидрата 
на структуру мембран митохондрий, выделенных из эпикотилей проростков гороха
Н.Ю. Герасимов, О.В. Неврова, И.В. Жигачева, Н.И. Крикунова, 
А.К. Воробьева, И.П. Генерозова, А.Н. Голощапов
286
Предотвращение дисфункции митохондрий карнитинатом 
2-этил-6-метил-3-гидроксипиридина
И.В. Жигачева, И.Ф. Русина, Н.И. Крикунова, Ю.В. Кузнецов, 
М.М. Расулов, М.А. Яковлева, А.Н. Голощапов 
294
Фармакологическая блокада высокопороговых кальциевых каналов L-типа 
кардиомиоцитов восстанавливает активность дыхательной цепи, 
нарушенную вибрацией
В.В. Воробьева, О.С. Левченкова, П.Д. Шабанов
303
Влияние вирусного лизиса на поглощение света культурой черноморской 
микроводоросли Tetraselmis viridis 
С.А. Шоларь, О.А. Степанова
311

Совместное действие электрохимической и ультразвуковой обработки для очистки 
воды от патогенных загрязнений на примере Escherichia coli
С.Б. Бибиков, А.И. Сергеев, И.И. Барашкова, М.В. Мотякин 
317
Антимикробная активность метаболитных комплексов лактобацилл в отношении 
Pseudomonas aeruginosa
С.А. Кишилова, А.Ю. Колоколова, И.В. Рожкова
324
Исследование выживаемости опухолевых клеток линии А549 при облучени
и протонным пучком во флэш- и стандартном режимах
А.В. Рзянина, Г.В. Мицын, А.В. Агапов, Е.А. Грицкова, С.С. Углова, 
В.Н. Гаевский, К.Н. Шипулин, И. Хасенова
333
БИОФИЗИКА CЛОЖНЫX CИCТЕМ
Взаимосвязь между составом природной воды и состоянием процессов 
перекисного окисления липидов в биологических объектах
Л.Н. Шишкина, А.С. Дубовик, В.О. Швыдкий, М.В. Козлов, Е.В. Штамм, А.Г. Георгиади
341
Сохранение гипотензивной активности у лиофилизованных препаратов
динитрозильного комплекса железа с глутатионом («Оксакома»),
хранившихся в течение 15 лет при комнатной температуре
А.Ф. Ванин, А.А. Абрамов, А.А. Тимошин, В.Л. Лакомкин, Н.А. Ткачев
349
Взаимосвязь температуры в глубоких слоях сомато-сенсорной коры и скорости 
кровотока в мозге наркотизированных мышей
А.М. Ромшин, А.А. Осипов, В.К. Крохалева, С.Г. Журавлев, О.Н. Егорова, 
И.И. Власов, И.Ю. Попова
356
Биофизические методы исследования наноматериалов для биомедицинских 
и экотоксикологических целей с использованием Daphnia magna 
как модельного организма
Н.Б. Савина, Д.В. Ускалова, Д.Т. Петросова, Е.И. Сарапульцева
364
Исследование физиологической роли спектрального состава повседневного 
освещения в развитии детской близорукости
Н.Н. Трофимова, Ю.С. Петронюк, Е.А. Храмцова, В.В. Соколова, 
К.Г. Антипова, Т.С. Гурьева, Е.И. Медникова
371
МЕДИЦИНСКАЯ БИОФИЗИКА
Связь геофизических ритмов с артериальным давлением и частотой сердечных
сокращений человекa. Исследование отдельного случая 
П.Д. Ковалев, Д.П. Ковалев 
377
Соединения золота и серебра как потенциальные противоопухолевые препараты
Л.А. Островская, Д.Б. Корман, Е.И. Некрасова, А.К. Чигасова, Н.В. Блюхтерова,
В.А. Рыкова, М.М. Фомина, Ю.А. Хоченкова, К.А. Абзаева
386
О роли прайминга в развитии современных реабилитационных технологий
А.И. Федотчев
399
ХРОНИКА
К истории изучения биологической подвижности в институте эволюционной 
физиологии и биохимии Российской академии наук
А.И. Бурдыгин, К.Б. Иванов, С.М. Коротков, К.В. Соболь, И.В. Шемарова
404
ИБХФ РАН  30 лет
И.Н. Курочкин
414

