Химики экспериментально определили структуру магического октамера серина

Ученые экспериментально определили химическую структуру октамера серина — одного из необычайно устойчивых кластеров, состоящего из восьми аминокислот одинаковой хиральности. Полученные результаты не только помогли определить структуру комплекса, которая очень долго оставалась неизвестной, но и могут оказаться полезными, в частности, при исследовании процессов синтеза гомохиральных полимеров, в том числе и в природных условиях, пишут исследователи в своей статье в Journal of the American Chemical Society.

Известно, что серин — одна из наиболее часто встречающихся в белках аминокислот — способен к образованию очень устойчивых протонированных октамерных кластеров. Эти кластеры включают в себя восемь молекул аминокислоты (состав этих октамеров — Ser₈H⁺) и, что самое интересное, обладают гомохиральностью, то есть все молекулы в кластере имеют одинаковую хиральность (только D или только L). Такие кластеры образуются, например, при быстром испарении раствора серина или при проведении масс-спектрометрического эксперимента, и в них всегда ровно восемь молекул аминокислоты. Некоторые ученые даже считают, что хиральная структура подобных кластеров могла повлиять и на процесс образования гомохиральных природных полимеров. При этом, несмотря на то, что объяснению устойчивости и гомохиральности этого кластера было посвящено достаточно большое количество исследований, определить его структуру экспериментально до сих пор не удавалось.

Группа химиков из Швейцарии, Германии и США под руководством Со Чжон-Чхоля (Jongcheol Seo) из Института имени Фрица Габера Общества Макса Планка предложила для определения структуры октамера Ser₈H⁺ новую методику, основанную на инфракрасной спектроскопии при очень низких температурах с использованием специальных гелиевых меток. Для этого полученные в результате испарения ионы октамера сначала фиксировали в ионной ловушке при температуре 3,5 кельвина, после чего присоединяли к ним метки из атомов гелия. Поскольку гелий связывается с этим комплексом довольно слабо, то после облучения он отсоединяется от комплекса, в результате чего масса кластера меняется. Это и используется для выделения нужного спектрометрического сигнала.

Как и в предыдущих работах, в результате испарения произошло образование октамеров серина нужного состава и двух строго гомохиральных конфигураций: где все восемь молекул были или в L-конформации, или, наоборот, все восемь — в D-конформации. Для точного определения химической структуры кластеров, ученые сравнили полученные экспериментально спектрометрические данные с результатами теоретических расчетов, как предложенных в предыдущих работах, так и полученные в рамках этого исследования.

Согласно расчетам наименьшей энергией обладает кластер, в котором у шести аминокислот боковые цепи, содержащие гидроксильные группы, прочно связаны водородными связями и образуют ядро кластера, а у двух оставшихся молекул серина — боковая цепь либо свободна, либо слабо связана с остальным кластером. Однако с экспериментальными результатами лучше согласуется другая структура, которая довольно легко образуется из первой (поворотом одной из двух более свободных боковых цепей) и отличается от нее по энергии всего на 3,3 килокалории на моль.

По словам химиков, именно вторая конфигурация из этих двух структур, скорее всего, и отвечает действительной структуре кластера. Для нее были рассчитаны теоретические спектры поглощения в инфракрасной области спектра, которые также очень хорошо согласовались с экспериментальными данными. Для проверки этой гипотезы ученые также сравнили экспериментальные и теоретические спектры двух октамерных кластеров, в которых одна или две молекулы серина заменили на молекулы цистеина (они тоже хорошо соответствовали друг другу). При этом при любой замене — на другую аминокислоту или серин с другой хиральностью — устойчивость комплекса резко понижается.

Ученые отмечают, что обнаруженная ими структура октамера описывает все известные экспериментальные данные и объясняет повышенную устойчивость кластера за счет структуры водородных связей и возможность замены в ней двух аминокислот. По словам ученых, предложенная химическая структура устойчивее тех конфигураций, которые предлагались ранее. В будущем точное знание структуры «магического» октамера серина поможет при исследовании синтеза гомохиральных соединений, в том числе и в природных условиях.

Серин — одна из самых часто встречающихся аминокислот с достаточно простой химической структурой. Например, именно для реакции синтеза серина ученым удалось продемонстрировать возможность получения искусственного белка с заранее определенными функциями. Полученный искусственный белок после этого восстановил синтез серина у бактерий, утерявших эту способность.

Александр Дубов