Вивчення термодинамічних характеристик компонентів білково-нуклеїнових комплексів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вивчення термодинамічних характеристик компонентів білково-нуклеїнових комплексів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Роль взаємодій між білками та нуклеїновими кислотами дуже велика, оскільки усі функції нуклеїнових кислот здійснюються у комплексі з білками. Вивчення особливостей та механізмів таких взаємодій належить до актуальних задач сучасної біофізики. До нинішнього часу дослідження білково-нуклеїнового впізнавання, важливі для розуміння багатьох біологічних процесів, що відбуваються на молекулярному рівні, проводилися різноманітними методами. Рентгенівська кристалографія та ЯМР-спектроскопія дають інформацію про структури впізнаючих білково-нуклеїнових комплексів, зокрема про атомні групи, відповідальні за специфічне впізнавання. Інтегральні термодинамічні параметри таких комплексів, що визначаються, наприклад, калориметричними методами, стосуються до сумарної взаємодії на рівні макромолекул, що не дає можливості виділити вклад специфічних взаємодій у впізнаючих центрах. Для розв'язання останньої задачі використовується підхід модельного дослідження впізнаючих систем на рівні мономерів або фрагментів білків та нуклеїнових кислот, що дозволяє виділити такі взаємодії, виявити їхню природу, вибірковість та роль у загальному процесі комплексоутворення.

Згідно деяким прийнятим моделям, впізнавання засноване на специфічних «точкових» взаємодіях пуриновых та пірімідиновых основ з боковими ланцюгами амінокислот. При цьому, вибірковість таких мономірних взаємодій зберігається і у більш складних нуклеопротеідних системах. Тому можна вважати, що закономірності, виявлені у простих модельних системах, відіграють чималу роль у забезпеченні специфічности взаємодій білків з нуклеіновими кислотами та адекватно відбивають процес впізнавання цих биополімерів.

Таким чином, дослідження, присвячені визначенню енергетичних параметрів нуклеопротеідних комплексів на рівні мономерів, а також, найбільш вигідних їхніх структур, є сьогодні вельми актуальними та важливими для розуміння загальних принципів та механізмів білково-нуклеїнового впізнавання.

Зв'язок роботи с науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконувалась у відповідності з планом науково-дослідних робіт відділу молекулярної біофізики ФТІНТ НАН України по темі «Дослідження структурних та фізико-хімічних властивостей комплексів нуклеїнових кислот з білками та біологічно активними речовинами» (шифр теми 1.4.10.18.2).

Мета і задачі дослідження. Метою даної роботи було визначення термодинамічних та структурних характеристик взаємодій основ нуклеїнових кислот з амінокислотами в умовах вакууму, виявлення специфічності таких взаємодій та визначення найбільш вигідних конфігурацій утворення модельних мономірних комплексів.

Для досягнення вказаної мети було поставлене такi задачi:

1. Удосконалення системи напуску польового джерела іонів для забезпечення можливості спостереження асоціації речовин з різною летючістю у вакуумі та визначення термодинамічних характеристик одержуваних комплексів.

2. Експериментальне визначення відносних констант асоціації та ентальпій утворення воднево-зв'язаних комплексів основ нуклеїнових кислот з акриламідом який моделює бокові групи амінокислот аспарагину та глутамину. Побудова ряду стабільності для таких комплексів на основі відносних констант асоціації та ентальпій утворення асоциатів.

3. Обчислення квантово-хімічними методами структур комплексів та енергій взаємодії основ нуклеїнових кислот з акриламідом.

4. Виявлення ролі різних атомних груп при утворенні точкових контактів у процесі білково-нуклеїнового впізнавання.

Наукова новизна одержаних результатiв полягає у тому, що вперше за допомогою методу мас-спектрометрії отримані кількісні дані про взаємодії у специфічних впізнаючих комплексах основ нуклеїнових кислот та акриламіду, моделюючого амідну групу амінокислот на рівні мономерів. Визначено відносні константи асоціації та ентальпії утворювання таких асоціатів, та на їх підставі встановлено ряд стабільности для комплексів акриламіду з різними основами. Встановлено, що взаємодія відбувається з утворенням, як правило, двох водневих зв'язків.