Contents
Vol. 69, No. 2, 2024
Molecular Biophysics
Supercomputer Simulation of Intramolecular Vibrations of Glycine, Diphenylalanine, 
and Tryptophan in Terahertz and Infrared Electric Fields
M.A. Baranov, E.K. Karseeva, and O.Yu. Tsybin
213
Reductive Nitrosylation of Hemoglobin and Myoglobin and Its Antioxidant Action
K.B. Shumaev, D.I. Grachev, О.V. Kosmachevskaya, A.F. Topunov, and E.K. Ruuge
230
Computer Simulation of Short DNA Fragments Induced by HIGH-LET Charged Particles
Y.A. Eidelman, I.V. Salnikov, and S.G. Andreev
237
Distribution of Values of GC-Content of the Fragments in the Spatial Structure 
of Mitochondrial, Chloroplast and Bacterial Genomes
M.Yu. Senashova and M.G. Sadovsky
246
Cell Biophysics
Inhibitory Effect of Oxibiol on the Process of Protein Modification by Water-Soluble
Products of Photo-Oxidative Destruction of Bisretinoid A2E
A.E. Dontsov, N.L. Aronshtam, and M.A. Ostrovsky
257
X-Ray Diffraction Study of Lipid Films with ICHPHAN
A.V. Krivandin and A.N. Goloschapov
264
Ambiol Modulates the Functional Characteristics of Pea Seedlings Mitochondria 
I.V. Zhigacheva, N.I. Krikunova, Yu.V. Kuznetsov, and A.N. Goloshchapov
271
Hydrogen Sulfide Led to a Modification in the Structure of Mitochondrial Membrane 
of Epicotyls of Pea Seedlings Pisum sativum L. under Water Deficit Conditions
N.Yu. Gerasimov, O.V. Nevrova, I.V. Zhigacheva, I.P. Generozova, and A.N. Goloshchapov
277
Study of the Effect of Sodium-μ2-Dithiosulphate-Tetranitrosyl Diferrate Tetrahydrate
on the Structure of Mitochondrial Membranes Isolated from Epicotyls of Pea Seedlings 
N.Yu. Gerasimov, O.V. Nevrova, I.V. Zhigacheva, N.I. Krikunova, A.K. Vorobyova, 
I.P. Generozova, and A.N. Goloshchapov
286
Prevention of Mitochondrial Dysfunction with 2-Ethyl-6-Methyl-3-Hydroxypyridine Carnitinate
I.V. Zhigacheva, I.F. Rusina, N.I. Krikunova, Yu.V. Kuznetsov, M.M. Rasulov,
M.A. Yakovleva, and A.N. Goloshchapov
294
Pharmacological Blockade of High Threshold L-Type Calcium Channels
in Cardiomyocytes Restores Respiratory Chain Activity Disturbed by Vibration
V.V. Vorobieva, O.S. Levchenkova, and P.D. Shabanov
303
Effects of Viral Lysis on Light Absorption Properties of  Black Sea Microalgae Tetraselmis viridis
S.A. Sholar and O.A. Stepanova
311
Combination of Electrochemical and Ultrasonic Treatments for Purification of Water Contaminated 
with Pathogenic Bacteria: a Сase Study of Escherichia coli
S.B. Bibikov, A.I. Sergeev, I.I. Barashkova, and M.V. Motyakin
317
Antimicrobial Activity of Metabolite Complexes of Lactobacillus against Pseudomonas aeruginosa
S.A. Kishilova, A.Y. Kolokolova, and I.V. Rozhkova
324

