Взаимодействие ионов и хиральных соединений в модельных и биологических системах (1102463), страница 4
Текст из файла (страница 4)
5), а также ваминокислотных последовательностях белков с учетом и без учета положенияAsx во вторичной структуре белка.Согласно литературным данным, глицин в следующей за Asx позицииприводит к максимальной скорости рацемизации. Немного увеличиваютсячастоты встречаемости и других аминокислот (гистидин, аланин), присоседстве с которыми скорость рацемизации Asx наибольшая, однако,результаты не однозначны. Так, увеличиваются частоты встречаемости валина иглютаминовой кислоты, при соседстве с которыми скорость рацемизации Asxнизкая, а частота встречаемости серина наоборот, уменьшается, хотя скоростьрацемизации Asx в соседних с серином позициях сравнительно высокая.Отметим, что выборка подверженных рацемизации белков невелика, и поканельзя говорить о наличии или отсутствии корреляции между эффектомускорения рацемизации Asx под влиянием соседних аминокислотных остатков176,004,002,000,00-2,00Ala Arg Asn Asp Cys Gln Glu GlyHisIleLeu Lys Met Phe Pro Ser ThrTrpTyrValLeu Lys Met Phe Pro SerTrpTyrVal-4,00-6,00-8,00А5,004,003,002,001,000,00-1,00Ala Arg Asp Asn Cys Glu Gln GlyHisIleThr-2,00-3,00-4,00-5,00Б5,004,003,002,001,000,00-1,00Ala Arg Asn Asp Cys Gln Glu Gly HisIleLeu Lys Met Phe Pro Ser ThrTrp TyrVal-2,00-3,00-4,00-5,00-6,00В4,003,002,001,000,00-1,00AlaArgAsp Asn CysGluGlnGlyHisIleLeuLysMetPhe ProSerThrTrpTyrVal-2,00-3,00-4,00ГРис.
5. Гистограммы разности между частотой встречаемости аминокислот в соседних с18аспарагином позициях в первичной структуре белков, в которых наблюдается рацемизация(А, В), во всех исследованных белках (Б, Г) и средней частотой встречаемости аминокислотдля трипептидов X-D-X (А, Б), пентапептидов X-X-D-X-X (В, Г).и частотой их встречаемости. В то же время, частоты встречаемостиаминокислот в соседних с Asx позициях зависят от положения Asx вовторичнойструктуре.Анализпоказывает,чтонаиболееподверженырацемизации остатки Asx, находящиеся на открытых участках, изгибах, петлях,а располагающиеся в α-спиралях и β-листах рацемизируются в меньшейстепени.В белках, в которых наблюдается рацемизация, выделяются участки, гдеостатки глютаминовой и аспарагиновой кислот пространственно сближены, и,таким образом, возникает локальный отрицательный заряд.
Возможно, чтолокальное электростатическое поле способствует переходу L-Asp→D-Asp.Кроме того, отрицательные заряды могут служить центрами связываниякатионов, которые, в свою очередь, могут катализировать образованиесукцинимида и, таким образом, весь процесс рацемизации. После расширениявыборки белков, подверженных рацемизации, и уточнения полученных намиданных их можно будет использовать для прогнозирования скоростирацемизации аспарагина и аспартата в различных белках и для диагностикивозрастных патологий на ранних стадиях их развития.Третий раздел третьей главы посвящен компьютерному исследованиюроли стереоизомеризации аминокислот в нарушении функций каналовплазматических мембран: калиевого канала KcsA и водного канала аквапорина.В работе использован метод расчета энергетических профилей ионов вмембранных каналах, основанный на разделении и независимом расчетеэнергий дальних и ближних взаимодействий.
В отличие от методов силовыхполей этот поход позволяет получать адекватные профили потенциальнойэнергии ионов в каналах. Расчеты дальних взаимодействий проводятся однимиз методов силового поля, специально параметризованным для моделированияструктуры биополимеров, а ближних взаимодействий – квантовохимическим19методом Хоффмана в параметризации Вольфсберга-Гельмгольца.
При этомразделение дальних и ближних взаимодействий было возможно, еслирасстояние от иона до атомов канала составляло около 5Å.Таблица 1. Энергии дегидратации(ΔEi) ионов в каналах L-KcsA и LD-KcsAКаналL-KcsAКатионLi+Na+ΔHh, ккал/моль12197ΔEi, ккал/моль4864Результатысравнительного(ΔHh) и глубины потенциальных ям+K7979анализаLD-KcsALi+12124Na+9744рассчитанныхK+7956энергетическихпрофилей ионов в природных гомохиральных (L-KcsA) и виртуальныхгетерохиральных (LD-KcsA) каналах позволили количественно объяснить исравнить их ионную избирательность.
При этом проникновение иона в каналколичественно объясняется равенством глубины потенциальной ямы и энергиидегидратации соответствующего иона. Результаты расчетов приведены втаблице 1.Аквапорин, обеспечивающий проникновение воды в клетку, состоит изчетырех субъединиц, каждая из которых имеет индивидуальную водную пору.Самая узкая часть поры имеет диаметр 2,8Å, что примерно соответствуетразмерам молекулы воды. Координаты атомов аквапорина были взяты из Банкабелковых структур (Protein Data Bank, Brookhaven National Laboratory, USA).Для определения влияния изомеризации аспарагина и аспартата нафункциональные характеристики канала была построена модельная молекулааквапорина, в которой указанные аминокислотные остатки были заменены наих D-изомеры. После снятия стерического напряжения в модельной молекулепутем минимизации ее потенциальной энергии в силовом поле AMBER былаполучена стабильная конформация канала (рис.
