Исследование молекулярной динамики в вязких полярных средах и белках методами фосфоресцентных и фотохромных зондов

Сольватационная динамика является важным фактором в химии растворов. Динамические свойства полярного растворителя определяют реакционную динамику заряженных частиц, спектроскопические характеристики люминесцентных молекул, транспортные свойства. Поэтому значительные усилия направлены на исследование релаксационных свойств полярных растворителей.

Первоначально теории сольватационной динамики строились на континуальных моделях диэлектрика, рассматривающих растворитель как непрерывную однородную среду, характеризуемую одним макроскопическим параметром — диэлектрической проницаемостью. Развитие экспериментальной базы и теоретических представлений привело к созданию теорий, учитывающих молекулярную структуру растворителя. Их использование позволило предсказать и позднее экспериментально установить ряд эффектов. Примером может служить инерционный отклик растворителя, происходящий на фемтосекундной временной шкале. Тем не менее, сложность изучаемой системы, обусловленная большим количеством взаимодействий различной природы между молекулами в растворе, слабой пространственной и временной структурной корреляцией, оставляют эксперимент главным инструментом исследования динамических процессов в жидкостях. Это особенно актуально в случае многокомпонентных и гетерогенных систем, какими являются переохлажденные жидкости, стекла и белки.

Экспериментально информация о сольватационной динамике может быть получена тремя основными способами:

1. Регистрацией разрешенного во времени стоксова сдвига спектра люминесценции молекулы люминофора, растворенного в полярном растворителе. При мгновенном изменении дипольного момента люминофора под действием короткого возбуждающего импульса света окружающий растворитель оказывается в неравновесном состоянии. Последующая ориентационная релаксация молекул растворителя приводит к зависящему от времени длинноволновому сдвигу спектра люминесценции молекулы люминофора.

2. Путем исследования реакции переноса электрона в полярных средах. Релаксация растворителя является скоростьопределяющей стадией для внутримолекулярного переноса электрона, который характеризуется сильным перекрыванием электронных волновых функций реагентов в растворителях с большими временами диэлектрической релаксации.

3. С помощью метода разрешенной во времени абсорпционной спектроскопии избытка электронов в полярных растворителях. Сольватация локализованного электрона, контролируемая релаксацией растворителя, проявляется во временном сдвиге спектра поглощения электрона.

Использование метода регистрации разрешенного во времени стоксова сдвига спектра люминесценции позволяет проводить исследования сольватационной динамики на обширном классе объектов в широком временном интервале от сотен фемтосекунд до сотен секунд, а также в широком диапазоне температур, вязкости, давлений и т. д.

Химические реакции лежат в основе всех биологических процессов. Особая роль принадлежит ферментам — природным биополимерам, обладающим уникальными каталитическими свойствами. В два последние десятилетия концепция, связывающая функциональную активность белков с их конформационной подвижностью, находит все большее экспериментальное подтверждение. Сложность, которой обладают многие белковые макромолекулы, требует создания более простых модельных систем для проведения экспериментальных исследований. В частности, процесс переноса электрона в белках изучают в ходе внутримолекулярной реакции, происходящей в комплексе металлопротеина и присоединенного к нему люминофора. Использование метода кинетической фосфоресцентной спектроскопии позволяет одновременно наблюдать кинетику реакции переноса и релаксационную динамику микроокружения хромофора и, таким образом, дает возможность определять влияние релаксационной динамики среды на процесс переноса электрона.

Расширение границ временной и пространственной областей изучения корреляции динамики и функций белков диктует необходимость развития новых методов исследования. Интересные результаты могут быть получены, например, при использовании метода фото и зо м ер и зую 1 ц и х с я меток в приложении к некоторым гемсодержащим белкам. Его применение позволяет установить временные и пространственные масштабы глобальных конформационных флуктуаций белковой глобулы, связанных с «каталитической» активностью белка.

Актуальность проблемы.

Влияние, которое растворитель оказывает на химические реакции, протекающие в нем, в течение многих десятилетий является одной из фундаментальных проблем физической химии. Первоначально внимание исследователей было преимущественно сконцентрировано на равновесных эффектах растворителя таких, как изменение потенциальной энергии реагентов и продуктов реакции по сравнению с их энергиями в газовой фазе вследствие сольватации. Однако, в последние годы стало ясно, что во многих быстрых реакциях динамика полярного растворителя может иметь критическое значение для протекания реакции. Наиболее ярко динамический эффект полярного растворителя проявляется в реакциях с переносом заряда. Быстрота, с которой растворитель откликается на перераспределение заряда в реакционной системе, может оказывать влияние как на скорость, так и на выход реакции. Существующие на сегодняшний день теории неравновесной сольватации развиты для процессов в чистых, однородных растворителях. На практике большая часть химических реакций протекает в многокомпонентных растворах. Поэтому экспериментальное исследование многокомпонентных растворов является пока основным источником получения информации о молекулярной динамике таких сложных и гетерогенных систем, как переохлажденные жидкости, стекла и белки. Метод регистрации разрешенного во времени стоксова сдвига спектра люминесценции зонда, входящего в состав сложных, гетерогенных систем, позволяет изучать релаксационные процессы в этих системах в широком интервале времен от 10~14 до 102 с.