Research on Survival of A549 Tumor Cells Following Proton Beam Irradiation 
Using FLASH Radiotherapy and Conventional Dose Rate Irradiation
A.V. Rzyanina, G.V. Mytsin, A.V. Agapov, E.A. Gritskova, S.S. Uglova, V.N. Gaevsky,
K.N. Shipulin, and I. Khassenova
333
Complex Systems Biophysics
Interrelation between Composition of Natural Water and a State of  Lipid Peroxidation 
Processes in Biological Objects
L.N. Shishkina, A.S. Dubovik, V.O. Shvydkyi, M.V. Kozlov,
E.V. Shtamm, and A.G. Georgiadi
341
Stability of Hypotensive Activity in Freeze-Dried Preparations of Dinitrozyl Iron Complexes 
with Glutathione (“Oxacom”) throughout the Period of Storage for 15 Years 
at Ambient Temperature 
A.F. Vanin, A.A. Abramov, A.A. Timoshin, V.L. Lakomkin, and N.A. Tkachev
349
Relationship between Temperature in the Deep Layers of the Somatosensory Cortex 
and Blood Flow Velocity in the Brain of Anesthetized Mice
A.M. Romshin, A.A. Osypov, V.K. Krohaleva, S.G. Zhuravlev, O.N. Egorova,
I.I. Vlasov, and I.Yu. Popova
356
Biophysical Methods for Testing Nanomaterials in Terms of Biomedical 
and Ecotoxicological Purposes Using Daphnia magna as a Model Organism
N.B. Savina, D.V. Uskalova, D.T. Petrosova, and E.I. Sarapultseva
364
Investigating the Physiological Role of Spectral Composition of Daily Light Exposure
in the Development of Childhood Myopia
N.N. Trofimova, Y.S. Petronyuk, E.A. Khramtsova, V.V. Sokolova, K.G. Antipova,
T.S. Gurieva, and E.I. Mednikova
371
Medical Biophysics
Geophysical Rhythms and Interrelations between Geophysical Rhythms and Human 
Biorhythms Based on  Time Series Data Collected over a Five-Year Period of Time
P.D. Kovalev and D.P. Kovalev
377
Gold and Silver Compounds as Potential Antitumor Drugs
L.A. Ostrovskaya, D.B. Korman, E.I. Nekrasova, A.K. Chigasova, N.V. Bluhterova,
V.A. Rikova, M.M. Fomina, Yu.A. Khochenkova, and K.A. Abzaeva
386
On the Role of Priming in the Development of Modern Rehabilitation Technologies
A.I. Fedotchev
399
Cronicle
On the History of Studying of Biological Motility at the Institute of Evolutionary Physiology 
and Biochemistry of the Russian Academy of Sciences
A.I. Burdygin, K.B. Ivanov, S.M. Korotkov, K.V. Sobol, and I.V. Shemarova
404
30 Year to Emanuel Institute of Biochemical Physics of RAS
I.N. Kurochkin
414

