Исследование пространственного строения олигопептидов и лекарственных препаратов в растворах и в комплексах с модельными мембранами современными методами ЯМР спектроскопии.
Клочков В.В., Блохин Д.С., Галиуллина Л.Ф., Ефимов С.В., Усачев К.С.
Казанский федеральный университет
ЯМР спектроскопия является одним из наиболее эффективных методов описания пространственного строения химических и биохимических молекул в растворах. Важной предпосылкой для развития структурных приложений метода ЯМР было создание двумерной ЯМР спектроскопии в COSY, HSQC и NOESY модификациях. Это дало возможность интерпретировать ЯМР спектры сложных органических соединений, белков и ДНК и определять параметры, необходимые для структурных вычислений. Ядерные эффекты Оверхаузера и константы спин-спинового взаимодействия коррелируют с расстояниями между ядрами и диэдральными углами в молекуле и обеспечивают данные для вычислений трёхмерных структур соединений в растворах.
Применение метода двумерной NOESY ЯМР спектроскопии к определению строения олигопептидов (относительно малые молекулы), попадающих под условие быстрого движения не всегда эффективно, что обусловлено малыми временами корреляции таких молекул в растворе. Последнее приводит к слабым интенсивностям кросс-пиков в спектрах NOESY и затрудняет получение количественной информации о межпротонных расстояниях в таких молекулярных системах. Начиная с 1997 года при исследованиях методом ЯМР биохимических объектов активно используется подход, основанный на определении и анализе остаточных величин диполь-дипольного взаимодействия между магнитными ядрами, проявляющихся при растворении исследуемых соединений в лиотропных жидкокристаллических системах.
В работе рассмотрены и определены оптимальные приемы получения информации о межпротонных расстояниях, включающие вопросы точности интегрирования слабых кросс-пиков в NOESY-спектрах. Отработаны методические вопросы получения количественной информации о межпротонных расстояниях в олигопептидах в комплексах с мицеллами на основе додецилсульфата натрия.
На основании анализа экспериментальных наблюдаемых велечин остаточного диполь-дипольного взаимодействия между магнитными ядрами 13С и 1Н, определены конформации некоторых ди-и трипептидов, тетрапептида и декапептида в растворах D2O. Для всех исследованных молекулярных систем получены координаты атомов олигопептидов в растворе в формате pdb, с соответствующей графической иллюстрацией.
Анализом данных двумерной спектроскопии ЯМР 1H-1H NOESY и анализом величин остаточного диполь-дипольного взаимодействия (1D(C,H)) определено пространственное строение циклоспорина (CsA) в хлороформе и бензоле (атомные координаты в формате pdb). Определена пространственная структура циклоспорина (CsA) (атомные координаты в формате pdb) в комплексе с мицеллой на основе ДСН.
Методами двумерных гомо- и гетероядерных экспериментов ЯМР показано, что молекулы холестерина образуют молекулярный комплекс с мицеллами додецилсульфата натрия путем взаимодействия ОН-группы холестерина с концевыми алифатическими группами СН3-1 и СН2-2 молекулы додецилсульфата натрия.
Исследования пространственной структуры пептидов РАР 267-272 (EILNHMK) и PAP 248-261 (GIHKQKEKSRLQGG) (координаты атомов в pdb формате) с помощью ЯМР спектроскопии (двумерные гомо- и гетероядерные модификации) показали, что данные олигопептиды не обладают вторичной структурой ни в растворе, ни в комплексе «протеин – модель мембраны». На основании этого можно предполагать, что фрагменты PAP (EILNHMK) и (GIHKQKEKSRLQGG) не несут основную ответственность за активность пептида PAP 248-286.
На основе экспериментальных данных двумерных гомо- и гетероядерных экспериментов ЯМР и теоретического моделирования молекулярной структуры (с использованием программы XPLOR-NIH) определены конформации и геометрические параметры (координаты атомов в pdb формате) альцгеймеровских бета-амилоидов Aβ1-40, arc-Aβ1-40 (E22G), Aβ10-35, Aβ13-23, Aβ16-22 с нативным содержанием изотопов и их комплексов с модельными биологическими мембранами в растворе.
Литература
1. Klochkov, V.V. A spatial structure of tripeptides glycylglycyl-L-histidine and glycylglycyl-L-tyrosine based on residual dipolar couplings and quantum-chemical computations [Text] /V.V.Klochkov, A.V.Klochkov, M.N.Schamsutdinov, S.V.Efimov, A.A.Krutikov, E.M.Gilyazetdinov, Y.Y. Zyavkina, V.G. Shtyrlin// Mendeleev Communications. – 2011 - Vol. 21, N 2. - P. 72-74.
2. Blokhin, D.S. Spatial structure of the decapeptide Val-Ile-Lys-Lys-Ser-Thr-Ala-Leu-Leu-Gly in water and in a complex with sodium dodecyl sulfate micelles [Text] /D.S. Blokhin, S.V. Efimov, A.V. Klochkov, A.R. Yulmetov, A.V. Filippov, O.N.Antzutkin, A.V. Aganov, V.V. Klochkov// Applied Magnetic Resonance. – 2011. Vol. 41, I. 2, P. 267-282.
