<<
>>

1.1 Структура, электронные, магнитные и спектральные свойства простетической группы гемопротеидов

Г емопротеиды относят к сложным белкам, простетическая группа которых представляет собой гем — комплекс протопорфирина IX с железом [139]. Известно несколько химических модификаций гема, различающихся между собой заместителями порфиринового кольца: A, B, C, O, D/D1, I, m, s, гем^460 и сирогем [70, 91, 106, 133, 160, 164, 169].

Самым распространенным из них является гем B, входящий в состав гемоглобина, миоглобина, каталазы и других белков [91].

Соединение гема с апобелком в молекуле гемоглобина осуществляется при помощи 60 ван-дер-ваальсовых связей в гидрофобной полости субъединицы. Это предотвращает комплексообразователь от окисления [137]. Кроме этого, с белковой компонентой через полярные связи контактируют два остатка пропионовой кислоты протопорфирина IX, которые играют важную роль в поддержании нативной структуры гембелка [135].

Атом железа, находящийся в двух- (Fe2+) или трехвалентном (Fe3+) состоянии, координирован с четырьмя атомами азота пиррольных групп порфиринового кольца [55]. Пятая координационная связь, перпендикулярная к плоскости этого кольца, соединена с имидазолом гистидина, а шестая — занята с

лигандом или свободна [166].

Связь железа с проксимальным гистидином не влияет на стабильность в поддержании структуры нативной молекулы биополимера, но является важной с точки зрения связывания гемового лиганда и последующей реконфигурации апобелковой части макромолекулы [136].

Интерпретация электронных, магнитных и спектральных свойств гема базируется на квантово-механических представлениях, в основе которых лежит теория поля лигандов (LFT), являющаяся развитием теории кристаллического поля (CFT) с дополнениями MO LCAO [149].

На пяти 3d орбиталях Fe2+ находятся шесть из десяти возможных валентных электронов, два из которых спарены. У Fe пять таких электронов, расположенных в соответствии с принципом максимальной мультиплетности, каждый на своей орбитали [18].

При отсутствии внешнего возмущения орбитали вырождены (т.е. имеют одинаковую энергию).

Шесть лигандов вокруг иона железа создают электростатическое поле с октаэдрической симметрией. Это поле, в отличие от идеализированного сферического, снимает вырождение d-орбиталей, следствием которого является их расщепление на две группы с разностью энергии Aoct.

Первая группа (t2g) имеет орбитали с более низкой энергией: 3dxy, 3dxz и 3dyz, а вторая (eg) — с более высокой: 3dz2 и 3dx2-y2 [149]. Орбитали подуровня t2g из-за их характерной пространственной ориентации способны принимать участие только в п-электронном взаимодействии. Орбитали eg — в образовании а-связей.

Порядок заполнения 3 d-орбиталей определяется разностью величин Aoct и P (энергией межэлектронного отталкивания при спаривании электронов). Если Aoct меньше, чем P, то энергетически выгодно заселение всех 3d-орбиталей, что соответствует максимальной спиновой мультиплетности. Тогда высокоспиновое состояние Fe характеризуется пятью неспаренными электронами, а Fe — четырьмя.

Если Aoct больше, чем P, то электроны распределяются по орбиталям подуровня t2g, давая при этом низкоспиновое железо. Для Fe в этом состоянии есть только один неспаренный электрон, тогда как Fe2+ все орбитали подуровня t2g заселены полностью.

Незаселенность орбиталей 3dz2 и 3dx2-y2 для низкоспиновых состояний Fe3+ и Fe2+ приводит к уменьшению диаметра атома железа примерно с 2,06 А (высокоспиновое состояние) до 1,91 А (низкоспиновое состояние, т.е., приблизительно на -7 %). Однако этого достаточно, чтобы возникли стерические ограничения из-за несоответствия диаметров полости порфиринового макроцикла (2,02 А) и атома комплексообразователя. Тогда атом высокоспинового Fe3+ будет находиться над плоскостью порфиринового кольца примерно на 0,3 А, а Fe2+ — на 0,7 А [48].

Величина Aoct является важным показателем, характеризующим распределение d-электронов и зависит от ряда условий. Комплексообразователь, у которого более высокая степень окисления за счет разности зарядов, сильнее притягивает лиганд. Чем ближе лиганд к центральному атому, тем больше Aoct.

Лиганды, вызывающие большее расщепление d-орбиталей, обозначаются лигандами сильного поля, против лигандов слабого поля. Соответственно, лиганды высокого поля приводят к возникновению низкоспиновых комплексов [20].

Энергия электронной конфигурации комплексообразователя относительно средней энергии орбиталей может быть охарактеризована через энергию стабилизации в поле лигандов (CFSE) [11].

Магнитные свойства гема определяются результирующим спином вследствие взаимодействия комплексообразователя и лиганда [17]. Для окси- и карбоксигемоглобина суммарный спин нулевой (магнитный момент равен 0), т.е. эти производные — диамагнетики. У дезоксигемоглобина спин равен 2, т.к. четыре d-электрона неспарены, и молекула обладает парамагнитными свойствами. Для производных Fe (различные метгемоглобины) спин отличен от нуля и принимает значения от 1/2 до 5/2 (парамагнетики). Регистрируемый магнитный момент для отмеченных парамагнетиков лежит в диапазоне от 2,2 до

5,9 Боровских магнетонов [18].

Порфирин, являясь структурным предшественником протопорфирина IX, обладает плоской п-электронной сопряженной системой, с разрешенными переходами в вырожденные состояния Еи (для симметрии D4h) и в состояния B2u и ВЪи (для симметрии D2h) [98].

