Модификация структуры гидратной оболочки полипептидов апротонными органическими растворителями: исследование методами ИК-спектроскопии и квантово-химических расчетов

Макшакова, Ольга Николаевна

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Модификация структуры гидратной оболочки полипептидов апротонными органическими растворителями: исследование методами ИК-спектроскопии и квантово-химических расчетов
ВАК РФ 03.01.02, Биофизика

Автореферат диссертации по теме "Модификация структуры гидратной оболочки полипептидов апротонными органическими растворителями: исследование методами ИК-спектроскопии и квантово-химических расчетов"

004Ь1Ь£7О

Макшакова Ольга Николаевна

МОДИФИКАЦИЯ СТРУКТУРЫ ГИДРАТНОЙ ОБОЛОЧКИ ПОЛИПЕПТИДОВ АПРОТОННЫМИ ОРГАНИЧЕСКИМИ РАСТВОРИТЕЛЯМИ: ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДАМИ ИК-СПЕКТРОСКОПИИ И КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ

03.01.02 - биофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

- 3 ЛЕК 2010

Казань-2010

004616293

Работа выполнена в лаборатории биофизической химии наносистем Учреждения Российской академии наук Казанского института биохимии и биофизики Казанского научного центра РАН

Научный руководитель:

кандидат биологических наук Файзуллин Джигангир Асхатович

Научный консультант:

доктор химических наук, профессор Зуев Юрий Федорович

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, профессор Великанов Геннадий Алексеевич (КИББ КазНЦ РАН, г. Казань)

доктор химических наук, профессор Ремизов Александр Борисович (КГТУ, г. Казань)

Ведущая организация:

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, химический факультет, г. Москва

Защита состоится 21 декабря 2010 г. в II00 часов на заседании диссертационного совета Д 002.005.01 по защите докторских и кандидатских диссертаций при Учреждении Российской академии наук Казанском институте биохимии и биофизики КазНЦ РАН по адресу: 420111, г. Казань, ул. Лобачевского, д. 2/31, а/я № 30, тел/факс (843)2927347, e-mail: annaivanova@mail.knc.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке Казанского научного центра РАН

Автореферат разослан «17» ноября 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат биологических наук А.Б. Иванова

ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Постановка задачи и ее актуальность. Напрямую или косвенно вода участвует во всех нековалентных взаимодействиях, стабилизирующих структуру белков. Однако, для функционирования белков, в частности ферментов, в первую очередь необходима гидратная вода, образующая прилежащие к белковой молекуле слои. Гидратация белков, т.е. количество и распределение молекул воды по поверхности биополимера, является одним из основных факторов, влияющих на фолдинг белков и формирование их нативной конформации. Кроме того, гидратная оболочка белков выступает в роли «посредника» при формировании их функциональных комплексов с лигандами белковой и небелковой природы [Nakasako, 2004],

Структура гидратной оболочки белков широко исследуется на различных модельных соединениях. При этом рассматриваются различные приближения отдельных структурных компонентов белковой поверхности, включая аминокислоты или другие низкомолекулярные органические соединения с близким химическим составом, вплоть до сложных надмолекулярных полимерных структур, в том числе белковые кристаллы и пленки. Исследование сорбции воды из газовой фазы на твердых пленках белков и полипептидов позволяет последовательно изучать все стадии их гидратации от абсолютно сухого препарата до появления объемной воды [Morita et al., 2007].

In vitro и in vivo низкомолекулярные органические соединения могут выступать как регуляторы активности ферментов [Klibanov, 2001; Minton, 2001; Ball, 2008]. При этом возможно как непосредственное влияние органических соединений на белок через межмолекулярные контакты, так и их опосредованное действие через изменение структуры и динамики гидратной оболочки [Russo, 2008].

Следует отметить, что использование органических растворителей для модификации структуры гидратной воды в белковых системах является методическим подходом, который позволяет избирательно воздействовать на структуру гидратной оболочки. Кроме того, водно-органические системы существенно расширяют представления о структурно-функциональных свойствах белков в присутствии органических соединений. В прикладном аспекте органические растворители позволяют оптимизировать различные биотехнологические процессы, существенно повышая стабильность ферментов, обеспечивая реакционный контакт химическим соединениям различной полярности и др., что зачастую недостижимо в рамках чисто водного окружения [Гладилин и Левашов, 1998]. В нашей работе исследованы два органических растворителя - диоксан и ацетонитрил (AN) как одни из самых широко используемых в препаративной биохимии, неводной энзимологии, хроматографии. Немаловажным обстоятельством является также то, что полосы поглощения в инфракрасном (ИК) спектре полярных групп этих растворителей не перекрываются со спектральными полосами воды и пептидных групп.

Гомополипептиды являются классической упрощенной моделью белка. Они состоят из аминокислотных остатков одного типа и образуют вторичную структуру. Кроме того, в последние годы исследования свойств полипептидных пленок и их взаимодействий с растворителем [Zohuriaan-Mehr et al., 2009; Czapiewski and Zielkiewicz, 2010] обретают новое значение в связи с перспективами их применения в медицине и пищевой промышленности благодаря биосовместимости, способности к биологическому разложению и пр. [Haynie et а/., 2005].

Цель и задачи исследования. Целью работы являлось исследование механизмов модификации структуры гидратной оболочки полипептидов апротонными органическими растворителями.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

1. Смоделировать пространственную структуру исследуемых полипептндов. Провести сравнительный анализ методов - молекулярно-механических, полуэмпирических и теории функционала плотности (DFT), а также параметров расчета, выбрав из них оптимальный по затратам машинного времени и достижению необходимой точности. Рассчитать энергию взаимодействия и геометрические параметры комплексов полипептид - растворитель.

2. На основе выбранного оптимального метода рассчитать колебательные спектры полипептидов и их комплексов с растворителями.

3. На основе совместного анализа экспериментальных и расчетных спектров определить центры сорбции воды, структуру и энергию образования комплексов, реализующихся в полипептидах с боковыми цепями различной химической природы. Количественно оценить сорбцию воды в полипептидных пленках.

4. На основе совместного анализа экспериментальных и расчетных спектров определить центры сорбции и энергию взаимодействий безводных органических растворителей с полипептидами. Количественно оценить сорбцию растворителей.

5. Провести анализ ИК-спектров пленок полипептидов, гидратированных в парах водно-органических смесей. Установить механизмы влияния органических растворителей на величину сорбции и распределение воды в структуре полипептидов.

Научная новизна работы. Впервые при использовании взаимодополняющих методов ИК-спектроскопии и квантово-химических расчетов охарактеризованы структура гидратной оболочки полипептидов в присутствии апротонных органических растворителей и механизмы ее модификации.

Впервые строгие современные квантово-химические методы применены к а-спиральным полипептидам, содержащим 16 аминокислотных остатков.

водородных связей типа С-Н—О и С-Н'-К в образовании комплексов между полипептидом, молекулами воды и органического растворителя.

Проведен сравнительный анализ расчетных частот нормальных колебаний с данными ИК-спектроскопии с целью определения типов комплексов, реализующихся в исследуемых системах.

Установлено, что диоксан и ацетонитрил, сорбируясь на твердом полипептиде, влияют на структуру его гидратной оболочки посредством нескольких механизмов, а именно:

1) изменения доступности центров гидратации полипептидов для молекул воды за счет изменения копформации полипептида;

2) конкуренции растворителя с подой за центры связывания на полипептиде;

3) дополнительного связывания воды полярными центрами органического растворителя.

При этом степень реализации каждого из механизмов определяется химической природой боковых групп аминокислотных остатков и вторичной структурой гомополипептидов.

Научно-практическая значимость работы. Полученные результаты дают новые представления о формировании гидратной оболочки полипептидов в присутствии низкомолекулярных органических соединений, что имеет фундаментальное значение для понимания структурно-функциональных свойств пептидов и белков, белковых ассоциатов и комплексов белков с различными низко- и высокомолекулярными соединениями. Результаты работы могут быть использованы с целью направленного воздействия на активность ферментов в водно-органических средах, что имеет большое значение для технологий неводного биокатализа. Разработанные представления могут быть использованы при создании новых эффективных и экологически чистых материалов на основе полипептидов для применения в медицине, пищевой промышленности, биотехнологиях.

Экспериментальные результаты и методические разработки, представленные в работе, могут быть использованы в учреждениях биологической, биотехнологической, физико-химической направленности, занимающихся квантово-химическими расчетами многоатомных биологических систем, ИК-спектроскопией белков и пептидов, исследованием взаимосвязи структуры и функций биомакромолекул, а также включены в курсы лекций по биофизике, молекулярной биологии и физической и органической химии.

Связь работы е научными программами и собственный вклад автора в исследования. Исследования проводились в соответствии с планами УРАН КИББ КазНЦ РАН по теме «Межмолекулярные взаимодействия и молекулярная динамика как факторы регуляции функциональной активности белков» (номер госрегистрации № 0120.0 803026) и частично поддержаны грантами РФФИ № 02-04-48907, № 05-04-

49722, № 09-03-00778, НИОКР РТ №03-3.10-159, №03-3.10-364, а также грантом Президиума РАН (программа «Молекулярная и клеточная биология»). Научные положения и выводы диссертации базируются на результатах собственных исследований автора.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы были представлены на XVII Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Казань, 2003); Ш Съезде биофизиков России (Воронеж, 2004), 8-ой и 9-ой Международной Путинской школе-конференции молодых ученых «Биология - наука XXI века» (Пущино, 2004, 2005), X, XI, XII Всероссийской конференции «Структура и динамика молекулярных систем» (Яльчик, 2003, 2004, 2005), IV Санкт-Петербургской конференции молодых ученых с международным участием «Современные проблемы науки о полимерах» (Санкт-Петербург, 2008), Научно-практической конференции «Биологически активные вещества: фундаментальные и прикладные вопросы получения и применения» (Новый Свет, АР Крым, Украина, 2009), IV Российском симпозиуме «Белки и пептиды» (Казань, 2009), 12-ой Конференции им. В.А. Фока по квантовой и вычислительной химии (Казань, 2009), Российской школе молодых ученых «Актуальные проблемы современной биохимии и молекулярной биологии» (Казань, 2010).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 6 статей (из них 3 в журналах из списка ВАК, в т.ч. 2 в международной печати; 3 в сборниках) и 9 тезисов.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, выводов и Приложения. Работа изложена на 203 страницах машинописного текста, содержит 74 рисунка и 16 таблиц. Список литературы включает 192 источника, из них 26 на русском языке.

1. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Приготовление образцов. В работе исследованы (Рис. 1); поли-ЭЬ-аланин (РА), натриевая соль поли-Ь-глутаминовой кислоты (Na-PGA), поли-у-бензил-L-глутамат (PBG), поли-Ь-лизин (PL) (коммерческие препараты фирмы Sigma), поли-L-глутаминовая кислота в нейтральной форме (PGA), полученная на основе Na-PGA. Для получения полипептидных пленок водные растворы PA, Na-PGA, и PL помещали на поверхность кюветного окна и высушивали. По данным ИК-спектроскопии в пленках полипептиды имели неупорядоченную конформацию. Пленку PL увлажняли парами воды с относительной влажностью 0.5 [Чиргадзе и Овсепян, 1972] в течение суток до окончания конформационного перехода в ß-структуру, а затем высушивали. Пленку PBG в а-спиральной конформации получали осаждением из раствора в хлороформе. Для получения PGA в а-спиральной конформации водный раствор Na-PGA титровали соляной кислотой до выпадения осадка (pH ~ 2), осадок многократно промывали бидистиллированной водой для

удаления солей NaCl. Порошок PGA растворяли в диоксане, при испарении которого формировалась пленка. PGA в (3-конформации получали из пленки Na-PGA по известной методике [Lemormant et al., 1958]. Пленку Na-PGA в (3-конформации выдерживали в атмосфере паров НС1 в течение суток, после чего промывали водой. Уровень деионизации карбоксильных групп PGA контролировали по ИК-спектрам.

Н «аС

°ч о о "2Л оч о

V °у /СНз V

/ г ' /

Н,с н2с

СНз ^сн, \н, ^н, ;сн2

Г5Т T"CY Y"V W -Of

но но но н ° НО Рис. 1. Схемы аминокислотных остатков: PA, Na-PGA, PGA, PL, PBG (слева-направо).

Органические растворители (ЧДА) - ацетонитрил (А1Ч) и 1,4-диоксан, очищали согласно известным методикам [Регпп ег о/., 1980]. Осушенные растворители выдерживали над молекулярными ситами 3 А. Использовали бидистиллированую воду.

1.2. Термодинамическая активность воды. Активность воды (а^ в парах чистой жидкости задавали на основе разницы температур в кювете с образцом и в сатураторе [Никольский, 1963]. Температуру кюветы с образцом поддерживали при 25°С. Активность воды в органических растворителях рассчитывали по уравнению:

а\у = У»'*Х\у, (1)

где Х\у — мольная доля воды в растворе, - табличный коэффициент активности воды для данной мольной доли [Коган и др., 1966].

1.3. ИК-спектроскопия. ИК-спектры регистрировали на приборе \'саог-22 (Вгикег) с разрешением 4 см'1 и накоплением 64 сканов; в качестве материала кюветных окон использовали СаР2. Пленки полипептидов помещали в герметичную кювету, которую устанавливали в держателе прибора. До начала эксперимента пленку в кювете продували воздухом, осушенным над Р2О5, до полного прекращения изменений в спектре. Во время эксперимента кювету продували парами чистой воды или водно-органических смесей с заданной активностью воды; процесс сорбции растворителя контролировали спектрально. Активность паров воды меняли от 0 до 0.99 при гидратации и обратно до 0 при дегидратации.