Розрахунковими методами вперше визначено центри взаємодій та структури димерів акриламіду з метилпохідними основ нуклеїнових кислот. На підставі експериментальних даних та теоретичних розрахунків визначено найбільш вигідні місця зв'язування для комплексів азотистих основ та акриламіду. Встановлено, що найбільш енергетично вигідною є взаємодія за допомогою водневих зв'язків по атомним групам, що беруть участь в утворенні Уотсон-Криковських пар.

Практичне значення одержаних результатів. Дослідження у галузі молекулярного впізнавання можуть мати практичну цінність для медицини. Знання структури контактних груп та атомів, по яким відбувається впізнавання, дозволить конструювати нові лікарські засоби - інгібітори, що блокують впізнаючі центри певних ферментів.

Одержані у роботі експериментальні та теоретичні результати поглиблюють існуючі уявлення про механізм впізнавання білками нуклеїнових кислот на рівні мономерів та можуть використовуватися для оцінки ймовірності впізнавання боковими групами амінокислот аспарагину та глутамину атомних груп основ у випадку одноланцюгового стану нуклеїнової кислоти. Дані по ентальпіям утворення асоціатів акриламіду та основ можуть бути використані у подальших дослідженнях білково-нуклеїнових комплексів у рамках моделі точкових контактів, а також для відпрацювання параметрів розрахунків аналогічних модельних комплексів різноманітними квантово-хімічними методами, що виконуються у так званому «вакуумному наближенні».

Особистий внесок здобувача. В опублiкованих з спiвавторами наукових працях особистий внесок здобувача полягає:

в роботах [1-11], що опублікувалися по темі дисертації, здобувач приймав активну участь у розробці експериментальних підходів для розв'язання поставлених задач; йому належить увесь обсяг робіт по проведенню експериментальних вимірювань, обробці одержаних результатів; в роботах [4, 5, 11], при проведенні квантово-хімічних розрахунків, дисертант приймав участь у виробітку постановки задачі та виборі моделі розрахунків, проведенні окремих етапів розрахунків, та обговоренні отриманих результатів.

Апробація результатів дисертації. Матеріали роботи за темою дисертації доповідались і обговорювались на:

VII Всесоюзной конференции по спектроскопии биополимеров. - Харьков. - 1991.

I з'їзді Українського биофізичного товариства, Київ, 1994.

13-th Intern. Mass Spectrometry Conference, Budapest, Hungary, 1994.

6th Intern. Beijing Conf. on Instrum. Analysis, Beijing, China, 1995.

International Conf. «Genome structure and Function», Marciana Marina, Italy, 1996.

14^th International Mass Spectrometry Conference, Tampere, Finland, 1997.

Intern. Conference «Biomolecular Recognition», Spetses, Greece, 1997.

II з'їзді Українського біофізичного товариства, Харків, 1998.

Conf. on Physics of biological Systems (PBS 98). - Kyiv, Ukraine, 1998.

Intern. Conf. «Energetics of stable molecules and intermediates», Castelo Branco, Portugal, 1998.

Публікації. Результати дисертації опубліковано в 11 наукових працях, у тому числі в 5 статтях у наукових журналах та в 5 тезах і 1 трудах конференцій.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, додатку і списку використаних літературних джерел (176 найменувань). Повний обсяг дисертації складає 201 сторінку, з них додаток займає 26 стор., список використаних літературних джерел - 18 стор., Робота містить 60 малюнків та 35 таблиць. Малюнки та таблиці, які розташовані на окремих сторінках, займають: малюнки - 15 стор., таблиці - 6 стор.

Основний зміст роботи

ентальпія нуклеїновий акриламід квантовий

У вступі обґрунтовано актуальність обраної теми, наведено ії практичне значення та наукову новизну одержаних результатів, сформульовано мету і задачі дослідження, наведено загальну характеристику дисертації.

Роздiл 1 мiстить огляд лiтератури, присвячений сучасному стану проблеми бiлково-нуклеїнового впiзнавання. У розділі описані характерні особливості молекулярного впізнавання, а також загальні уявлення про його механізми. Далі охарактеризовано експериментальні таі теоретичні методи дослідження впізнавання білками нуклеиновых кислот та наведено результати праць, присвячених визначенню структури та можливих механізмів утворення різнихі білково-нуклеиновых комплексів на рівні біополімерів. Наведена структурна систематика білкових доменів, що зв'язуються з ДНК.

