Диссертация (1150552), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Наконец с помощью ЯМРспектроскопии и гель-электрофореза показывается, что RRM2 в окисленных образцах особенноуязвим для протеолитического расщепления. Устанавливается факт обмена между фракциейглобулярного мономерного RRM2 и агрегатными частицами.В третьей главе рассмотрена динамика нативно разупорядоченных белков (IDP) васпекте влияния на процесс ЯМР релаксации. Дан краткий обзор литературы по вопросуразличных типов движения в IDP, а также по моделированию молекулярной динамики для IDPс различными моделями воды.
Описываются детали ЯМР экспериментов и компьютерногомоделирования. Далее для скоростей ЯМР релаксации приводятся результаты экспериментов ирасчеты из траекторий МД. На основе сравнения данных эксперимента и моделирования приразличных температурах обосновывается выбор модели воды для МД. Затем траектории МДанализируются с целью выявить основные формы молекулярного движения, ответственные за14ЯМР релаксацию.
Предлагается новая методика анализа траекторий МД, позволяющаявычленить вклады отдельных динамических процессов в ЯМР релаксацию.В заключении приведены основные результаты и выводы диссертации.15Глава 1. ЯМР релаксация дейтронов в «гидратных оболочках» CH2-групп ωаминокислотБиологические молекулы в живых системах представлены в подавляющем большинствеслучаев в виде водных растворов с различными концентрациями. ЯМР релаксация ядеррастворителя зарекомендовала себя как хороший метод для изучения многокомпонентныхрастворов электролитов и органических соединений [9, 35].
Тем не менее, гидратные оболочкивсегда рассматривались как нечто неделимое, хотя на самом деле, поверхность органическихмолекул доступная растворителю может иметь различные типы взаимодействия с молекуламиводы, что, несомненно, будет отражаться на подвижности молекул воды и структурныхсвойствах гидратных комплексов. Метод ЯМР релаксации в сочетании с квантово-химическимирасчетами для таких систем – это комбинация, которая может пролить свет на структурные идинамические параметры гидратации биологических молекул.В данной главе рассматриваются проблема гидратации органических молекул, а такжепути развития методик ЯМР релаксации для изучения быстро обменивающихся систем, напримере релаксации дейтронов воды в водных растворах ω-аминокислот.1.1.
Гидратация амфифильных молекулЯвления гидратации играют очень важную роль в различных процессах, в частности вбиологических системах. Органическая молекула может состоять из гидрофильных игидрофобных молекулярных групп. В растворах молекулы воды образуют водородные связи сполярными гидрофильными группами, такими как карбоксильные или аммонийные группы.Молекулы воды вблизи неполярных гидрофобных групп, таких как метиленовая CH 2 иметильная CH3, ведут себя иначе, чем объемная вода из-за так называемого «гидрофобногоэффекта».
Молекулы воды, расположенные вблизи гидрофобной части растворенных молекул,не могут быть вовлечены в сильные взаимодействия с этими фрагментами. Они образуютискаженную сеть водородных связей, что приводит к возмущенной молекулярной динамике. Поэтим причинам, молекулы воды в водных растворах органических соединений могут бытьраспределены между следующими подструктурами: (i) гидратные оболочки гидрофильныхфункциональных групп, (ii) вода в окружении неполярных групп и (iii) объемная вода.Трансляционная и вращательная подвижности и геометрия водородной связи различаются длямолекул воды в разных субструктурах. Многие исследователи показали, что в растворах16органических соединений необходимо рассматривать, по меньшей мере, две субструктуры воды[3-10, 36-41].
Наличие некоторых функциональных групп, например, атомов галогена, можетвызывать значительные особенности в структуре и динамике воды [15]. Поэтому дляадекватного описания этих систем требуется определенное количество подструктур.Естественный способ определить количество возможных субструктур – это определитьколичество различных молекулярных групп в молекуле растворенного вещества и добавитьсубструктуру объемной воды. Тем не менее, до сих пор значения параметров гидратации,которые были предложены для описания различных растворов органических соединений, небыли тщательно проанализированы в аспекте рассмотрения общего состава молекулырастворенного вещества. Только общие качественные выводы были сделаны относительнохарактера молекулярного движения при наличии гидрофобных и гидрофильных частейорганических молекул в растворе [4, 5, 9-13, 16, 37, 38].В течение долгого времени методы ядерной магнитной релаксации успешноиспользовались для исследования вращательной подвижности в жидком состоянии [42-45].Процессымагнитнойрелаксацииопределяютсяинтенсивностьюфлуктуирующихэлектромагнитных полей в веществе.
Таким образом, исследование этих процессов находится втесном переплетении с изучением природы и скорости теплового молекулярного движения,создающего эти флуктуирующие поля. Современные ЯМР-спектрометры дают возможностьисследовать релаксационные процессы практически всех ядер как в растворителях, так и врастворенныхмолекулах.Такимобразом,ЯМР-релаксацияхарактеризуетсявысокойселективностью информации о локальной молекулярной подвижности в отличие, например, отвязкости, которая отражает интегральную трансляционную подвижность в системе.Данная работа нацелена на исследование релаксационных процессов для дейтроновводы. ЯМР релаксация дейтронов связана с важными динамическими и структурнымипараметрами: временем корреляции вращательного движения молекулы и градиентомэлектрического поля (ГЭП) в месте положения ядра [42, 45].