1.4. Количественные оценки сорбции растворителя в пленке. Сорбцию воды контролировали по поглощению в области уОН 4000 - 3000 см'1 ИК-спектра, сорбцию диоксана - по полосе уС-0 при 1121 см'1, сорбцию AN - по полосе

при 2250 см"1. Количество сорбированного органического растворителя (А) и воды (h) определяли по формуле:

A(h) = Sww*BA1/(Bi4M*SA,), (2)

где Sp-дя и SAi - интегральные интенсивности полос поглощения растворителя и амида 1 исходно сухой пленки полипептида (рис. 2), соответственно, В|>.Ля -интегральный молярный коэффициент экстинкции полосы растворителя (л/моль/см2) брали равным 19100 и 886.5 - для полос диоксана и ацетонитрила, соответственно; 96000 и 48000 для широкой полосы воды и для высокочастотного дублета полос воды, соответственно [Сироткин и др., 2000]; Вд| - интегральный коэффициент экстинкции (л/моль/см2) полосы амид 1, взятый с учетом содержания вторичных структур: 45000 - для неупорядоченной структуры, 75000 - для а-спирали и Р-слоев [Venyaminov and Kalnin, 1990]. Для оценки количества воды, приходящейся на один гидратированный центр полипептида, вместо SA| брали сумму положительных площадей из разложения разностного спектра в области амида 1, амида 2 (рис. 2) и валентных колебаний полярных групп боковых цепей с соответствующими коэффициентами экстинкции [Venyaminov and Kalnin, 1990]. Разностный спектр получали вычитанием спектра сухой пленки из спектров влажной пленки.

Гидратационные зависимости h = f(aw) полипептидов в области активностей воды 0 - 0.5 хорошо описываются уравнением БЭТ [Brunauer et al., 1938]: h (bw) = w(K*aw/(l + K*aw) + aw/(l - aw)) (3)

где w и К - емкость монослоя (моль воды/моль остатка) и сродство гидратных центров к воде, соответственно. Первый член уравнения описываег связывание воды на гидратных центрах полипептида в монослое, его вклад доминирует при aw < 0.5, а второй член отражает образование полимолекулярного слоя воды при aw > 0.5.

Для исследования структуры гидратной оболочки полипептидов анализировались спектры в области активностей воды 0 < aw < 0.5.

1.5. Квантово-химические

расчеты. Исходные структуры полипептидов создавали с помощью программного пакета HyperChem8.0. Далее геометрии а-спиральных полипептидов оптимизировались в силовом поле CHARMM в программе CHARMM, полуэмпирическим методом РМЗ, методом DFT B3LYP/3-21G в программном пакете Gaussian03, в программном пакете Priroda [Laikov,

Поглощение

1700 1650 1600 1550 1500

см'1

Рис. 2. Спектры поглощения сухой (I) и увлажненной (2) пленки РА и разностный спектр (3) между (2) и (1) в области амид ] и амид 2.

2005] с негибридным функционалом плотности РВЕ и базисным набором L1, при использовании контрактированных схем орбитальных базисов (10s, 7р, 3d)/[3s, 2р, Id] для атомов С, О и N и (6s, 2p)/[2s, 1р] для атома водорода. В качестве критериев сходимости устанавливался максимальный градиент 10"4 Хартри/А и порог по энергии для процедуры самосогласованного поля 10'8 Хартри.

Неупорядоченная структура моделировалась трипептидом, складчатая \i-структура - антипараллельным р-листом, состоящим из 3-х цепочек по 4 аминокислотных остатка в каждой. Чтобы исключить образование водородных связей концевыми группами, во фрагментах NH2 и СООН по одному атому водорода замещались метальными группами.

Для получения исходных геометрий комплексов молекулу лиганда (вода, диоксан или ацетонитрил) помещали в произвольную точку пространства на расстоянии около 4 А от поверхности полипептида. В результате расчетов 25 - 30 траекторий в программном пакете HyperChem8.0 получены статистически устойчивые комплексы. Оптимизация структуры этих комплексов более строгими методами (РМЗ, B3LYP, РВЕ) позволила определить энергию взаимодействия молекул и колебательные спектры. Тестовый комплекс а-спирального поли-L-аланина с молекулой воды рассчитывался методами CHARMM, РМЗ, а также методом ONIOM на основе оптимизированной на уровне B3LYP/3-21G структуры. Схема ONIOM позволяет разбить молекулярную систему на несколько областей и каждую считать на своем уровне теории. Область, ограниченную радиусом 5 А относительно молекул воды, рассчитывали на уровне B3LYP с разными базисными наборами: 6-31G(d), 6-31G(d,p), 6-31+G(d,p), 6-311G(d), остаток молекулы рассчитывали на уровне B3LYP/3-21G. На всех уровнях расчета вычисляли суперпозиционную ошибку базисного набора (BSSE). При расчетах на уровне РВЕ вводили поправку на энергию нулевых колебаний (ZPVE); поправка на BSSE не выполнялась. Частоты нормальных колебаний и интенсивности ИК-спектров рассчитывали аналитически.

Энергия образования комплекса рассчитывали по формуле:

ДЕ = Екомплекса~Епп-Елиганда (4)

где Екомплекса. ЕПп и Елиганда есть энергия комплекса, полипептида и лиганда, соответственно.

Комплексы PA, PBG и PGA с лигандами исследовали методом DFT РВЕ.

2. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

2.1. Выбор модели и метода расчета комплексов полипептидов с молекулами растворителя и их колебательных свойств

Вторичная структура полипептидов и химическая природа аминокислотных остатков влияют на структуру комплексов полипептид - лиганд. Регулярная упаковка

полипептидной цепи, с одной стороны, накладывает ограничения на доступность пептидных групп растворителю, с другой стороны, из-за стерической близости боковых групп создает условия для формирования комплексов более сложных, чем I молекула лиганда на 1 аминокислотный остаток, что особенно важно, как будет показано ниже, для полипептидов с длинными полярными боковыми цепями.

Известно, что при длине цепи 12 остатков и больше полиаланин в вакууме образует стабильную а-сприаль [Wieczorek and Dannenberg, 2004]. Полипептид длиной в 16 аминокислотных остатков позволяет, с одной стороны, уменьшить влияние концевых групп, а с другой, оптимизировать используемые компьютерные ресурсы. На концах полипептидов помещались неионизованные группы СООН и NH2. Расчеты разными методами показали хорошее воспроизведение параметров а-спирали по сравнению экспериментальными данными [Sun et al., 2000] и данными

расчетов в кластерной модели

Поглощение (а)

Амид I

АмидА

vCH, vCH,

vC=0

vOH

Амид 2

4000 3500 3000 2500 2000 1500

1000 CM"'

(б)

Амид I

АмидА

[Wieczorek and Dannenberg, 2003] и бесконечной модели с периодическими условиями

[Vener et al, 2009].

Комплекс а-спирального полиаланина с водой, в котором образуется одна водородная связь между атомом водорода молекулы воды и атомом кислорода пептидной группы полиаланина, был использован в качестве тестового для определения оптимального уровня теории моделирования. Расчеты комплекса дают довольно близкие значения пара-

метров геометрии (Табл. 1). Однако метод РМЗ немного недооценивает энергию взаимодействия, а CHARMM переоценивает ее по сравнению с B3LYP/6-31+G(d,p) (Табл. 1). Учет поправки суперпозиционной ошибки базисного набора (BSSE) приводит к коррекции значений энергии взаимодействия и нивелирует разницу в энергии, полученной с разными базисными наборами (Табл. 1). Энергия взаимодействия в комплексе, рассчитанная на уровне РВЕ с учетом поправки на энергию нулевых колебаний (ZPVE), имеет значение, близкое к значению, полученному с базисом B3LYP/6-31+(d,p). Энергия взаимодействия в комплексе,

vOH

vCH, vCH,

vC=0

6NH vC-°

4000 3500 3000 2500 2000 1500

1000 cm"

Рис. 3. Экспериментальный (а) и расчетный (б) спектр PGA.

рассчитанная на уровне РВЕ с учетом поправки на ZPVE, имеет значение близкое к значению, полученному с базисом B3LYP/6-31+(d,p).

Сравнение частот нормальных колебаний а-спирального полиаланина, полученных методами РМЗ, DFT РВЕ и ONIOM(B3LYP/6-31G(d):B3LYP/3-21G), показывает, что наилучшее согласие с экспериментом обеспечивают расчеты методом DFT РВЕ.

Рис. 3 демонстрирует хорошее совпадение расчетного спектра и экспериментального спектра полипептидной пленки на примере спирального PGA. Небольшие различия относятся к поглощению боковых карбоксилов PGA, что вызвано взаимодействиями между соседними молекулами полипептида в пленке, которые не учитывались в расчетной модели.

Табл. 1. Геометрические параметры и энергия образования комплекса спирального полиаланина с молекулой воды, рассчитанные на разных уровнях теории_

Hw-Op Ow-Op / OwHwOp ДЕ6 ДЕсогт

(А) (А) О (ккал/моль) (ккал/моль)

CHARMM 1.769 2.733 171.68 -6.96 -

РМЗ 1.809 2.767 173.07 -4.86 -

РВЕ 1.837 2.798 164.60 -9.17 -6.85

B3LYP/3-21G 1.735 2.722 166.64 -19.31 -3.72

B3LYP/6-31G(d)a 1.891 2.855 168.42 -9.76 -5.28

B3LYP/6-31 G(d,p)а 1.884 2.845 168.35 -9.80 ^1.98

B3LYP/6-31+G(d,p)а 1.901 2.855 165.09 -6.89 -5.80

B3LYP/6-311G(d)a 1.885 2.841 167.94 -10.00 -5.40

' Большой (high) базисный набор для ONIOM (high:B3LYP/3-2IG) приближения 6 Энергия взаимодействия без поправки суперпозиционной ошибки базисного набора ' Энергия взаимодействия с поправкой суперпозиционной ошибки базисного набора для B3LYP и с корректировкой энергии нулевых колебаний для РВЕ.

2.2. Анализ комплексов полипептидов с молекулами воды

ИК-спектры гидратной воды в исследуемых полипептидах демонстрируют существенные различия по форме и положению полосы vOH (рис. 4). В спиральном PBG вода имеет спектр, характерный для гидрофобных полимеров с изолированными карбонильными группами, образующими комплексы с одиночными молекулами воды [Kusanagi and Yukawa, 1994]. Два острых равновеликих пика при 3625 и 3540 см"1, соответствующих моде асимметричных и симметричных валентных колебаний ОН связей, согласно устоявшимся в ИК-спектроскопии представлениям, можно отнести к поглощению молекул воды, образующих 2 равновеликие водородные связи. Пик низкой интенсивности при 3800 см'1 указывает на наличие свободных осцилляторов ОН молекул воды, образующих одну водородную связь.

Квантово-химические расчеты показали наличие двух типов комплексов (рис. 5), что подтверждает экспериментальные данные. В первом комплексе молекула воды образует одну водородную связь с карбонильным кислородом сложноэфирной

Поглощение

группы С=0--НОН. Во втором комплексе молекула воды образует 2 водородные связи с атомами кислорода сложно-эфирной и пептидной групп: С=0-Н0Н...0=С. Расчетные частоты нормальных колебаний воды (Табл. 2), пептидных и сложноэфирных групп в этих комплексах находятся в хорошем согласии с экспериментом. Количественные оценки, сделанные на основании ИК-эксперимента показывают, что одна молекула воды приходится на 2 гидратных центра PBG (Табл. 3), что свидетельствует о преобладании в пленке PBG комплексов, в которых одна молекула воды образует две водородные связи.

Количественные оценки гидратной воды на основании уравнения (2) показывают, что в пленке PGA на один гидратируемый центр (кислород пептидной или карбоксильной группы) приходится в среднем 2.2 молекулы воды. Квантово-химические расчеты показали существование пяти возможных комплексов спирального PGA с одной молекулой воды (рис. 6). Два из них по геометрии и энергии взаимодействия близки к комплексам вода-PBG, а именно, в комплексе PGAW1 вода образует одну водородную связь с карбонильным кислородом группы, а в комплексе PGAW3 молекула воды связывает карбонильные атомы кислорода

Рис. 4. Спектры гидратной воды в пленках при aw0.3 (слева-направо): PBG, PA, PGA, Na-PGA, PL (пунктир), спектр жидкой воды (выделен цветом). Спектры нормированы на интенсивность полосы vOH в максимуме.

карбоксильной

PBGW1

PBGW2

Рис. 5. Комплексы PBG с молекулой воды.

карбоксильной и пептидной групп. В комплексах PGAW4 и PGAW5 молекула воды связывает полярные группы двух соседних боковых цепей: в PGAW4 образуются водородные связи с карбонильными атомами кислорода двух карбоксильных групп, а в PGAW5 - с гидроксильными атомами кислорода двух карбоксильных групп.

Образование этих комплексов сопровождается реориентацией боко-

вых цепей полипептида. Поворот боковых групп вокруг связи СН2-СН2 достигает 95°, тогда как торсионные углы остова не меняются. Реориснтация боковых групп дает вклад противоположного знака в энергию образования комплексов и делает их менее выгодными, чем другие комплексы с двумя водородными связями. В PBG образования комплексов данного типа не наблюдается, поскольку массивные бензильные группы затрудняют повороты боковых цепей. Кроме того, дополнительную стабилизацию комплексов обеспечивают контакты С-Н-0 между атомом кислорода воды и углеводородной частью боковых цепей. Сравнение расчетных и экспериментальных сдвигов частот колебаний групп С=0 показывает, что молекулы воды в пленке PGA связываются с атомами кислорода этих групп, находящихся в составе пептидного остова и карбоксильного фрагмента боковой цепи.

PGAW1

PGAW2 PGAW2(2) PGAW3 >

PGAW3(2)

Рис. 6. Структуры пяти комплексов PGA с молекулой воды и некоторых комплексов PGA с двумя и тремя молекулами воды.

