Диссертация (1103978), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Если же рассматривать колебания крупных фрагментовбелков, пространственно стабилизированных друг относительно друга системой водородныхсвязей, то можно ожидать проявления их колебаний в терагерцовом диапазоне частот.Положение и форма линий, их интенсивность сильно зависят от пространственной структурымолекулы, напрямую определяемую природой и параметрами внешней среды, в котороймолекула находится. Таким образом, возможные изменения в функционировании белков,являющиеся следствием структурных изменений могут быть зарегистрированы в видеспектральных изменений в низкочастотном диапазоне.5В работах [5,6,7,8] выдвинуто предположение о том, что в формировании каркасамолекулы(выделенныечастимолекулы)принимаютучастиемолекулярныеинадмолекулярные спиральные структуры, которые позволяют реализовать выделенныемеханические поступательные степени свободы, а также, дополнительно, вращательныестепени свободы, необходимые для функционирования белка.
Такие спиральные структурыявляются участниками разных уровней структурной иерархии белка и обладают свойствомзнакопеременной хиральности при переходе между уровнями. Так, первичная структура белкапредставляет собой последовательность левых аминокислот. При этом один из главныхэлементов вторичной структуры, α-спираль, всегда правая. Такие спирали могут образовыватьлевые суперспирали, как элементы третичной структуры белка.Методы лазерной спектроскопии позволяют решать большой круг прикладных задач вобласти изучения биологических объектов.
Методы оптической спектроскопии позволяютполучать информацию о составе, строении вещества на атомарном и молекулярном уровне, обособенностях взаимодействия веществ друг с другом. Так, например, методы оптическойспектроскопии применимы для исследования структуры молекул белков, что является важнойчастью исследования биологических молекул, так как в подавляющем большинстве случаевфункциональная активность белков связана с их структурой.
Молекула белка представляетсобой сложную структуру с элементами периодичности, которая весьма чувствительна квнешнимфакторам.Фактическибелокявляетсяколебательнойсистемойсзапрограммированными функциям, при этом перемещение отдельных функциональных группимеет направленный характер и зависит от структуры молекулы. В природе существуетбольшое разнообразие белков, имеющих различное происхождение, строение и функции. Темне менее, все белки состоят из аминокислот.
В организмах присутствует и функционируетбольше 170 различных аминокислот, а в состав молекул белков входит только 20 первичныхаминокислот. Именно поэтому по химическому составу белки очень похожи между собой, аосновные различия могут быть связаны только с их размерами и структурой. Известно, что 9из 20 аминокислот гидрофобны, а остальные, гидрофильны [9]. В соответствии с этимнекоторые участки полипептидной цепи белка обладают гидрофобными, а другиегидрофильными свойствами. Одно из фундаментальных свойств белков заключается в том,что полипептидные цепи стремятся свернуться так, чтобы во внутренней части молекулынаходилось как можно больше гидрофобных боковых цепей. На поверхности же расположеныглавным образом гидрофильные, заряженные аминокислотные остатки.
В результатеобразуется термодинамически выгодный контакт с водой и приобретается стабильностьструктуры белка.6Методы ИК-Фурье и КР спектроскопии являются высокоинформативными методамиисследования биологических объектов, позволяющими получать спектры поглощения ирассеяния образцов. Внесение изменений в схемы и параметры экспериментальных установокприводит к появлению возможности исследовать образцы, как в жидкой форме, так и в формепорошков и спрессованных таблеток. Преимущества методов – их неразрушающеевоздействие, бесконтактное измерение спектров, возможность анализа без специфическойподготовки проб, скорость получения результатов и многие другие.
Эти методы успешноприменяются для получения информации о структуре белков. Существуют работы ссоотнесением колебаний различных функциональных групп и частот в спектрах поглощения ирассеяния, что позволяет находить различия и сходства в структурах разных белков. За почти100-летнюю историю применения этих методов для изучения биологических объектовнаработана большая информационная база. Например, выделяют диапазон «отпечатковпальцев» (500 – 1700 см-1), в котором находятся линии характерных колебаний. В частности,здесь проявляются линии элементов вторичной структуры, причем каждому типу внутреннейорганизации молекул поставлены в соответствие определенные линии спектра.В последнее десятилетие рос интерес и к низкочастотному (1 – 600 см-1) спектральномудиапазону в связи с его применением в анализе биологических объектов.
