Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,775

ВЛИЯНИЕ ГИДРОФИЛЬНОСТИ ЦВИТТЕР-ИОННЫХ ФОРМ СЕРИНА И ТРЕОНИНА НА КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ СПЕКТРЫ ПОГЛОЩЕНИЯ

Щербакова Н.Е. 1 Тен Г.Н. 2 Баранов В.И. 3
1 Российский научно-исследовательский противочумный институт «Микроб»
2 Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского
3 Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН
Выполнен расчёт частот и интенсивностей полос поглощения ИК-спектров цвиттер-ионных форм серина и треонина для водного раствора, учитывающий взаимодействие с водой двумя методами: методом учёта влияния сил Ван-дер-Ваальса (модель самосогласованного реактивного поля SCRF) и методом образования водородных связей между серином, треонином и молекулами воды. Сравнение экспериментальных спектров серина и треонина, измеренных в водном растворе, с теоретическими ИК-спектрами показывает, что спектры находятся в хорошем согласии только в том случае, если применяются одновременно оба метода, что является результатом проявления их гидрофильности. При образовании комплексов наблюдаются конформационные изменения серина и треонина, связанные с уменьшением СС, СN+ и увеличением CO- длин связей на 0,3 %, а также изменением на 3-5 град валентных углов. Значения длин водородных связей, как для серина, так и треонина, имеют характерные значения для биполярной и карбоксильной группы и равны 2,86, 2,74 и 2,80 Å для N+Н…Оw, O-…HOw и ОН…Ow соответственно. Влияние водородных связей на колебательные ИК-спектры серина и треонина приводит к уменьшению интенсивности полос поглощения, относящихся к валентным колебаниям n(COO-), а также смещению в высокочастотную область частот деформационных колебаний d(N+H3).
серин
треонин
водный раствор
метод самосогласованного реактивного поля
комплексы с молекулами воды
ИК колебательный спектр
интерпретация
гидрофильность
1. Гараев С.Н., Редкозубова Г.В., Постолати Г.В. Аминокислоты в живом организме. – Кишинев, 2009. – 552 с.
2. Кухта В.К., Морозкина Т.Е., Олецкий З.И., Таганович А.Д. Биологическая химия: учебник / под ред. А.Д. Тагановича. – М.: БИНОМ, 2008. – 688 с.
3. Parker F.S. Application of infrared spectroscopy in biochemistry, biology and medicine. – New York: Plenum press, 1971. – 483 p.
4. Чуев Г.H., Соколов В.Ф. Оценка гидрофобного эффекта на основе метода функционала плотности среды // Биофизика. – 2006. – Т. 51, № 3. – С. 402-408.
5. Frisch M.J., Trucks G.W., Schlegel H.B. et al. Gaussian 09. Gaussian Inc., Wallingford CT. – 2009. – 394 p.
6. Hernandez B., Pfluger F., Adenier A., Nsangou M., Kruglik S.G., Ghomi M. Energy maps, side chain conformational flexibility, and vibrational features of polar amino acids L-serine and L-threonine in aqueous environment // J. Chem. Phys. – 2011. – V. 135. – P. 055101–055107.

Многие свойства и функции аминокислот (АК) зависят от их способности взаимодействовать с водой. Одни из АК легко образуют различные комплексы с молекулами воды, структура других, напротив, содержит различные молекулярные фрагменты (гидрофобные группы), препятствующие взаимодействию АК с водой. Именно гидрофильность или гидрофобность АК, характеризующие их сродство к воде, играют определяющую роль в таких важных процессах жизнедеятельности, как усвоение аминокислот и выведение продуктов реакции из организма, а также обеспечивают сворачиваемость белков [1–3].

Важным аспектом исследования АК в водном растворе является их структура. Как известно, в водном растворе АК в соответствии со своей амфотерной природой могут иметь разную ионную форму при разных рН. Поскольку в нейтральном водном растворе все АК, независимо от их гидрофильности или гидрофобности, имеют цвиттер-ионную форму, то возникает необходимость определить, как гидрофильность влияет на колебательные спектры АК.

Для решения этой задачи необходимо в первую очередь определить, какой использовать метод для анализа гидрофильности вещества. В настоящее время существуют различные экспериментальные и теоретические методы исследования этого свойства. В частности, предлагаются различные статистические модели расчета гидрофобной и гидрофильной гидратации, методы молекулярной динамики для исследования структурных и энергетических характеристик гидратации вещества, используется методика расчёта энергии сольватации малых гидрофобных частиц и вычисления потенциала их взаимодействия и т.д. [4].

Несомненно, спектральные методы являются одними из самых широко используемых традиционных методов исследования взаимодействия вещества с водой. Межмолекулярное взаимодействие вещества с водой приводит к смещению частот валентных колебаний, участвующих в образовании водородных связей, и изменению интенсивности соответствующих полос поглощения.

Цель данной работы – определить влияние гидрофильности на колебательные спектры цвиттер-ионных форм серина (Ser) и треонина (Thr).

Метод расчёта

Оптимизация структуры АК и их комплексов с молекулами воды, а также расчёт колебательных спектров проводился по программе Gaussian-09 с использованием метода DFT в приближении B3LYP и базисного набора 6-311++g(d,p) [5].

Для характеристики межмолекулярного взаимодействия (ММВ) можно использовать два метода: метод эффективного учёта ММВ (например, с помощью модели самосогласованного реактивного поля SCRF), либо непосредственный учёт ММВ, который предполагает образование молекулярных комплексов АК с молекулами воды. Цвиттер-ионные формы всех АК, независимо от их гидрофобности или гидрофильности, стабилизируются первым методом. При этом для алифатических аминокислот, а также цистеина и метионина, обладающих свойством гидрофобности, наблюдается хорошее согласие экспериментальных и вычисленных колебательных спектров. Очевидно, что для АК, обладающих свойством гидрофильности, возможно образование водородных связей с молекулами воды, что окажет влияние на колебательные спектры и приведёт к значительному изменению спектров по сравнению со спектрами, вычисленными только с помощью метода эффективного учёта ММВ. Основной критерий проявления гидрофильности цвиттер-ионных форм Ser и Thr в водном растворе сравнение вычисленных и экспериментальных колебательных спектров рассматриваемых АК.

Результаты исследования и их обсуждение

Наиболее целесообразно выполнять расчёт ИК-спектров Ser и Thr, поскольку спектры КР менее чувствительны к проявлению водородных связей. Кроме того, анализ проявления гидрофильности ограничить спектральной областью 600–1700 см-1, что связано с наличием экспериментальных колебательных спектров водных растворов Ser и Thr для этой области. Большинство колебаний в области 600–1700 см-1 являются деформационными, которые значительно меньше подвержены влиянию водородных связей и для большинства молекул редко бывают характеристичными. Именно поэтому влияние водородных связей на колебательный спектр в рассматриваемой области будет иметь индивидуальный характер и давать однозначный ответ о характере взаимодействия Ser и Thr с молекулами воды.

Молекулярные диаграммы Ser и Thr, а также комплексы Ser с шестью (Ser:6w) и Thr с семью (Thr:7w) молекулами воды приведены на рис. 1.

cherb1.tif

Рис. 1. Молекулярные диаграммы цвиттер-ионных форм Ser, Thr и комплексов Ser с 6 и Thr с 7 молекулами воды

Образование водородных связей между Ser, Thr и молекулами воды приводит к конформационному изменению АК. В комплексе Ser:6w наблюдается уменьшение СС, СN+ и увеличение CO- длин связей на 0,3 %; изменение валентных углов не превышает 3-5 град. Длины водородных связей N+Н…Оw, O-…HOw и ОН…Ow равны 2.86, 2.74 и 2.80 A, соответственно. Для комплекса Thr:7w структурные изменения носят аналогичный характер.

Вычисленные в гармоническом приближении значения частот нормальных колебаний Ser и комплекса Ser:6w приведены в табл. 1.

Таблица 1

Вычисленные (nр, cм-1) значения частот и интенсивностей спектров ИК (IИК, км/моль) Ser и комплекса Ser:6w

Ser

Ser:6w

νр

IИК

Отнесение

νр

IИК

Отнесение

10

667

15,2

δ(CCN+)

634

26,3

δ(CCN+)

11

764

9,0

ω(COO-)

775

127,2

τ(COH)

12

833

97,0

τ(COH)

785

49,1

ω(COO-)

13

934

57,9

ν(C-C)

993

21,1

ν(C-C)

14

976

53,2

ν(CN+)

1000

13,4

ν(CN+)

15

1027

49,2

ω(CH2)

1046

23,0

ω(N+H3)

16

1088

87,5

ν(CO)

1090

42,8

ν(CO)

17

1100

56,7

ω(N+H3)

1169

17,2

τ(N+H3)

18

1139

30,5

τ(N+H3)

1195

9,0

ω(СH2)

19

1255

1,1

τ(СH2)

1249

8,7

δ(COH)

20

1273

69,4

δ(COH)

1328

83,4

τ(CH2)

21

1325

126,0

ν(COO-) sym

1342

76,1

δ(CH2) asym

22

1353

89,4

δ(CH2) asym

1380

73,7

δ(CH)

23

1358

61,9

δ(CH)

1405

68,5

ν(COO-) sym

24

1428

526,6

δ(N+H3) sym

1477

15,1

ω(CH2)

25

1475

30,0

ω(CH2)

1510

6,1

δ(CH2) sym

26

1520

5,2

δ(CH2) sym

1596

114,4

δ(N+H3) sym

27

1623

114,4

δ(N+H3) asym

1655

374,1

ν(COO-) asym

28

1665

47,9

δ(N+H3) asym

1724

28,7

δ(N+H3) asym

29

1670

736,8

ν(COO-) asym

1733

54,3

δ(N+H3) asym

Примечание: ν – валентные колебания связи; δ – деформационные колебания; w – веерные, t – крутильные колебания.

Влияние водородных связей на колебательный ИК-спектр Ser приводит к следующим характерным изменениям:

1) наблюдается уменьшение интенсивности (в ~ 2 раза) полосы поглощения, относящейся к валентному колебанию n(COO-);

2) частоты деформационных колебаний d(N+H3) смещаются в высокочастотную область на 150-200 см-1.

В результате образования водородных связей Ser с молекулами воды наблюдается изменение частот и интенсивностей полос поглощения по сравнению с частотами и интенсивностями ИК-спектра, вычисленного методом SCRF (рис. 2, б), что приводит к хорошему согласию с экспериментальным спектром Ser (рис. 2, а и в).

cherb2.tif

Рис. 2. Экспериментальный (а) [6] и вычисленные ИК-спектры Ser (б) и комплекса Ser:6w (в) в водном растворе

cherb3.tif

Рис. 3. Экспериментальный (а) [6] и вычисленные ИК-спектры Thr (б) и комплекса Thr:7w (в) в водном растворе

Результаты расчёта частот нормальных колебаний и интенсивностей полос поглощения ИК-спектра Thr и комплекса Thr:7w приведены в табл. 2.

Таблица 2

Вычисленные (nг, cм-1) значения частот и интенсивностей спектров ИК (IИК, км/моль) Thr и комплекса Thr:7w

Thr

Thr:7ω

νр

IИК

Отнесение

νр

IИК

Отнесение

13

660

18,8

δ(CCN+)

651

31,1

δ(CCN+)

14

768

21,3

δ(CCC)

788

122,1

δ(CCC)

15

839

7,0

δ(CCC)

846

9,0

δ(CCC)

16

871

97,0

ω(COO-)

894

35,5

ω(COO-)

17

921

60,6

ω( N+H3)

939

28,9

ν(CN+)

18

976

34,8

ν(CN+)

986

10,5

ω( N+H3)

19

1037

43,4

ν(C-C)

1049

36,9

ν(C-C)

20

1072

121,6

τ(COH)

1114

14,5

τ(COH)

21

1107

67,4

τ(N+H3)

1140

84,1

τ(СH3)

22

1124

32,0

τ(СH3)

1168

11,3

τ(N+H3)

23

1153

52,0

ν(CO)

1186

11,2

ν(CO)

24

1236

65,8

δ(COH)

1295

6,3

δ(CH)

25

1285

4,4

δ(CH)

1340

30,8

δ(COH)

26

1346

278,3

ν(COO-) sym

1369

40,0

δ(CH)

27

1364

65,5

δ(CH)

1376

20,5

ν(COO-) sym

28

1382

22,8

δ(CH)

1402

23,1

δ(CH)

29

1398

73,5

ω(CH2)

1405

33,3

ω(CH2)

30

1416

20,0

δ(CH3) sym

1450

13,3

δ(CH3) sym

31

1429

510,5

δ(N+H3) sym

1495

10,8

δ(CH3) asym

32

1487

8,7

δ(CH3) asym

1502

6,5

δ(CH3) asym

33

1494

22,7

δ(CH3) asym

1601

15,3

δ(N+H3) sym

34

1602

53,6

δ(N+H3) asym

1665

190,8

ν(COO-) sym

35

1668

707,7

ν(COO-) sym

1698

79,7

δ(N+H3) asym

36

1670

85,7

δ(N+H3) asym

1727

50,4

δ(N+H3) asym

Примечание: ν – валентные колебания связи; δ – деформационные колебания; w – веерные, t – крутильные колебания.

Влияние внутримолекулярной водородной связи между полярной группой N+H3 и связью ОН приводит к тому, что частота деформационного колебания d(N+H3) в спектре Thr выше частоты валентного n(COO-) колебания. Образование водородных связей Thr с молекулами воды приводит к ещё бoльшему (на ~ 50–150 см-1) смещению частот деформационных колебаний d(N+H3) в высокочастотную область. Так же, как и в спектре Ser, наблюдается уменьшение интенсивности полос поглощения, относящихся к валентному колебанию n(COO-), но оно более существенно от 3, 5 до 10 раз (табл. 2).

Изменения, наблюдающиеся в ИК-спектре комплекса Thr:7w (рис. 3, б, в), приводят к хорошему согласию с экспериментальным спектром Thr, измеренным для водного раствора (рис. 3, а).

Выводы

Таким образом, расчёт частот и интенсивностей ИК-спектров поглощения комплексов гидроксиаминокислот показал, что при расчёте колебательных спектров Ser и Thr в водном растворе недостаточно выполнять расчёты только методом эффективного учёта ММВ. Необходимо одновременно использовать и метод эффективного учёта ММВ, и метод непосредственного учёта ММВ за счёт образования молекулярных комплексов АК с молекулами воды, что подтверждается хорошим согласием экспериментальных и вычисленных ИК-спектров Ser и Thr и является результатом их гидрофильности.


Библиографическая ссылка

Щербакова Н.Е., Тен Г.Н., Баранов В.И. ВЛИЯНИЕ ГИДРОФИЛЬНОСТИ ЦВИТТЕР-ИОННЫХ ФОРМ СЕРИНА И ТРЕОНИНА НА КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ СПЕКТРЫ ПОГЛОЩЕНИЯ // Успехи современного естествознания. – 2017. – № 8. – С. 30-35;
URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=36516 (дата обращения: 29.03.2024).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1,674