КРИСТАЛЛОГРАФИЯ, 2007, том 52, № 5, с. 866-869
СТРУКТУРА МАКРОМОЛЕКУЛЯРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
УДК 538.913:548.737
ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ИЗОТОПИЧЕСКОГО ОБМЕНА ВОДОРОДА НА ДЕЙТЕРИЙ НА КОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ СПЕКТР ЛИЗОЦИМА С ПОМОЩЬЮ НЕУПРУГОГО РАССЕЯНИЯ НЕЙТРОНОВ
© 2007 г. А. В. Сванидзе1, С. Г. Лушников1, И. Л. Сашин2, С. Н. Гвасалия1' 3
1 Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе, Санкт-Петербург, Россия
E-mail: svanidze@mail.ioffe.ru 2 Объединенный институт ядерных исследований, Дубна, Россия 3 Лаборатория рассеяния нейтронов, Институт Пауля Шеррера, Швейцария Поступила в редакцию 21.12.2006 г.
Исследовалось влияние изотопического обмена водорода на дейтерий на динамику лизоцима с помощью неупругого некогерентного рассеяния нейтронов. По результатам экспериментов для про-тонированных и дейтерированных образцов белка при температурах 200, 280 и 311 К была построена обобщенная функция плотности колебательных состояний G(ra). Основной изотопический эффект наблюдался в G(ra) в области частот выше 100 см-1. Показано, что при всех температурах в низкочастотной области функции плотности состояний и протонированного и дейтерированного лизоцима наблюдаются как дебаевский режим, так и участок G(ra) со спектральной размерностью, соответствующий фрактонному режиму. Влияние изотопического замещения водорода на низкочастотную область G(ra) несущественно.
PACS: 63.50.+Х, 63.20.Dj, 87.14.-g, 87.14.Ee
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время большое внимание уделяется изучению колебательного спектра природных полимеров, входящих в состав живых организмов, особенно глобулярных белков. Широкое использование методов нейтронной [1-3] и оптической [4-8] спектроскопии для исследования белков можно объяснить тем, что особенности функционирования белка определяются не только его структурой, но и динамикой. Отметим, что низкочастотная область колебательного спектра белка отображает коррелированное движение как целой макромолекулы, так и ансамблей макромолекул. Интерес к высокочастотной динамике белков обусловлен тем, что колебания на связях и аминокислотных остатках белковой молекулы, выполняющей ферментативную функцию, существенно влияют на образование фермент-субстратного комплекса и катализ. Высокочастотная область колебательного спектра лизоцима достаточно хорошо исследована с помощью оптической спектроскопии, и большинство высокочастотных возбуждений белков описаны в литературе [9, 10].
Одной из характерных особенностей белковой молекулы является то, что ее структура может рассматриваться как фрактал. Такой подход был предложен в [11-13] и анализировался при численном моделировании колебательного спектра различных белков [14-16]. В рамках такого подхода предполагалось существование в колеба-
тельном спектре возбуждения, реализующегося на фракталах - фрактон [17]. Анализ обобщенной функции плотности состояний лизоцима позволил выделить фрактон в низкочастотной области колебательного спектра белка и определить спектральную размерность фрактонного режима [18]. Таким образом, впервые экспериментально было показано наличие вклада фрак-тона в низкочастотную динамику белка.
Изотопическое замещение водорода на дейтерий в макромолекуле белка позволяет изучить особенности динамики водородной связи в белке. Поэтому целью данной работы было изучение колебательного спектра дейтерированного лизоцима и его температурной эволюции с помощью неупругого некогерентного рассеяния нейтронов (ННРН) и сравнение полученных данных с результатами экспериментов для протонированного лизоцима [18].
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
В работе использовались порошкообразные образцы: дейтерированный и протонированный лизоцим, выделенный из куриного яичного белка, в количестве 3 мл. Для того чтобы получить дейтерированный образец, лизоцим растворяли в тяжелой воде и выдерживали в течение суток, после чего обезвоживали путем лиофилизации. Добавление в раствор азида натрия позволяло избежать бактериального заражения.
Спектры ННРН были получены на времяпро-летном спектрометре обратной геометрии КД-СОГ-М, установленном на 10-м канале импульсного реактора ИБР-2 (ОИЯИ, Дубна). Измерения проводились одновременно для восьми углов рассеяния (30°, 50°, 70°, 90° и 80°, 100°, 120°, 140°) в режиме сброса энергии нейтронами при температурах 280 и 311 К, 200 К последовательно. Разрешение на нулевой переданной энергии составляло 0.6 мэВ. После вычитания фона от держателя образца и криостата экспериментальные данные обрабатывались в рамках однофо-нонного некогерентного приближения. При этом обобщенная плотность колебательных состояний вычислялась согласно соотношению:
в (ш) =
ш
к0_1_ ( й2 а Л
п (ш) + 1 к! 2 О й ш})
теоЬ
(1)
где к0 и к1 - волновые вектора падающего и рассеянного нейтронов, Q = к0 - к1, йш! - энергия рас-
сеянного нейтрона,
( й2 а Л
дважды диф-
V й О й Ш>) шооЬ
ференциальное сечение некогерентного рассеяния, п(ш) - фактор Бозе-Эйнштейна.