БИОФИЗИКА, 2024, том 69, № 2, с. 213–229
МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОФИЗИКА
УДК 53.093, 53.096, 57.031, 57.033, 57.038
СУПЕРКОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ 
ВНУТРИМОЛЕКУЛЯРНЫХ КОЛЕБАНИЙ ГЛИЦИНА, 
ДИФЕНИЛАЛАНИНА И ТРИПТОФАНА В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ 
ТЕРАГЕРЦОВОГО И ИНФРАКРАСНОГО ДИАПАЗОНОВ
© 2024  г.   М.А. Баранов*, #, Э.К. Карсеева*, О.Ю. Цыбин*
*Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, 
ул. Политехническая, 29, Санкт-Петербург, 195251, Россия
#E-mail: baranovma1993@gmail.com
Поступила в редакцию 19.05.2023 г.
После доработки 13.07.2023 г.
Принята к публикации 19.07.2023 г.
Реализован метод неравновесного анализа внутримолекулярных колебаний аминокислот глицина,
дифенилаланина и триптофана в электрическом поле терагерцового и инфракрасного диапазонов,
основанный на вычислении амплитудно-временных реализаций дипольного момента и их Фурьеспектра частот. Реализации продолжительностью до 2 нс были получены суперкомпьютерным моделированием с шагом дискретизации 1 фс. Результаты показали новые возможности применения
данного метода, в котором впервые использовано электрическое поле, модулированное симметричным меандром. Дополнены фундаментальные представления о динамических свойствах биомолекул во внешних полях. Полученные данные могут быть использованы при разработке нанобиотехнологий, биоэлектронных и гетерогенных гибридных микроэлектронных приборов со встроенными биомолекулярными компонентами.
Ключевые слова: аминокислота, молекулярная динамика, компьютерное моделирование, биомолекулярная электроника, гетерогибридная микроэлектроника.
DOI: 10.31857/S0006302924020016, EDN: OVYPQX
Закономерности внутримолекулярных колебаний имеют важнейшее значение для выявления
структуры и функций биомолекул. Локальные
внутримолекулярные колебания, или нормальные моды, самосогласованные с собственным полем при отсутствии внешнего облучения, реализуются преимущественно в среднем и ближнем
инфракрасном (ИК), а также в видимом диапазонах частот. Коллективные колебания атомных
групп в аминокислотах и белках реализуются в
диапазоне частот 109−1012 Гц, то есть в ГГц–ТГц
и дальнем ИК-диапазонах, за счет чего возможно
управление конформациями, биохимическими
реакциями и переносом энергии [1]. Г. Фрелих в
работе [1] обосновал модель с учетом облучения
внешним высокочастотным электромагнитным
полем (ЭМП), в которой биомолекула рассматривается как открытая система, а сценарий активации нормальных колебательных мод подобен
Сокращения: ИК – инфракрасный, ЭМП – электромагнитное поле, МД – молекулярная динамика, АВР – амплитудно-временная реализация, ДМ — дипольный момент, ЭДМ – электрический дипольный момент.
квантовой конденсации Бозе–Эйнштейна. Экспериментальная спектроскопия включает воздействие на молекулярную систему внешним
ЭМП определенной частоты, поглощение его
энергии коллективными и локальными осцилляторами вызывает активацию внутренних степеней свободы, что способно изменять конформацию и функциональные свойства молекул и молекулярных систем [2–4]. 
Полученные при нулевом внешнем ЭМП теоретические спектры колебаний биомолекул в растворах, а также в кристаллической фазе находятся
во многих случаях в хорошем соответствии с экспериментальными результатами спектроскопических исследований. 
В литературе содержится информация об использовании нескольких методов для получения
подробной информации о структурных, химических и динамических свойствах белков. Методы
колебательной (рамановской и FTIR) спектроскопии используются для поиска спектральных
особенностей, чувствительных к изменениям
третичной структуры белковых молекул. Часто213