Расчетные колебательные частоты молекулы воды в полученных комплексах не совпадают с положением компонент в экспериментальных спектрах. Они дают существенно завышенные значения частоты асимметричных валентных колебаний (vac); при этом частоты колебаний молекул воды с двумя водородными связями в комплексах PGAW3, PGAW4 и PGAW5 попадают на высокочастотный склон полосы экспериментального спектра. Добавление второй молекулы воды к наиболее выгодным комплексам PGAW2 и PGAW3 приводит значения расчетных

Табл. 2. Энергия взаимодействия (ккал/моль) и расчетные частоты (см"') валентных колебаний ОН связей воды в комплексах с PBG и PGA и tALA

колебательных частот в соответствие с экспериментальными частотами. На основе комплекса PGAW3 могут образовываться цепочки из молекул воды, как показано на рис. 6.

Интересно отметить, что хотя в PBG карбонильные группы имеют такое же сродство к воде, как и в PGA, в PBG водные цепочки и кластеры не образуются. По-видимому, этому препятствуют объемные гидрофобные боковые группы PBG. Спектр воды в PGA имеет существенно более низкочастотное положение, чем в PBG, что свидетельствует о более сильных водородных связях в структуре гидратной воды PGA. Оценки энергии образования комплексов PGA с двумя и тремя молекулами воды PGAW2(2), PGAW3(2) и PGAW3(3) показывают, что последовательное добавление воды приводит к существенной стабилизации комплексов (Табл. 2).

В Na-PGA полоса воды имеет наиболее низкочастотное положение и наибольшую полуширину. Известно, что заряженные группы структурируют окружающую их воду в водородно-связанные кластеры. При этом отрицательно заряженные группы полипептида взаимодействуют с атомом водорода воды, а положительно заряженные группы с атомом кислорода воды. Геометрия подобных комплексов представлена в обзоре [Wyttenbach and Bowers, 2009]. Оценки количества воды в комплексах, сделанные на основании спектральных измерений, дают соответственно значения 4.2 и 3.5 моля воды/моль гидратных центров для Na-PGA и PL (Табл. 3), что находится в хорошем соответствии с литературными данными [Kuntz and Kauzmann, 1974]. Низкочастотные сдвиги амидных полос показывают, что молекулы воды также проникают к пептидному остову.

ДЕ 1 N3* Vac OH vcOH

Н20 3823 3717

PBGW1 -10.79 1 3776 3524

PBGW2 -12.28 1 3655 3574

PGAW1 -8.54 1 3781 3549

PGAW2 -12.7 1 3761 3344

PGAW2(2) -20.21 1 3490 3447

2 3805 3708

PGAW3 -10.9 1 3660 3528

PGAW3(2) -21.34 1 3641 3465

2 3701 3533

PGAW3(3) -30.95 1 3623 3379

2 3642 3467

3 3771 3507

PGAW4 -7.84 1 3684 3551

PGAW5 —4.76 1 3747 3656

tALAWl -6.53 1 3785 3526

tALAW2 -7.47 1 3817 3712

tALAW3 -9.97 1 3784 3433

tALAW3(2) -16.45 1 3548 3496

включает поправку на энергию нулевых колебаний 2 номер молекулы воды по мере добавления

Табл. 3. Количественные параметры сорбции чистых растворителей на полипептидах с различной вторичной структурой_

№* Емкость монослоя Кол-во воды в расчете на гидратированный центр Сорбция диоксана Сорбция AN Тип вторичной структуры

РА 1 0.267 (0.015) 1.210.07 0 0.310.05 неупорядоченная

2 0.292 (0.013) 0.810.12 0.7+0.04 Р-слои

PGA(a) 1 0.29 (0.001) 2.210.1 0.6+0.2 0.610.08 а-спираль

2 0.323 (0.003) 1.210.1 0.610.13 сс-спираль

PGA(P) 1 0.223 (0.011) 1.9+0.09 - 0.35+0.15 р-СЛОИ

2 0.252 (0.01) 1.2+0.08 1+0.08 а-спираль

PBG 1 0.018(0.001) 0.510.03 3+0.07 0.710.02 а-спираль

2 0.018(0.001) 310.08 0.710.01 а-спираль

PL 1 0.636 (0.031) 3.510.2 - - Д-слои

2 0.682 (0.028) 110.2 1.4+0.01 а-спираль

Na- 1 0.513 (0.026) 4.310.3 - - неупорядоченная

PGA 2 0.545 (0.018) 0.110.04 0.310.01 Р-слои

* 1 - гидратационный ход 2 - дегидратационный ход

Рис. 7. Комплексы трипептида аланина с одной и двумя молекулами воды.

Моделирование взаимодействий неупорядоченной структуры РА с водой на трипептиде аланина (tALA) показало существование трех типов коматексов (рис. 7), в которых вода образует одну или две водородные связи с пептидными группами. Энергетически наиболее выгодным является комплекс, в котором вода одновременно связывает две соседние С=0 и NH группы.

Добавление второй молекулы воды к этому комплексу приводит к образованию комплекса tALAW3(2) (Рис. 7), к поправке в колебательных частотах первой молекулы воды и хорошему согласию с экспериментом. Образование однотипных водных кластеров вблизи пептидных групп в пленке РА дает широкий сглаженный спектр воды, который можно удовлетворительно описать двумя - тремя гауссовыми полосами, как и спектр жидкой воды, в отличии от спектра воды в PGA, где

реализуется большое число различных комплексов, Оценки количества воды в комплексах с гидратными центрами РА, сделанные на основании спектральных изменений, показывают, что на одну пептидную группу приходится 2 молекулы воды.

2.3. Анализ комплексов полипептидов с молекулами безводного органического растворителя

Диоксан. Молекула диоксана имеет два протоно-акцепторных атома кислорода в эфирных фрагментах и большую гидрофобную область из четырех метиленовых групп, распределенных попарно между эфирными атомами кислорода в кольцевой структуре. Довольно крупные (мольный объем -11.7 моль/л) и малополярные (дипольный момент - 0.45 Д) молекулы диоксана не могут внедриться в объем сухой пленки, поскольку для включения молекулы диоксана требуется образование полости, которое сопряжено с кооперативными перестройками конформации полипептидной цепи. Поэтому наблюдаются различия в значениях сорбции и типах структуры на прямом и обратном ходе гидратации полипептидов водно-диоксановыми смесями (Табл. 3).

В полипептидах с неполярными и ароматическими боковыми группами (РА и PBG) полоса поглощения валентных колебаний эфирных связей диоксана vC-0 сохраняет положение и высокочастотную асимметрию как в спектре жидкого диоксана (рис.8). Это свидетельствует о том, что в РА и PBG эфирные группы диоксана не образуют водородных связей, а контактируют с гидрофобными боковыми группами полипептида и с другими молекулами диоксана. В то время как в полипептидах с полярными и заряженными боковыми группами (PGA, Na-PGA и PL) полоса vC-0 сдвигается в низкочастотную область; при этом асимметрия меняет знак и становится

низкочастотной, что свидетельствует об образовании водородных связей с протоно-донорны-ми группами полипептидов.

Квантово-химические расчеты комплексов а-спирального PGA с молекулой диоксана показали существование двух комплексов (рис. 9). В первом комплексе PGAD1 два эфирных кислорода диоксана образуют водородные связи с атомами водорода карбоксильных групп пространственно соседних боковых цепей PGA. Энергия образования комплекса очень высокая (-13.48 ккал/моль) и явля-

Поглощение

Рис. 8. Спектры безводного диоксана в пленках: 1 - РА, 2 - PBG, 3 - PGA, 4 - Na-PGA, 5 - PL и спектр жидкого диоксана (выделен цветом), нормированные на интенсивность полосы vC-О в максимуме.

PGAD1

PGAD2

ется даже более благоприятной, чем в комплексах с водой. Второй комплекс РСА02 стабилизирован несколькими слабыми взаимодействиями типа С-Н-0 и является менее выгодным, чем первый (-4.39 ккал/моль). При образовании данного комплекса нарушается регулярная упаковка боковых цепей и образуется довольно большая полость между цепями, что позволяет молекуле диоксана глубоко проникать в область боковых цепей. Сопоставление сдвигов предсказанных частот с экспериментальными подтверждает образование в пленке комплексов типа РСАБ1 и не исключает наличия комплексов РСАБ2.

Рис. 9. Комплексы PGA в а-спиральной конформации с молекулой диоксана

В РВС молекулы диоксана локализуются в среде боковых цепей, реализуя большое количество взаимодействий типа С-Н-0 (-2.5 А). Такие взаимодействия дают очень слабые сдвиги частот нормальных колебаний, что согласуется с очень слабыми изменениями в экспериментальном спектре. Каждая связь С-Н-0 дает довольно малый вклад в энергию взаимодействия (~ 1 ккал/моль ег о/., 2007]), но большое

число таких слабых водородных связей делает этот комплекс довольно стабильным (ДЕ = -8.03 ккал/моль). Показательно, что РВС характеризуется самой большой величиной сорбции диоксана по сравнению с другими полипептидами (Табл. 3).

Внедрение диоксана в пленку РА сопровождается конформационным переходом части неупорядоченной структуры в р-слои. Несмотря на то, что расчетное значение энергии взаимодействия эфирного кислорода диоксана с ЫН группой полипептидной цепи довольно высоко (-5.86 ккал/моль) по сравнению с энергией взаимодействия с (5-листом через С-Н—О контакты (-2.55 ккал/моль), сопоставление расчетных и экспериментальных сдвигов полос свидетельствует о том, что в пленке РА молекулы диоксана локализуются на участках с ^-структурой.

В препаратах №-РвА молекулы диоксана проникают к пептидным группам, образуя водородные связи с аминными фрагментами. В пользу этого заключения свидетельствует низкочастотный сдвиг полосы уС-0 диоксана и сохранение значительной доли неупорядоченной конформации при сорбции диоксана по

сравнению с пленкой полипептида, увлажненной в парах чистои воды, когда образуется р-структура. Молекулы диоксана оказываются стерическим препятствием для формирования упорядоченной структуры. В №-РСА зарегистрировано самое низкое значение сорбции диоксана - 0.1 моль/моль аминокислотных остатков (Табл. 3).

Ацетонитрил. В отличие от диоксана, молекулы AN с небольшим мольным объемом (мольный объем - 19.1 моль/л) и большой полярностью (дипольный момент - 3.5 Д) легко проникают в исходно сухой препарат, вызывая лишь небольшие изменения конформации. Однако вторичная структура при этом остается неравновесной. Тогда как на дегидратационном ходе устанавливаются равновесная сорбция АХ и структура.

Совместный анализ спектральных сдвигов нитрильной полосы А№ (рис. 10) и групп полипептида в присутствии AN в эксперименте и в расчетных спектрах показал, что молекула АХ образует водородные связи как с протоно-донорными, так и с протоно-акцепторными группами полипептидов. В РвА существуют два типа комплексов с А1Ч, в которых молекула органического растворителя взаимодействует с полипептидом либо атомом азота, либо метальной группой (рис. 11). Из теоретических оценок следует, что комплекс, в котором метальная группа АХ взаимо-действует с карбоксильными атомами кислорода двух боковых цепей РСА (С-Н- -0 - 2.5 А), является таким же выгодным, как комплекс с образованием водородной связи между атомом азота AN и карбоксильной группой РвА (ДБ = -6.3 ккал/моль, ОН--Ы 1.9 А). Комплексы с AN оказываются менее выгодными, чем комплексы с водой. При образовании комплекса AN с карбонильными кислородами боковых цепей РвА

происходит изменение структуры, при которой боковые цепи поворачиваются на 10 - 15° вокруг связи СН2-СН2, при этом расстояние между атомами кислорода боковых карбоксилов уменьшается. В РВв молекулы AN формируют связи между метальной группой и карбонильными атомами кислорода сложноэфирных групп; при этом, как показывают квантово-химические расчеты, атом азота молекулы АХ взаимодействует с метиленовыми группами РВС, образуя связи С-Н-И ( - 2.5 А). Массивные гидрофобные боковые цепи РВв мешают изменению

Поглощение

2280 2270

2260

2250

2240

8ЯЯ,

2230

Рис. 10. Спектры безводного AN в пленках: 1 -РВв, 2 - РСА, 3 - РА и спектр жидкого AN (выделен цветом), нормированные на интенсивность полосы уСгЫ в максимуме.

Рис. 11. Комплексы PGA в a-спиральной конформации с молекулой AN.

структуры как в РвА, поэтому в комплексах с РВС одна молекула AN взаимодействует только с одним карбонильным кислородом; при этом энергия взаимодействия меняется от-5.83 до -3.52 ккал/моль. В спиральных полипептидах с длинными боковыми группами молекулы AN локализуются в среде боковых цепей и не проникают к

карбонильным и аминным фрагментам пептидных групп.

Анализ компонент полосы vC=N при сорбции AN в исходно сухой пленке РА с неупорядоченной структурой свидетельствует о том, что молекула растворителя может существовать в трех состояниях: «свободном», аналогичном чистой жидкости, либо связанном с группой С=0 РА, либо с группой NH полипептида. На дегидратационном ходе, когда полипептид конформационно подвижен, внедрение молекул AN сопровождается образованием Р-структуры. Анализ спектров показывает, что часть молекул AN связана с С=0 группами в составе р-слоев, а часть молекул AN находится в окружении себе подобных.

2.4. Анализ структуры воды в полипептидах в присутствии органического растворителя

Спектры воды в полипептидах с гидрофобными боковыми группами (РА и PBG) в присутствии молекул органического растворителя демонстрируют два набора компонент. Первый по форме и положению дает такой же спектр как при гидратации пленки в парах чистой воды и относится к гидратации полярных групп полипептидов. Второй проявляется в виде двух острых высокочастотных полос, которые по форме и положению совпадают со спектрами водно-органических растворов, и относится к поглощению воды, связанной в комплексах 2:1 с молекулами органических растворителей [Сироткин и др., 2000]. Таким образом, гидратиая вода представлена двумя наборами пространственно разобщенных молекул - связанных с полипептидом и связанных с растворителем. Исключение составляет AN в РА, где благодаря большей доступности пептидных групп реализуется ситуация, сходная с описанной ниже.