Нужно отметить, что вклад многофононного рассеяния незначителен лишь в низкочастотной области, поэтому обсуждения изменений в(ш) в высокочастотном диапазоне проводятся на качественном уровне.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Рассмотрим сначала влияние изотопического обмена водорода на дейтерий в лизоциме на низкочастотную динамику белка. Анализ низкочастотной области функции в(Е) протонированного лизоцима, проведенный в работе [18], показал существование возбуждения, связанного с фрактальной структурой белка - фрактона. При частотах, меньших частоты кроссовера ш < шсо, выполняется закон Дебая, характеризующий плотность состояний акустических мод: в(ш) шй- 1. Если же ш > шсо, то плотность колебательных состояний фрактонов характеризуется фрактонной размерностью й: в(ш) ж ш<й~Х 1 [17]. Таким образом, выделение диапазонов переданных энергий, где показатель степени функции плотности колебательных состояний имеет различные значения, позволяет разделить вклады фононных и фрак-тонных процессов в низкочастотную динамику белка.
На рис. 1а показана обобщенная функция плотности колебательных состояний дейтерированно-го и протонированного лизоцима при Т = 280 К в диапазоне переданных энергий 1.8-32.0 мэВ в двойном логарифмическом масштабе. Двойной
Т = 200 К
(в)
И = 1.48
Рис. 1. Низкочастотная область обобщенных функций плотности колебательных состояний протонированного (белые кружки) и дейтерированного (серые кружки) лизоцима при температурах 280 (а), 200 (б) и 311 К (в).
логарифмический масштаб позволяет выделить в в(ш) как протонированного, так и дейтерированного лизоцима два участка с различными степенными зависимостями, один из которых соответс-
868
СВАНИДЗЕ и др.
Спектральные размерности фононного и фрактонного режимов протонированного и дейтерированного лизоцима при различных температурах
Режим Диапазон переданных энергий, мэВ T, K Спектральная размерность для протониро-ванного лизоцима Спектральная размерность для дейтериро-ванного лизоцима
Фонон- 1.5-3.0 200 3.00 ± 0.05 2.97 ± 0.05
ный 280 2.91 ± 0.05 2.82 ± 0.05
режим 311 2.86 ± 0.05 2.89 ± 0.05
Фрак- 8.0-14.0 200 1.32 ± 0.05 1.31 ± 0.05
тонный 7.0-14.0 280 1.47 ± 0.05 1.40 ± 0.05
режим 311 1.48 ± 0.05 1.45 ± 0.05
твует фононному, а другой фрактонному режиму. Линейная аппроксимация проводилась с помощью метода наименьших квадратов. Как было установлено ранее [18], для протонированного лизоцима первый участок охватывает диапазон переданных энергий от 1.8 до 3.0 мэВ и соответствующая спектральная размерность имеет значение 2.91 ± 0.05, что хорошо согласуется с моделью Дебая для плотности состояний акустических мод твердого тела, то есть на указанном интервале энергий G(ю) ^ ю2. Аналогичным путем в функции плотности состояний дейтерированного лизоцима был также идентифицирован участок, отвечающий фононному режиму. Он находится в диапазоне переданных энергий от 1.8 до 3.0 мэВ, так же, как и в случае протонированного лизоцима, и его размерность равна 2.82 ± 0.05 (таблица). Как видно, изотопический обмен водорода на дейтерий в молекуле лизоцима не приводит к существенным изменениям фононной динамики белка.
Второй линейный участок функции плотности состояний протонированного лизоцима находится в диапазоне переданных энергий от 7.0 до 14.0 мэВ, и фрактонная размерность равна 1.47 ± 0.05 [18]. Аналогично, был найден подобный линейный участок в функции плотности состояний дейтерированного лизоцима в этом же диапазоне переданных энергий 7.0-14.0 мэВ, и фрактонная размерность равна 1.40 ± 0.05 (рис. 1а). Такое значение размерности попадает в интервал значений фрактонных размерностей, установленный при компьютерном анализе фрактальной структуры различных белков [19]. Из таблицы хорошо видно, что при дейтерировании лизоцима фрактонная размерность белка изменяется мало.
Проследим эволюцию фрактонного и фононного режимов дейтерированного лизоцима с изменением температуры. Низкочастотная часть G(ю) дейтерированного лизоцима при температурах 200, 280 и 311 К представлена на рис. 1. Отме-
тим, что во всех трех случаях удалось идентифицировать как фононный, так и фрактонный режимы. При температурах Т = 280 К и Т = 311 К соответствующие спектральные показатели ё и
ё остаются практически неизменными (таблица). В случае Т = 200 К можно заметить некоторые изменения в G(ю), которые соответствуют весьма малому возрастанию значения степенного показателя ё и уменьшению фрактонной размерности ё (рис. 16). Кроме того, сравнивая вид функций плотности колебательных состояний дейтерированного лизоцима, полученных в экспериментах при различных температурах (рис. 1а-1в), отметим еще одну особенность функции G(ю): понижение температуры сопровождается ростом G(ю). Одной из возможных причин является температурная эволюция фактора Дебая-Валлера. Таким образом, изотопический обмен водорода на дейтерий в лизоциме не приводит к существенным изменениям низкочастотной динамики белка.
Рассмотрим функцию G(ю) в диапазоне частот от 1.8 до 150 мэВ. Для удобства сопоставления с результатами оптической спектроскопии, взятыми из литературы, будем использовать в качестве единиц частоты обратные сантиметры (1 мэВ = 8.06 см-1). На рис.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.