Стекла и переохлажденные жидкости образуют класс веществ, широко распространенных в природе. В стеклообразном или переохлажденном состоянии могут находиться различные материалы: полимеры, сплавы металлов, коллоиды, эмульсии, биологические макромолекулы — белки, многие органические жидкости и т. д. Таким образом, исследование структурных и динамических свойств стекол и переохлажденных жидкостей представляет большой интерес с точки зрения фундаментальных знаний, а также для решения разнообразных прикладных задач.

Природные биополимеры — белки представлены во всех формах жизни и выполняют широкий набор функций, в частности, катализируют различные химические реакции. Изучение ферментативных систем направлено, с одной стороны, на выяснение детального механизма каталитического процесса, а, с другой стороны, на создание искусственных модельных систем, обладающих столь же высокой каталитической активностью и субстратной специфичностью, что и природные ферменты. Последние годы интенсивно исследуется проблема связи динамических свойств белков с их функциональной активностью. Различными методами получены данные, подтверждающие тесную корреляцию конформационной подвижности белков с эффективностью осуществляемых ими функций. Развитие новых подходов в исследованиях природы высокой функциональной эффективности биополимеров позволит приблизиться к решению задачи по созданию столь же эффективных модельных систем.

Цель работы.

Основной целью данной работы было исследование динамических свойств вязких полярных растворителей и белков, определение корреляции между молекулярной динамикой белков и осуществляемыми ими функциями. Используемые методы: кинетическая фосфоресцентная спектроскопия и регистрация кинетики термической изомеризации фотохрома, ассоциированного с белком, позволяют проводить одновременное изучение медленной молекулярной динамики и кинетики химических превращений, осуществляемых в этой же системе.

Работа проводилась по следующим направлениям:

1. Определение динамических характеристик бинарных вязких полярных стеклующихся растворителей в широком диапазоне температур (103−262 К).

2. Исследование динамической подвижности гемсодержащих белков и ее влияния на реакцию внутримолекулярного переноса электрона методом кинетической фосфоресцентной спектроскопии.

3. Создание модельных ферментативных систем на основе небольших глобулярных гембелков и детальное исследование зависимости их функций от различных факторов и, прежде всего, от конформационной динамики белковой матрицы.

Научная новизна работы.

С использованием метода кинетической фосфоресцентной спектроскопии изучена медленная динамика ориентационной релаксации в низкотемпературных полярных стеклующихся глицерино-водных и этиленгликоль-водных растворах в широком диапазоне температур. Показано существование широкого распределения времен релаксации в исследованных переохлажденных жидкостях и определены параметры, характеризующие эти распределения.

Получены данные, свидетельствующие о гетерогенной структуре низкотемпературных глицериновых растворов. Сделана оценка масштабов и времен реструктуризации гетерогенных областей в 94% глицерино-водном растворе.

Изучена молекулярная динамика и кинетика реакции внутримолекулярного переноса электрона в комплексе эозин-метмиоглобин и показана возможность адиабатического механизма реакции переноса электрона в данной системе при низких температурах.

Обнаружено и исследовано каталитическое действие миоглобина на реакцию термической цис —> транс изомеризации мероцианинового красителя, бетаина стильбазола М. На основе этой реакции предложена простая модельная ферментативная система, позволяющая изучать влияние различных факторов на процессы биологического катализа. На основании ускорения термической цис транс изомеризации бетаина стильбазола в присутствии некоторых гембелков разработан новый подход к оценке масштабов и времен медленной глобальной конформационной динамики этих белков.

Практическая значимость работы.

В результате проделанной работы получены количественные данные, характеризующие динамику низкотемпературных, бинарных стеклующихся растворов. Обнаруженные в этих системах структурная гетерогенность и возможность существования нескольких аморфных фаз при одинаковых условиях имеют важное значение для понимания процессов, протекающих в стеклах и переохлажденных жидкостях.

Отработана методика использования регистрации динамического стоксова сдвига для определения диэлектрических параметров локального окружения в таких микрогетерогенных системах, как глобулярные гемсодержащие белки.

Предложена простая модельная ферментативная система на основе комплекса миоглобин — бетаин стильбазола. Эта система позволяет исследовать влияние большого набора факторов таких, как рН и ионная сила среды, температура, вязкость, структура активного центра, природа иона металла, конформационная динамика на «каталитическую» активность белка.