Виявлено, що згідно сучасним уявленням, впізнавання засноване на специфічних взаємодіях основ нуклеінових кислот з боковими групами амінокислот. Відзначено, що зважаючи на складність природних комплексів біополімерів, для їхнього вивчення застосовуються модельні підходи, що дозволяють вивчати такі взаємодії на рівні мономерів. У зв'язку з цим, наведені результати структурних досліджень модельных білково-нуклеінових комплексів на рівні мономерів.

На основі великої кількости літературних даних виявлено, що амінокислоти аспарагин та глутамин є одними з найбільш часто приймаючих участь у процесі білково-нуклеінового впізнавання. У вигляді доводу цього, наведені структури білково-нуклеіновых комплексів, у яких впізнавання реалізується шляхом взаємодії з цими амінокислотами. Однак, аналіз наявних даних показує, що навіть модельні підходи, не дають інформацію про термодинамічні параметри взаємодій на мономерному рівні. Експериментальне вивчення на мономерному рівні компонентів впізнаючих центрів, включаючих невелике число зв'язаних шляхом водневих зв'язкўв функціональних атомних груп, дає можливість виділити вклад саме специфічних взаємодій у комплексоутворення. Одержати таку інформацію дозволяє метод температурно-залежної польової мас-спектрометріі, який дає змогу визначати термодинамічні характеристики (ентальпії) утворення мономерних комплексів в умовах вакууму. У тісному зв'язку з вивченням термодинамічних характеристик взаємодії мономерних комплексів білків та нуклеінових кислот знаходиться задача визначення найбільш вигідної структури таких комплексів, яка може бути успішно вирішена за допомогою розрахункових квантово-хімічних методів.

В Роздiлi 2 подано загальну характеристику методiв дослiдження та використаних матерiалiв. У ньому розглянуто фізичні основи методу мас спектрометрії з польовою іонізацією. Описана поведінка часток у газовій фазі у зоні поблизу вістря эмітера у електричному полі високої напруженості. Показано, що взаємодії відбуваються поміж нейтральними молекулами й утворення іонів учасників та продуктів реакцій у газовій фазі відбувається в умовах термодинамічної рівноваги. Показано, що завдяки підвищеній концентрації молекул у зоні поблизу поверхні емітера, а також м'якому засобу іонізації що забезпечує низький ступінь фрагментації та збереження можливості спостереження слабких невалентних взаємодій між молекулами, польова мас-спектрометрія дозволяє вивчати процеси асоціації біомолекул, в тому числі, компонентів нуклеиновых кислот. Метод базується на визначенні відносної константи асоціації К_ас молекул у газовій фазі на підставі мас-спектрів, побудові вант-Гоффовських залежностей, тобто залежностей К_ас від температури реакційної зони, та знаходженні ентальпій Н утворення комплексів, що спостерігаються. В умовах польової іонізації величина іонного струму (інтенсивність ліній мас-спектру) пов'язана з концентрацією нейтральних молекул у зоні іонізації рівнянням:

I_A(F) = _A(F)n_A(F) (1)

де I_A(F) - інтенсивність піку молекули типу А при напруженості поля F,

n_A(F) - концентрація нейтральних молекул типу А, _A(F) - коефіцієнт іонізації.

Для константи асоціації реакції типу А+В АВ можна записати:

(2)

де К_ас - істинна константа рівноваги, (F) - ефективний коефіцієнт іонізації, що містить коефіцієнти іонізації первісних молекул та комплексу, і залежить від величини поля.

Энтальпіі (Н) утворення воднево-зв'язаних комплексів акриламіду з різними основами одержували з вант-Гоффовських температурних залежностей відносних констант асоціації (К_ас) у відповідності з формулою:

(3)

де R - універсальна газова постійна, Т - абсолютна температура.

