Scientific journal

International Journal of Applied and fundamental research

ISSN 1996-3955

ИФ РИНЦ = 0,593

Цистеин (Cys) играет особую, неповторимую роль в формировании структуры белков, поскольку именно с его участием образуются поперечные сшивки между полимерными белковыми молекулами. Молекулы Cys содержат реакционно-способные сульфгидридные группы –SH, которые взаимодействуют между собой, образуя дисульфидные мостики –S-S-. Во многих случаях свойства Cys зависят не только от фазового состояния, но и от его конформации [1, 2]. При этом идентификация и исследование различных конформеров Cys, как и его структурного аналога селеноцистеина (Sec), затруднено из-за небольшой величины энергетического барьера.

Цель работы – выполнить интерпретацию колебательных спектров двух незаряженных конформеров Cys, как и Sec, в газовой фазе и определить характерные спектральные особенности каждого конформера.

Расчёт был выполнен методом DFT (базис 6-311++G(d,p)) с использованием программного продукта Gaussian-09 [3].

Цистеин

Молекулярные диаграммы двух конформеров Cys1 и Cys2, полученных в результате вращения связи SH вокруг связи SC, приведены на рис. 1. Согласно результатам расчёта, значение полной энергии Cys1 всего на 0,48 ккал/моль меньше полной энергии Cys2, что, как отмечалось выше, затрудняет экспериментальное исследование свойств Cys определённой конформации.

В ИК спектрах конформеров Cys1 и Cys2 (табл. 1) наибольшую интенсивность имеют полосы поглощения, отвечающие деформационным колебаниям 11, 15, 20 и 29, формы которых содержат изменения углов СОН, NH2 и валентной связи С=О. В спектрах КР наиболее интенсивными для обоих конформеров являются линии, отвечающие колебаниям 12, 29. Кроме этого, для Cys2 имеется ещё одна линия сильной интенсивности, отвечающая колебанию с частотой 730 см-1, т.е. в спектре данного соединения проявляются две близлежащие линии сильной интенсивности.

Максимальные отличия частотных смещений в спектрах Cys 1 и Cys 2 наблюдаются для колебаний 13, 14 (DCys1 = 9, DCys2 = 56 см-1);
20, 21 (DCys1 = 13, DCys2 = 37 см-1) и 25, 26 (DCys1 = 6, DCys2 = 23 см-1). Это приводит к тому, что в спектрах (ИК и КР) Cys 1 и Cys 2 слабые по интенсивности полосы поглощения проявляются как плечи на близлежащих более интенсивных полосах поглощения, что наблюдается для колебаний с частотами 781, 1160, 1394 см-1 в ИК спектре Cys 1.

Учёт механического ангармонизма привёл к существенному улучшению согласия между экспериментальными и вычисленными частотами по сравнению с отнесением, выполненным в работе [4]. Если расхождение между вычисленными и экспериментальными частотами колебаний (табл. 1) составляет для средней и высокочастотной области 6 и 14 см-1 соответственно, то, например, в работе [5] расхождение между аналогичными частотами составляет 140 см-1. Одной из основных причин такого существенного отличия теоретических и экспериментальных частот, имеющих место в работе [5], является сравнение авторами частот колебаний, вычисленных для незаряженной молекулярной структуры Cys, с экспериментальными частотами, измеренными для Cys в твёрдом состоянии, где, как известно, аминокислоты существуют в цвиттер-ионной форме.

Согласно выполненному расчёту в колебательном спектре Cys2, одно из низкочастотных колебаний имеет отрицательное значение. Как известно, седловая точка первого порядка характеризуется одним мнимым колебанием и имеет более низкое значение энергии, чем текущее, т.е. является переходным состоянием. Смещения атомов (или формы колебаний) изображают деформацию молекулы при колебаниях в переходном состоянии. Так как состояние, характеризуемое наличием седловой точки, неустойчиво, то анализ деформаций, отвечающих мнимым колебаниям, позволяет выявить структурные изменения, приводящие к перестройке молекулярной структуры при её дальнейшем переходе в состояние с минимумом потенциальной энергии. Форма данного колебания характеризуется смещением атома Н относительно атома S с одновременным вращением связи SH относительно связи CS, что может привести к конформерному превращению Cys1 в Cys2, что вполне возможно, учитывая, что отличие полных энергий этих конформеров меньше 0,5 ккал/моль.

Выполненный расчёт колебательных спектров изолированных конформеров Cys1 и Cys2 показал, что каждый из них имеет характерные полосы поглощения и линии КР, позволяющие однозначно выполнять их идентификацию и определять присутствие в смеси.

Селеноцистеин

На рис. 2 приведены молекулярные диаграммы двух конформеров Sec, а в табл. 2 – результаты расчёта колебательных спектров.

Таблица 2

Вычисленные значения частот колебаний в гармоническом и ангармоническом приближениях (nг, nанг, cм-1) и интенсивностей спектров ИК (IИК, км/моль)
и КР (IКР, Å4/а.е.м.) Sec1 и Sec2

Как и в случае Cys, в ангармоническом приближении частота колебания 4 имеет отрицательное значение. В отличие от Cys, мнимое колебание характерно для обоих конформеров Sec1 и Sec2, потенциальный барьер между которыми составляет 0,19 ккал/моль, что в 2,5 раза меньше аналогичной величины для конформеров Cys1 и Cys2.

Сравнение колебательных спектров двух конформеров Sec1 и Sec2 показывает, что основное отличие ИК спектров наблюдается в области проявления колебаний 20, 21 и 25, 26 – интенсивности полос поглощения в этих парах колебаний соответственно уменьшаются или возрастают в ~2 раза, что связано с поворотом связи Se-H относительно связи Se-C.

В спектрах КР основное отличие конформеров связано с изменением интенсивности линий для колебаний 12 и 13 – они так же, как и в спектрах ИК, уменьшаются и возрастают в ~1,52 раза.

Выводы

Таким образом, расчёт колебательных спектров незаряженных конформеров Cys и Sec показал, что при интерпретации колебательных спектров аминокислот в газовой фазе необходимо учитывать возможность одновременного существования обоих конформеров 1 и 2.

Интерпретация ИК и КР колебательных спектров, выполненная с учётом ангармонизма колебаний, показала, что каждый конформер Cys и Sec имеет характерные линии, специфичность проявления которых даёт возможность определить присутствие конформеров в смеси аминокислот.