Дейтроны имеют низкуюестественную распространенность, и поэтому на первый взгляд разумнее использоватьпротонный резонанс. Но на протонную магнитную релаксацию оказывает большое влияниевзаимодействие со спинами парамагнитных частиц, таких как молекулярный кислород (см.раздел 1.2. Материалы и методы).
Кроме того, анализ ЯМР релаксации 1H и 2H в воде и водныхрастворах не привел к существенным различиям в оценках подвижности молекул воды [35, 38,46, 47]. Таким образом, в нашем исследовании в качестве растворителя была выбранаобогащенная дейтронами вода. Исследование молекулярной динамики растворителя проведено17в настоящей работе на основе количественного анализа магнитной релаксации дейтронов вразличных подструктурах.Важной проблемой является влияние химического обмена на измеренные скоростирелаксации. Химический обмен влияет на релаксацию как протонов, так и дейтронов. Влияниеобменных процессов на релаксационные функции можно учесть с помощью уравнений БлохаМакКоннелла [48, 49].
Во многих случаях ситуация упрощается, так как химический обменявляется быстрым в шкале времени ЯМР-релаксации [50, 51], что приводит к наблюдениюсредневзвешенных значений скоростей релаксации.Рассмотрим уже имеющиеся знания о явлениях гидратации в водных растворахорганических молекул. Чаще всего для описания микроструктуры растворителя в раствореиспользуется двух-структурная модель. ЯМР и диэлектрическая релаксация [3-10, 36-41],инфракрасное и микроволновое поглощение [52, 53], вязкость [54] и другие различныефизические процессы обычно описываются посредством суперпозиции вкладов от объемнойводы и гидратной оболочки растворенной молекулы. Тем не менее, в некоторых исследованияхмолекулы воды в водных растворах органических соединений, которые содержат заряженнуюили галогенированную группу, делятся на объемную воду, гидратную оболочку этой особеннойгруппы и гидратную оболочку остальной части молекулы растворенного вещества [15, 54].
Спомощью варьирования молекулярного состава можно выявить и объяснить некоторыеособенности гидратных оболочек отдельных фрагментов молекулы растворенного вещества.Например, для многих соединений была найдена довольно хорошая корреляция междуфактором замедления вращательной подвижности молекул воды (отношение временкорреляции вращательного движения в гидратной оболочке и в объемной воде) и количествомsp3 гибридизованных атомов углерода в молекуле растворенного вещества [13].Молекулы воды в окружении гидрофобных метиленовых и метильных групп имеютзамедленное вращательное движение по сравнению с объемной фазой.
Вопрос о подвижностивблизи гидрофильных частей молекул, который могут образовывать водородные связи смолекулами воды, все еще является открытым, однако авторы работ [6, 15] предположили, чтоподвижность молекул воды вблизи небольших гидрофильных функциональных групп былавыше, чем в объемной фазе. Эти качественные выводы являются отправной точкой для болеетщательного количественного анализа подвижности молекул воды в различных субструктурахв растворах.Исследование структуры воды в растворах органических молекул также возможно спомощью различных вычислительных методов, которые позволяют понять сложную18микроструктуру водных растворов органических соединений. Результаты таких исследованийпоказали большую разницу в гидратации гидрофильных и гидрофобных функциональныхгрупп.
Например, Yogeswari и др. проводили квантово-химические расчеты водных комплексовглицина и диглицина, постепенно увеличивая количество молекул воды [55, 56]. В этих работахсделаны следующие заключения. Молекулы воды, в основном, образуют водородные связи сгидрофильными частями молекулы растворенного вещества. Водное окружение гидрофобныхфрагментов формируется только после заполнения гидратных оболочек гидрофильных групп.Структуры кластеров молекул воды вблизи гидрофобных фрагментов энергетически болеевыгодные, чем структуры с водородными связями между молекулами воды и гидрофильнымигруппами.Моделирование Монте-Карло [57-61], классическая [62-65] и квантовая [66, 67]молекулярная динамика дают функции радиального распределения (ФРР) между атомами водыи молекулами растворенного вещества.
ФРР для гидрофильных функциональных групп имеютрезкие первые максимумы на расстоянии типичном для водородной связи. Для гидрофобныхфункциональных групп широкие максимумы расположены на расстоянии 1-2 Å дальше.Alagona и др. получены распределения угла, образованного одной из ОН-связей молекулы водыс осью ХО, где X - атом рассматриваемой функциональной группы [57-59]. Как и следовалоожидать, гидрофобные фрагменты не ориентируют молекулы воды: распределение являетсяшироким,всеориентацииприсутствуют.Молекулыводывгидратныхоболочкахгидрофильных функциональных групп стремятся ориентироваться в соответствии с геометриейводородных связей: указанный выше угол имеет относительно острый максимум при почтитетраэдрическом угле (109,5°).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