В спектрах гидратной воды полипептидов с полярными боковыми группами (1Ча-PGA, PGA и PL) в присутствии органических растворителей наблюдается одна широкая полоса vOH, которая по форме и положению близка к спектрам воды, связанной с полипептидом в отсутствии органического растворителя. Спектров, подобных спектрам водно-органических растворов, не наблюдается. Однако сдвиги

полос полярных групп растворителей свидетельствуют, что молекулы диоксана и AN также гидратированы.

Выше мы объяснили происхождение широких полос в спектрах сорбционной воды наличием цепочек и кластеров, в которых молекулы воды формируют не менее трех водородных связей друг с другом и с полярными группами полипептида. По-видимому, в этих полипептидах AN и диоксан взаимодействуют с молекулами гидратной воды в составе кластеров. Пространственно близкое расположение полярных групп полипептида и органического растворителя способствует образованию комплексов вода-органический растворитель более сложных, чем 1:1 или 2:1. Таким образом, состояние воды определяется одновременным взаимодействием с полярными группами полипептида и растворителя.

Влияние органических растворителей на уровень сорбции. Сорбция диоксана на всех полипептидах, кроме PBG, сопровождается снижением гидратации. Вычитая из общей величины гидратации долю воды, связанную с растворителем, мы можем оценить уменьшение доли воды, связанной с полипептидом. Наблюдается линейная корреляция между увеличением доли упорядоченной структуры в присутствии органического растворителя и уменьшением уровня гидратации полипептидов (рис. 12). Это свидетельствует о едином механизме подавления гидратации для всего ряда исследованных полипептидов, а именно об уменьшении доступности гидратных центров полипептидов для воды за счет увеличения доли упорядоченной структуры. Исключение составляет Na-PGA, когда одновременно действуют два противоположных механизма: увеличение гидратации за счет уменьшения доли упорядоченной структуры и уменьшение гидратации за счет конкурентной сорбции растворителя на пептидных NH-rpynnax.

Ah/h

1.0

Na-PGA\ •

PBG |

XPGA (а)

РА°ДРА

PGA (рК^ -г---Г'" '— ' '" 1 '"1 '

-0.4 -0.2 0.0 0.2

asa,/sa1

0.4

Рис. 12. Зависимость изменения гидратации пленок полипептидов в присутствии диоксана (•) и AN (□) от доли прироста упорядоченной структуры.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Структура гидратной воды биополимеров имеет большое биологическое значение и исследуется различными методами. Благодаря высокой чувствительности к образованию водородных связей ИК-спектроскопия широко используется для изучения комплексов воды с полярными молекулами и полимерами. Основную трудность для ИК-спектроскопии в растворе представляет объемная вода, поглощение которой перекрывает спектр поглощения воды гидратной оболочки. Сорбция воды из газовой фазы растворителя на твердых пленках биополимеров позволяет последовательно изучать все стадии их гидратации от абсолютно сухого препарата до появления объемной воды.

Гомополипептиды имеют однородный аминокислотный состав, что существенно упрощает их спектральный анализ и расчеты, по сравнению с белками. Квантово-химические расчеты комплексов молекул растворителя с полипептидными фрагментами позволяют получить информацию о геометрии комплексов и энергии их образования. Расчет колебательных спектров комплексов и сопоставление их со спектрами свободных молекул позволяет выявить тонкие изменения структуры комплексов воды с полипептидом и органическим растворителем, которые сложно определить экспериментальными методами, но которые могут влиять на активность или стабильность биомакромолекул.

Проведенный нами сравнительный анализ применения молекулярно-механических, полуэмпирических методов и методов ОРТ расчета показал, что для исследования полипептидов наиболее оптимальным по точности и затратам компьютерных ресурсов является метод ОРТ РВЕ.

На основе совместного анализа экспериментальных данных ИК-спектроскопии и расчетных спектров выявлено, что в полярных полипептидах молекулы воды образуют цепочки и микрокластеры, чему способствует близкое пространственное расположение полярных и/или заряженных групп полипептида. В случае массивных гидрофобных фрагментов в составе боковых групп наблюдается экранирование полярных центров полипептида от молекул воды. При этом с полярными центрами полипептида взаимодействуют лишь одиночные молекулы воды.

Показано, что в упорядоченной вторичной структуре полипептидов молекулы органического растворителя локализуются в области боковых групп, не проникая к пептидному остову. При этом наиболее энергетически выгодным является образование водородных связей между протоно-акцепторными атомами молекул органического растворителя с протоно-донорными группами боковых цепей. Кроме того, исследованные органические растворители при сорбции на гидрофобных полипептидах обнаруживают тенденцию к образованию кластеров.

Для молекулы диоксана, которая обладает четырьмя метиленовыми группами, выгодными оказываются Ван-дер-Ваальсовые взаимодействия и водородные связи

типа С-Н—О. Энергия образования последних мала, по сравнению с обычными водородными связями, однако образование большого числа таких связей приводит к существенной стабилизации комплекса.

Экспериментальные данные и данные расчета показывают, что для сильнополярной молекулы ацетонитрила, наряду с донорно-акцепторными взаимодействиями, оказываются выгодными диполь-дипольные взаимодействия, а также взаимодействия типа С-Н—Ы между метальной группой ацетонитрила и протоно-акцепторными группами полипептида, которые несут частично-отрицательный заряд.

При сорбции из водно-органических смесей молекулы органического растворителя, локализованные в среде гидрофобных групп полипептида, гидратируются таким образом, что одиночные молекулы воды связывают по две молекулы органического растворителя. В среде полярных и заряженных боковых групп полипептида ацетонитрил и диоксан гидратируются молекулами воды, включенными в водородно-связанные цепочки (микрокластеры). Внедрение молекул диоксана и ацетонитрила в твердые полипептиды сопровождается изменением доли упорядоченной структуры полипептида. Образование упорядоченной структуры приводит к уменьшению доступности пептидных групп для воды. При этом доля воды, вытесненной из гидратных центров полипептидов в присутствии диоксана, коррелирует с долей новообразованной упорядоченной структуры в присутствии органического растворителя.

ВЫВОДЫ

1. На основании анализа структуры гидратной оболочки ряда полипептидов различного строения с использованием взаимодополняющих методов ИК-спектроскопии и квантовой химии определены факторы ее модификации низкомолекулярными соединениями на примере двух апротонных органических растворителей.

2. Показано, что при гидратации полярных полипептидов молекулы воды локализуются в виде микрокластеров, образуя водородные связи с участием полярных или заряженных фрагментов полипептидов. Наличие массивных гидрофобных групп в структуре боковых цепей приводит к экранированию полярных центров от молекул воды, ограничению образования кластерных структур воды и уменьшению количества воды в комплексах.

группами боковых цепей. В полипептидах, содержащих пеполярные и ароматические боковые группы, основной вклад при образовании комплексов с органическим растворителем вносят Ван-дер-Ваальсовые взаимодействия и водородные связи типа

с-н-о.

4. При сорбции из водно-органических смесей локализация органического растворителя в структуре полипептида не меняется по сравнению с безводным растворителем.

5. В присутствии органического растворителя вода образует смешанные комплексы с одновременным участием полярных групп растворителя и полипептида. В гидрофобных полгтептидах комплексы воды с полярными фрагментами боковых цепей и комплексы воды с растворителем пространственно разделены.

6. Сорбция органического растворителя из водно-органических смесей сопровождается изменением доли упорядоченной структуры. Образование межпептидных водородных связей уменьшает гидратацию, а разрыв водородных связей увеличивает ее.

7. Установлены следующие механизмы модификации гидратной оболочки полипептида органическим растворителем: а) изменение доступности гидратных центров полипептидов для молекул воды, б) прямая конкуренция с водой за гидратные центры, в) дополнительный вклад в гидратацию за счет привнесения воды, связанной с полярными центрами растворителя.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Сорбция диоксана на твердых полипептидах с различной структурой боковых групп / О.Н. Макшакова, Д.А. Файзуллин, В.Д. Федотов и др. // Сб. статей I МарГТУ - Йошкар-Ола, 2003 - Вып. X - С.169-172.

2. Макшакова, О. Н. Динамика боковых групп и вторичная структура твердых препаратов альбумина в ацетонитриле. / О.Н. Макшакова, Д.А. Файзуллин, В.Д. Федотов // Тез. докладов / XVII Менделеевский съезд по общей и прикладной химии -Казань, 2003. - Т.4. - С.267.

3. Макшакова, О. Н. Влияние диоксана на твердые препараты полиглутамино-вой кислоты в конформациях альфа-спирали и бета-структуры. / О.Н. Макшакова, Д.А. Файзуллин, В.Д. Федотов // Сб. тез. / Пущино, 2004. - С.20.

4. Макшакова, О. Н. Пороговые явления при сорбции органического растворителя из смесей вода - диоксан на твердых препаратах белков и полипептидов. / О.Н. Макшакова, Д.А. Файзуллин, В.Д. Федотов //Тез. докладов / Воронежский университет-Воронеж, 2004. - Т.1. - С. 68-69.

5. Взаимодействие ацетонитрила и диоксана с твердыми препаратами полиглута-миновой кислоты с различным типом исходной структуры. / О.Н. Макшакова, Д.А.

Файзуллин, В.Д. Федотов и др. // Сб. статей / Казанский государственный университет - Казань, 2004 - Т. 1. - С. 468-472.

6. Макшакова, О. Н. Связь между каталитической активностью и вторичной структурой а-химотрипсина, суспендированного в смесях вода-ацетоиитрил./ О.Н. Макшакова, Д.А. Файзуллин, В.Д. Федотов // Вестник Казанского технологического университета - Отечество - Казань, 2004 - № 1-2. - С. 114-119.

7. Макшакова, О. Н. Использование полипептидов в качестве модели сорбции органического растворителя на белках. / О.Н. Макшакова, Д.А. Файзуллин, В.Д. Федотов // Сб. тезисов / Пущино, 2005. - С 25.

8. Сравнение экспериментальных и расчетных величин сорбции органического растворителя на твердых белковых препаратах / О.Н. Макшакова, Д.А. Файзуллин, В.Д. Федотов и др. // Сб. статей / МарГТУ - Йошкар-Ола, 2005. - 4,2 - С. 26-29.

9. Makshakova, O.N Hydration of poly-y-benzyl-L-glutamate films from water-organic vapors by IR-spectroscopy / O.N. Makshakova, D.A. Fauzullin, V.D. Fedotov // Book of abstract - St.Petersburg, 2008 - P. 77.

10. Makshakova, O.N. Quantum chemical calculation of the structure of complexes between helix polypeptides and aprotic organic ligands. / O.N. Makshakova, D.A. Fauzullin, E.A. Ermakova // Books of abstracts / Mavis publisher - Kiev, 2009 - P. 123-124.

11. Макшакова, О.Н. Взаимодействие полипептидов с водой и органическими ли-гандами по данным ИК-спектроскопии и компьютерного моделирования. / О.Н. Макшакова, Д.А. Файзуллин, Е.А. Ермакова // Сб. тезисов / Изд-во «ФизтехПресс» КФТИ КазНЦ РАН. - Казань, 2009. - С. 173.

12. Makshakova, O.N. Geometry and vibrational frequencies of the helical polypeptides complexes with ligand molecules / O.N. Makshakova, D.V. Chachkov, E.A. Ermakova // Book of abstracts /Kazan state technological university - Kazan, 2009 - P. 51.

13. Макшакова, О. H. Влияние диоксана на структуру гидратной оболочки пленок поли-БЬ-аланина. / О.Н. Макшакова, Д.А. Файзуллин, Ю.Ф. Зуев // Сб. тезисов / Изд-во Казанского Университета - Казань, 2010. - С. 31.

14. Makshakova, О. Computational study of hydrogen-bonding complex formation of helical polypeptides with water molecule / O. Makshakova, E. Ermakova // Journal of Molecular Structure: THEOCHEM. - 2010. - Vol. 942 - P. 7-14.

15. Makshakova, O. Geometry and vibrational frequencies of the helical polypeptide complexes with ligand molecules / O. Makshakova, D. Chachkov, E. Ermakova // International Journal of Quantum Chemistry. - 2010. - DOI 10.1002/qua.22644.

Отпечатано в ООО «Печатный двор», г. Казань, ул. Журналистов, 1/16, оф.207

Тел: 272-74-59, 541-76-41, 541-76-51. Лицензия ПД№7-0215 от 01.11.2001 г. Выдана Поволжским межрегиональным территориальным управлением МПТР РФ. Подписано в печать 15.11.2010 г. Печ.л.1,5 Заказ М К-6977. Тираж ПО жз. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать - ризография.

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Макшакова, Ольга Николаевна

СОДЕРЖАНИЕ.

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ В ТЕКСТЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ БЕЛКОВ И ПОЛИПЕПТИДОВ С

ВОДОЙ И ВОДНО-ОРГАНИЧЕСКИМИ РАСТВОРИТЕЛЯМИ.

1.1 .Взаимодействие белка с чистой водой.

1.1.1. Гидратная оболочка белка.

1.1.2. Центры сорбции воды на белках и пептидах.

1.1.3. Структура воды в белках и модельных соединениях по данным ИК-спектроскопии.

1.2.Структура жидких водно-органических смесей.

1.2.1. Водно-ацетонитрильные смеси.

1.2.2. Водно-диоксановые смеси.

1.2.3. Структура воды в водно-органических смесях по ИК-спектрам.

1.3. Взаимодействие белка с водой в присутствии третьего компонента.

1.3.1. Влияние косольвентов на структуру воды и стабильность белков в растворе.

1.3.2. Растворимость и структура биополимеров в безводных органических растворителях.

1.3.3. Влияние водно-органических растворов на структуру и функции биополимеров.

1.3.4. Взаимодействие белков с водно-органическими растворителями по данным рентгеноструктурного анализа и моделирования молекулярной динамики.

1.3.5. Взаимодействие белков с водно-органическими растворителями по данным ИК-спектроскопии.

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1. Постановка задачи диссертации и выбор объектов исследования

2.2. ИК-спектроскопия.