БАРАНОВ и др.
Сопоставление большой базы экспериментальных данных ИК- и ТГц-спектроскопии [4,
11–21] с данными метода DFT, полуэмпирическими методами (PM6 и RM1), методами ab initio
(B3LYP/6-31+G(d) и другими) [22–24] демонстрируют непротиворечивое описание коллективных и локальных колебаний аминокислот (хотя точные границы между этими двумя видами
динамики осцилляторов не установлены).
ты, интенсивности и поляризации спектральных
полос можно использовать для характеристики
структуры молекул [5, 6]. Выявлены и обсуждены
спектральные изменения, связанные с естественной деградацией, вызванной длительным хранением спирально-спирального белка (фибриногена) с точки зрения изменений вторичной и третичной структур. Выбор спектральных полос,
чувствительных к изменениям третичной структуры, основан на сравнительном анализе колебательных спектров белков с различной третичной
структурой. Колебательные спектры могут быть
получены с помощью спектроскопии ИК-поглощения или комбинационного рассеяния. Методы
ИК-Фурье- и рамановской спектроскопии можно использовать для характеристики первичной и
вторичной структур белков [8].
В частности, показано, что нормальные колебательные моды полипептидной цепи вносят
вклад в спектр белка. Амидные полосы (А, В, I–
VII) являются характерными спектральными особенностями колебательных спектров белков и отчетливо проявляются как в ИК-, так и в КР-спектрах. Известно, что амидные полосы чувствительны к изменению конформации белка [9].
Компьютерное моделирование биомолекул
методом молекулярной динамики (МД) в нулевом внешнем ЭМП позволяет производить исследования на атомном уровне, вычислять дипольные характеристики, спектры частот и амплитуды колебаний [25–27]. В работе [26] с
использованием суперкомпьютерной МД выявлена и исследована субпикосекундная динамика
суммарного дипольного момента единичных молекулярных полиаланинов на реализациях продолжительностью до 2 нс. В работе [27] применена методика суперкомпьютерной МД для записи
амплитудно-временной реализации (АВР) суммарного дипольного момента (ДМ) единичной
молекулы, что позволило с помощью преобразования Фурье вычислить спектры собственных локальных осцилляторов. Новые методы и результаты работ [26, 27] были верифицированы сопоставлением с известными представительными
базами данных, их продолжение актуально для
изучения вынужденных колебаний биомолекул в
ЭМП. 
Сценарии колебательных процессов, обусловленных воздействием внешнего ЭМП, в том числе облучающего поля в спектроскопии, представленные в широкой области биомолекулярных исследований, 
имеют 
важное 
значение 
для
медицины и других наук о жизни [28–40]. Однако
многие вопросы динамики биомолекул в ЭМП,
особенно характеристики резонансных и переходных процессов с разрешением во времени, амплитудные, температурные и некоторые иные существенные зависимости обоснованы недостаточно. Связь внутримолекулярных колебаний и
облучающего поля требует дальнейшего углубленного изучения.
Компьютерное моделирование МД в постоянном и/или переменном ЭМП или электрическом
поле позволяет получать значительные научные и
прикладные результаты в современной био- и нанофизике [2, 41–44]. Прямое моделирование в
различных полях существенно дополняет новыми данными результаты равновесного рассмотрения, обосновывает методику и результаты спектроскопических исследований. Например, в содержательном обзоре [41] рассмотрены способы
включения эффектов статических и переменных
полей. Для пептидов выявлены существенные
конформационные эффекты [44].
В диапазоне 500–1800 см–1 амиды I–III дополняются спектральными полосами функциональных групп и одиночных аминокислот. Известно
несколько полос, чувствительных к структурным
изменениям белковой молекулы, например,
спектральные полосы дисульфидных мостиков
(500–550 см–1), которые стабилизируют структуру белковой молекулы. Разрыв дисульфидных
связей может привести к разворачиванию молекулы и, как следствие, к изменению и/или подавлению функциональных свойств белка [10].
Спектральные полосы триптофана с пиками
при 880 и 1360 см–1 чувствительны к конформации. Сигнал комбинационного рассеяния при
1360 см–1 указывает на присутствие скрытых
остатков триптофана. Отсутствие такого сигнала
означает, что боковые цепи триптофана расположены на поверхности белковой глобулы. 
Однако в литературе практически отсутствуют
сведения о спектральных полосах, которые можно отнести к третичной или четвертичной структуре белков [7]. Одна из причин этого заключается в том, что, в отличие от хорошо изученной
вторичной структуры (с общепринятыми структурными элементами), третичная структура количественно не охарактеризована. Предполагается, что третичная структура представляет собой
взаимное расположение элементов вторичной
структуры. Четвертичная структура, которая может отсутствовать в конкретной белковой молекуле, является следующей ступенью в иерархии
структурной организации [10]. 
БИОФИЗИКА 
 том 69 
 № 2 
 2024

СУПЕРКОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
215

n
d
t
( )


n
r
t
( )

n
d
t
( )

, 
0,0
E
E t
( )
[
]
=
лучения Фурье-спектров частот, как и в спектроскопии, лежит предположение о взаимной независимости 
гармонических 
парциальных
локальных осцилляторов 
, определяемых
смещением 
 атомов и удаленных друг от друга в конфигурационном и фазовом пространствах
биомолекулы. Предположение о взаимной независимости удаленных гармонических парциальных локальных осцилляторов 
 (хотя бы при
малых значениях энергии колебаний и поляризации атомов) будет допустимо в том случае, когда
Фурье-спектр частот АВР суммарного ДМ состоит из дискретных пиков. Квазинепрерывный вид
спектра будет указывать на коллективную динамику осцилляторов. Предварительно подтверждения и обоснования этого были получены ранее для ТГц- и ИК-диапазонов частот в работах
[26, 27]. Для облучающего электрического поля
, имеющего плоскую поляризацию
в плоскости x = const, имеем:



D x
p
E
E
x
·
·
ˆ
ˆ
x
s
(
)
=
+
ˆ
(2)
D y
p
E
y
y
s




D z
p
E
z
=
=
ˆ
ˆ,
ˆ
·
·
·
·
·
·
z
s



· ,
· ,
·
ˆ
ˆ
ˆ
D x D y D z





где 
 – парциальные компоненты
векторного дипольного момента молекулы, вычисляемые при динамическом моделировании
согласно уравнению (1), 
 – индуци0
 
,
s
n
E
r
r
t
(
)
(
)
−
[
]
,
,
x
y
z
p
p
p
Актуальные проблемы и задачи суперкомпьютерных МД исследований обусловлены недостатком сведений о характеристиках распределенных
и локальных колебаний аминокислот в различных по форме ЭМП, а также соответствующих
методов. Методом неравновесного МД-моделирования в заданном электрическом поле в виде
симметричного меандра на частотах ИК-диапазона впервые вычислены спектры и переходные
характеристики вынужденных локальных колебаний аминокислот глицина, триптофана и дифенилаланина (из-за краткости публикации в работе [45] приведены графические данные только
для глицина). 
Целью данной работы является развитие суперкомпьютерных неравновесных методов МД,
получение более полных характеристик вынужденных колебаний биомолекул в широкой полосе
ТГц- и ИК-частот. Предполагается, что такие исследования имеют значение для единичных аминокислот благодаря их особым функциям как базовых модулей сборки биомолекул, в том числе
при нормальной постоянной температуре в широкой полосе ТГц- и ИК-частот ЭМП, включая
атомно-слабые поля, где возможны резонансные
и нерезонансные вынужденные колебания молекул в условиях, далеких от диссоциации. Аминокислоты выбраны также благодаря, возможности
сопоставления с известными результатами исследований, использования получаемых новых данных при разработке и поиске прототипов
биоэлектронных и гетерогенных гибридных микроэлектронных приборов с встроенными биомолекулярными компонентами.

D t
( )

МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ 
ХАРАКТЕРИСТИК АМИНОКИСЛОТ 
В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ 
ТЕРАГЕРЦОВОГО И ИНФРАКРАСНОГО 
ДИАПАЗОНОВ
Методика [46] реализована в расширенном виде для сравнительного анализа с единых позиций
динамики аминокислот глицина, триптофана и
дифенилаланина в переменном электрическом
поле с частотой, перестраиваемой в диапазоне
20–5000 см–1. 
Метод основан на суперкомпьютерном вычислении амплитудно-временных реализаций суммарного векторного ДМ 
, предполагаемого в
виде линейной суперпозиции локальных осцилляторов 
 молекулы, на первом этапе: 
n
d
t
( )
N
N






(1)
D t
d
t
q r
r
,
0
n
n
n
n
( )
( )
(
)
=
=
=
=
−


1
1

и на втором этапе – вычисление и анализ частотных Фурье-спектров функций 
. В основе поD t
рованное электрическое поле, 
 – вектор
поляризуемости. Интерпретация вычисленного
векторного динамического ДМ состоит в том, что
спектр частот этой величины представляет собой
спектр частот вынужденных колебаний молекулярных осцилляторов. В случае, когда поляризуемость задается скаляром, из уравнений (2) возможно определение вектора индуцированного
поля. 
Указанные процедуры вычислений на первом
и втором этапах реализованы для широкого набора параметров и функциональных характеристик,
что позволило провести верификацию результатов и выполнить соответствующие физические
интерпретации. При этом учитывали следующие
известные данные из научно-технической литературы. Локальные осцилляторы в молекулах
аминокислот и в пептидных группах представлены с учетом собственных и вынужденных колебаний атомных валентных связей и вращений (с параболическими зависимостями энергии по длине
и углам вращения), а также кулоновских и вандер-ваальсовых (в цепях водородных связей).
Установление соответствия (отнесения полос)
локальных осцилляторов с нормальными модами
и частотами представлено во многих известных
источниках, например, в работе [22]. Спектраль( )
БИОФИЗИКА 
 том 69 
 № 2
 2024