С использованием того факта, что некоторые гембелки способны ускорять термическую изомеризацию бетаина стильбазола, развита методика изучения медленной крупномасштабной конформационной динамики этих белков.

Личный вклад автора.

В работе представлены результаты работы, выполненной лично автором по ряду научно-исследовательских проектов, связанных с изучением молекулярной динамики в гетерогенных системах — низкотемпературных, вязких бинарных растворах и белках — методами кинетической фосфоресцентной спектроскопии и изомеризующихся зондов. Автор непосредственно участвовал в обосновании и постановке основной части экспериментов, их проведении и в обобщении результатов исследований.

Апробация работы.

По результатам работы опубликовано 7 статей и 12 тезисов докладов.

1. «Влияние молекулярной динамики на фотоиндуцированный перенос электрона в комплексе эозин — миоглобин» В. Р. Фогель, А. В. Пастухов, А. И. Котельников, Б. Л. Психа, Биофизика, 1997, Т.42, В.5, с.1008−1014.

2. «Coupling of electron transfer and protein dynamics» A.I.Kotelnikov, V.R. Vogel, A.V.Pastukhov, V.L.Voskoboinikov, E.S.Medvedev, in Biological Electron Transfer Chains: Genetics, Composition and Mode of Operation, eds.: G.W.Canters, E. Vijgenboom, 1998, v.512, p.29−49, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht.

3. «Динамика спектральной релаксации фосфоресценции эозина в переохлажденных водных растворах этиленгликоля» А. В. Пастухов, В. Р. Фогель, А. И. Котельников, Д. В. Худяков, Б. Л. Психа, Опт. и спектр., 1999, Т.86, № 3, с.415−422.

4. «Catalysis of the back thermal cis-trans isomerization of stilbazolium betaine by metmyoglobin» V.R.Vogel, A.V.Pastukhov, A.I.Kotelnikov, J. Fluorescence, 1999, v.9, № 3, p.209−211.

5. «Особенности низкотемпературной спектральной релаксации фосфоресценции эозина в глицерино-водной смеси» А. В. Пастухов, В. Р. Фогель, А. И. Котельников, Опт. и спектр., 2000, Т.88, № 3, с.392−398.

6. «Катализ темновой стадии реакции цис-транс изомеризации бетаина стильбазола миоглобином» В. Р. Фогель, А. В. Пастухов, А. И. Котельников, Биофизика, 2000, Т.45, В.2, с.254−256.

7. «Enzyme-like effect of metmyoglobin on the thermal cis-trans isomerization of stibazolium betaine» A.V.Pastukhov, V.R.Vogel, A.I.Kotelnikov, J. Biol. Inorg. Chem. 2000, V.5, № 3, p.307−312.

1. «Analysis of electron transfer in metal containing proteins in the framework of adiabatic approach of outer-sphere electron transfer theory» A.I.Kotelnikov, V.R.Vogel, A.V.Pastukhov, J. Inorg. Biochem., 1995, 59, № 2−3, p.267.

2. «Photoinduced electron transfer in eosin-myoglobin complex» A.V.Pastukhov, V.R.Vogel, A.I.Kotelnikov, Book of Abstracts of the XVI IUPAC Symposium on Photochemistry, Helsinki, Finland, 1996, p.490.

3. «Study of the coupling of photoinduced electron transfer and protein dynamics by phosphorescence label method» V.R.Vogel, A.V.Pastukhov, V.L.Voskoboinikov, A.I.Kotelnikov, Book of Abstracts of the Vth International Conference on Methods and Applications of Fluorescence Spectroscopy, 21−24 September 1997, Berlin, Germany, p. P195.

4. «The role of protein molecular dynamics in the electron transfer reactions».

A.I.Kotelnikov, V.R.Vogel, A.V.Pastukhov, V.L.Voskoboinikov,, 7. Inorg. Biochem., 1997,67, №l-4,p.408.

5. «Структурные и динамические особенности металлоферментов в реакциях переноса электронов» А. И. Котельников, В. Р. Фогель, А. В. Пастухов,.

B.Л.Воскобойников, Э. С. Медведев, Тезисы докладов Всероссийского совещания «Высокоорганизованные каталитические системы», 9−10 июня 1998 г., Черноголовка, с. 13.

6. «Катализ темновой стадии цис-транс изомеризации стильбазолиум бетаина метмиоглобином» В. Р. Фогель, А. И. Котельников, А. В. Пастухов, Тезисы докладов Всероссийского совещания «Высокоорганизованные каталитические системы», 9−10 июня 1998 г., Черноголовка, с. 51.

7. «The comparison of electron transfer and molecular dynamics in myoglobin and cytochrome с» A.I.Kotclnikov, V.R.Vogel, A.V.Pastukhov, V.L.Voskoboinikov, E.S.Medvedev, 4-th European.

