Известия Саратовского университета.

Новая серия. Серия Физика

ISSN 1817-3020 (Print)
ISSN 2542-193X (Online)

Для цитирования:

Тен Г. Н., Герасименко А. Ю., Щербакова Н. Е., Баранов В. И. Интерпретация ИК и КР спектров альбумина // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2019. Т. 19, вып. 1. С. 43-57. DOI: 10.18500/1817-3020-2019-19-1-43-57

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Полный текст в формате PDF(Ru):
скачать
(загрузок: 1329)
Язык публикации: 
русский
Рубрика: 
Оптика и спектроскопия. Лазерная физика
УДК: 
577.3
DOI: 
10.18500/1817-3020-2019-19-1-43-57

Интерпретация ИК и КР спектров альбумина

Авторы: 
Тен Галина Николаевна, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Герасименко Александр Юрьевич, Национальный исследовательский университет «Московский институт электронной техники»
Щербакова Наталья Евгеньевна, Российский научно-исследовательский противочумный институт «Микроб»
Баранов Виктор Иванович, Институт геохимии и аналитической химии имени В. И. Вернадского РАН
Аннотация: 

Объект исследования и цель работы. Объектом данного исследования является бычий сывороточный альбумин (БСА).

Цель работы – дать интерпретацию колебательных спектров водного раствора БСА в области ~1700–600 см-1.

Использованные методы и подходы. Было выполнено экспериментальное измерение ИК и КР спектров БСА и проведён расчёт колебательных спектров цвиттер-ионных форм 20 аминокислот и их дипепетидов. Рассмотрено влияние ангармонизма и межмолекулярного взаимодействия (ММВ) на колебательные спектры аминокислот. Результаты. Показано, что формы колебаний боковых остатков аминокислот, образующих полипептид, не смешиваются с формами колебаний амидного фрагмента (Амид I, Амид II и Амид III), что позволяет использовать колебания боковых цепей для интерпретации колебательных ИК и КР спектров БСА. Сравнение экспериментальных и вычисленных спектров БСА показало, что каждая экспериментальная полоса поглощения альбумина является суперпозицией нескольких полос поглощения боковых остатков аминокислот, а влияние ММВ между аминокислотными остатками и молекулами воды приводит к смещению максимума и изменению интенсивности полос поглощения, отвечающих колебаниям Амид I, Амид II и Амид III. Вычисленные энергии и частоты колебаний связей, участвующих в образовании ММВ разных типов, меняются в достаточно широких пределах. Если при образовании водородной связи между двумя дипептидами глицил-глицина наблюдается понижение частоты валентного колебания связи С=О и усиление интенсивности как полосы поглощения, так и линии КР, то для валентных и деформационных колебаний полярных групп COО- и N+H3 в случае ион-ионных и ион-дипольных ММВ наблюдается смещение частот, которое составляет ~5-80 см-1, а интенсивность меняется в ~3-10 раз. Было показано, что перекрывание полос поглощения аминокислотных остатков с полосой поглощения Амид I делает её очень чувствительной к структурным изменениям, в том числе и проявлению ММВ, вследствие чего смещение частоты и интенсивности полосы поглощения Амид I позволяет определять конформационные изменения белка. Анализ интенсивностей ИК и КР аминокислотных остатков в области ~1540 см-1 показал, что ММВ приводит к более существенному изменению интенсивности полосы поглощения Амид II в ИК спектре по сравнению со спектром КР. В области колебания Амид III проявляются деформационные δ(ОН) и δ(NH) колебания боковых цепей ряда аминокислот, участвующих в образовании ММВ, в результате чего могут смещаться значения соответствующих частот деформационных колебаний Амид III. В экспериментальном ИК спектре БСА в области ~ 660 см-1 проявляется широкая полоса поглощения средней интенсивности. Согласно выполненному расчёту в данном спектральном интервале проявляются деформационные колебания угла γ(OCO-) аминокислотных остатков Glu и Asp, участие которых в ММВ с другими аминокислотными остатками и молекулами воды приводит к смещению частоты колебания данного деформационного колебания и уширению соответствующей полосы поглощения. Таким образом, детальный анализ и интерпретация колебательных ИК и КР спектров БСА позволили выявить и подробно рассмотреть одну из основных причин, приводящих к смещению частот и изменению интенсивности Амид I, Амид II и Амид III, – это образование различных ММВ между аминокислотами и между аминокислотами и молекулами растворителя. Выполненная интерпретация колебательных спектров цвиттерионных форм 20 стандартных аминокислот в различных спектральных интервалах позволяет использовать её не только для определения конформационных изменений белков, но и диагностики взаимодействия с другими молекулярными соединениями, приводящими, например, к образованию комплексов.

