Квантово-механические расчеты процессов растворения кислорода в тканях и жидкостях организма с позиции термодинамической химии и физики

Настоящая курсовая работа посвящена междисциплинарному анализу процессов растворения кислорода в биологических тканях и жидкостях организма человека с использованием методов квантово-механических расчетов, интерпретируемых с позиций термодинамической химии и физики. В рамках исследования предполагается глубокое погружение в теоретические основы связывания молекулярного кислорода с биомолекулами, такими как гемоглобин и миоглобин, а также его диффузии в клеточные структуры. Будут рассмотрены современные подходы российских научных школ, в частности, работы, проводящиеся в Институте биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН, на химическом и физическом факультетах МГУ имени М.В. Ломоносова, а также в Институтах биофизики и молекулярной биологии РАН. Особое внимание будет уделено применению методов теории функционала плотности (DFT) для моделирования энергетических барьеров и термодинамических параметров взаимодействия кислорода с активными центрами металлопротеинов, а также расчету коэффициентов растворимости в водных и липидных средах, имитирующих биологические жидкости. Будут проанализированы публикации в ведущих отечественных научных журналах, таких как «Доклады Академии наук», «Биохимия», «Российский химический журнал», а также монографии и диссертационные исследования российских ученых в области биофизической химии и молекулярной физики. Исследование направлено на синтез квантово-химических данных с макроскопическими термодинамическими характеристиками процессов, что позволит создать комплексное описание транспорта кислорода на молекулярном уровне.

Расчетная схема термодинамического описания растворения кислорода в модельных биологических средах с учетом квантово-механических параметров взаимодействия.

Значимость данного исследования определяется необходимостью углубленного понимания механизмов газообмена и доставки кислорода к тканям на молекулярном и атомарном уровнях. В условиях активного развития биомедицины, особенно в области реаниматологии, спортивной медицины и разработки новых подходов к лечению гипоксических состояний, точное моделирование этих процессов является краеугольным камнем. Отечественные научные школы, например, работы академика О.И. Ефимова в области физико-химической биологии, академика В.И. Минкина по теоретической химии, а также исследования Института физиологии им. И.П. Павлова РАН, нуждаются в современных теоретических инструментах для интерпретации и прогнозирования физиологических реакций. Квантово-химические расчеты предоставляют уникальную возможность детализировать эти процессы на фундаментальном уровне, что крайне важно для развития российской медицинской и биологической науки.

Целью настоящего исследования является разработка и апробация методологического подхода к квантово-механическому моделированию процессов растворения молекулярного кислорода в биологических средах с последующей интерпретацией полученных результатов с позиций термодинамической химии и физики.

Задачи:

1. Провести обзор современных квантово-химических методов и вычислительных подходов, применимых для моделирования взаимодействия молекулярного кислорода с биомолекулами и средами, с акцентом на разработки российских научных школ.

2. Изучить термодинамические основы растворения газов в жидкостях, модифицировав классические модели с учетом специфики растворения кислорода в сложных биологических системах.

3. Разработать алгоритм квантово-механических расчетов энергий взаимодействия и термодинамических параметров растворения кислорода в модельных биологических средах (водные растворы, липидные мембраны).

4. Осуществить численное моделирование процессов адсорбции/абсорбции кислорода различными типами биомолекул и оценить энергетические профили и константы равновесия с использованием программного обеспечения, основанного на методах теории функционала плотности.