2.2.1. Основные принципы ИК-спектроскопии в приложении к исследованию белков и полипептидов.

2.2.2. Отнесение полос в спектре.

2.2.3. Приготовление образцов.

2.2.4. Регистрация спектров пленок полипептидов.

2.2.5. Математическая обработка спектров.

2.3. Методы расчета.

2.3.1. Расчет комплексов полипептид - молекула растворителя.

ГЛАВА 3. ВЫБОР МОДЕЛИ И МЕТОДОВ РАСЧЕТА ДЛЯ ОПИСАНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МОЛЕКУЛ РАСТВОРИТЕЛЯ С ПЛЕНКАМИ ПОЛИПЕПТИДОВ.

3.1. Модель а-спирали.

3.1.1. Геометрия спирального поли-Ь-аланина в вакууме, выбор метода расчета.

3.1.2. Геометрия и энергия образования комплекса спирального поли-Ь-аланина с молекулой воды в вакууме, выбор метода < расчета.

3.1.3. ИК-спектры спирального поли-Ь-аланина в вакууме, выбор метода расчета.

3.1.4. ИК-спектры спиральных поли-Ь-глутаминовой кислоты в нейтральной форме и поли-у-бензил-Ь-глутамата в вакууме, сравнение с экспериментальными спектрами полипептидных пленок.

3.2. Модель р-структуры.

3.3. Модель неупорядоченной структуры.

ГЛАВА 4. СТРУКТУРА ГИДРАТНОЙ ОБОЛОЧКИ ПОЛИПЕПТИДОВ

И ЕЕ МОДИФИКАЦИЯ ДИОКСАНОМ И АЦЕТОНИТРИЛОМ.

4.1. Гидратация полипептидов парами чистой воды.

4.1.1. Поли-БЬ-аланин.

4.1.1.1. Спектры гидратной воды РА.

4.1.1.2. Спектры РА в области поглощения пептидных групп.

4.1.1.3. Моделирование спектров гидратной воды РА.

4.1.1.4. Количественные оценки гидратной воды РА.

4.1.2. Поли-Ь-глутаминовая кислота в нейтральной форме.

4.1.2.1. Спектры гидратной воды PGA в спиральной конформации.

4.1.2.2. Спектры PGA в области поглощения пептидных и карбоксильных групп.

4.1.2.3. Моделирование спектров гидратной воды PGA.

4.1.2.4. Спектры гидратной воды PGA в (3-конформации.

4.1.2.5. Количественные оценки гидратной воды PGA.

4.1.3. Поли-Ь-глутаминовая кислота в ионизованной форме и поли-Ь-лизин.

4.1.3.1. Спектры гидратной воды Na-PGA и PL и количественные оценки гидратной воды.

4.1.3.2. Спектры Na-PGA в области поглощения пептидных и карбоксильных групп.

4.1.4. Поли-у-бензил-Ь-глутамат.

4.1.4.1. Спектры гидратной воды PBG.

4.1.4.2. Спектры PBG в области поглощения пептидных и карбонильных групп.

4.1.4.3. Моделирование спектров гидратной воды PBG.

4.1.4.4. Количественные оценки гидратной воды PBG.

4.2. Гидратация полипептидов парами водно-диоксановых смесей.

4.2.1. Поли-ОЬ-аланин.

4.2.1.1. Центры сорбции диоксана в РА.

4.2.1.2. Сорбция воды в РА.

4.2.2. Поли-Ь-глутаминовая кислота в нейтральной форме.

4.2.2.1. Центры сорбции диоксана в PGA в конформации аспирали.

4.2.2.2. Центры сорбции диоксана в PGA в конформации Рслоев.

4.2.2.3. Сорбция воды в PGA.

4.2.3. Поли-у-бензил-Ь-глутамат.

4.2.3.1. Центры сорбции диоксана в PBG.

4.2.3.2. Сорбция воды в PBG.

4.2.4. Поли-Ь-глутиновая кислота в ионизованной форме и поли-L- 142 лизин.

4.2.4.1. Центры сорбции диоксана в Na-PGA и PL.

4.2.4.2. Сорбция воды в Na-PGA и PL.

4.2.5. Обсуждение механизмов модификации структуры гидратной воды полипептидов в присутствии диоксана.

4.3. Гидратация полипептидов парами водно-ацетонитрильных смесей.

4.3.1. Поли^-аланин.

4.3.1.1. Центры сорбции AN в РА.

4.3.1.2. Сорбция воды в РА.

4.3.2. Поли-Ь-глутаминовая кислота в нейтральной форме.

4.3.2.1. Центры сорбции AN в PGA.

4.3.2.2. Сорбция воды в PGA.

4.3.3. Поли-у-бензил-^-глутамат.

4.3.3.1'. Центры сорбции AN в PBG.

4.3.3.2. Сорбция воды в РВО.

4.3.4. Поли-Ь-глутаминовая кислота в ионизованной форме и поли-Ь-лизин.

4.3.5. Обсуждение механизмов модификации структуры гидратной воды полипептидов в присутствии АЫ.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Модификация структуры гидратной оболочки полипептидов апротонными органическими растворителями: исследование методами ИК-спектроскопии и квантово-химических расчетов"

Воду называют «матрицей жизни» [Szent-Gyórgyi, 1979], поскольку она имеет кардинальное значение для функционирования биологических макромолекул. Напрямую или косвенно вода участвует во всех нековалентных взаимодействиях, стабилизирующих структуру белков. Однако, для функционирования белков, в частности ферментов, в первую очередь необходима гидратная вода, образующая прилежащие к белковой молекуле слои; ее называют «биологической водой» [Pall, 2004]. Гидратация белков, т.е. количество и распределение молекул воды по поверхности биополимера, является одним из основных факторов, влияющих на фолдинг белков и формирование их нативной конформации. Кроме того, гидратная оболочка белков выступает в роли «посредника» при формировании их функциональных комплексов с лигандами белковой и небелковой природы [Nakasako, 2004].

Использование органических растворителей для модификации структуры гидратной воды в белковых системах является методическим подходом, который позволяет избирательно воздействовать на структуру гидратной оболочки. Кроме того, водно-органические системы существенно расширяют представления о структурно-функциональных свойствах белков в присутствии органических соединений. В прикладном аспекте органические растворители позволяют оптимизировать различные биотехнологические процессы, существенно повышая стабильность ферментов, обеспечивая реакционный контакт химическим соединениям различной полярности и др., что зачастую недостижимо в рамках чисто водного окружения [Гладилин и

Левашов, 1998]. Немаловажным обстоятельством является также то, что полосы поглощения в инфракрасном (ИК) спектре полярных групп этих растворителей не перекрываются с полосами воды и пептидных групп.

Структура гидратной оболочки белков^ широко исследуется на модельных соединениях. Используются различные приближения белковой поверхности, начиная от отдельных аминокислот или низкомолекулярных соединений, до более сложных полимерных структур. Гомополипептиды являются классической упрощенной моделью белка, они состоят из одинаковых аминокислот и образуют, как в белке, вторичные структуры. Исследования свойств полипептидных пленок и их взаимодействий с растворителем [Zohuriaan-Mehr et al., 2009; Czapiewski and Zielkiewicz, 2010] в последние годы обретают новое значение в связи с перспективой их применения в медицине и пищевой промышленности в качестве материалов, обладающих биосовместимостью и способностью к биологическому разложению [Haynie et al., 2005].

Целью работы являлось исследование механизмов модификации структуры гидратной оболочки полипептидов апротонными органическими растворителями.

Существует большое разнообразие методических подходов исследования взаимодействий биополимеров с водой. Исследование сорбции воды в твердых пленках белков и полипептидов из паров чистой воды или водно-органических смесей позволяет систематическим образом варьировать влажность, состав среды и наблюдать послойное заполнение гидратной оболочки в отсутствии объемного растворителя [Morita et al., 2007]. Однако разделение вкладов взаимодействий полипептид - вода и полипептид — органический растворитель представляет сложную задачу. Поэтому с методической точки зрения представляется целесообразным последовательно прояснить следующие вопросы:

1. взаимодействия воды с полипептидами при сорбции из паров чистой воды;

2. взаимодействия органических растворителей с полипептидами при сорбции из паров чистого органического растворителя;

3. взаимодействия воды и органических растворителей с полипептидами при сорбции из паров водно-органических смесей.

При этом встает вопрос об адекватных методах исследования, которые дают информацию о взаимодействии биополимеров с растворителями. Большинство спектральных методов, традиционно применявшихся в молекулярной биологии для исследования структуры и свойств белков в водных растворах, здесь оказываются малопригодными. Высокий уровень рассеяния света, сильное поглощение органических жидкостей в информационно-важных участках диапазона частот, паразитная люминесценция в значительной мере ограничивают применение для целей анализа методов КД, УФ- и Рамановской спектроскопии. В то же время, ИК-спектроскопия, с методической точки зрения, не имеет существенных ограничений при работе с такими объектами. Кроме того, использование ИК-спектроскопии позволяет получать информацию одновременно о вторичной структуре полипептида, величине сорбции и состоянии органического растворителя и воды, что делает ИК-спектроскопию оптимальным методом исследования подобных систем [Maréchal, 2003; Liltorp and Maréchal, 2005]. Совместное использование взаимодополняющих методов ИК-спектроскопии и квантовой химии позволяет охарактеризовать взаимодействия полипептидов с молекулами растворителя на атомном уровне.

Для достижения заявленной цели были поставлены следующие задачи:

1. Смоделировать пространственную структуру исследуемых полипептидов. Провести сравнительный анализ методов — молекулярно-механических, полуэмпирических и теории функционала плотности (DFT), а также параметров расчета, выбрав из них оптимальный по затратам машинного времени и достижению необходимой точности. Рассчитать энергию взаимодействия и геометрические параметры комплексов полипептид - растворитель.

Рассчитаны структуры комплексов спиральных полипептидов с водой и органическими растворителями в вакууме, определена их геометрия, энергия взаимодействия и колебательные спектры. Впервые показана роль слабых водородных связей типа С—Н—О и С-Н—Ы в образовании комплексов между полипептидом, молекулами воды и органического растворителя.

1) изменения доступности центров гидратации полипептидов для молекул воды за счет изменения конформации полипептида;

2) конкуренции растворителя с водой за центры связывания на полипептиде;

3) дополнительного связывания воды полярными центрами органического растворителя.

Связь работы с научными программами и собственный вклад автора в исследования. Исследования проводились в соответствии с планами УРАН КИББ КазНЦ РАН по теме «Межмолекулярные взаимодействия и молекулярная динамика как факторы регуляции функциональной активности белков» (номер госрегистрации № 0120.0 803026) и частично поддержаны грантами РФФИ № 02-04-48907, № 05-04-49722, № 09-03-00778, НИОКР РТ №03-3.10-159, №03-3.10-364, а также грантом Президиума РАН (программа «Молекулярная и клеточная биология»). Научные положения и выводы диссертации базируются на результатах собственных исследований автора.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы были представлены на XVII Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Казань, 2003); III Съезде биофизиков России (Воронеж, 2004), 8-ой и 9-ой Международной Пущинской школе-конференции молодых ученых «Биология — наука XXI века» (Пущино, 2004, 2005), X, XI, XII Всероссийской конференции «Структура и динамика молекулярных систем» (Яльчик, 2003, 2004, 2005), IV Санкт-Петербургской конференции молодых ученых с международным участием «Современные проблемы науки о полимерах» (Санкт-Петербург, 2008), Научно-практической конференции «Биологически активные вещества: фундаментальные и прикладные вопросы получения и применения» (Новый Свет, АР Крым, Украина, 2009), IV Российском симпозиуме «Белки и пептиды» (Казань, 2009), 12-ой Конференции им. В.А. "Фока по квантовой и вычислительной химии (Казань, 2009), Российской школе молодых ученых «Актуальные проблемы современной биохимии и молекулярной биологии» (Казань, 2010).

Заключение Диссертация по теме "Биофизика", Макшакова, Ольга Николаевна

181 ВЫВОДЫ

3. Молекулы исследованных органических растворителей в полипептидах с упорядоченной структурой образуют кластеры в области боковых цепей. Для полипептидов с полярными боковыми группами характерно образование водородных связей между протоно-акцепторными группами растворителя и протоно-донорными группами боковых цепей. В полипептидах, содержащих неполярные и ароматические боковые группы, основной вклад при образовании комплексов с органическим растворителем вносят Ван-дер-Ваальсовые взаимодействия и водородные связи типа С-Н---0.

5. В присутствии органического растворителя вода образует смешанные комплексы с одновременным участием полярных групп растворителя и полипептида. В гидрофобных полипептидах комплексы воды с полярными фрагментами боковых цепей и комплексы воды с растворителем пространственно разделены.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Структура гидратной" воды биополимеров имеет большое биологическое значение и исследуется различными методами: Благодаря- высокой чувствительности к образованию водородных связей ИК-спектроскопия широко используется для изучения комплексов воды с полярными молекулами и полимерами. Основную: трудность для ИК-спектроскопии в растворе представляет объемная вода, поглощение которой перекрывает спектр поглощения воды гидратной оболочки. Сорбция воды из газовой фазы растворителя на твердых пленках биополимеров позволяет последовательно изучать все. стадии их гидратации от абсолютно сухого препарата до появления объемной воды.

Еомополипептиды имеют однородный аминокислотный состав, . что существенно упрощает их спектральный анализ и расчеты, по сравнению с белками; Квантово-химические расчеты комплексов молекул растворителя с полипептидными фрагментами позволяют получить информацию о геометрии? комплексов и энергии их образования: Расчет колебательных спектров; комплексов и сопоставление: их со спектрами свободных молекул позволяет выявить тонкие изменения структуры комплексов воды с полипептидом и органическим . растворителем^ которые сложно определить экспериментальными методами; но которые могут влиять, на активность или стабильность биомакромолекул.