Ключевые слова: 
бычий сывороточный альбумин
интерпретация
ИК и КР спектры 20 основных аминокислот
дипептиды
ангармоническое приближение
межмолекулярное взаимодействие
Список источников: 
  1. Machida K., Izumi M., Kagayama A. Vibrational spectra and intermolecular potential of DL-serine crystal // Spectrochim. Acta. 1979. Vol. 35A. Р. 1333-1339. DOI: https://doi.org/10.1016/0584-8539(79)80087
  2. Иванов А. А., Королик Е. В., Инсарова Н. И., Жбанков Р. Г., Голубович В. П. Низкотемпературные колебательные спектры и молекулярная структура L-аланина // Журн. прикл. спектр. 1990. Т. 53, № 2. С. 265-270. DOI: https://doi.org/10.1007/BF00659399
  3. Иванов А. А., Королик Е. В., Инсарова Н. И., Ильич Г. К. Применение низкотемпературной ИК спектроскопии к анализу молекулярной структуры глицина // Журн. прикл. спектр. 1991. Т. 54, № 3. С. 464-468. DOI: https://doi.org/10.1007/BF00673431
  4. Grenie Y., Lassegues J.-C., Garrigou-Lagrange C. Infrared spectrum of matrix-isolated glycine // J. Chem. Phys. 1970. Vol. 53. P. 2980-2982. DOI: https://doi.org/10.1063/1.1674426-2
  5. Lu W., Liu H. Correlations between Amino Acids at Different Sites in Local Sequences of Protein Fragments with Given Structural Patterns // Chinese J. Chem. Phys. 2007. Vol. 20, № 1. P. 71-77. DOI: https://doi.org/10.1360/cjcp2007.20(1).71.7 
  6. Kakihana M., Akiyama M., Nagumo T., Okamoto M. An empirical potential function of α-glycine derived from infrared spectroscopic data of D-, 13C-, 15N-, and 18O-labeled species // Z. Naturforsch. 1988. Bd. 43a. S. 774-792. DOI: https://doi.org/10.1515/zna-1988-8-911
  7. Nobrega G. F., Sambrano J. R., de Souza A. R., Queralt J. J., Longo E. DFT study of α-alanine as a function of the medium polarity // J. Mol. Struct. 2001. Vol. 544. P. 151-157. DOI: https://doi.org/10.1016/S0166-1280(01)00374-8
  8. Gomez-Zavaglia A., Fausto R. Low-temperature solidstate FTIR study of glycine, sarcosine and N,N-dimethylglycine observation of neutral forms of simple α-amino acids in the solid state // Phys. Chem. Chem. Phys. 2003. Vol. 5. P. 3154-3161. DOI: https://doi.org/10.1039/B304888H
  9. Nagy P. I., Noszal B. Theoretical study of the tautomeric conformational equilibrium of aspartic acid zwitterions in aqueous solution // J. Phys. Chem. A. 2000. Vol. 104. P. 6834-6843. DOI: https://doi.org/10.4172/2167-0501.S4-001
  10. Rai A. K., Song C., Lin Z. An exploration of conformational search of leucine molecule and their vibrational spectra in gas phase using ab initio methods // Spectrochim. Acta A. 2009. Vol. 73. P. 865-870. DOI: https://doi.org/10.1016/j.saa.2009.04.023
  11. Cocinero E. J., Lesarri A., Grabow J.-U., Lopez J. C., Alonso J. L. The Shape of Leucine in the Gas Phase // Chem. Phys. Chem. 2007. Vol. 8. P. 599-604. DOI: https://doi.org/10.1002/cphc.200600730
  12. Mohamed M. Ali J., Umadevi M., Ramakrishnan V. Vibrational spectral studies of (β-alanine)β-alaninium nitrate // J. Raman Spectr. 2004. Vol. 35. P. 956 – 960. DOI: https://doi.org/10.1002/jrs.1240
  13. Cao X., Fischer G. Infrared spectra of monomeric L-alanine and L-alanine-N-d3 zwitterions isolated in a KBr matrix // J. Chem. Phys. 2000. Vol. 255. P. 195–204. DOI: https://doi.org/10.1016/S0301-0104(00)00082-3
  14. Silva J. G., Arruda L. M., Pinheiro G. S., Lima C. L., Melo F. E. A., Ayala A. P., Filho J. Mendes, Freire P. T. C. The temperature-dependent single-crystal Raman spectroscopy of a model dipeptide : L-Alanyl-L-alanine // Spectrochim. Acta. Part A : Mol. Biomol. Spectr. 2015. Vol. 148. P. 244–249. DOI: https://doi.org/10.1016/j.saa.2015.04.010 
