Физико-химические свойства водных мицеллярных растворов (пептид+додецилсульфат натрия) и моделирование взаимодействий пептид-мицелла

Объект исследования: додецилсульфат натрия и ряд дипептидов: α-L-аланил-α-L-аланин, β-аланил-β-аланин, α-DL-аланил-DL-валин, α-DL-аланил-DL-норлейцин, L-лизил-L-лизин, глицил-L-гистидин, β-аланил-L-гистидин, β-аланил-L-1-метил-гистидин и β-аланил-L-3-метил-гистидин. Цель работы заключалась в установлении основных закономерностей влияния структуры и ионного состояния синтетических низкомолекулярных пептидов на закономерности их взаимодействия с мицеллами. Методы исследования и аппаратура. Для выявления многофакторных закономерностей взаимодействия пептидов с мицеллами специально подобран ряд пептидов различной молекулярной структуры (имеющих в растворе цвиттер-ионную, катионную, анионную форму; содержащих боковые гидрофильные заряженные фрагменты или гидрофобные алкильные фрагменты с различной длиной и разветвленностью). Примененный к изучаемым системам метод калориметрии растворения позволил охарактеризовать энтальпии взаимодействия объектов. Метод динамического светорассеяния обеспечил информацией о размере мицелл и их изменении в результате присоединения ионов пептида. Методом ЯМР измерены химические сдвиги пептидов в водном мицеллярном растворе. Анализ пространственной конфигурации, энергий межмолекулярных взаимодействий и зарядового распределения в комплексах пептидов с фрагментом мицеллы при различной глубине проникновения пептида в мицеллу выполнен с помощью квантово-химических расчетов. Базируясь на полученных данных, методом молекулярной динамики найдены конфигурации супрамолекулярных ансамблей молекул пептидов с полноценной мицеллой. Охарактеризовано среднее число образующихся H-связей пептид – мицелла. Научная новизна работы заключается в уточнении модели взаимодействия пептидов с мицеллами на основе комплексного изучения термодинамических и структурных аспектов процессов их взаимодействия. Полученные экспериментальные результаты подтвердили, что комплексы пептидов с анионными мицеллами SDS стабилизированы электростатическими взаимодействиями. На основании компьютерного моделирования впервые установлено образование водородных связей между протонированными амино-, имидазольной группами, а также амидным фрагментом пептидов и кислородом сульфо-группы мицелл SDS, охарактеризованы средние числа этих связей. Впервые показано, что ориентация пептида относительно мицеллы в комплексах зависит от разветвленности структуры пептида и количества реакционных центров в его составе. Комплексы, соответствующие «ковровой» модели, когда пептид комплементарно подстраивается под поверхность мицеллы, образуют неразветвленные цвиттер-ионы β-Ala-β-Ala и незамещенный мультиполюсный катион β-Ala-L-His, способный предоставить 3 центра связывания. Реакционные центры разветвленных пептидов ориентируются почти перпендикулярно к поверхности мицеллы, в их связывании участвует 1 или 2 центра. Выявлено значительное влияние гидрофобных групп пептидов на взаимодействие с анионными мицеллами, что проявляется в зависимости энтальпий взаимодействия от гидрофобности пептида и тенденции к повышению химических сдвигов CH3, CH2 и CH групп пептидов в ЯМР спектрах под влиянием ПАВ. Получены новые количественные характеристики взаимодействия пептидов с анионными мицеллами: энтальпии взаимодействия, не содержащие вклада от перестройки мицелл с изменением концентрации ПАВ, изменения в усредненных диаметрах и ζ-потенциалах мицелл SDS в присутствии пептидов, энергии образования комплексов с фрагментом мицеллы. Эти величины позволяют выделить закономерности связывания пептидов в зависимости от их разветвленности, гидрофобности, числа гидрофильных реакционных центров и ионного состояния. Теоретическая и практическая значимость работы. Обобщение полученных данных вносит заметный вклад в развитие модели взаимодействия пептидных соединений с мицеллярными системами. С практической точки зрения, установленные модели и выделенные закономерности представляют интерес для моделирования взаимодействий фармакологически активных пептидов алифатического и карнозинового ряда с биологическими мембранами и для разработки биотехнологических процессов в области пищевых продуктов и косметики. Область применения. Результаты работы представляют интерес для организаций и учреждений, занимающихся исследованиями в области физической химии мицеллярных растворов, моделирования биохимических процессов на мембранах, а также разработкой косметических и фармкомпозиций на основе пептидов. Они могут быть использованы в федеральных государственных бюджетных образовательных учреждениях высшего образования: Ивановском государственном химико-технологическом университете, Казанском (Приволжском) федеральном университете, Санкт-Петербургском государственном университете, Ивановском государственном университете и в федеральных государственных бюджетных учреждениях науки: Институте органической и физической химии им. А.Е. Арбузова Казанского научного центра РАН, Институте органической химии им. Н.Д Зелинского РАН, Институте биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН, Институте химии растворов им. Г.А. Крестова РАН.