научная статья по теме ВЕРОЯТНОСТНЫЙ РАСЧЕТ ЗАРЯДОВЫХ СОСТОЯНИЙ БИОМОЛЕКУЛ, ПОРОЖДАЮЩИХ МАСС-СПЕКТРЫ МНОГОЗАРЯДНЫХ ИОНОВ Биология

Текст научной статьи на тему «ВЕРОЯТНОСТНЫЙ РАСЧЕТ ЗАРЯДОВЫХ СОСТОЯНИЙ БИОМОЛЕКУЛ, ПОРОЖДАЮЩИХ МАСС-СПЕКТРЫ МНОГОЗАРЯДНЫХ ИОНОВ»

СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ БИОПОЛИМЕРОВ И ИХ КОМПЛЕКСОВ

УДК 577.112:543.51

ВЕРОЯТНОСТНЫЙ РАСЧЕТ ЗАРЯДОВЫХ СОСТОЯНИЙ БИОМОЛЕКУЛ, ПОРОЖДАЮЩИХ МАСС-СПЕКТРЫ МНОГОЗАРЯДНЫХ ИОНОВ

© 2015 г. М. О. Разникова1*, В. В. Разников2

Институт проблем химической физики Российской академии наук, Черноголовка, Московская область, 142432 2Филиал Института энергетических проблем химической физики им. В.Л. Тальрозе Российской академии наук,

Черноголовка, Московская область, 142432 Поступила в редакцию 30.10.2014 г.

Принята к печати 09.02.2015 г.

Работа посвящена получению и анализу информации о зарядовом состоянии ионов биомолекул, полученной по данным масс-спектрометрического эксперимента при ионизации электрораспылением растворов различных биополимеров, в основном, путем решения обратной задачи для расчета вероятностей удерживания протонов и других носителей заряда ионогенными группами биомолекул с известной первичной структурой. Подход новый и не имеет аналогов. Представлены результаты анализа распределений ионов по зарядам с помощью разработанной нами программы "декомпозиция" для масс-спектров нативного и денатурированного цитохрома c. Показана возможность разложения на нормальные составляющие зарядового распределения альбумина, по-видимому, соответствующего различным кон-формациям биомолекулы. Сформулирован критерий применения описанного нами ранее метода декомпозиции многомерных зарядовых распределений с двумя носителями заряда (протон и, например, ион натрия) для характеризации пространственной структуры биополимеров в растворах. В отличие от известных масс-спектрометрических подходов в данном случае не нужны этапы ферментативного гидролиза или столкновительно-индуцированной диссоциации исследуемых биополимеров.

Ключевые слова: ионизация при электрораспылении растворов, полипротонированные биомолекулы, ионогенные группы, вероятности удерживания носителей заряда, зарядовые состояния ионов, распределения ионов по числу зарядов, декомпозиция зарядовых распределений.

PROBABILITY CALCULATION OF BIOMOLECULE CHARGE STATES GENERATING MASS SPECTRA OF MULTIPLY CHARGED IONS, by M. O. Raznikova1*, V. V. Raznikov 2 (institute of Problems of Chemical Physics, Russian Academy of Sciences, Chernogolovka, Moscow region, 142432 Russia, *e-mail: raznikova.mari@yandex.ru; 2Talroze Institute for Energy Problems of Chemical Physics, Russian Academy of Sciences, Chernogolovka, Moscow region, 142432 Russia). The work is devoted to acquisition and analysis of information about the charge state of ions of biomolecules from the data of mass-spectrometric experiment for electrospray ionization of the solutions of different biopolymers mainly by solving of the inverse problem for calculating the probabilities of retention of charge carriers by ionogenic groups of biomolecules with known primary structure. The results of calculation by the developed program "Decomposition" of the mass-spectra of native and denaturated cytochrome c are discussed. Separation of the normal components in chargestate distribution of albumin probably corresponding to different conformations of the molecule is shown. The criterium for the use of the previously described method of decomposition of multidimensional charge-state distributions with two charge carriers (proton and sodium ion, for example) for characterization of the spatial structure of biopolymers in solutions was formulated. In contrast to the known mass spectrometric approaches in this case stages of enzymatic hydrolysis or collision-induced dissociation of the studied biopolymers are not necessary.

Keywords: electrospray ionization, polyprotonated biomolecules, ionogenic groups, probability of retention of charge carriers, the ion charge states, ion charge-state distribution, decomposition of the charge-state distributions.

DOI: 10.7868/S0026898415050146

Принятые сокращения: ИЭР — ионизация электрораспылением; ЯМР — ядерный магнитный резонанс; орто-ВПМС — времяпролетный масс-спектрометр с ортогональным вводом ионов; а.о. — аминокислотный остаток.

* Эл. почта: raznikova.mari@yandex.ru

8

817

ВВЕДЕНИЕ

Принято считать, что первичная структура глобулярного белка определяет в основном его "правильно" функционирующую в определенных условиях пространственную структуру, т.е. нативную третичную структуру белка [1]. Формирование и стабильность третичной структуры в форме компактной глобулы или свертывание белка в растворе зависит, кроме ковалентных связей, от системы не-ковалентных взаимодействий боковых радикалов белковой молекулы, среди них важную роль играет электростатическое притяжение разноименно заряженных групп [2].