  15. Lima J. A., Freire P. T. C., Melo F. E. A., Mendes Filho J., Fischerb J., Havenithc Remco W. A., Broerc R., Bordallod Heloisa N. Using Raman spectroscopy to understand the origin of the phase transition observed in the crystalline sulfur based amino acid l-methionine // Vibr. Spectr. 2013. Vol. 65. P. 132–141. DOI: https://doi.org/10.1016/j.vibspec.2012.12.004 
  16. Pearson J. F., Slifkin M. A. The infrared spectra of amino acids and dipeptides // Spectrochim. Acta. 1972. Vol. 28A. P. 2403-2417. DOI: https://doi.org/10.1016/0584-8539(72)80220-4
  17. Parker F. S. Application of infrared spectroscopy in biochemistry, biology and medicine. New York : Plenum Press, 1971. 483 p.
  18. Керри П. Применение спектроскопии КР и РКР в биохимии. М. : Мир, 1985. 272 с.
  19. Barth A. The infrared absorption of amino acid side chains // Progress in Biophysics & Molecular Biology. 2000. Vol. 74. P. 141–173. DOI: https://doi.org/10.1016/S0079-6107(00)00021-3 
  20. Freire P. T. C. Pressure-Induced Phase Transitions in Crystalline Amino Acids // High-Pressure Crystallography – from Fundamental Phenomena to Technological Applications / eds. E. Boldyreva, P. Dera. New York : Springer, 2010. P. 559–572. 
  21. Wolpert M., Hellwig P. Infrared spectra and molar absorption coefficients of the 20 alpha amino acids in aqueous solutions in the spectral range from 1800 to 500 cm−1 // Spectrochim. Acta. Part A. 2006. Vol. 64. P. 987–1001. DOI: https://doi.org/10.1016/j.saa.2005.08.025
  22. Shurvell H. F., Bergin F. J. Raman Spectra of L(+)- Glutamic Acid and Related Compounds // J. Raman Spectr. 1989. Vol. 20. P. 163-168. DOI: https://doi.org/10.1002/jrs.1250200307
  23. Castro J. L., Montañez M. A., Otero J. C., Marcos J. I. SERS and Vibrational Spectra of Aspartic Acid // J. Mol. Struct. 1995. Vol. 349. P. 113116. DOI: https://doi.org/10.1016/0022-2860(95)08722-8
  24. Hernández B., Pflüger F., Derbel N., Coninck J., Ghomi M. Vibrational Analysis of Amino Acids and Short Peptides in Hydrated Media. VI. Amino Acids with Positively Charged Side Chains : L-Lysine and L-Arginine // J. Phys. Chem. B. 2010. Vol. 114. P. 1077-1088. DOI: https://doi.org/10.1021/jp909517r 
  25. Тен Г. Н., Глухова О. Е., Слепченков М. М., Щербакова Н. Е., Баранов В. И. Моделирование колебательных спектров l-триптофана в конденсированных состояниях // Изв. Сарат. ун-та. Нов. сер. Сер. Физика. 2017. Т. 17, вып. 1. С. 20‒32. DOI: https://doi.org/10.18500/1817-3020-2017-17-1-20-32
  26. Тен Г. Н., Щербакова Н. Е., Баранов В. И. Теоретический анализ структуры и колебательных спектров аспарагиновой и глутаминовой аминокислот в воде при разных рН // Естественные науки. 2017. Т. 60, № 3. С. 94-107.
  27. Тен Г. Н., Щербакова Н. Е., Баранов В. И. Моделирование структуры и колебательных спектров основных аминокислот лизина и аргинина в водном растворе // Естественные науки. 2017. Т. 60, № 3. С. 85-94.
  28. Kint S., Tomimatsu Y. A Raman difference spectroscopic investigation of ovalbumin and S-ovalbumin // Biopolimers. 1979. Vol. 18. P. 1073–1079. DOI: https://doi.org/10.1002/bip.1979.360180505 
  29. Lin V. C., Koenig J. L. Raman studies of bovine serum albumin // Biopolimers. 1976. Vol. 15. P. 203–218. DOI: https://doi.org/10.1002/bip.1976.360150114
  30. Chen M. C., Lord R. C. Laser-excited Raman spectroscopy of biomolecules. VIII. Conformational study of bovine serum albumin // J. Am. Chem. Soc. 1976. Vol. 98. P. 990–992. DOI: https://doi.org/10.1021/ja00420a021