БАРАНОВ и др.
программы, написанные на языке Python. Дополнительно к методике моделирования, более подробно изложенной в работе [27], введено переменное электрическое поле ТГц–ИК-диапазона
частот, подобное использованному в работе [45].
Как и в большинстве известных соответствующих
работ, полагали, что сила, действующая на внутримолекулярные заряды со стороны переменного
магнитного поля мала, значительно меньше электрической. Воздействие электромагнитного поля
на молекулы задавали только электрической компонентой. Такое поле может быть создано, например, ТГц- или ИК-лазерами или другими генераторами с учетом усиления поля на атомноразмерных 
неоднородностях 
молекулярной
структуры. Электрическое поле E(t) имело форму
периодической волны в виде прямоугольного меандра, симметричного относительно нулевой линии, и плоскую пространственную поляризацию
по координатным осям x, y, z с компонентами
[E, 0, 0]. Меандр на частотах приблизительно 1–
125 ТГц с амплитудой размаха 0.01–1.0 В/нм задавали с фронтами менее 1 фс, непрерывным или с
импульсной огибающей длительностью 100–
1500 пс. 
На рис. 1 представлены эпюра внешнего поля
и первые три наиболее значимые гармоники его
Фурье-спектра. Частоту действующего поля можно было изменять в широких пределах, варьируя
количество точек в периоде меандра и значения
частоты дискретизации. Задание высокочастотного меандра с гармониками является в подобных
исследованиях новым и оригинальным. Ранее такая форма волны была использована лишь при
исследовании жидкой воды в диапазоне частот
20–500 ГГц с амплитудой размаха 0.05–1.0 В/нм
[50]. 
Фурье-анализ спектра частот АВР интегрального дипольного момента в электрическом поле
выполняли при помощи пакета VMD IR Spectral
Density Calculator.
ный диапазон 2600–900 см–1 представлен, например, в работе [47]. Девять характерных колебательных полос (амиды A, B, I, II, III, ... , VII, где
амиды I и II, между 1600 и 1700 см–1, а также 1500
и 1600 см–1 соответственно) являются интенсивными в ИК-спектре. Отнесения полос глицина
предполагают иногда, что в области, меньшей
1700 см–1, колебания не являются локальными,
затрагивают не одну функциональную группу,
связь или угол, а несколько или все атомы аминокислоты [24]. Кручение NH3
+ доминирует в диапазоне 380–480 см–1. Между 270 и 380 см–1 доминирует режим деформации CC α N, за которым
следует область от 220 до 270 см–1, характерная
для COO-вибраций. Ниже 220 см–1 соответствие
частот какому-то одному локальному колебанию
не сформировано, предпочтительны интерпретации в виде коллективных колебаний [12, 15, 16,
46, 48, 49]. Показано, например, что низкоэнергетичные колебания в интервале волновых чисел
(300–500) см−1 могут явиться диагностикой вторичных структур в линейных и циклических пептидах [43]. В некоторых известных литературных
источниках показано также, что в интервале 20–
200 см–1 спектральные пики коллективных колебаний образуют континуум выделенных частот
[41, 43]. Подобные результаты представлены,
например, в работе [8] для кристаллического глицина.
Для выполнения вычислений был использован кластер «РСК-Торнадо» суперкомпьютерного центра «Политехнический» Санкт-Петербургского Политехнического университета Петра Великого (СПбПУ, Санкт-Петербург). Этот кластер
с пиковой производительностью 1015 терафлопс
содержит 668 двухпроцессорных узлов (Intel Xeon
E5 2697 v3), из них 56 узлов имеют два ускорителя
вычислений NVIDIA K40 [27]. Это позволило создавать за приемлемое время (порядка 100 машинных часов) эффективные базы данных амплитудно-временных реализаций интегрального
электрического дипольного момента (ЭДМ) молекул с длительностью до 2 нс с наименьшим шагом дискретизации до 1 фс и обеспечить этим высокое разрешение Фурье-спектров. Исходя из
свойств Фурье-преобразования и получения частотных спектров, сформулированы и выполнены требования к АВР по длине траектории, то
есть длительности АВР относительно шага и шага
относительно периода колебаний. При длительности шага дискретизации 1 фс длина АВР траектории составляла в среднем до 2·106 шагов. 
В состав программно-вычислительного комплекса СПбПУ входили пакеты прикладных программ Avogadro, Visual Molecular Dynamics и
NAMD, а также дополнительные оригинальные
С помощью пакета Avogadro были созданы
первичные файлы с координатами атомов молекул глицина, триптофана и дифенил-L-аланина.
Программа VMD позволяла создавать структурные файлы на основе топологии молекулярных
связей, добавлять молекулы воды и ионы солей,
визуализировать молекулярные системы, выполнять вычисления энергии и дипольных моментов
конформационно-подвижных молекул. Для каждого атома системы решали уравнение динамики
Ньютона, по временным шагам определяли координаты атомов, параметры силового поля, температуру системы, давление и т.п. В программе Avogadro были созданы координатные файлы аминокислот глицина, триптофана и дифенил-Lаланина. Молекулы аминокислот помещали в периодическую ячейку в виде водного куба. Длина
БИОФИЗИКА 
 том 69 
 № 2 
 2024

СУПЕРКОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
217
Рис. 1. Частичный Фурье-спектр с частотой основной гармоники 100 ТГц. На врезке – эпюра применяемого
переменного электрического поля E(t).
Установлено, что прямое изменение температуры моделирования не оказывало существенного влияния на спектральную плотность колебаний. На рис. 2 представлена зависимость спектральной плотности колебаний ЭДМ молекулы
глицина в области спектрального пика на частоте
fE = 100 ТГц (3333 см–1) от заданной температуры.
Типичные зависимости мгновенных значений
полного интегрального ДМ, составляющие АВР
на длине траектории моделирования 2 нс для трех
видов молекул в нулевом внешнем электрическом поле, представлены на рис. 3. 
стороны водного куба варьировалась от 30 до 70 Å
(в зависимости от размеров молекул аминокислот). Во всех расчетных системах расстояние от
крайней молекулы до границы куба составляло
15 Å. Была использована модель воды TIP3W.
Моделирование производили в несколько этапов, 
включая 
этап 
минимизации 
энергии
(100 пс), стабилизации кинетической и потенциальной энергии (200 пс). Для этапа молекулярной
симуляции были определены периодические граничные условия, соответствующие системе NPT
(постоянное значение количества частиц, давления и температуры). Давление и температура поддерживались на постоянном уровне (P = 101325 Па,
T = 298 K) с помощью баростата и термостата
Ланжевена. 
Сценарии осцилляций АВР трех молекул
(рис. 3) наблюдались в частях ТГц-диапазона, а
также в дальнем ИК-диапазоне, подобно тому,
как это было установлено для ряда аминокислот в
работах [23, 24]. Наряду с высокочастотной модуляцией наблюдались нечастые скачкообразные
изменения среднего значения интегрального
ЭДМ, что можно связать со спонтанными конформационными переходами. Подобные синхронные переходы одновременно наблюдались
также при VMD-визуализации молекулярной
структуры.
На рис. 4 представлены типичные АВР интегральных ДМ молекул глицина, дифенил-L-аланина и триптофана под воздействием импульсов
электрических полей fE = 100 TГц (3333 cм–1).
Видно возрастание амплитуды вынужденных локальных колебаний, происходящие во время действия импульса поля. Такое возрастание было
особенно сильным на резонансных частотах поля, совпадающих с частотами нормальных мод.
Наименьшая реакция амплитуд ДМ отмечена у
молекулы дифенил-L-аланина, имеющей наиРис. 2. Температурная зависимость спектральной
плотности колебаний ДМ (в отн. ед.) молекулы
глицина при резонансе в ЭМП на частоте fE = 100 ТГц
(3333 см–1).
БИОФИЗИКА 
 том 69 
 № 2
 2024