Уширение и сдвиг длинноволновой полосы поглощения аминокислот в Полярном растворителе

Е. П. Конькова, Р. Ш. Затрудина

УШИРЕНИЕ И СДВИГ ДЛИННОВОЛНОВОЙ ПОЛОСЫ ПОГЛОЩЕНИЯ АМИНОКИСЛОТ В ПОЛЯРНОМ РАСТВОРИТЕЛЕ

Введение. При разработке новых лекарственных препаратов настоятельно требуется установление связи между молекулярным составом и спектральными свойствами препарата, определяющими в них характер первичных фотопроцессов. Используемые практической медициной вещества находятся в конденсированном состоянии, в котором велико влияние свойств среды на их фотофизические характеристики. Невозможность расчёта уширений спектров поглощения растворов макромолекул заставляет исследователей прибегать к качественным оценкам. В литературе стандартной является процедура нахождения данного типа параметров на основании решения обратной спектральной задачи, когда производится варьирование этих параметров таким образом, чтобы получить удовлетворительное совпадение экспериментальной и расчётной кривых.

Зависимость сдвига и уширения первого синглет-синглетного электронного перехода соответствующих аминокислотных остатков от взаимодействия с водным окружением в значительной степени определяет характер протекания первичных фотофизических процессов, поскольку все эти процессы проходят с участием упомянутых электронных состояний. Кроме того, первый синглет-синглетный электронный переход определяет флуоресцентные свойства молекулы.

Материалы и методы. Коллаген является структурным протеином, основным белковым компонентом, из которого состоят коллагеновые (и ретикулиновые) волокна. В качестве показателя общего количества соединительнотканных волокнистых белков в биоткани может выступать интенсивность флуоресценции коллагена [4].

Молекула коллагена разбивалась на аминокислотные остатки, свободные валентности которых были закрыты атомами водорода, что позволило исключить появление лишних энергетических уровней. Электронный спектр поглощения коллагена является результатом нахождения электронных спектров остатков с учётом кратности их повторения в составе макромолекулы. С этой позиции каждая линия электронного спектра поглощения белка несла информацию об остатке, к которому она относится [5]. Таким образом, остатки, ответственные за наиболее вероятные первые синглет-синглетные электронные переходы, в значительной степени определяли спектральные свойства коллагена на начальном этапе учёта сольватации. Поэтому с целью определения влияния полярного растворителя на спектроскопические характеристики коллагена были рассчитаны длины волн первых синглет-синглетных электронных переходов соответствующих (значимых) остатков в водном растворе с различной концентрацией. Для этого моделировались периодические граничные условия. Изменения в геометрии сольватированных остатков отражали различия между изолированными и находящимися в растворе оптимизированными структурами.

Электронные спектры остатков были рассчитаны неэмпирическим (aЬ тШо) методом в приближении самосогласованного поля (приближение Хартри—Фока) с использованием валентно-расщеплённого базиса 3-21 ГФ, в котором каждая слейтеровская орбиталь для электронов внутренних оболочек аппроксимирована линейной комбинацией

© Е. П. Конькова, Р. Ш. Затрудина, 2011

Длина волны, нм

Рис. 1. Электронный спектр поглощения молекулы коллагена и первые синглет-синглет-ные электронные переходы остатков

из трёх гауссовых функций, а для валентных электронов вместо каждой слейтеров-ской орбитали используются две линейные комбинации гауссовых функций: одна — из двух, а другая — из одной примитивной гауссовой функции [6]. Для учёта электронной корреляции использован метод конфигурационного взаимодействия. Методом РМЗ осуществлялись оптимизация геометрии и вычисление колебательных спектров (контроль достижения минимума на поверхности потенциальной энергии системы) остатков. Методом ZINDO/S, параметризованным для воспроизведения оптических переходов в УФ-видимой области, вычислены длины волн первых синглет-синглетных электронных переходов сольватированных остатков в водном растворе с различной концентрацией.