Проведенный нами сравнительный анализ применения- молекулярно-механических, полуэмпирических методов и методов . БЕТ, расчета показал, что для исследования полипептидов наиболее оптимальным по точности и затратам компьютерных ресурсов является метод ОБТ РВЕ.

На основе совместного анализа экспериментальных данных ЙК-спектроскопии и расчетных: спектров выявлено, что в полярных полипептидах молекулы воды образуют цепочки и микрокластеры, чему способствует близкое пространственное расположение полярных и/или заряженных групп полипептида. В случае массивных гидрофобных фрагментов в составе боковых групп наблюдается экранирование полярных.центров полипептида от молекул воды. При этом с полярными центрами полипептида взаимодействуют лишь одиночные молекулы воды.

Для молекулы диоксана, которая обладает четырьмя метиленовыми группами, выгодными оказываются Ван-дер-Ваальсовые взаимодействия и водородные связи типа С—Н—О. Энергия образования последних мала, по сравнению с обычными водородными связями, однако образование большого числа таких связей приводит к существенной стабилизации комплекса.

Экспериментальные данные и данные расчета показывают, что для сильнополярной молекулы ацетонитрила, наряду с донорно-акцепторными взаимодействиями, оказываются выгодными диполь-дипольные взаимодействия, а также взаимодействия типа С-Н—N между метальной группой ацетонитрила и протоно-акцепторными группами полипептида, которые несут частично-отрицательный заряд.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата биологических наук, Макшакова, Ольга Николаевна, Казань

1. Беллами, Л. Инфракрасные спектры сложных молекул / J1. Беллами -Пер. с англ. / под. ред. Ю.А. Пентина - М.: Изд-во иностр. литературы, 1963.-590 с.

2. Беллами, JI. Новые данные по ИК спектрам сложных молекул / JI. Беллами - Пер. с англ. / под. ред. Ю.А. Пентина - М.: Мир, 1971. - 318 с.

3. Венер, М.В. Компьютерное моделирование супрамолекулярных систем и наноструктур: учеб. пособие / М.В. Венер, В.Г. Цирельсон М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2008. - 120 с.

4. Физико-химические методы исследования биополимеров и низкомолекулярных биорегуляторов // B.JI. Воейков, П.Д. Решетов, И.Р. Набиев и др. М.: Наука, 1992. - 406 с.

5. Гладилин, А.К. Стабильность ферментов в системах с органическими растворителями / А.К. Гладилин, A.B. Левашов // Биохимия. 1998. -Т.63.-С. 408-421.

6. Карякин, A.B. Состояние воды в органических и неорганических соединениях (по инфракрасным спектрами поглощения) / A.B. Карякин, Г.А. Кривенцова М: Наука, 1972. - 176 с.

7. Квеситадзе Г.И. Введение в биотехнологию / Г.И. Квеситадзе, A.M. Безбородов -М.: Наука, 2002. 284 с.

8. Кобяков, В.В. Исследование гидратации поли-К-винилпирролидона методом ИК-спектроскопии / В.В. Кобяков, A.M. Овсепян, В.П. Панов // Высокомол. соед. 1981. - Т. 23. - С. 150-160.

9. Коган, В.Б. Равновесие между жидкостью и паром. Справочное пособие / В .Б. Коган, В.М. Фридман, В.В. Кафаров М.: Наука. - 1966. - Т.2. -1423 с.

10. Лайков, Д.Н. Развитие экономного подхода к расчету молекул методом функционала плотности, его применение к решению сложных химических задач: Дис. канд. физ.-мат. наук. Москва, МГУ, 2000.

11. Лайков, Д.Н. Система квантово-химических программ "ПРИРОДА-04". Новые возможности исследования молекулярных систем с применением параллельных вычислений / Д.Н. Лайков, Ю.А. Устынюк // Изв. Акад. наук, Сер. хим. 2005. - №3. - С. 804-810.

12. Лурье, Ю.Ю. Справочник по аналитической химии / Ю.Ю. Лурье М.: Химия, 1989.-448 с.

13. Никольский, Б.П. Справочник химика / Б.П. Никольский Л.: Госхиммздат, 1963. - Т.1. - 1072 с.

14. Райхардт, К. Растворители и эффекты среды в органической химии / К. Райхардт. Пер. с англ. / под ред. B.C. Петросяна. - М.: Мир, 1991. -763 с.

15. Роуленд, С. Вода в полимерах Пер. с англ. / под ред. H.H. Лавровой -М.: Мир, 1984. - 555 с.

16. Свердлов, Л. М., Колебательные спектры многоатомных молекул / Л. М. Свердлов, М. А. Ковнер, Е. П. Крайнев М.: Наука, 1970. - 559 с.

17. Растворимость и вторичная структура бычьего панкреатического а-химо-трипсина в водно-ацетонитрильных смесях / В.А. Сироткин, А.Г. Зазыбин, ОЛ. Осипова и др. // Вестник МГУ, сер. 2. Химия. 2000. - Т. 41.-С. 114-117.

18. ИК-спектроскопическое изучение состояния воды в диоксане и ацетонитриле: связь с термодинамической активностью воды / A.B. Сироткин, Б.Н. Соломонов, Д.А. Файзуллин, В.Д.Федотов // Жур. структ. химии. 2000. - Т. 41. - С. 997-1003.

19. Сорбция паров воды и ацетонитрила сывороточным альбумином человека / В.А. Сироткин, Б.Н. Соломонов, Д.А. Файзуллин, В.Д. Федотов // Биофизическая химия. — 2002. — Т. 76. — С. 2255-2262.

20. Смит, А. Прикладная ИК-спектроскопия / А. Смит М.: Мир, 1982. -328 с.

21. Вородоные связи с участием метальных групп ацетонитрила и нитрометана. Изучение методами калориметрии и ИК-спектроскопии / А.А. Столов, М.Д. Борисовер, Б.Н. Соломонов и др. // ЖФХ. 1992. - Т. 66.-С. 620-625.

22. Сузи, Г. Инфракрасные спектры биологических макромолекул и модельных соединений / Г. Сузи в кн.: Структура и стабильность биологических макромолекул, под ред. Волькенштейн М.В. - М.: Мир, 1973.-С. 481-584.

23. Файзуллин, Д.А. Влияние воды и органических растворителей на вторичную структуру глобулярных белков в твердых препаратах по данным ИК-спектроскопии: Дис. канд. биол. наук. — Казань, 2002.

24. Чиргадзе, Ю.Н. Интенсивность характеристических колебаний пептидной группы в инфракрасном спектре поли-у-бензил-Ь-глютамата в спиральной конформации / Ю.Н. Чиргадзе, Е.П. Рашевская // Биофизика. 1969. - Т. XIV. - С. 608-614.

25. Чиргадзе, Ю.Н. Роль воды в подвижности пептидных структур. Изучение конформационных переходов полипептидов и олигопептидов при гидратации / Ю.Н. Чиргадзе, A.M. Овсепян // Биофизика. 1972. - Т. 17. -С. 569-574.

26. Юхневич, Г.В. Инфракрасная спектроскопия воды / Г.В. Юхневич. М.: Наука, 1973.-208 с.

27. Effects of microsolvation on the structures and reactions of neutral and zwitterion alanine: computational study / D. Ahn, S. Park, I. Jeon et al. // J. Phys. Chem. B. 2003. - Vol. 107.-P. 14109-14118.

28. Anthonsen, T. Importance of water activity for enzyme catalysis in nonaqueous organic systems. In: Gupta M.N., ed. Methods in Non-Aqueous Enzymology. / Anthonsen T., Sjursnes B.J. // Birhàuser Verlag, Basel Boston — Berlin — 2000. — P. 218.

29. Badger, R.M. Spectroscopic studies of the hydrogen bond. II. The shift of the O-H vibrational frequency in the formation of the hydrogen bond / R.M. Badger, S.H. Bauer // J. Chem. Phys. 1937. - Vol. 5. - PP. 839-851.

30. Bagchi, B. Water dynamics in the hydration layer around proteins and micelles /B. Bagchi// Chemical Reviews. 2005. - Vol. 105. -P. 3197-3219.

31. Bako, I. Structural investigation of water-acetonitrile mixtures: An ab initio, molecular dynamics and X-ray diffraction study / I. Bako, T. Megyes, G. Palinkas // Chem. Phys. 2005. - Vol. 316. - P. 235-244.

32. Ball, P. Water as an active constituent in cell biology / P. Ball // Chem. Rev. -2008. Vol. 108. - P. 74-108.

33. Impact of protein dénaturants and stabilizers on water structure / J.D. Batchelor, A. Olteanu, A. Tripathy, G.J. Pielak // J. Am. Chem. Soc. 2004. -Vol. 126.-P. 1958-1961.

34. Becke, A.D. Density-functional exchange-energy approximation with correct asymptotic behavior / A.D. Becke // Phys. Re .A. 1988. - Vol. 38. - P. 30983100.

35. Becke, A.D. Density-functional thermochemistry. III. The role of exact exchange / A.D. Becke // J. Chem. Phys. 1993. - Vol. 98. - P. 5648-5652.

36. Biocatalyst behavior in low-water systems / G. Bell, P.J. Hailing, B.D. Moore et al. // Trends Biotechnol. 1995. - Vol. 13. - P. 468-473.

37. Bhattacharyya, К. Nature of biological water: a femtosecond study / K. Bhattacharyya // Chem. Comm. 2008. - Vol. 25. - P. 2848-2857.

38. Binkley, J.S. Self-consistent molecular orbital methods. 21. Small split-valence basis sets for first-row elements/ J.S. Binkley, J.A. Pople, W.J. Hehre // J. Am. Chem. Soc. 1980. - Vol. 102. - PP. 939-947.

39. Bizzarri, A.R. Molecular dynamics of water at the protein solvent interface / A.R. Bizzarri, S. Cannistraro // J. Phys. Chem. B. 2002. - Vol. 106. - P. 6617-6633.t

40. Activity of water in aqueous systems; a frequently neglected property / M.J. Blandamer, J.B.F.N. Engberts, P.T. Gleeson, J.C.R. Reis // Chem. Soc. Rev. -2005. Vol. 34. - P. 440-458.

41. Boys, S.F. The calculation of small molecular interactions by the differences of separate total energies. Some procedures with reduced errors / S.F. Boys, F. Bernard ill Mol Phys. 1970. - Vol. 19. - P. 553-566.

42. Brunauer, S. Adsorption of gases in multimolecular layers / S. Brunauer, P.H. Emmett, E. Teller // J. Am. Chem. Soc. 1938. - Vol. 60. - PP. 309-319.

43. Cantor, C.R. Biophysical Chemistry / C.R. Cantor, P.R. Schimmel Parts I-III. W.H.Freeman, ed., San Francisco, 1980. (Русский перевод: Кантор Ч., Шиммел П., ред.: Биофизическая химия, ч. 1-3. М.: Мир, 1984.)

44. Chapman, D.M: Ab initio conformational analysis of 1,4-dioxane / D. M. Chapman, R. E. Hester // J. Phys. Chem. A. 1997. - Vol. 101. - P. 33823387.

45. Chaudhari, A. Hydrogen bonding interaction between 1,4-dioxane and water / A. Chaudhari // Int. J. Quantum. Chem. 2010. - Vol. 110. - P. 1092-1099.

46. Chen, X. Hydration water and bulk water in proteins have distinct properties in radial distributions calculated from 105 atomic resolution crystal structures / X. Chen, I. Weber, R.W. Harrison // J. Phys. Chem. B. 2008. - Vol. 112. - P. 12073-12080.

47. Molecular dynamic study of subtilisin Carlsberg in aqueous and nonaqueous solvents / A. Cruz, E. Ramirez, A. Santana et al. // Mol. Simul. 2009. - Vol. 35.-P. 205-212.

48. Czapiewski, D. Structural properties of hydration shell around various conformations of simple polypeptides / D. Czapiewski, J. Zielkiewicz // J. Phys. Chem. B. 2010. - Vol. 114. - P. 4536-4550.

49. Dabulis, K. Dramatic enhancement of enzymatic activity in organic solvents by lioprotectants / K. Dabulis, A.M. Klibanov // Biotech. Bioeng. 1993. -V.41. -P.566-571.

50. Dadarlat, V.M. Decomposition of protein experimental compressibility into intrinsic and hydration shell contributions / V. M. Dadarlat, C.B. Post // Biophys. J. 2006. - Vol. 91. - P. 4544-4554.

51. Dennis, S. Computational mapping identifies the binding sites of organic solvents on proteins / S. Dennis, T. Kortvelyesi, S. Vajda // PNAS. 2002. -Vol. 99.-4290-4295.

52. Effect of secondary structure on the activity of enzymes suspended in organic solvents / A. Dong, J.D. Meyer, B.S. Kendrick et.al J!Arch. Biochem. Biophys. 1996. - Vol. 334. - P. 406-414.

53. Dong, A. Protein secondary structures in water from second-derivative amide I infrared spectra / A. Dong, P. Huang, W.S. Caughey // Biochemistry. 1990. -Vol. 29.-P. 3303-3308.

54. Dunn, R.V. The use of gas-phase substrates to study enzyme catalysis at low hydration / R.V. Dunn, R.M. Daniel // Phil. Trans. R. Soc. Lond. B. 2004. -Vol. 359.-P. 1309-1320.

55. Ellis, RJ. Join the crowd / R.J. Ellis, A.P. Minton // Nature. 2003. - Vol. 425.-P. 27-28.

56. English, A.C. Experimental and computational mapping of the binding surface of a crystalline protein / A.C. English, C.R. Groom, R.E. Hubbard // Protein Eng. 2001. - Vol. 14. - P. 47-59.

57. Fawcett, W.R. Solvent-induced frequency shifts in the infrared spectrum of acetonitrile in organic solvents / W.R. Fawcett, G. Liu, T. Kessler // J. Phys. Chem. 1993. - Vol. 93. - P. 9293-9298.

58. Enzyme crystal structure in a neat organic solvent / P.A. Fitzpatrick, A.C.U. Steinmetz, D. Ringe, A.M. Klibanov // Proc. Natl. Acad. Sei. USA. 1993. -Vol. 90.-P. 8653-8657.