Протяженная п-электронная система порфирина приводит к смещению полос поглощения из УФ- области спектра в видимую. Спектральные свойства порфиринов в видимом диапазоне длин волн характеризуются четырьмя слабыми, сравнительно узкими полосами поглощения, которые нумеруют по Штерну римскими цифрами, начиная с длинноволновой области [21]. На границе видимого и УФ-диапазонов порфирины имеют интенсивную полосу поглощения, именуемую полосой Соре.

Спектры поглощения дезоксигемоглобина и его лигандированных производных обусловлены системой близкорасположенных переходов различной природы: п-электронных переходов протопорфирина, переходов ^-орбиталей гемового железа, имеющих сопоставимую с предыдущими переходами энергию. К ним добавляется, например, в случае оксиформы и ng орбиталь кислорода. В итоге возникает существенное перекрытие близкорасположенных и сильно различающихся по своей интенсивности полос поглощения п^-п* переходов. Интерпретация таких спектров светопоглощения представляет собой весьма трудную задачу [48].

При этом, богатый набор близкорасположенных возбужденных состояний обеспечивает исключительно эффективную внутримолекулярную безызлучательную релаксацию энергии возбуждения [48].

Полосы светопоглощения гемоглобина обычно обозначают греческими буквами, по алфавиту, начиная от длинноволнового участка спектра.

Оксигемоглобин имеет следующие полосы поглощения: 577, 542, 412 и 342-345 нм (а-, Р-, у- и 5-полосы).

Карбоксигемоглобин характеризуется аналогичным набором полос: 569, 539, 419 и 342-343 нм.

Для дезоксиформы белка отмечается полоса при 555 нм, в области 585-590 нм имеется перегиб. Традиционно полосу с максимумом при длине волны 555 нм обозначают a-полосой, или вообще не применяют это обозначение, т.к., видимо, a-полосой следовало бы называть точку перегиба при 585-590 нм [18]. Полоса Соре (у-полоса) имеет выраженный максимум при 430 нм.

Окисленная форма белка (метгемоглобин) может быть лигандирована водой или гидроксильным ионом. Поэтому их спектры поглощения разнятся. Для кислого метгемоглобина наблюдаются полосы при 630, 500 и 405 нм (у-полоса). У щелочного гембелка дополнительно отмечаются полосы при 577 и 540 нм. Полоса Соре имеет интенсивный пик поглощения при 414 нм [4].

В изолированном состоянии гем имеет полосу поглощения в области 565 и 390 нм [18].

Для спектров поглощения гемов в видимой и ближней УФ-областях светопоглощение обусловлено двумя л^-л* переходами.

Эти переходы подвержены сильному влиянию конфигурационного взаимодействия (configuration interaction). Для переходов с высокой энергией дипольные моменты складываются, а для переходов с низкой энергией — вычитаются [48].

Интенсивный переход соответствует у-полосе, а длинноволновой переход — a-полосе. Однако за счет электронно-колебательных взаимодействий низкоэнергетический переход может акцептировать часть энергии у высокоэнергетического перехода, что приводит к появлению Р-полосы [48].

Природа 5-полосы дискутируется. Предполагается, что она связана с переходами гема [5].

Вместе с тем для металлсодержащих белков характерны комплексы с переносом заряда (charge transfer complex), которые могут как формировать дополнительные полосы поглощения, так и вызывать уширение существующих [48].

Таким образом, в настоящее время достаточно хорошо проработан квантово-механический базис, используемый как теоретическая основа при интерпретации электронных, магнитных и спектральных свойств порфиринов, металлосодержащих органических комплексов и хромопротеидов [44].

Высокая теоретическая и практическая значимость исследований порфиринсодержащих соединений, начиная от синтеза красителей, сенсоров, лекарственных средств и заканчивая моделированием процессов фотосинтеза, изучением структурно-функциональных свойств белков привела к накоплению большого объема информации по данной тематике [111, 112, 113, 114, 115].

Исследованию структурно-функциональных свойств гемопротеидов при действии различных физико-химических факторов, в т.ч., УФ-излучения, уделено особое внимание [4, 19]. Важным приложением таких исследований является биомедицина [19]. При этом, спектральный метод анализа хромопротеидов, и гемоглобина в частности, является одним из основных, как научно­исследовательской лаборатории, так и при решении прикладных задач в клинической лабораторной диагностике [31].

Для хромопротеидов характерно поглощение УФ-света как апобелковой компонентой, так и простетическими группами. Вследствие перекрывающихся областей светопоглощения изучение спектральных свойств данных частей макромолекулы сильно затруднено. Разделение физико-химическими методами сложного белка на его составляющие приводит к ненадежным результатам исследований из-за нарушения системы внутримолекулярных взаимодействий.

В связи с этим, мы предприняли попытку выполнить разложение спектра гембелка и его производных математическими методами, исследовать спектральные свойства апобелковой и гемовой компонент обособленно.

<< | >>
Источник: Лавриненко Игорь Андреевич. РАЗРЕШЕНИЕ, ИДЕНТИФИКАЦИЯ И АНАЛИЗ ПЕРЕКРЫВАЮЩИХСЯ ПОЛОС ПОГЛОЩЕНИЯ ХРОМОФОРОВ НЕКОТОРЫХ ПРОСТЫХ И СЛОЖНЫХ БЕЛКОВ В ДИАПАЗОНЕ ДЛИН ВОЛН 240-320 НМ. 2015

Еще по теме 1.1 Структура, электронные, магнитные и спектральные свойства простетической группы гемопротеидов:

  1. ВВЕДЕНИЕ
  2. 1.1 Структура, электронные, магнитные и спектральные свойства простетической группы гемопротеидов