Отметим прогресс вспектроскопии терагерцового поглощения. Излучение в терагерцовом (ТГц) диапазонеобладает свойствами неинвазивности, а также способностью проходить через различныеткани, пластики, бумагу, а также через кожу, что позволяет применять метод в разныхотраслях. Методы ИК-Фурье и КР спектроскопии также применимы для исследованиябиологических объектов в терагерцовом спектральном диапазоне, однако наличие сильногорелеевского рассеяния в КР спектроскопии и наличие сильных линий поглощения воды в ИКспектроскопии делают затруднительным анализ полученных результатов и требуютприменения дополнительных методов обработки экспериментальных данных.
Такая жепроблема наблюдается и при применении метода ТГц спектроскопии.Несмотрянасуществующиесложностивозможностьпримененияметодовнизкочастотной спектроскопии для анализа структуры, состава и строения биологическихобъектов становится все более привлекательной. Так, в низкочастотном диапазонерасполагаются линии поглощения как простых, так и сложных молекул соответствующиевращательным колебаниям, межмолекулярному взаимодействию и колебаниям молекулярныхкомплексов, образующихся в результате межмолекулярного взаимодействия за счет ван-дерваальсовых и водородных связей.Простейшая оценка для частот коллективных колебаний нескольких частей молекулыдруг относительно друга может быть проведена для следующей примитивной модели.
Будем7считать, что молекула белка представляет собой два одинаковых домена, соединенныхводородной связью, и колебание этих доменов представляют собой колебание пружинногомаятника. В таком случае частоту колебания можно рассчитать по формуле, где m– масса молекулы белка, k – жесткость водородной связи. Результаты подсчета дляисследуемого в работе ряда белков представлены в таблице ниже. Для оценки значениякоэффициента жесткости водородной связи приняты в диапазоне 3 – 6 Н/м [10,11].Таблица 1. Оценка частот колебаний белковБелокМолекулярная масса, кДаЧастота колебания, ТГцЛактальбумин14,20,5 – 0,72Лизоцим14,50,5 – 0,7Химотрипсин250,38 – 0,54Овальбумин450,28 – 0,4Бычий альбмуин690,284 – 0,32Конканавалин1020,188 – 0,266Коллаген3000,11 – 0,24Фибриноген3400,103 – 0,145Приведенные оценки показывают, что в терагерцовом спектральном диапазонеожидаемо наблюдение линий колебаний белковых молекул и их фрагментов.Существующиетеориииоценкиуказываютнавозможностьиспользованиянизкочастотной колебательной спектроскопии для исследования колебаний молекулярныхкомплексов; отдельных частей конструкции «белок-машина», с движением которых связанофункционирование молекул; а также крупных фрагментов – элементов хиральной иерархиибелковых молекул.
При этом положение и форма линий, их интенсивность сильно зависят отпространственной структуры молекулы, которая напрямую зависит от природы и параметроввнешней среды, в которой молекула находится. Таким образом, низкочастотная спектроскопияпомогает получить информацию о структуре вещества и решать задачи физики, химии ибиологии.Цели и задачи диссертационной работыЦелью диссертационнойнизкочастотныхколебательныхработыявляется анализспектрах,спектральных измененийсоответствующихструктурным изменениям молекул белков.8вфункционально-значимымВ ходе выполнения диссертационной работы были поставлены и решены следующиезадачи:1.
Приготовление образцов для ИК-Фурье спектроскопии и спектроскопии ТГцпоглощения белков, а также выбор методов математической обработки для анализанизкочастотных колебательных спектров.2. Поиск в низкочастотном диапазоне спектральных проявлений взаимодействияхимотрипсина с краун-эфиром, приводящего к увеличению функциональнойактивности белка в органических растворителях.3. Выявление конформационно-чувствительных линий в низкочастотных ИК-Фурье,ТГц и КР спектрах белков.Научная новизнаПроведен совместный анализ низкочастотных ИК-Фурье и КР спектров белков сразличной вторичной структурой.Проведено сравнительное исследование влияния различных денатурирующих агентовна низкочастотные колебательные спектры белков.Измерены спектры ТГц поглощения химотрипсина, трис(гидроксиметил)аминометана,18-краун-6 и их комплексов с различными концентрациями, проведено сравнение полученныхрезультатов с данными ИК-Фурье и КР спектроскопии.Теоретическая и практическая значимостьРазработана методика приготовления образцов для экспериментов по низкочастотнойИК-Фурье и КР спектроскопии белков.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