Результаты и обсуждение. Результаты квантово-химического расчёта электронного спектра поглощения свободной молекулы коллагена в неэмпирическом приближении представлены на рис. 1.

В области 150-350 нм показаны нормированные в максимуме на единицу результаты полуэмпирического расчёта (с учётом кратности повторения в молекуле белка) первых синглет-синглетных электронных переходов аминокислотных остатков. Видно, что остатками, отвечающими за наиболее вероятные и, следовательно, наиболее значимые на начальном этапе учёта сольватации первые синглет-синглетные электронные переходы в области 150-350 нм, являются глицин (Gly), метионин (Met), глутамин (Glu), пролин (Pro), гистидин (His) и фенилаланин (Phe), которые входят в состав медикаментозного препарата «Семакс», стимулирующего протекание в головном мозге механизмов, защищающих его от повреждения при ишемии головного мозга.

Длина волны первого синглет-синглетного электронного перехода под влиянием межмолекулярных взаимодействий изменяется за счёт изменения энергии основного и первого возбуждённого состояний. В результате флуктуационного движения молекул растворителя в реальных растворах образуются элементарные ячейки с различными конфигурациями водного окружения растворённой молекулы. Очевидно, что в силу различия конфигураций, энергии взаимодействия с окружением у разных молекул растворённого вещества различные. Таким образом, в реальных растворах наблюдаются разброс значений длины волны первого синглет-синглетного перехода,

400 i 300200 100 0

Pro

0 10 20 30 40 50

Gly

: ---------------------------------------------------------------1

T--------------1-------------1--------------1-------------1-------------1

0 10 20 30 40 50

-c

I

-

О

я

td

К

S

4

«

400

300

200

100

His

10

20

30

40

50

0

Met

- ДГ ^ z _ -l —

H-----------1-----------1------------1-----------1-----------1

0 10 20 30 40 50

400

300

200

100

0

Phe

Glu

nf

0 10 20 30 40 50 0 10

Концентрация, %

20

30

40

50

Рис. 2. Концентрационные зависимости длин волн первых синглет-синглетных электронных переходов глицина

конфигурационное уширение [1]. За конфигурационное уширение принято удвоенное среднеквадратическое отклонение длины волны первого синглет-синглетного электронного перехода по нескольким конфигурациям молекул растворителя в элементарной ячейке при неизменной концентрации раствора.

На рис. 2 представлены концентрационные зависимости длины волны первых син-глет-синглетных переходов глицина (Gly), метионина (Met), глутамина (Glu), пролина (Pro), гистидина (His) и фенилаланина (Phe). Видно, что уширения для Gly, Met и Glu, равные ~ 40, 60, 80 нм, значительно превышают уширения для Pro, His и Phe, равные ~ 20, 20, 20 нм. На рис. 3 показаны проекции оптимизированных аминокислотных остатков на плоскость. Сравнивая рис. 2, 3, убедимся, что уширение и сдвиг первого синглет-синглетного электронного перехода зависят от степени сложности строения соответствующего остатка: чем сложнее молекула (присутствуют циклы, замкнутые системы с сопряжёнными двойными связями, ароматические кольца), тем слабее проявляется эффект конфигурационного уширения перехода.

В реальном растворе при определённой концентрации существует непрерывный статистический набор элементарных ячеек с различными конфигурациями молекул растворителя, индуцирующими различные распределения векторов дипольных моментов растворённых молекул и молекул растворителя. Таким образом, трансформация системы межмолекулярных взаимодействий влечёт изменения в полярности водного

Рис. 3. Проекции оптимизированных аминокислотных остатков на плоскость рисунка

окружения и дипольного момента сегмента. Дипольный момент молекулы определяет гидратационную оболочку и, следовательно, её чувствительность к водному окружению [2]. С учётом сказанного, изменение дипольного момента остатка в результате взаимодействия с водным окружением рассматривалось как процесс, приводящий к сдвигу значения длины волны первого синглет-синглетного электронного перехода в полярном растворителе.