  31. Yu N.-T. Comparison of protein structure in crystals, in lyophilized state, and in solution by laser Raman scattering alpha.-Lactalbumin // J. Am. Chem. Soc. 1974. Vol. 96. P. 4664–4668. DOI: https://doi.org/10.1021/ja00821a049 
  32. Bellocq A. M., Lord R. C., Mendelsohn R. Laser-excited Raman Spectroscopy of biomolecules III. Native bovine serum albumin and beta-lactoglublin // Biochim. Biophys. Acta. 1972. Vol. 257. P. 280–287. DOI: https://doi.org/10.1016/0005-2795(72)90280-2 
  33. Painter P. C., Koenig J. L. Raman spectroscopic study of the proteins of egg white // Biopolymers. 1976. Vol. 15. P. 2155–2162. DOI: https://doi.org/10.1002/bip.1976.360151105
  34. Nakamura K., Era S., Osaki Y., Sogami M., Hayashi T., Murakami M. Conformational Changes in Seventeen Cystinedisulfi de Bridges of Bovine Serum Albumin Proved by Raman Spectroscopy // PERS Letters. 1997. Vol. 417. P. 375–383. DOI: https://doi.org/10.1016/S0014-5793(97)01326-4 
  35. Bolton B. A., Sherer J. R. Raman Spectra and Water Absorbtion of Bovin Serum Albumin // J. Phys. Chem. 1989. Vol. 93. P. 7635‒7640. DOI: https://doi.org/10.1021/j100359a021
  36. Fazio B., Andrea C. D., Foti A., Messina E., Irrera A., Donato M. G., Villari V., Micali N., Maragò O. M., Gucciardi P. G. SERS detection of Biomolecules at Physiological pH via aggregation of Gold Nanorods mediated by Optical Forces and Plasmonic Heating // Scientifi c Reports. 2016. Vol. 6. P. 26952. DOI: https://doi.org/10.1038/srep26952 
  37. Frisch M. J., Trucks G. W., Schlegel H. B., Scuseria G. E., Robb M. A., Cheeseman J. R., Scalmani G., Barone V., Mennucci B., Petersson G. A., Nakatsuji H., Caricato M., Li X., Hratchian H. P., Izmaylov A. F., Bloino J., Zheng G., Sonnenberg J. L., Hada M., Ehara M., Toyota K., Fukuda R., Hasegawa J., Ishida M., Nakajima T., Honda Y., Kitao O., Nakai H., Vreven T., Montgomery J. A., Jr., Peralta J. E., Ogliaro F., Bearpark M., Heyd J. J., Brothers E., Kudin K. N., Staroverov V. N., Kobayashi R., Normand J., Raghavachari K., Rendell A., Burant J. C., Iyengar S. S., Tomasi J., Cossi M., Rega N., Millam J. M., Klene M., Knox J. E., Cross J. B., Bakken V., Adamo C., Jaramillo J., Gomperts R., Stratmann R. E., Yazyev O., Austin A. J., Cammi R., Pomelli C., Ochterski J. W., Martin R. L., Morokuma K., Zakrzewski V. G., Voth G. A., Salvador P., Dannenberg J. J., Dapprich S., Daniels A. D., Farkas O., Foresman J. B., Ortiz J. V., Cioslowski J., Fox D. J. Gaussian 09. Gaussian Inc., Wallingford CT, 2009. 394 р. 
  38. Derbel N., Hernández B., Pflüger F., Liquier J., Geinguenaud F., Jaidane N., Lakhdar Y. B., Ghomi M. Vibrational analysis of amino acids and short peptides in hydrated media. I. L-glycine and L-leucine // J. Phys. Chem. B. 2007. Vol. 111. P. 1470–1477. DOI: https://doi.org/10.1021/jp0633953
  39. Chernobay G. B., Chesalov Y. A., Boldyreva E. V. Temperature effects on the IR spectra of crystalline amino acids, dipeptides, and polyamino acids. V. L-serylglycine // J. Struct. Chem. 2008. Vol. 49. P. 1012-1021.
  40. Vinogradov S. N. Hydrogen bonds in crystal structures of amino acids, peptides and related molecules // Int. J. Peptide Prot. Res. 1979. Vol. 14, № 4. P. 281‒289. DOI: https://doi.org/10.1111/j.1399-3011.1979.tb01934.x
  41. Petitpas I., Bhattacharya A. A., Twine S., East M., Curry S. Crystal structure analysis of warfarin binding to human serum albumin : anatomy of drug site I // J. Biol. Chem. 2001. Vol. 276, № 25. P. 22804-22809. DOI: https://doi.org/10.1074/jbc.M100575200
Краткое содержание:
скачать
(загрузок: 828)
  • 2602 просмотра