59. Fitzpatrick, P.A. X-ray crystal structure of cross-linked subtilisin Carlsberg in water vs acetonitrile / P.A. Fitzpatrick, D. Ringe, A.M. Klibanov // Biochem. Biophys. Res. Comm. 1994. - Vol. 198. - P. 675-681.

60. Ford, T.A. Ab initio calculations of the structural, energetic, and vibrational properties of some hydrogen bonded and van der Waals dimers. Part 4. The acetonitrile dimer / T.A. Ford, L. Glasser // Int. J. Quantum. Chem. 2001. -Vol. 84.-P. 226-240.

61. Gaussian 03 / M.J. Frisch, G.W. Trucks, H.B. Schlegel et al.

62. Protein dynamics studied by neutron scattering / F. Gabel, D. Bicout, U. Lehnert et al. // Quart. Rev. Biophys. 2002. - Vol. 35. - P. 327-367.

63. Crystal structure of triosephosphate isomerase from Trypanosoma cruzi in hexane / X.G. Gao, E. Maldonado, R. Perez-Montfort et al. // Proc. Natl. Acad. Sei. USA. 1999. - Vol. 96. - P. 10062.

64. Gao, B. Protonated arginine and protonated lysine: hydration and its effect on the stability of salt-bridge structures / B. Gao, T. Wyttenbach, M.T. Bowers 11 J. Phys. Chem. B. 2009. - Vol. 113.-P. 9995-10000.

65. Using nitrile-derivatized amino acids as Infrared probes of local environment / Z. Getahun, Ch.-Y. Huang, T. Wang et al. H J. Am. Chem. Soc. 2003. - Vol. 125.-P. 405-411.

66. Atomistic simulation of the water influence on the local structure of polyamide 6,6 / S. Goudeau, M. Chariot, C. Vergelati, F. Muller-Plathe // Macromolecules. 2004. - Vol. 37. - P. 8072-8081.

67. Gregory, R. B. Protein hydration and glass transition behavior / R.B. Gregory ed. Protein-solvent interaction. Marcel Dekker - New York - 1995. - Vol. 264.-P. 191-264.

68. Nativelike enzyme properties are important for optimum activity in neat organic solvents / K. Griebenow, M. Vidal, C. Baez et al. // J. Am. Chem. Soc. -2001.-Vol. 123.-P. 5380-5381.

69. Griebenow, K. Can conformational changes be responsible for solvent and excipient effects on the catalytic behavior of subtilisin Carlsberg in organic solvents? / K. Griebenow, A.M. Klibanov // Biotech. Bioeng. 1997. - Vol. 53.-P. 351-362.

70. Griebenow, K. On protein denaturation in aqueous-organic mixtures but not pure organic solvents / K. Griebenow, A.M. Klibanov // J. Am. Chem. Soc. -1996.-Vol.118.-P. 11695-11700.

71. Gupta, M.N. Enzymes in organic media Forms, functions and applications / M.N. Gupta, I. Roy H Eur. J. Biochem.-2004.-Vol 271. P. 2575-2583.

72. Halle, B. Protein hydration dynamics in solution: a critical survey / B. Halle // Phil. Trans. R. Soc. Lond. B. 2004. - Vol. 359. - P. 1207-1224.

73. Polypeptide Multilayer Films / D.T. Haynie, L. Zhang, J.S. Rudra et al. // Biomacromolecules. 2005. - Vol. 6. - P. 2895-2913.

74. Heremans, K. Protein dynamics: hydration and cavities / K. Heremans // Braz. J. Med. Biol. Res. 2005. - Vol. 38. - P. 1157-1165.

75. QM:QM electronic embedding using Mulliken atomic charges: Energies and analytic gradients in an ONIOM framework / H.P. Hratchian, P.V. Parandekar, K. Raghavachari et al. // J. Chem. Phys. 2008. - Vol. 128. - P. 034107(1)-(11).

76. Active-site motions and polarity enhance catalytic turnover of hydrated subtilisin dissolved in organic solvents / E.P. Hudson, R.K. Eppler, J.M. Beaudoin et al. // J. Am. Chem. Soc. 2009. - Vol. 131. - P. 4294^1300.

77. HyperChem8.0, Hypercube, Inc., Gainesville, FL 32601.

78. Density functional theory study of the cooperativity of hydrogen bonds in finite and infinite a-helices / J. Ireta, J. Neugebauer, M. Scheffler et al. // J. Phys. Chem. B. -2003. -Vol. 107.-P. 1432-1437.

79. Basic interactions of water with organic compounds / R. Iwamoto, T. Matsuda, T. Sasaki, H. Kusanagi // J. Phys. Chem. B. 2003. - Vol. 107. - P. 79767980.

80. Iwamoto, R. Infrared spectroscopic study of the interactions of nylon-6 with water / R. Iwamoto, H. Murase // J. Polym. Sei.: Part B: Polym. Phys. 2003. -Vol. 41.-P. 1722-1729.

81. Jamroz, D. An infrared spectroscopic study of the preferential solvation- in water-acetonitrile mixtures / D. Jamroz, J. Stangret, J. Lindgren // J. Am. Chem. Soc. 1993. - Vol. 115.-P. 6165-6168.

82. Fourier transform Infrared study on the state of water sorbed to poly(ethylene glycol) films / H. Kitano, K. Ichikawa, M. Ide et al. // Langmuir. 2001. -Vol. 17.-P. 1889-1895.

83. Klibanov, A.M. Enzymes that work in organic solvents / A.M. Klibanov // Chemtech.-l9S6.-YoL 16. P. 354-359.

84. Klibanov, A.M. Improving enzymes by using them in organic solvents / A.M. Klibanov IINature. -2001. Vol. 409. -P. 241-246.

85. Kryachko, E.S. Hydrogen Bonding between Phenol and Acetonitrile / E.S. Kryachko, M.T. Nguyen // J. Phys. Chem. A. 2002. - Vol. 106. - P. 42674271.

86. Kubelka, J. Solvent Effects on IR and VCD Spectra of Helical Peptides: DFT-Based Static Spectral Simulations with Explicit Water / J. Kubelka, R. Huang, T.A. Keiderling // J. Phys. Chem. B. 2005. - Vol. 109. - P. 8231- 8243.

87. Kuntz, I.D. Hydration of proteins and polypeptides / I.D. Kuntz, W. Kauzmann // Adv. Protein Chem. 1974. - Vol. 28. - P. 239-345.

88. Kusanagi, H. Fourier transform infra-red spectroscopic studies of water molecules sorbed in solid polymers / H. Kusanagi, S. Yukawa // Polymer. -1994. Vol. 35. - P. 5637-5640.

89. Laikov, D.N. A new class of atom basis functions for accurate electronic structure calculations of molecules / D.N. Laikov // Chem. Phys. Lett. 2005. -Vol. 416.-P. 116-120.

90. Laikov, D.N. Fast evaluation of density functional exchange-correlation terms using the expansion of the electron density in auxiliary basis sets / D.N. Laikov // Chem. Phys. Lett. 1997. - Vol. 281. - P. 151-156.

91. Lee, C. Development of the Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron density / C. Lee, W. Yang, R.G. Parr // Phys. Rev. B. 1988. - Vol. 37. - P. 785-789.

92. Lee, S. Ab initio-based vibrational analysis of a-poly(l-alanine) / S. Lee; S. Krimm // Biopolymers. 1998. - Vol. 46. - P. 283-317.t

93. Lee, S.B. Effect of water activity on enzyme hydration and enzyme reaction rate in organic solvents / S.B. Lee, K.-J. Kim // J. Ferment. Bioeng. 1995. -V.79. — P.473-478.

94. A semi-empirical and ab initio combined approach for the full conformational searches of gaseous lysine and lysine-H20 complex / Y. Leng, M. Zhang, C. Song et al. // J. Mol. Struct.: THEOCHEM. 2008. - Vol. 858. - P. 52-65.

95. Lenormant, H. Reversible configurational changes in sodium poly-a,L-glutamate induced by water / H. Lenormant, A. Baudras, E.R. Blout // Org. Biol. Chem. 1958. - Vol. 80. - P. 6191-6195.

96. Liang, T. Molecular dynamics simulations of peptide carboxylate hydration / T. Liang, T.R. Walsh // Phys. Chem. Chem. Phys. 2006. - Vol. 8. - P. 44104419.

97. Liepinsh, E. Organic solvents identify specific ligand binding sites on protein surfaces / E. Liepinsh, G. Otting // Nat. Biotechnol. 1997. - Vol. 15. - P. 264-268.

98. Liltorp, K. Hydration of lysozyme as observed by Infrared spectrometry / K. Liltorp, Y. Marechal // Biopolymers. 2005. - Vol. 79. - P. 185-196.

99. Lindquist, B.A. Nitrile groups as vibrational probes: calculations of the C=N Infrared absorption line shape of acetonitrile in water and tetrahydrofuran / B.A. Lindquist, S.A. Corcelli // J. Phys. Chem. B. 2008. - Vol. 112. - P. 6301-6303.

100. Sequential Hydration of Small Protonated Peptides / D.F. Liu, T. Wyttenbach, P.E. Barran, M.T. Bowers // J. Am. Chem. Soc. 2003. - Vol. 125. - P. 84588464.

101. Liu, D.F. Hydration of protonated primary amines: effects of intermolecular and intramolecular hydrogen bonds / D.F. Liu, T. Wyttenbach, M.T. Bowers // Int. J. Mass Spectrom. 2004. - Vol. 236. - P. 81-80.

102. Luscher-Mattli, M. Thermodynamic functions of biopolymer hydration. I. Their determination by vapour pressure studies, discussed in an analysis of the primary hydration process. / M. Luscher-Mattli, M. Ruegg // Biopolymers. -1982.-Vol. 21.-P. 419.

103. All-atom empirical potential for molecular modeling and dynamics studies of proteins / A. D. MacKerell, D. Bashford, M. Bellott et al. // J. Phys. Chem. B. 1998.- Vol. 102.-P. 3586-3616.

104. Residence times of water molecules in the hydration sites of myoglobin / V.A. Makarov, B.K. Andrews, P.E. Smith, B.M. Pettitt // Biophys. J. 2000. - Vol. 76.-P. 2966-2974.

105. Makarov, V. Solvation and hydration of proteins and nucleic acids: a theoretical view of simulation and experiment / V. Makarov, B.M. Pettitt, M. Feig // Acc. Chem. Res. 2002. - Vol. 35. - P. 376 - 384.

106. Marchi, M. Compressibility of cavities and biological water from Voronoi volumes in hydrated proteins / M. Marchi // J. Phys. Chem. B. 2003. - Vol. 107.-P. 6598-6602.

107. Marechal, Y. Interaction configurations of H20 molecules in a protein (Stratum Corneum) by infrared spectrometry / Y. Marechal // J. Mol Struct. -1997.-Vol. 416.-P. 133-143.

108. Marechal, Y. Observing the water molecule in macromolecules and aqueous media using infrared spectrometry / Y. Marechal // J. Mol Struct. 2003. -Vol. 648.-P. 27-47.

109. Matsuoka, D. Probability distributions of hydration water molecules around polar protein atoms obtained by a database analysis / D. Matsuoka, M. Nakasako // J. Phys. Chem. B. 2009. - Vol. 113. - P. 11274-11292.

110. Mattos, C. Proteins in organic solvents / C. Mattos, D. Ringe // Curr. Opin. Struct. Biol 2001. - Vol. 11. - P. 761-764.

111. Max, J.-J. Acetonitrile hydrates in aqueous solution by infrared spectroscopy / J.-J. Max, C. Chapados // Can. J. Anal. Sci. Spectrosc. 2002. - P. 72-90.

112. Merrick, J.P. An Evaluation of Harmonic Vibrational Frequency Scale Factors / J.P. Merrick, D. Moran, L. Radom // J. Phys. Chem. A. 2007. - Vol. 111.-P. 11683-11700.

113. Minton, A.P. The Influence of Macromolecular Crowding and Macromolecular confinement on biochemical reactions in physiological Media / A.P. Minton // J. Biol. Chem. 2001. - Vol. 276. - P. 10577-10580

114. Moelbert, S. Kosmotropes and chaotropes: modelling preferential exclusion, binding and aggregate stability / S. Moelbert, B. Normand, P. De Los Rios // Biophys. Chem. 2004. - Vol. 112. - P. 45.

115. Ion solvent interactions in acetonitrile solutions of lithium iodide and tetrabutylammonium iodide / A.K. Mollner, P.A. Brooksby, J.S. Loring et al. // J. Phys. Chem. A. 2004. - Vol. 108. - P. 3344-3349.

116. Morita, S. Time-resolved in situ ATR-IR observations of the process of sorption of water into a poly(2-methoxyethyl acrylate) film / S. Morita, M. Tanaka, Yu. Ozaki // Langmuir. 2007. - Vol. 23. - P. 3750-3761.

117. Interpretation of water desorption isotherms of lysozyme / V.N. Morozov, T.A. Morozova, G.S. Kachalova, E.T. Myachin // Int. J. Biol. Macromol. -1988.-Vol.10.-P. 329-336.

118. MuIIin, J.M. Alanine: then there was water / J.M. Mullin, M.S. Gordon // J. Phys. Chem. B. 2009. - Vol. 113. - P. 8657-8669.

119. Nakasako, M. Large-scale networks of hydration water molecules around proteins investigated by cryogenic X-ray crystallography / M. Nakasako // Cell. Mol. Biol. 2001. - Vol. 47. - P. 767-790.

120. Nakasako, M. Water-protein interactions from high-resolution protein crystallography / M. Nakasako // Phil. Trans. R. Soc. Lond. B. 2004. - Vol. 359.-P. 1191-1206.

121. Hydrogen and hydration in proteins / N. Niimura, T. Chatake, K. Kurihara, M. Maeda // Cell. Biochem. Biophys. 2004. - Vol. 40. - PP. 351-69.