Получены концентрационные зависимости дипольных моментов Gly, Met, Glu, Pro, His и Phe. На рис. 4 в качестве примера представлены концентрационные зависимости длины волны первого синглет-синглетного электронного перехода (масштаб увеличения) и дипольного момента Met. Видно, что увеличение (уменьшение) полярности сегмента приводит к батохромному (гипсохромному) сдвигу длины волны первого син-глет-синглетного электронного перехода соответствующего остатка.

150

о о

о

0 10 20 30 40 50

0 10 20 30 40 50

Концентрация, %

Концентрация, %

Рис. 4- Концентрационные зависимости длины волны первого синглет-синглетного электронного перехода (масштаб увеличения) и дипольного момента Met

Спектральный сдвиг существенно зависит от поведения атома в растворённой молекуле, вблизи которой рассматривается молекула растворителя, а именно — от его электроотрицательности. Анализ результатов показал, что в растворе отрицательный заряд у исследуемых аминокислотных остатков индуцировался преимущественно на атомах азота и кислорода. Поскольку третичная структура определяется взаимодействием поверхностных остатков, то для белков гидродинамический радиус близок к истинному размеру молекул, что соответствует значительным концентрациям водного раствора. В связи с этим результаты представлены в области концентрации от 3 до 5 %.

Выводы. Обнаружено, что аминокислотными остатками, отвечающими за наиболее вероятные электронные переходы в молекуле такого важнейшего биполимера, как коллаген (в области 150-350 нм), и аминокислотными остатками, входящими в состав синтетического биополимера «Семакс», обладающего нейропротекторным действием, являются одни и те же аминокислотные остатки, а именно: глицин (Gly), метионин (Met), глутамин (Glu), пролин (Pro), гистидин (His) и фенилаланин (Phe).

Установлено, что уширение первого синглет-синглетного электронного перехода зависит от степени сложности строения соответствующего остатка: чем сложнее молекула (присутствуют циклы, замкнутые системы с сопряжёнными двойными связями, ароматические кольца), тем слабее проявляется эффект конфигурационного уширения перехода. Так, уширения для GLy, Met и Glu составили ~ 40, 60, 80 нм соответственно, что значительно превысило уширения для Pro, His и Phe, равные ~ 20, 20,10 нм.

Можно полагать, что на начальном этапе разброс значений длины волны первого синглет-синглетного электронного перехода сольватированной молекулы прямо пропорционален энергии специфических взаимодействий, а уширение перехода прямо пропорционально энергии универсальных взаимодействий и обратно пропорционально сложности структуры молекулы.

Литература

1- Власова И. М, Буравцов Д. Е., СалецкийА.М. Люминесцентный анализ компонентов крови в исследованиях нейропротекторных свойств препарата «Семакс» при ишемии головного мозга // Журн. прикл. спектр. 2009- Т. 76- № 1- С. 131-137.

2. Затрудина Р. Ш., Конькова Е. П. Изменение спектров флуоресценции цервикальной ткани при некоторых патологиях // Вестн. ВолГУ. Сер. 9: Иследования молодых учёных. 2010-

Вып. 8. Ч. 2. С. 133-140.

3. Абдулов Х. Ш. Расчёт интенсивностей полос ИК-спектров ориентированных полимеров // Журн. прикл. спектр. 2004. Т. 71. № 4. С. 451-455.

4. Грибов Л. А., Баранов В. И., Новосадов Б. К. Методы расчёта электронно-колебательных спектров многоатомных молекул. М., 1984.

5. ЛевшинЛ. В., СалецкийА. М. Люминесценция и её измерения. Молекулярная люминесценция. М., 1989.

6. Морозова Ю. П., Жаркова О. М., Балакина Т. Ю. Влияние протонодонорного растворителя и нежёсткости структуры молекул продана и лаурдана на их спектрально-люминесцентные свойства // Журн. прикл. спектр. 2009. Т. 76. № 3. С. 334-341.

Статья поступила в редакцию 28 июня 2011 г.