Biological Inorganic Chemistry Conference, Sevilla, Spain, 1998, p.26.

8. «Ферментативные свойства миоглобина в реакции термической цис-трапс изомеризации бетаина стильбазола» А. В. Пастухов, В. Р. Фогель,.

A.И.Котельников, Тезисы докладов 2 Съезда Биофизиков России, 23−27 августа, 1999 г., Москва, Т. З, с. 1061.

9. «Исследование микросекундной молекулярной динамики белков с помощью кинетической фосфоресцентной спектроскопии» А. В. Пастухов,.

B.Л.Воскобойников, В. Р. Фогель, Н. П. Акентьева, А. И. Котельников, Тезисы докчадов 2 Съезда Биофизиков России, 23−27 августа, 1999 г., Москва, Т.2, с. 615.

10. «Определение параметров медленной релаксационной динамики белков и вязких стекол методом фосфоресцентной спектроскопии» П. Ю. Литвинов, А. В. Пастухов, В. Л. Воскобойников, А. И. Котельников, Тезисы докладов XI Симпозиума «Современная химическая физика», 18−29 сентября 1999 г., Туапсе, с. 77.

11. «Особенности переноса электрона в белках как высокоорганизованных молекулярных системах» А. И. Котельников, А. В. Пастухов, Н. С. Горячев, П. Ю. Литвинов, Э. С. Медведев, Тезисы докчадов 2 Всероссийского научного совещания «Высокоорганизованные каталитические системы», 2000 г., Москва, с. 18.

12. «А merocyanine dye as a probe of hemeprotein large-scale conformational dynamics» A.V.Pastukhov, A.I.Kotelnikov, A.P.Sadkov, N.P.Akentieva, Book of Abstracts of the XVI ?1IUPAC Symposium on Photochemistry «Photochemistry into the new century», July 22−27, 2000, Drezden, Germany, p.489.

Объем и структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка цитируемой литературы.

Выводы.

1. Методом регистрации динамического стоксова сдвига фосфоресценции эозина исследована релаксационная динамика вязких водных растворов этиленгликоля (50, 75, 90% по объему) и глицерина (60, 94% по массе) в температурном диапазоне 103 — 262 К. Показано существование широкого распределения времен релаксации в изученных системах. Отработаны методики определения параметров распределения времен релаксационной динамики. Средние времена ориентационной релаксации молекул растворителя исследованных образцов находятся в интервале 10~2 -=- 10° с при температурах регистрации динамического стоксова сдвига фосфоресценции эозина.

2. Получены данные, свидетельствующие о существовании пространственной гетерогенности в исследованных переохлажденных жидкостях и стеклах. В 94% глицерино-водном растворе для гетерогенных областей определено время реструктуризации 160 ± 20 мкс и сделана оценка характеристических масштабов неоднородностей — порядка 102 нм — при 237 К. Предложена модификация процедуры вычисления корреляционной функции стоксова сдвига для гетерогенных переохлажденных жидкостей.

3. Исследована динамика релаксационных процессов в апомиоглобине и миоглобине, растворенных в вязких стеклующихся растворителях, в температурном диапазоне 130 -251 К. Релаксационная динамика в изученных системах характеризуется значительной неэкспоненциальностью, что свидетельствует о распределении времен молекулярной подвижности в данных системах. Исследована кинетика внутримолекулярного переноса электрона в комплексе эозин-метмиоглобин. В температурном интервале Тсть Тст+30 К для данного растворителя показана количественная корреляция между временами диэлектрической релаксации микроокружения среды и временами внутримолекулярного переноса электрона. Сделан вывод о возможности адиабатического режима реакции переноса электрона в данных условиях.

4. Установлен эффект ускорения термической цис -> транс изомеризации мероцианинового красителя, бетаина стильбазола М, в присутствии метмиоглобина. Исследовано влияние различных факторов: рН, ионной силы, присутствия анионных гемовых лигандов, полярности микроокружения, природы иона металла на процесс ускорения термической цис транс изомеризации бетаина стильбазола. Определено, что ускорение реакции термической изомеризации обусловлено координированием молекулы фотохрома по шестому лигандному положению гемового железа. Предложены возможные механизмы ускорения реакции. Определены константа связывания бетаина стильбазола, Ка I *104 М-1, константа Михаэлиса, Км= 5,6*10″ 5 М, константа скорости «каталитической» стадии, кса (=8*10″ 4 с" 1 при рН 6,0.

5. На основе эффекта ускорения реакции термической цис транс изомеризации бетаина стильбазола, ассоциированного с гемом метмиоглобина, предложен метод оценки времен и масштабов медленных крупномасштабных конформационных флуктуаций белковой глобулы в области гемового кармана. Показано существование конформационных движений макромолекулы с о О амплитудой 2 — 4 А и характеристическими временами порядка 10 — 10 с.