Далі описано експериментальне обладнання та засіб, що застосовувався для виготовлення польових емиттерів. Експерименти проводилися на статичному секторному магнітному мас-спектрометрі МИ 1201 (Україна). Мас-спектрометр було обладнано спеціалізованим лабораторним польовим джерелом іонів, до конструкції якого були внесені додаткові удосконалення, що сприяли створенню стабільної концентрації молекул у зоні польового емітера. Для підтримки та додаткового збільшення концентрації молекул у реакційній зоні був розроблений фторопластовий цилиндр, розташований навколо еміттеру та його утримувача. Це сприяло зменшенню швидкості відпливу молекул, що надходять до зони емітера, а, отже, збільшенню їхньої концентрації, приблизно на 10%.

Для вивчення білково-нуклеїнового впізнавання на рівні мономерів використовувались модельні сполуки. У вигляді моделі бокових груп амінокислот аспарагину та глутамину використовувався акриламід. У вигляді моделей мономерів нуклеїнових кислот використовувались метилпохідні пірімідінових та пуринових основ.

В заключній частині цього розділу дано стислий математичний опис розрахункових методів - теорії функционалу щільності (ТФЩ) та ab initio на рівні Меллер-Плессет -2 (МР2), а також методики розрахунків, що використовувалася для вирішення поставлених задач.

У Розділі 3 наведено результати експериментального дослідження комплексів акриламіду з метилпохідними пуринових та пірімідінових основ нуклеїнових кислот у вакуумі. Напуск паров речовин, що досліджуються (акриламіду та метилпохідних основ нуклеїнових кислот) здійснювався з двох скляних випарювачів. Нагрівання випарювачів з кристалами речовин, забезпечувало стабільні та регульовані молекулярні потоки в широкому діапазоні концентрацій. Приклади польових мас-спектрiв реакційних сумішей акриламіду з метилпохідними пуринових та пiрiмiдiнових основ m⁹Gua та m₂^1,4Cyt представлені на мал. 1. Всі одержані спектри характеризуються наявністю піків, що відповідають іонам індивідуальних компонентів та іонам асоціатів, що стабілізувалися водневими зв'язками. Спектри демонструють якісну схожість продуктів взаємодії акриламіду з різними основами.

Рівноважні відносні константи асоціації, що обчислюються з співвідношення інтенсивностей піків одержаних мас-спектрів, пропорційні істинним константам асоціації (див. формули (1), (2)). Коефіцієнт пропорційності відповідає ефективному коефіцієнту іонізації, що визначається відношенням коефіцієнтів іонізації нейтральних учасників та продуктів асоціації. Коефіцієнт іонізації може змінюватися від експеримента до експерименту. Тому, можна порівнювати лише відносні константи асоціації для серії речовин, одержані у одних експериментальних умовах. З цією метою були проведені експерименти у яких спостерігалися по два воднево-зв'язаних гетероасоціата, що утворювалися при сумісному напуску у реакційну зону двох різних основ та акриламіду. У кожному наступному експерименті одна з основ, що приймала участь у попередньому досліді, використовувалася у вигляді репера. Фрагменти декiлькох мас-спектрів, одержаних в результаті описаних вище дослідів.

З співвідношення інтенсивностей піків мас-спектрів визначено відносні константи асоціації. На підставі одержаних експериментальних значень відносних констант асоціації побудовано ряд стабільності для комплексів акриламіду з різними основами:

m⁹Gua m₂^1,4Cyt m¹Cyt > m⁹Ade >m₃^1,4,4Cyt > m¹Ura > m₂^1,3Thy

Для знаходження значень К_ас при різних температурах у реакційній зоні були отримані температурні залежності іонних струмів для усіх іонів, що спостерігалися. Зміну температури реакційної зони проводили шляхом резистивного нагріву польового эмітера електричним струмом i_е. Температурні залежності lgI=f(i_е) для усіх іонів у мас-спектрах комплексів акриламіду з метилпохідними пуринових та пiрiмiдiнових основ в інтервалі температур 280-420К показано на мал. 3. Одержані температурні залежності іонних струмів представляють зміну рівноваги реакцій асоціації у фіксованому інтервалі температур, де коефіцієнти іонізації взаємодіючих молекул фактично незмінні. З мал. 3 видно, що хід температурних залежностей інтенсивностей іонних струмів для усіх іонів мономерів та гетеродимерів усіх вивчених комплексів виявляє однакові тенденції. Із зростанням температури інтенсивності піків мономерів, як правило, зростають, а інтенсивності піків гетеродимеров падають практично до рівня фону.

Одержані значення ентальпій усіх вивчених комплексів представлені у табл. 1. Значення наведених у табл. 1 ентальпій та погрішностей є результат усереднення величин у серії експериментів. Погрішність обчислення ентальпій у кожному експерименті визначалася засобом найменших квадратів. Залежності lnK_ас=f (1/T), як видно з мал. 4, в усіх випадках лінійні. Це свідчить про те, що у експериментальному температурному інтервалі (280 - 420К) ентальпія утворення комплексів постійна та не залежить від температури. Порівняння наданих у табл. 1 експериментальних значень ентальпій з рядом стабільності комплексів (див. ряд (4)), свідчить про повну відповідність друг другу рядів, побудованих на основi відносних констант асоціації та ентальпiй для вивченої серії основ. Це дозволяє зробити висновок про переважний ентальпійний внесок до вільної енергії утворення комплексів.

Також у цьому роздiлi проведено перевiрку впливу поля на одержувані значення ентальпій асоціації. Визначено величини ентальпій утворення комплексів при різних потенціалах на эміттері. Знайдено, що у експериментальних інтервалах напруженостей поля та температур для усіх вивчених комплексів, окрім комплексів акриламіду з цитозином, впливом поля можна зневажити, тобто у межах погрішності експериментів ентальпії не залежать від величини іонізуючого поля. Виявлена залежність для комплексiв з цитозином зумовлена більшою, у порівнянні з іншими основами, величиною дипольного моменту, а також, вирогідно, менш сприятливою відносною орієнтацією диполей у комплексі.

Четвертий розділ присвячено побудові структурно-энергетичних схем специфічного зв'язування основ нуклеїнових кислот з акриламідом. Метод температурно-залежної мас-спектрометрії з польовою іонізацією дозволяї визначити величину ентальпiї взаємодії, але при цьому не дає інформацію про конкретні структури комплексів. У зв'язку з цим, було необхiдно застосувати теоретичнi розрахунковi методи для визначення місць зв'язування та найбільш вигiдних структур комплексiв. У роздiлi представленi результати розрахункiв структур та енергiй утворення для комплексiв акриламіду з метилпохiдними рiзних основ, проведених неемпірічними методами ТФЩ та ab initio на рiвнi МР2. Отриманi значення енергій взаємодії для найбiльш вигiдних комплексiв акриламіду з m¹Ura, m¹Cyt та m₂^1,4Cyt представленi у табл. 2.

На наступному етапi за допомогою неемпiрічних розрахункових методiв ТФЩ та ab initio визначено рівноважні структури комплексів акриламіду з m¹Ura, m¹Cyt та m₂^1,4Cyt. Встановлено, що усі комплекси основ нуклеїнових кислот з акриламідом мають планарну структуру, та стабiлiзованi двома водневими зв'язками, причому з боку основ у комплексоутворенні беруть участь атомнi групи, які звичайно приймають участь в уотсон-кріковському зв'язуванні.

Показано, що результати розрахунків добре співвідносяться між собою та з експериментальними даними у межах точності експериментів. Проведено обговорення та порівняння отриманих результатів з iснуючими лiтературними даними. Воно дозволяє припускати, що для односпіральної ДНК або її расплетених дільниць (як і для окремих молекул основ) специфічними є взаємодії з амінокислотами, що утворюють два водневих зв'язки з участю амідної групи. При цьому вигідність взаємодії з тією або іншою основою нуклеїнових кислот зумовлена, в основному, гетерогенністю їхнього зарядового розподілу та має універсальний характер, що не залежить від оточення. Для двохспіральної ДНК, поряд з відзначеною вище, з'являється додаткова специфічність нуклеопротеідних комплексів з боку основ, що могло б проявлятється у можливій дестабілізації А-Т-багатих дільниць ДНК у великому жолобі при взаємодії з глутамином та аспарагином.

Аналіз одержаних даних, їхнє порівняння з даними інших авторів дозволяють побудувати структурно-енергетичні схеми зв'язування, відповідні найбільш вигідним конфігураціям воднево-зв'язаних комплексів акриламіду з метилпохідними основ нуклеїнових кислот. Запропонованi схеми представленi на мал. 5.