6). Расчет показал, что наиболееузкая часть модельного аквапорина имеет диаметр 2,4 Å. На таком расстояниине наблюдается перекрывание вандерваальсовых радиусов атомов молекулы20воды и поры аквапорина (молекула воды не выталкивается обратно из порыканала).Подобныерезультаты,полученныеприполнойрацемизацииаквапорина, известны из литературы (Дмитриев, 2006). Таким образом,рацемизация остатков аспарагина и аспартата в аквапорине, привела бы кнарушению водного обмена клетки, что характерно для процесса старения.Рис. 6. Субъединица трансмембранного канала аквапорина: А –нативный белок, В – модельный белок, рассчитанный при замене всехL-аспарагиновых аминокислот на их D-изомеры.Последняя, четвертая, глава диссертации посвящена обсуждению двухважных проблем, тесно связанных с тематикой настоящей работы.
Перваяпроблема состоит в том, что ионы переходных металлов могут существенновлиять на кинетику реакций с участием хиральных соединений, причем этовлияние изменяется при изменении валентности иона и различно для разныхстереоизомеров одного и того же соединения. Комплексы аминокислот смноговалентнымиионамиобладаюткаталитическимисвойствамипоотношению к реакциям с восстановлением двойных связей C=O и C=N. Если вреакции участвует прохиральный реагент, хиральность продукта зависит отхиральности катализатора, но не однозначно: при изменении температуры с темже катализатором можно получить продукт противоположной хиральности. Этооткрывает возможность параметрического разделения энантиомеров.21Ионы переменой валентности могут участвовать в переключениихиральностисредыиприпостояннойокислительно-восстановительноготемпературе.(редокс)Присостоянияионаизмененииметалла,образующего координационное соединение с органическими лигандами, вопределенных случаях может происходить изменение конформации лигандов иоптической активности соединения.
Это явление послужило основой длязапатентованного в США электронного хирального переключателя. Нампредставляется, что единичный акт переключения можно значительно усилить,поместив переключатель в хиральную жидкокристаллическую среду, в которойон может вызвать фазовый переход при изменении своего состояния.Ионы переходных металлов сами по себе или в комплексе сорганическими соединениями часто являются катализаторами образованияперекисных соединений. Полученные в настоящей работе данные и результатыанализа литературных данных могут стать основой для построения общеймодели взаимодействия ионов и хиральных соединений в биологическихсистемах.В последнем разделе четвертой главы кратко рассмотрены некоторыепроблемы экологической безопасности, связанные с резко увеличившимся впоследнеевремяпотокомхиральныхсоединенийантропогенногопроисхождения в биосферу.
Затронуты вопросы деградации не участвующих вметаболизме энантиомеров, последствиях действия таких соединения в малых исверхмалыхдозахпридлительнойэкспозиции.Фракционированиеэнантиомеров хиральных веществ и ионов тяжелых металлов в ТПС океанавследствие тепломассообмена между океаном и атмосферой приводит кглобальному перераспределению антропогенных загрязнений. Отсутствиемониторингаэтихзагрязненийможетпривестикнеконтролируемымизменениям в биосфере – новому экологическому кризису.22Основные результаты и выводы1. В неравновесном тонком поверхностном слое (ТПС) растворанаблюдается сопряженное фракционирование ионов и энантиомеров хиральныхвеществ – аминокислот и углеводов.
Коэффициент фракционирования ионовкалия по отношению к ионам натрия в ТПС достигает величины αf ~ 10,хиральная поляризация ТПС, оцененная по флотации энантиомеров лейцина снеионным детергентом Triton X-100, при разности температур между воздухоми объемной фазой 8–9 ºС составляет η = 0,07 в присутствии ионов натрия иη = 0,14 в присутствии ионов калия. В равновесных условиях указанныеэффекты не наблюдаются.2.
Механические и термодинамические характеристики рацемических игомохиральных фосфолипидных монослоев различны и зависят от ионногосостава водной субфазы. При увеличении концентрации солей NaCl и KCl до1,0 М влияние хиральности на свойства монослоев лецитина и кефалинауменьшается, при этом в присутствии KCl, в отличие от NaCl, различия всвойствах монослоев рацемата и L-изомера кефалина исчезают полностью.3.
Скорости рацемизации L- и D-энантиомеров аланина в проточномреакторе при разности температур 230 ºС и давлении около 220 атм несовпадают и зависят от ионного состава среды. В воде степень прохожденияреакции рацемизации L- и D-аланина за 2 ч составила 100% и 80%, а приконцентрации NaCl более 10–6 М – около 70% и 90%, соответственно. Скоростьрацемизации аспартата в белках зависит от окружения, определяемого всемиуровнями структурной организации полипептидной цепи.4.Проведеномоделированиеполнойичастичнойзаменыаминокислотных остатков их энантиомерами в первичной структуре ионногоканала KcsA и водного канала аквапорина.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