Наиболее существенную роль при свертывании (фолдировании) играют консервативные участки белковой молекулы — это участки нукле-ации, когда из линейной структуры молекула превращается в глобулу. В работе Гельфанда с со-авт. [3] методами структурного и статистического анализа изучена связь между первичной, вторичной и третичной структурами биомолекулы. На примере массива структур иммуноглобулинов различного происхождения при анализе внутримолекулярных взаимодействий типа контактов остаток-остаток найдено, что половина из числа консервативных аминокислотных остатков контактируют не с близлежащими остатками, а с удаленными остатками. Статистический анализ локальных и нелокальных контактов в белках проведен в работе [4]. В результате анализа структурных гомологов большинства белков найденные статистические оценки показали, что в среднем нелокальные контакты более консервативны, чем локальные. Значимую роль в нелокальных контактах при свертывании молекулы играют ионные или электростатические взаимодействия несущих заряд боковых радикалов определенных аминокислотных остатков биомолекулы.

Для каждого белка существует оптимальное значение рН раствора, означающее некоторое оптимальное состояние его ионизации или зарядно-сти в нативной форме (это один из факторов, влияющих на уникальность свернутого состояния), в которой белок правильно функционирует, в противном случае возможно образование амилоидных структур, приводящих и к развитию патологий.

Белки в растворах, в силу своего строения и свойств раствора, являются многозарядными ионами. Многозарядность белка обусловлена наличием в его составе ионогенных аминокислотных остатков, боковые радикалы которых содержат группы-доноры и акцепторы, способные в разной степени отдавать или удерживать заряд, в частности протон, если рассматривать только процессы депротонирования и протонирования в растворах при различных значениях рН. Известно, что при определенных температурном режиме и свойствах раствора — природы раствора и кон-

центрации протонов (или его рН) и др. - происходят нарушения нековалентных связей, в том числе и ионных, а это приводит к изменению кон-формации биомолекулы, вплоть до денатурации. Так при изменении рН среды может меняться степень или вероятность ионизации ионогенных групп биоиона, что ведет к внутримолекулярным перераспределениям нековалентных (межрадикальных) связей в третичной структуре биомолекулы. При этом возможны межмолекулярные взаимодействия с образованием димеров и других олигомеров, что влечет за собой изменение биологической активности биомолекулы и нарушение функции белка и, как следствие, возможное развитие болезни организма.

Перспективная цель наших работ - исследование ионного состояния биомолекул в растворе на основе масс-спектрометрических данных при электрораспылении растворов биополимеров при различных условиях с получением определенных количественных характеристик, что важно и актуально, в частности, и для понимания механизмов функционирования белков. Основная трудность состоит в решении проблемы выделения из получаемых данных адекватной информации о свойствах ионов именно в растворе, так как в процессе электрораспыления зарядовые состояния ионов могут существенно измениться. Первый шаг на этом пути — детализация наблюдаемых зарядовых распределений ионов данной биомолекулы. С этой целью мы и разработали методы декомпозиции таких распределений, сводящие результаты измерений к совокупности элементарных событий — удерживанию тех или иных носителей заряда предполагаемыми ионогенными сайтами биомолекулы.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В дополнение к существующим физическим методам анализа биомолекул современные масс-спектрометрические методы широко и активно используют при структурно-конформационных исследованиях различных биомолекул. Среди таких методов особое место занимает метод ионизации электрораспылением (ИЭР) растворов биополимеров [5], где ключевую роль играет не только масса ионов, но и их заряды, так как преимущественно регистрируются полипротонированные ионы с различным числом протонов, и полученные масс-спектры включают в себя, при надлежащей обработке, распределения ионов по зарядам или по числу удерживаемых протонов. Существуют различные точки зрения на интерпретацию таких масс-спектров, происхождение зарегистрированных ионов, также обсуждают факторы, влияющие на вид масс-спектра при ИЭР [6—9]. Накоплен богатый экспериментальный материал, который

ни одна из предлагаемых теорий не может описать единым образом [10].

В масс-спектрометрии принято считать, что масс-спектры при ИЭР несут явную качественную характеристику третичной структуры белка, а именно - узкий профиль распределения ионов по зарядам соответствует свернутым структурам биомолекул, а широкий - развернутым или денатурированным формам. Кроме явной информации в масс-спектрах ИЭР содержится и скрытая информация об ионном состоянии биомолекул. Получение более подробной количественной информации требует разработки специальных методов, алгоритмов и программного обеспечения [11].

Чтобы ответить на вопрос, что порождает распределения ионов по зарядам, необходимо решить обратную задачу, т.е. по информации об интенсивности наблюдаемых пиков ионов и их зарядах найти то исходное ионное состояние, которое дает наблюдаемое суммарное распределение по зарядам.

На основе вероятностного подхода нами разработан алгоритм и создана процедура "декомпозиц

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Биология»