Додаток вміщує таблиці розрахункових даних по довжинам зв'язків, валентним та торсіонним кутам, а також зарядам на атомах для комплексів акриламіду з метилпохідними деяких основ.

Висновки

Показана можливість утворення у вакуумі комплексів між амідною групою амінокислот та усіма основами нуклеїновых кислот, моделюючих процес білково-нуклеїнового впізнавання на рівні мономерів. Встановлено, що взаємодія відбувається з утворенням, як правило, двох водневих зв'язків. При цьому, найбільш енергетично вигідною є взаємодія шляхом водневих зв'язків з атомними групами, що беруть участь в утворенні уотсон-криківських пар.

Методом температурно-залежної польової мас-спектрометрії визначено константи асоціації та ентальпії утворення воднево-зв'язаних комплексів акриламіду з метилпохідними основ нуклеїнових кислот у вакуумі. На підставі одержаних констант асоціації та ентальпій встановлено ряд стабільності для комплексів акриламіду з різними основами:m⁹Gua

m₂^1,4Cyt m¹Cyt > m⁹Ade >m₃^1,4,4Cyt > m¹Ura > m₂^1,3Thy

Побудовані на основі відносних констант асоціації та ентальпій ряди стабільності комплексів цілком відповідають один одному. Це дозволяє зробити висновок про переважний ентальпійний внесок у вільну енергію утворення комплексів.

3. За допомогою неемпірічних розрахункових методів ТФЩ та ab initio визначено рівноважні структури комплексів акриламіду з метилпохідними різних основ та розраховано енергії взаємодії для усіх отриманих рівноважних структур. Встановлено, що димери акриламід-основа планарні та стабілізовані водневими зв'язками, що мають мостикову структуру.

4. На підставі порівняння експериментальних та теоретичних даних, одержаних методом мас-спектрометрії та теоретичними методами ТФЩ, МР2 і атом- атомних потенційних функцій, побудовано структурно-енергетичні схеми утворення комплексів основ нуклеїнових кислот з акриламідом із зазначенням найбільш вигідних місць зв'язування для усіх ассоціатів.

5. На підставі експериментальних та розрахункових даних встановлено, що для односпіральної ДНК при взаємодії основ нуклеїнових кислот з амінокислотами специфічними є взаємодії, при яких утворюються два водневі зв'язки за участю амідної групи амінокислот. При цьому, вигідність взаємодії з тією або іншою основою нуклеїнових кислот зумовлена, в основному, неоднорідністю зарядового розподілу у молекулах основ та має універсальний характер, що не залежить від оточення. Для двохспіральної ДНК починає проявлятися додаткова специфічність при утворенні нуклеопротеідних комплексів з боку основ, що відбивається у можливості дестабілізації А-Т - багатих дільниць ДНК при взаємодії з амінокислотами глутамином та аспарагином у великому жолобі.

6. Показано, що врахування суперпозиційної поправки та поправки до енергії нульових коливань при розрахунках структур та енергій взаємодії комплексів акриламіду з метилпохідними основ нуклеїнових кислот у вакуумі методами ab initio та ТФЩ значно покращує узгодження теоретичних розрахункових даних з експериментальними результатами, отриманими у цій роботі.

Список опублікованих праць за темою дисертації

Теплицкий А.Б., Галетич И.К., Суходуб Л.Ф. Энергетика образования комплексов аминокислота - основание в вакууме (глутамин, аспарагин - урацил, тимин) // Биофизика. - 1990. - Т. 35, №5. - С. 709-710.

Poltev V.I., Shuljupina N.V., Bruskov V.I., Teplitsky A.B., Sukhodub L.F., Galetich I.K. Experimental and theoretical study of energetics of complex formation between nucleic acids bases and the bases with amide group // J. Biomol. Struct. Dynam. - 1991. - V.9, №1. - P. 1O1-111.

Галетич И.К., Шелковский В.С., Косевич М.В., Благой Ю.П. Определение энергетических параметров межмолекулярных взаимодействий в комплексах метилпроизводных цитозина с аспарагином и глутамином // Вестн. проблем биол. и мед. - 1998. - №8. - С. 27-40.

Размещено на Allbest.ru