3. Manin, A. Y. Obtaining spatial structure of cyclosporine (CsA) in chloroform using 2D NMR [Text] / A.Y. Manin, S.V. Efimov, V.V. Klochkov // Magnetic Resonance in Solids (Electronic Journal). - 2011. - Vol. 13, № 2. - P. 21-26.
4. Usachev, K.S. Spatial structure of heptapeptide Aв16-22 (beta-amyloid Aв1-40 active fragment) in solutions and in a complex with a biological membrane model [Text] /K.S. Usachev, S.V.Efimov, A.R.Yulmetov, A.V.Filippov, O.N.Antzutkin, S. Afonin, V.V.Klochkov // Magnetic Resonance in Chemistry. 2012. V.50., N 12. – P. 784-792.
5. Галиуллина, Л.Ф. Прямое наблюдение образования комплекса: холестерин - модель биологической мембраны методами ЯМР спектроскопии [Текст] / Галиуллина Л.Ф., Блохин Д.С., Аганов А.В., Клочков В.В.//Клеточная трансплантология и тканевая инженерия.- 2012 – Т. VII, N 3. С. 41-48.
6. Efimov, S.V. NMR Studies and Molecular Dynamics Simulation of Cyclosporin in Complex with Detergent Micelles [Text] / S.V.Efimov, V.V.Klochkov // Magnetic Resonance in Solids (Electronic Journal). - 2012. - Vol. 14, № 2. - P. 12202 (5 pp).
7. Galiullina, L.F. Investigation of cholesterol + model of biological membrane complex by NMR spectroscopy [Text] / L.F.Galiullina, D.S.Blokhin, A.V.Aganov, V.V.Klochkov // Magnetic Resonance in Solids (Electronic Journal). - 2012. - Vol. 14, № 2. - P. 12204 (7 pp).
8. Usachev, K.S. Spatial structure of beta-amyloid Ab1-40 in complex with a biological membrane model [Text] /K.S. Usachev, A.V.Filippov, O.N.Antzutkin, V.V.Klochkov // Advances in Alzheimer s Disease. - 2012. - Vol. 1, N 3. - P. 22-29.
9. Bloсhin, D.S. Spatial structure of heptapeptide Gly-Ile-Leu-Asn-His-Met-Lys, a fragment of HIV enhancer prostatic acid phosphatase, in aqueous and in SDS micelle solutions [Text] /D.S. Bloсhin, O.V. Aganova, A.R. Yulmetov, A.V. Filippov, O.N. Antzutkin, B.I. Gizatullin, S. Afonin and V.V. Klochkov //J. Molecular Structure. - 2013. - Vol.1033. - P.59-66.
10. Efimov, S.V. Spatial structure of Cyclosporin A and insight into its flexibility [Text] /S.V. Efimov, F.Kh. Karataeva, A.V. Aganov, S. Berger, V.V. Klochkov //J. Molecular Structure. - 2013. – Vol. 1036. – P. 298-304.
11. Khodov, I.A. Spatial structure of felodipine dissolved in DMSO by 1-D NOE and 2-D NOESY NMR spectroscopy [Text] /I.A. Khodov, M.Yu. Nikiforov, G.A. Alper, D.S. Blokhin, S.V. Efimov, V.V. Klochkov, N. Georgi //J. Molecular Structure. - 2013. – Vol. 1035. – P. 358-362.
12. Aminova, R.M. Investigation of complex formation between hydroxyapatite and fragments of collagen by NMR spectroscopy and quantum-chemical modeling [Text] /Aminova R.M., Galiullina L.F., Silkin N.I., Ulmetov A.R., Klochkov V.V., Aganov A.V.//J. Molecular Structure. - 2013.– Vol. 1049. – P.13-21.
13. Usachev,R.S. Solution structures of Alzheimer's amyloid A13-23 peptide: NMR studies in solution and in SDS. [Text]/ K.S. Usachev, A.V. Filippov, E.A. Filippova, O.N.Antzutkin, V.V. Klochkov // Journal of Molecular Structure. -2013. - Vol.1049. P.436-440.
14. Blokhin, D.S. Spatial structure of tetrapeptide N-AC-Ser-Phe-Val-Gly-OMe in “protein-micelle of sodium dodecyl sulfate” complex and in solid state by NMR spectroscopy [Text] /D.S.Blokhin, S.Berger, V.V.Klochkov// Magnetic Resonance in Solids (Electronic Journal). -2013. -Vol.15, № 2.- P. 13202 (7 pp).
15. Usachev, K.S. A combination of the RDC method and NOESY NMR spectroscopy for structural determination of the Alzheimer's amyloid Aβ10-35 peptide in solution and in SDS micelles [Text]/ K.S. Usachev, A.V. Filippov, O.N.Antzutkin, V.V. Klochkov // European Biophysics Journal. 2013. – P. 1-8. |