122. Oliveira Costa, S.D. Molecular dynamics simulation of polypyrrole film in an acetonitrile solution / S.D. Oliveira Costa, J.J. Lopez Cascales // J. Electroanal. Chem.- 2010. -Vol. 644.-P. 13-19.

123. Biological water: femtosecond dynamics of macromolecular hydration / S.K. Pal, J. Peon, B. Bagchi, A.H. Zewail // J. Phys. Chem. B. 2002. - Vol. 106. -P. 12376-12395.

124. Pal, S.K. Dynamics of water in biological recognition / S.K. Pal, A.H. Zewail // Chem. Rev. 2004. - Vol. 104. - P. 2099-2123.

125. Perdew, J.P. Generalized gradient approximation made simple / J.P. Perdew, K. Burke, M. Erazerhof //Phys. Rev. Lett. 1996. - Vol. 77. - P. 3865-3868.

126. Perrin, D.D. Purification of Laboratory Chemicals / D.D. Perrin, W.L.F. Armarego, D.R. Perrin — Pergamon Press: Oxford. — 1980. — P. 544.

127. How protein surfaces induce anomalous dynamics of hydration water / F. Pizzitutti, M. Marchi, F. Sterpone, P.J. Rossky // J. Phys. Chem. B. 2007. -Vol. 111.-P. 7584-7590.

128. Plumley, J.A. The importance of hydrogen bonding between the glutamine side chains to the formation of amyloid VQIVYK parallel ß-Sheets: an ONIOM DFT/AM1 study / J.A. Plumley, J.J. Dannenberg // J. Am. Chem. Soc. -2010.-Vol. 132.-P. 1758-1759.

129. Prabhu, N. Protein-solvent interactions / N. Prabhu, K. Sharp // Chem. Rev. -2006.-Vol. 106.-P. 1616-1623.

130. Qingzhong, L. Effect of hydration on the C-H—O hydrogen bond: A theoretical study / L. Qingzhong, N. Wang, Y. Zhiwu // J. Mol. Struct.: THEOCHEM. 2007. - Vol. 847. - P. 68-74.

131. Raschke, T.M. Water structure and interactions with protein surfaces / T. M. Raschke // Curr. Opin. Struct. Biol. 2006. - Vol. 16. - P. 152-159.

132. Reimers, J.R. The solvation of acetonitrile / J.R. Reimers, L.E. Hall // J. Am. Chem. Soc. 1999. - Vol. 121. - P. 3730-3744.

133. Rosado, M.T.S. Vibrational spectra (FT-IR, Raman and MI-IR) of a- and ß-alanine / M.T.S. Rosado, M.L.R.S. Duarte, R. Fausto // J. Mol. Struct. 1997. -Vol. 410.-P. 343-348.

134. Simulation studies of the protein-water interface. II. Properties at the mesoscopic resolution / T. Rudas, C. Schröder, S. Boresch, O. Steinhauser // J. Chem. Phys. 2006. - Vol. 124. - P. 234908.

135. Rupley, J.A. Protein hydration and function / J.A. Rupley, G. Careri // Adv. Protein Chem. 1991. - Vol. 41. - P. 37-172.

136. Russo, D. The impact of kosmotropes and chaotropes on bulk and hydration shell water dynamics in a model peptide solution / D. Russo // Chem. Phys. -2008. Vol. 345. - P. 200-211.

137. Sasaki, T. Active conformation of a-chymotrypsin in organic solvents as studied by circular dichroism / T. Sasaki, M. Kobayashi, H. Kise // Biotechnology Techniques. 1997.-Vol. 11.-P. 387-390.

138. Schmitke, J.L. Organic solvent binding to crystalline subtilisin in mostly aqueous media and in the neat solvents / J.L. Schmitke, L.J. Stern, A.M. Klibanov // Biochem. Biophis. Res. Comm. 1998. - Vol. 248. - P. 273-277.

139. Schmitke, J.L. The crystal structure of subtilisin Carlsberg in anhydrous dioxane and its comparison with those in water and acetonitrile / J.L. Schmitke, L.J. Stern, A.M. Klibanov // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1997. -Vol. 94.-P. 4250-4255.

140. Simulation studies of the protein-water interface. I. Properties at the molecular resolution / C. Schroder, T. Rudas, S. Boresch, O. Steinhauser // J. Chem. Phys. 2006. - Vol. 124. - P. 234907(1)-(18 ).

141. Shimizu, S. Preferential hydration and the exclusion of cosolvents from protein surfaces / S. Shimizu, D.J. Smith // J. Chem. Phys. 2004. - Vol. 121. - P. 1148-1154.

142. Discovering high-affinity ligands for proteins: SAR by NMR / S.B. Shuker, P.J. Hajduk, R.P. Meadows, S.W. Fesik // Science. 1996. - Vol. 274. - P. 1531-1534.

143. Singer, S.J. The properties of proteins in nonaqueous solvents / S.J. Singer // Adv. Prot. Chem. 1962. -V. 17. - P. 1-68.

144. Interaction enthalpies of solid bovine pancreatic a-chymotrypsin with organic solvents: comparison with FTIR- spectroscopic data / V.A. Sirotkin, A.N. Zinatullin, B.N. Solomonov et al. // Thermochimica Acta. 2002. - Vol. 382. -P. 151-160.

145. Sirotkin, V.A. Effect of dioxane on the structure and hydration-dehydration of a-chymotrypsin as measured by FTIR spectroscopy / V.A. Sirotkin // Biochim. Biophys. Acta. 2005. - Vol. 1750. - P. 17- 29.

146. Sousa, C.F. General performance of density functional / C.F. Sousa, P.A. Fernandes, M.J. Ramos // J. Phys. Chem. A. 2007. - Vol. 111. - P. 1043910452.

147. Steiner, T. The hydrogen bond in the solid state / T. Steiner // Angew. Chem. Int. Ed. 2002. - Vol. 41. - P. 48-76.

148. Steiner, T. The ordered water cluster in vitamine B12 coenzyme at 15 K is stabilised by C-H'"0 hydrogen bonds. / T. Steiner, W. Saenger II Acta Cryst. -1993.-Vol. 49. -P.592-593.

149. Stewart, J.J.P. Optimization of parameters for semiempirical methods II. Applications / J.J.P. Stewart // J. Comput. Chem. 1989. - Vol. 10. - P. 221264.

150. Structure of the coat protein-binding domain of the scaffolding protein from a double-stranded DNA virus / Y. Sun, M.H. Parker, P. Weigele et al. // J. Mol. Biol. 2000. - Vol. 297. - P. 1195-1202.

151. Protein hydration in solution: experimental observation by X-ray and neutron scattering / D.I. Svergun, S.M. Richard, H.J. Koch et al. // Proc. Natl. Acad. Sei. USA. 1998. - Vol. 95. - P. 2267-2272.

152. Szent-Gyorgyi, A. In Cell-associated water; Drost-Hansen W, Clegg J. S., Eds.; Academic Press: New York, 1979.

153. Liquid structure of acetonitrile water mixetures by X-ray diffraction and infrared spectroscopy / T. Takamuku, M. Tabata, A. Yamaguchi et al. // J.Phys.Chem.B. - 1998. - Vol. 102. - P. 8880-8888.

154. Structure and dynamics of 1,4-dioxane water binary solutions studied by X-ray diffraction, mass spectrometry, and NMR relaxation / T. Takamuku, A. Yamaguchi, M. Tabata et al. II J. Mol Liq. - 1999. - Vol. 83. -P. 163-177.

155. Molecular dynamics simulations of small glycine-(H20)n (n = 2-7) clusters on semiempirical PM6 potential energy surfaces / T. Takayanagi, T. Yoshikawa, A. Kakizaki et al. II J. Mol Struct.: THEOCHEM. 2008. - Vol. 869. - P. 2936.

156. Tomiuchi, Y. Fluorescence spectroscopic study of a-chymotrypsin as relevant to catalytic activity in aqueous-organic media. / Y. Tomiuchi, T. Kijima, H. Kise // Bull. Chem. Soc. Jap. 1993. - Vol. 66. - P. 1176-1181.

157. Turner, D.R., Infrared and vibrational CD spectra of partially solvated -helices: DFT-based simulations with explicit solvent / D.R. Turner, J. Kubelka II J. Phys. Chem. B. 2007. - Vol. 111.-P. 1834-1845.

158. CHARMM general force field: A force field for drug-like molecules compatible with the CHARMM all-atom additive biological force fields / K. Vanommeslaeghe, E. Hatcher, C. Acharya et al. // J. Comp. Chem. 2010. -Vol. 31. -P. 671-690.

159. Venyaminov, S.Yu. Quantitative IR spectrophotometry of peptide compounds in water (H20) solutions. I. Spectral parameters of amino acid residue absorption bands / S.Yu. Venyaminov, N.N. Kalnin // Biopolymers. 1990. -Vol. 30.-P. 1243-1257.

160. Wakisaka, A. Preferential solvation controlled by clustering conditions of acetonitrile-water mixtures / A. Wakisaka, S. Takahashi, N. Nishi // J. Chem. Soc., Faraday Trans. 1995. - Vol. 91. - P. 4063-4069.

161. Wan, L.-S. Diffusion and structure of water in polymers containing N-vinyl-2-pyrrolidone / L.-S. Wan, X.-J. Huang, Zh.-K. Xu // J. Phys. Chem. B. 2007. -Vol. 111.-P. 922-928.

162. Wieczorek, R. Amide I vibrational frequencies of a-helical peptides based upon ONIOM and density functional theory (DFT) studies / R. Wieczorek, J.J. Dannenberg // J. Phys. Chem. B. 2008. - Vol. 112. - P. 1320-1328.

163. Wieczorek, R. Comparison of fully optimized a- and 3i0-helices with extended {3-strands. An ONIOM density functional theory study / R. Wieczorek, J.J. Dannenberg // J. Am. Chem. Soc. 2004. - Vol. 126. - P. 14198-14205.

164. Wieczorek, R. H-bonding cooperativity and energetics of a-helix formation of five 17-amino acid peptides / R. Wieczorek, J.J. Dannenberg // J. Am. Chem. Soc. — 2003.- Vol. 125.-P. 8124-8129.

165. Wu, Y.G. A local solvent structure study on 1,4-dioxane-water binary mixtures by total isotropic Rayleigh light scattering method / Y.G. Wu, M. Tabata, T. Takamuku // J. Mol. Liq. 2001. - Vol. 94. - P. 273-282.

166. Wyttenbach, T. Hydration of biomolecules / T. Wyttenbach, M.T. Bowers // Chem. Phys. Lett. 2009. - Vol. 480. - P. 1-16.

167. Wyttenbach, T. Hydration of small peptides / T. Wyttenbach, D.F.Liu, M.T. Bowers Hint. J. Mass Spectrom. 2005. - Vol. 240. - P. 221-232.

168. Xu, K. Correlation between catalytic activity and secondary structure of subtilisin dissolved in organic solvents / K. Xu, K. Griebenow, A.M. Klibanov II Biotech. Bioeng. 1997. - Vol. 56. - P.485-491.

169. Yang, F. Role of hydration in enzyme activity and stability: 1. Alcohol dehydrogenase activity and stability in a continuous gas phase reactor / F. Yang, A.J. Russell // Biotechnol. Bioeng. 1996. - Vol. 49. - P. 709-716.

170. Yang, L. Hydration of enzyme in nonaqueous media is consistent with solvent dependence of its activity / L.Yang, J.S. Dordick, S. Garde // Biophys. J. — 2004.-Vol. 87.-P. 812-821.

171. Yennawar, H.P. A Structural Explanation for Enzyme Memory in Nonaqueous Solvents / H.P. Yennawar, N.H. Yennawar, G.K. Farber // J. Am. Chem. Soc. -1995.-Vol. 117.-P. 577-585.

172. Yennawar, H.P. X-ray crystal structure of y-chymotrypsin in hexane / H.P. Yennawar, N.H. Yennawar, G.K. Farber // Biochemistry. 1994. - Vol. 33. -P. 7326-7336.

173. Zaks, A. Enzymatic catalysis in non-aqueous solvents / A. Zaks, A.M. Klibanov II J. Biol. Chem. 1988. - Vol. 263. - P. 3194-3201.

174. Zhang, H. Density functional theory study of the hydrogen-bonding interaction of 1:1 complexes of alanine with water / H. Zhang, Zh. Zhou, Y. Shi // J. Phys. Chem. A. 2004. - Vol. 108. - P. 6735-6743.

175. Zhang, Y. DFT studies on the role of glutamate residue in the tyrosine nitration / Y. Zhang, K. Huang // J. Mol. Struct.: THEOCHEM. 2008. - Vol. 864.-P. 48-55.

176. Zhao, Y. Density functional for noneovalent interaction energies of biological importance / Y. Zhao, D.G. Truhlar // J. Chem. Theory Comput. — 2007. — Vol. 3.-P. 289-300.

177. Crystal structure of alpha-momorcharin in 80% acetonitrile-water mixture / G. Zhu, Q. Huang, M. Qian, et al. II Biochim. Biophys. Acta. 2001. - Vol. 1548. -P. 152-158.

178. X-ray studies on two forms of bovine y-trypsin crystals in neat cyclohexane / G. Zhu, Q. Huang, Z. Wang et al. II Biochim. Biophys. Acta. 1998. - Vol. 1429.-P. 142-150.

179. Protein- and homo poly(amino acid)-based hydrogels with super-swelling properties / M. J. Zohuriaan-Mehr, A. Pourjavadi, H. Salimi, M. Kurdtabar // Polym. Adv. Technol. 2009. - Vol. 20. - P. 655-671.

Информация о работе

Макшакова, Ольга Николаевна
кандидата биологических наук
Казань, 2010
ВАК 03.01.02

Диссертация

Модификация структуры гидратной оболочки полипептидов апротонными органическими растворителями: исследование методами ИК-спектроскопии и квантово-химических расчетов - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы