Квантово-хімічне дослідження взаємодії поверхні кремнезему з α-спіральною ділянкою молекули сироваткового альбуміну людини
Quantum chemical calculations were carried out of equilibrium structure of the hydrated α‑helix of the human serum albumin adsorbed on silica surface by SCF MO LCAO method within the framework of valence approximation PM3. Water molecules appear to play a considerable role in transition of electron...
Saved in:
| Date: | 2003 |
|---|---|
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine
2003
|
| Online Access: | https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/101 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Surface |
| Download file: |  |
Institution
Surface| _version_ | 1869291082962960384 |
|---|---|
| author | Datsyuk, A. M. Lobanov, V. V. Grebenyuk, A. G. Chuiko, A. A. |
| author_facet | Datsyuk, A. M. Lobanov, V. V. Grebenyuk, A. G. Chuiko, A. A. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "A. M. Datsyuk",
"institution": "Інститут хімії поверхні НАН України"
},
{
"author": "V. V. Lobanov",
"institution": "Інститут хімії поверхні НАН України"
},
{
"author": "A. G. Grebenyuk",
"institution": "Інститут хімії поверхні НАН України"
},
{
"author": "A. A. Chuiko",
"institution": "Інститут хімії поверхні НАН України"
}
] |
| author_sort | Datsyuk, A. M. |
| baseUrl_str | |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2018-11-27T09:42:00Z |
| description | Quantum chemical calculations were carried out of equilibrium structure of the hydrated α‑helix of the human serum albumin adsorbed on silica surface by SCF MO LCAO method within the framework of valence approximation PM3. Water molecules appear to play a considerable role in transition of electron density from silica surface onto albumin polar groups and vice versa. |
| first_indexed | 2025-07-22T19:30:15Z |
| format | Article |
| fulltext |
Хімія, фізика та технологія поверхні. 2003. Вип. 9. С.4-10
МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕСІВ НА ПОВЕРХНІ ТВЕРДИХ ТІЛ
УДК 541.183:539.192
КВАНТОВО-ХІМІЧНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ ВЗАЄМОДІЇ
ПОВЕРХНІ КРЕМНЕЗЕМУ З α-СПІРАЛЬНОЮ ДІЛЯНКОЮ
МОЛЕКУЛИ СИРОВАТКОВОГО АЛЬБУМІНУ ЛЮДИНИ
А.М. Дацюк, В.В. Лобанов, А.Г. Гребенюк, О.О. Чуйко
Інститут хімії поверхні Національної академії наук України
вул. Ген. Наумова 17, 03680 Київ-164
Методом СУП МО ЛКАО у валентному наближенні РМ3 виконано квантово-хімічні
розрахунки рівноважної структури гідратованої α-спіральної ділянки молекули
сироваткового альбуміну людини, адсорбованої на поверхні кремнезему. Виявлено, що
молекули води відіграють значну роль у перенесенні електронної густини з поверхні
кремнезему на полярні групи білка і навпаки.
Quantum chemical calculations were carried out of equilibrium structure of the hydrated
α-helix of the human serum albumin adsorbed on silica surface by SCF MO LCAO method
within the framework of valence approximation PM3. Water molecules appear to play a
considerable role in transition of electron density from silica surface onto albumin polar groups
and vice versa.
Вступ
В останні роки кремнезем та його модифікації успішно використовуютьcя як
адсорбенти макромолекул, зокрема білків [1]. Білки, іммобілізовані на твердій поверхні,
здатні за деяких умов зберігати свою функціональну стабільність протягом довгого
часу [2]. Проте якісна та кількісна трансформація координаційної сфери білкової
молекули при її адсорбції на поверхні адсорбента може бути причиною зміни деяких
фізико-хімічних властивостей, що призводить до часткової втрати білком біологічної
активності [3, 4]. Наприклад, при очищенні білків хроматографічними методами,
гемодіалізі, контакті білків крові з кардіосудинними імплантованими матеріалами,
кількість білкових молекул, що знаходяться в розчині, завжди перевищує їхню кількість,
сорбовану на поверхні твердого тіла. Зрозуміло, що між адсорбованими молекулами білка
та тими, що знаходяться в розчині, встановлюється динамічна рівновага [5]. Беручи до
уваги те, що енергії адсорбційних взаємодій на поверхні кремнезему знаходяться
приблизно в інтервалі енергій водневих зв’язків, які формують вторинну та третинну
структуру білкової молекули, слід врахувати можливість її знаходження в різних
конформаційних станах: до адсорбції, в адсорбованому стані і після десорбції. Так, в [5]
було показано, що, незалежно від механізму обміну між адсорбованою фазою та
розчином, що містить білкові молекули, останні після десорбції не завжди повертаються
до своєї нативної структури. Перебування молекули протеїну у біологічному розчині в
конформації, що відрізняється від нативної, може бути причиною утворення
конгломератів з молекулами складових частин крові, внаслідок чого формуються тромби,
5
які далі потрапляють до кров’яного потоку. Знання особливостей адсорбції-десорбції
білків на твердих поверхнях важливі не лише при розгляді впливу адсорбента на кров
тварин та людини. Важливим є і той факт, що адсорбція білків є процесом, що спричиняє
утворення зубного каменю, відновлення зубної емалі та забруднення контактних лінз [6].
Таким чином, вирішальна роль адсорбції білків у перелічених вище процесах
актуалізує дослідження молекулярних аспектів взаємодії протеїнів з поверхнею твердого
тіла, якій властива певна хімічна активність.
Об’єкти дослідження
Об’єктом дослідження була вибрана молекула сироваткового альбуміну людини
(САЛ). Цей білок є найбільш поширеним у плазмі крові людини, порівняно з іншими
білками. Встановлено [7], що йому притаманні такі функції, як підтримка певного
значення рН та осмотичного тиску, перенесення різноманітних речовин до відповідних
органів. Зважаючи на великий розмір молекули САЛ, провести квантово-хімічне
дослідження взаємодії цілої молекули даного білка з поверхнею кремнезему в даний час
неможливо. Тому в даній роботі за модель білкової молекули правила α-спіральна ділянка
молекули САЛ, що складається з 16 залишків амінокислотної послідовності: Glu 208,
Arg 209, Ala 210, Phe 211, Lys 212, Ala 213, Trp 214, Ala 215, Val 216, Ala 217, Arg 218,
Leu 219, Ser 220, Gln 221, Arg 222 та Phe 223. Вона належить домену №2, розташована на
поверхні глобули білка і містить, поряд з неполярними боковими амінокислотними
залишками, полярні, що можуть виступати стереоактивними центрами в процесах сорбції
на кремнеземах [8]. Виділена ділянка, надалі кластер І, зображена на рис. 1.
Вуглець
Азот
Кисень
Водень
Рис. 1. α-Спіральна ділянка САЛ (вигляд вздовж осі спіралі).
При побудові згаданої ділянки молекули САЛ були використані рентгеноструктурні
дані, отримані з PDB (Protein Data Bank) банку даних білків. Вільні зв’язки, утворені
внаслідок обриву поліпептидної спіралі, були насичені гідрофобною метильною групою
та атомом водню на N- та С-кінцях відповідно.
6
Оскільки більш як 2/3 гідроксильних груп, які визначають хімічну активність
дисперсних кремнеземів розміщені на ділянках поверхні, що є близькими за структурними
мотивами до грані (111) β-кристобаліту [9], за модель поверхні кремнезему був вибраний
кластер (β-кластер), що відображає найбільш характерні фрагменти цієї грані (див. рис. 2).
Для компенсації граничних ефектів, пов’язаних з обривом хімічних зв’язків по периферії
кластера, кінцеві атоми кисню замикалися атомами водню [9]. При побудові β-кластера
використовувалися структурні параметри, що подані у табл. 1. Як видно з рис. 2,
модельний кластер містить 6 силанольних груп.
Зважаючи на те, що в реальних умовах адсорбція білків відбувається в водному
середовищі, слід прийняти до уваги молекули води, що гідратують кластер І.
Таблиця 1. Структурні параметри β-кластера (довжини зв’язку, Å; валентні кути,
градуси).
Параметр Довжина зв’язку Параметр Величина кута
Si-O 1,65 Si-O-Si 180
O-H* 0,36 Si-O-H 105
O-H 0,95
Н* – атом водню, розташований на периферії β-кластера
Рис. 2. Схематичне зображення β-кластера, що моделює
ділянку грані (111) β-кристобаліту
Методи дослідження та результати
На першому етапі проводилася оптимізація просторової будови виділеної
α-спіральної ділянки методом РМ3 [10] без будь-яких обмежень на її структуру. Після
оптимізації геометричних параметрів кінцева структура даного фрагменту молекули білка
істотно не змінилася, порівняно з експериментальними рентгеноструктурними даними.
Далі, з використанням оптимальної просторової будови кластера І, була одержана його
неемпірична хвильова функція в мінімальному базисі (MINI), яка дала можливість
виконати розрахунок розподілу молекулярного електростатичного потенціалу (МЕСП) в
можливих місцях локалізації молекул води першої гідратної оболонки.
Площини, в яких проводився розрахунок МЕСП, вибиралися таким чином, щоб вони
проходили через бісектрису кута H-N-H та зв’язок C-N груп NH2 амінокислотних
Кремній
Кисень
Водень
7
залишків. Отримані карти розподілу МЕСП дозволили визначити, в якій ролі –
електронодонора чи протонодонора – виступає молекула води, сольватуючи той чи інший
полярний амінокислотний залишок. Найбільший виграш в енергії гідратації досягається за
умови локалізації неподіленої пари електронів атома кисню молекули води в області
позитивних значень потенціалу, а одного із її атомів водню – в області мінімуму
негативних значень МЕСП.
В рамках такого підходу був побудований кластер ІІ, що об’єднує кластер І та
10 молекул води (рис. 3). Введення більшої кількості молекул води обмежувалося
технічними можливостями. Подальша оптимізація просторової будови кластера ІІ
показала високу ефективність використаного нами методу генерації гідратної оболонки
порівняно невеликої білкової молекули. Це видно з того, що різниця енергії між
оптимізованою та неоптимізованою структурами кластера ІІ становила 22 кДж/моль
(енергія кластера ІІ до оптимізації становила –5570 кДж/моль). Такий невеликий виграш в
енергії можна пов’язати з вдалим розміщенням молекул Н2О по периферії α-спіральної
ділянки, вибраним на підставі карт МЕСП. Дані таблиці 2 вказують на роль молекул води,
яку вони відіграють в процесі гідратації α-спіральної ділянки молекули САЛ.
Таблиця 2. Ефективні залишкові заряди на атомах молекул води в комплексі І.
№
молекули
води
Атоми Заряди,
а.о.
№
молекули
води
Атоми Заряди,
а.о.
1
H
O
___H___
Разом
0,226
-0,420
0,175
-0,019
6
H
O
___H___
Разом
0,206
-0,374
0,198
0,030
2
H
O
___H___
Разом
0,196
-0,374
0,194
0,016
7
H
O
___H___
Разом
0,228
-0,408
0,184
0,004
3
H
O
___H___
Разом
0,223
-0,456
0,170
-0,063
8
H
O
___H___
Разом
0,226
-0,455
0,178
-0,051
4
H
O
___H___
Разом
0,196
-0,397
0,209
0,008
9
H
O
___H___
Разом
0,209
-0,430
0,179
-0,042
5
H
O
___H___
Разом
0,212
-0,432
0,183
-0,037
10
H
O
___H___
Разом
0,217
-0,439
0,179
-0,043
8
Розрахунок показав, що теплота гідратації кластера І в рамках методу РМ3 складає
163 кДж/моль, що в перерахунку на одну молекулу води становить 16,3 кДж/моль. Дана
величина узгоджується з середньою теплотою утворення водневого зв’язку.
На наступному етапі дослідження виконано квантово-хімічний розрахунок системи
кластер ІІ + β-кластер. Оптимізація об’єднаної системи проводилась в
супермолекулярному наближенні з варіаціями просторової будови білкової молекули,
положень і внутрішньої будови молекул води та структурних параметрів силанольних
груп поверхні кремнезему. Всі інші довжини зв’язків, валентні та двогранні кути
β-кластера залишалися незмінними. Результати розрахунків теплот утворення
адсорбційних комплексів та їх складових подані у табл. 3.
Таблиця 3. Теплоти утворення адсорбційних комплексів та їх структурних елементів за
даними методу РМ3
Об’єкт дослідження ΔНутв., кДж/моль
Кластер І (α-спіральна ділянка молекули білка) -3195
Сольватна оболонка (10 молекул води) -2234
Кластер ІІ (кластер І + сольватна оболонка) -5592
β-Кластер (ділянка грані (111) β-кристобаліту) -14450
Комплекс (кластер ІІ + β-кластер) -20150
Структура адсорбційного комплекса зображена на рис. 4, а збільшений фрагмент
цього комплекса, де показані водневі зв’язки, на рис. 5. З цих рисунків видно, що зв’язок
β-кластера з кластером І здійснюється за участю трьох молекул води (перша, друга та
п’ята молекули). Теплота утворення адсорбційного комплекса, обчислена на основі даних
табл. 3, становить –108 кДж/моль, що відповідає енергіїї шістьох водневих зв’язків
(18 кДж/моль на один зв’язок).
Детальний аналіз будови адсорбційного комплекса показує, що молекули води, які
зв’язують білок з поверхнею кремнезему, виконують роль своєрідних “електронних
насосів”. В гідратованій ділянці молекули САЛ (див. табл. 2) та в адсорбційному
комплексі (див. табл. 4) спостерігається стягування електронної густини молекулами
гідратної оболонки. Так, в молекулах води 1 та 2 спостерігається збільшення електронної
густини, причому якщо в кластері ІІ молекула води 2 виступала як донор електронної
густини, то в адсорбційному комплексі вона бере участь як акцептор електронної густини.
З іншого боку, у молекули води, що зв’язує залишок Arg 218 (молекула 5) з поверхнею,
послабилися електроноакцепторні властивості.
Таблиця 4. Ефективні заряди структурних елементів в адсорбційних комплексах.
Система
Ефективний заряд структурних елементів системи, .ефq
α-спіраль гідратна оболонка β-кластер
Кластер ІI 0,196 -0,196 –
Комплекс 0,198
H2O (1)
-0,023
H2O (2)
-0,009
H2O (5)
-0,025 0,063
-0,261
9
1
5
2
4
3
9
10
7
6
8
Вуглець
Азот
Кисень
Водень
Рис. 3. Гідратований фрагмент білкової молекули САЛ
Arg 218
Gln 221
1
2
5
Рис. 4. Структура адсорбційного комплекса Рис. 5. Фрагмент адсорбційного комплекса
з водневими зв’язками
Через молекулу 2 (рис. 5) відбувається перенесення електронної густини з поверхні
на білкову молекулу. Через інші дві молекули води (1 та 5) електронна густина, навпаки,
переноситься з білкової молекули на поверхню.
10
Висновки
В рамках розглянутої моделі можна стверджувати, що адсорбція білкової молекули
на поверхні кремнезему відбувається через молекули води, які за рахунок утворення
водневих зв’язків забезпечують перенесення електронної густини з поверхні на білок і
навпаки.
Процес адсорбції α-спіральної ділянки білка виявив вибірковість “посадки” білкової
молекули таким чином, що утворилися водневі зв’язки з силанольними групами через
амінокислотні залишки Arg 218 та Gln 221. Отже дані групи виступають активними
центрами в процесах сорбції білка на поверхні кремнезему.
Звичайно, в роботі використано певні наближення, тому для отримання остаточних і
більш повних результатів в майбутньому будуть вибрані інші реально існуючі ділянки з
відповідними амінокислотними залишками для підтвердження факту вибіркової сорбції
через Arg 218 та Gln 221.
Література
1. Туров В.В., Барвинченко В.Н., Чуйко А.А., Рыбачук В.Н. Особенности адсорбции
белковых молекул на поверхности аморфного кремнезема// Доп. НАН України. – 1998.
- №11. - C.153-157.
2. Ellerby L.M., Nishida C.R., and Nishida R. Encapsulation of proteins in transparent porous
silicate glasses preparated by sol-gel method// Science. – 1992. – V.255, N5048. –
P.1113-1115.
3. Norde W. Protein at solid surface// Phys. Chem. Biol. Interfaces/ A. Baszkin, W. Norde, Eds.
– New York: Marcel Dekker Inc., 2000. - P.115-135.
4. Norde W. and Zoungrana T. Stability and stabilization of biocatalysts// Progress in
Biotechnology. – 1998. - V.15. – P.495-497.
5. Giacomelli C.E. and Norde W. The adsorption-desorption cycle. Reversibility of the
BSA-silica system// J. Colloid Interface Sci. – 2001. – V.233. – P.234-240.
6. Haynes C.A. and Norde W. Structures and stabilities of adsorbed proteins// J. Colloid
Interface Sci. – 1995. – V.169. – P.313-328.
7. Sugio S., Kashima A., Machizuki S., Noda M., and Kobayashi K. Crystal structure of human
serum albumin at 2.5 Ǻ resolution// Protein Engineering. –1999. – V.12, N6. – P.439-446.
8. Bhattacharua A.A., Grune T., and Curry S. Crystallographic analysis reveals common modes
of binding of medium and long chain fatty acids to HSA// J. Mol. Biol. – 2000. – V.303. –
P.721-732.
9. Роль электростатических взаимодействий в адсорбции на поверхности твердых
оксидов/ В.В. Лобанов, Ю.И. Горлов, А.А. Чуйко, В.М. Пинчук, Ю.С. Cинекоп,
Ю.И. Якименко. – К.: ВЕК + , 1999. – 240 с.
10. Stewart J.J.P. Optimization of parameters for semiempirical methods. I. Method // J. Comput.
Chem. - 1989. – V.10, N2. - P.209-220.
Інститут хімії поверхні Національної академії наук України
Інститут хімії поверхні Національної академії наук України
Інститут хімії поверхні Національної академії наук України
Інститут хімії поверхні Національної академії наук України
вул. Ген. Наумова 17, 03680 Київ-164
Вступ
Таблиця 1. Структурні параметри β-кластера (довжини зв’язку, Å; валентні кути,
градуси).
градуси).
градуси).
Методи дослідження та результати
___H___
___H___
___H___
___H___
___H___
___H___
___H___
___H___
___H___
___H___
___H___
Література
|
| id | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-101 |
| institution | Surface |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2025-07-22T19:30:15Z |
| publishDate | 2003 |
| publisher | Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | surfacezbircomua/2b/911f97acaff32d0339ec470a8b66732b.pdf |
| spelling | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-1012018-11-27T09:42:00Z Quantum Chemical Study on the Interaction of Silica Surface with α-Helix Section of the Molecule of Human Serum Albumine Quantum Chemical Study on the Interaction of Silica Surface with α-Helix Section of the Molecule of Human Serum Albumine Квантово-хімічне дослідження взаємодії поверхні кремнезему з α-спіральною ділянкою молекули сироваткового альбуміну людини Datsyuk, A. M. Lobanov, V. V. Grebenyuk, A. G. Chuiko, A. A. Quantum chemical calculations were carried out of equilibrium structure of the hydrated α‑helix of the human serum albumin adsorbed on silica surface by SCF MO LCAO method within the framework of valence approximation PM3. Water molecules appear to play a considerable role in transition of electron density from silica surface onto albumin polar groups and vice versa. Quantum chemical calculations were carried out of equilibrium structure of the hydrated α‑helix of the human serum albumin adsorbed on silica surface by SCF MO LCAO method within the framework of valence approximation PM3. Water molecules appear to play a considerable role in transition of electron density from silica surface onto albumin polar groups and vice versa. Методом СУП МО ЛКАО у валентному наближенні РМ3 виконано квантово-хімічні розрахунки рівноважної структури гідратованої α-спіральної ділянки молекули сироваткового альбуміну людини, адсорбованої на поверхні кремнезему. Виявлено, що молекули води відіграють значну роль у перенесенні електронної густини з поверхні кремнезему на полярні групи білка і навпаки. Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine 2003-06-14 Article Article application/pdf https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/101 Surface; No. 9 (2003): Chemistry, Physics and Technology of Surface; 4-10 Поверхность; № 9 (2003): Химия, физика и технология поверхности; 4-10 Поверхня; № 9 (2003): Хімія, фізика та технологія поверхні; 4-10 3154-8091 3154-8083 uk https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/101/100 Авторське право (c) 2003 А.М. Дацюк, В.В. Лобанов, А.Г. Гребенюк, О.О. Чуйко |
| spellingShingle | Datsyuk, A. M. Lobanov, V. V. Grebenyuk, A. G. Chuiko, A. A. Квантово-хімічне дослідження взаємодії поверхні кремнезему з α-спіральною ділянкою молекули сироваткового альбуміну людини |
| title | Квантово-хімічне дослідження взаємодії поверхні кремнезему з α-спіральною ділянкою молекули сироваткового альбуміну людини |
| title_alt | Quantum Chemical Study on the Interaction of Silica Surface with α-Helix Section of the Molecule of Human Serum Albumine Quantum Chemical Study on the Interaction of Silica Surface with α-Helix Section of the Molecule of Human Serum Albumine |
| title_full | Квантово-хімічне дослідження взаємодії поверхні кремнезему з α-спіральною ділянкою молекули сироваткового альбуміну людини |
| title_fullStr | Квантово-хімічне дослідження взаємодії поверхні кремнезему з α-спіральною ділянкою молекули сироваткового альбуміну людини |
| title_full_unstemmed | Квантово-хімічне дослідження взаємодії поверхні кремнезему з α-спіральною ділянкою молекули сироваткового альбуміну людини |
| title_short | Квантово-хімічне дослідження взаємодії поверхні кремнезему з α-спіральною ділянкою молекули сироваткового альбуміну людини |
| title_sort | квантово-хімічне дослідження взаємодії поверхні кремнезему з α-спіральною ділянкою молекули сироваткового альбуміну людини |
| url | https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/101 |
| work_keys_str_mv | AT datsyukam quantumchemicalstudyontheinteractionofsilicasurfacewithahelixsectionofthemoleculeofhumanserumalbumine AT lobanovvv quantumchemicalstudyontheinteractionofsilicasurfacewithahelixsectionofthemoleculeofhumanserumalbumine AT grebenyukag quantumchemicalstudyontheinteractionofsilicasurfacewithahelixsectionofthemoleculeofhumanserumalbumine AT chuikoaa quantumchemicalstudyontheinteractionofsilicasurfacewithahelixsectionofthemoleculeofhumanserumalbumine AT datsyukam kvantovohímíčnedoslídžennâvzaêmodíípoverhníkremnezemuzaspíralʹnoûdílânkoûmolekulisirovatkovogoalʹbumínulûdini AT lobanovvv kvantovohímíčnedoslídžennâvzaêmodíípoverhníkremnezemuzaspíralʹnoûdílânkoûmolekulisirovatkovogoalʹbumínulûdini AT grebenyukag kvantovohímíčnedoslídžennâvzaêmodíípoverhníkremnezemuzaspíralʹnoûdílânkoûmolekulisirovatkovogoalʹbumínulûdini AT chuikoaa kvantovohímíčnedoslídžennâvzaêmodíípoverhníkremnezemuzaspíralʹnoûdílânkoûmolekulisirovatkovogoalʹbumínulûdini |