CC BY
9
НАУЧНЫЙ ОТДЕЛ
ОПТИКА И СПЕКТРОСКОПИЯ. ЛАЗЕРНАЯ ФИЗИКА
Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2024. Т. 24, вып. 2. С. 126-137
Izvestiya of Saratov University. Physics, 2024, vol. 24, iss. 2. P. 126-137
https://fizika.sgu.ru https://doi.org/10.18500/1817-3020-2024-24-2-126-137, EDN: DRKPRT
Научная статья
УДК 539.194:539.196.3:544.174.3
Спектральные проявления межмолекулярного взаимодействия гиалуроновой кислоты с азотсодержащими аминокислотами
И. Л. Пластун1 н, К. А. Брыксин1, О. А. Майорова2, Л. М. Бабков2
1 Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю. А., Россия, 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, д. 77
2Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского, Россия, 410012, г. Саратов, ул. Астраханская, д. 83
Пластун Инна Львовна, доктор физико-математических наук, профессор кафедры информационной безопасности автоматизированных систем, [email protected], https://orcid.org/0000-0002-1246-8896, AuthorlD: 6602456618
Брыксин Кирилл Александрович, аспирант кафедры информационной безопасности автоматизированных систем, [email protected], https://orcid.org/0009-0008-3743-188X Майорова Оксана Александровна, кандидат химических наук, старший научный сотрудник лаборатории биомедицинской фотоакустики Научного медицинского центра, [email protected], https://orcid.org/0000-0002-6440-3947, AuthorlD: 56692797300 Бабков Лев Михайлович, доктор физико-математических наук, профессор, профессор кафедры общей, теоретической и компьютерной физики, [email protected], https://orcid.org/0000-0003-3403-3786, AuthorlD: 56047457600
Аннотация. Методами экспериментальной и теоретической ИК спектроскопии исследованы проявления межмолекулярного взаимодействия, основанного на водородном связывании, в ИК спектрах гиалуроновой кислоты и в мультикомпонентных смесях гиалуроновой кислоты с азотсодержащими аминокислотами, входящими в состав муцина слизистой оболочки мочевого пузыря и белковых микрогелей-носителей. Проведено сравнение измеренного и рассчитанных в гармоническом приближении ИК спектров гиалуроновой кислоты. На основе расчёта структуры молекулярных комплексов и соответствующих им ИК спектров с последующим анализом параметров образующихся водородных связей были даны оценки силы комплексообразования гиалуроновой кислоты с аминокислотами, входящими в состав белковых микрогелей, использующихся в таргетной терапии, и в состав белков клеток-мишеней.
Ключевые слова: гиалуроновая кислота, ИК спектр, экспериментальные измерения, молекулярное моделирование, аминокислоты, теория функционала плотности, водородные связи
Благодарности: Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 21-75-10042, https://rscf.ru/project/21-75-10042/). Для цитирования: Пластун И. Л., Брыксин К. А., Майорова О. А., Бабков Л. М. Спектральные проявления межмолекулярного взаимодействия гиалуроновой кислоты с азотсодержащими аминокислотами // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2024. Т. 24, вып. 2. С. 126-137. https://doi.org/10.18500/1817-3020-2024-24-2-126-137, EDN: DRKPRT
Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY4.0)
Spectral manifestations of hyaluronic acid intermodular interaction with nitrogen-containing amino acids I. L. Plastun10, K. A. Bryksin1, O. A. Mayorova2, L. M. Babkov2
Чип Gagarin State Technical University of Saratov, 77 Politechnicheskaya St., Saratov 410054, Russia 2Saratov State University, 83 Astrakhanskaya St., Saratov 410012, Russia
Inna L. Plastun, [email protected], https://orcid.org/0000-0002-1246-8896, AuthorlD: 6602456618 Kirill A. Bryksin, [email protected], https://orcid.org/0009-0008-3743-188X
Oksana A. Mayorova, [email protected], https://orcid.org/0000-0002-6440-3947, AuthorlD: 56692797300 Lev M. Babkov, [email protected], https://orcid.org/0000-0003-3403-3786, AuthorlD: 56047457600
Abstract. Background and Objectives: Manifestations of intermolecular interaction based on hydrogen bonding in hyaluronic acid IR spectra and in multicomponent mixtures of hyaluronic acid with nitrogen-containing amino acids, which are part of mucin of the mucous membrane of the bladder and protein carrier microgels, have been studied using experimental and theoretical IR spectroscopy. Materials and Methods: Comparison of measured and calculated hyaluronic acid IR spectra in harmonic approximation is performed. Calculations of molecular complexes structure and their corresponding IR spectra were carried out, followed by an analysis of the parameters of the hydrogen bonds formed. Results: Estimates of hyaluronic acid complexation with amino acids strength, which are part of protein microgels used in targeted therapy, and in target cells proteins were given. Conclusion: It has been found that the presence of an additional protein structure significantly increases the hyaluronic acid interaction with mucous membrane mucin protein due to intermolecular complexation based on polar basic amino acids. Keywords: hyaluronic acid, IR spectrum, experimental measurements, molecular modeling, amino acids, density functional theory, hydrogen bonds
Acknowledgements: The research was supported by the Russian Science Foundation (project No. 21-75-10042, https://rscf.ru/project/21-75-10042/).
For citation: Plastun I. L., Bryksin K. A., Mayorova O. A., Babkov L. M. Spectral manifestations of hyaluronic acid intermolecular interaction with nitrogen-containing amino acids. Izvestiya of Saratov University. Physics, 2024, vol. 24, iss. 2, рр. 126-137 (in Russian). https://doi.org/10.18500/1817-3020-2024-24-2-126-137, EDN: DRKPRT
This is an open access article distributed under the terms of Creative Commons Attribution 4.0 International License (CC0-BY 4.0)
Введение
В настоящее время существенно возрос интерес к исследованиям структуры и физико-химических свойств гиалуроновой кислоты [1], что находит своё отражение в многочисленных публикациях (см., например, обзоры [2-4]). Это объясняется тем, что гиалуроновая кислота обладает уникальными биологическими, физическими и механическими свойствами [5], находящими широкое применение в современной биологии и медицине. Как известно, гиалуроновая кислота представляет собой линейный полисахарид, состоящий из повторяющихся звеньев D-глю-куроновой кислоты и ^ацетил^-глюкозамина,
связанных между собой гликозидными связями в (1, 4) и в (1, 3) соответственно (рис. 1) [1].
Простой по строению полисахарид экспрес-сируется во внеклеточном матриксе, взаимодействует с различными рецепторами на поверхности внутри клеток [6]. Благодаря своему химическому строению, в частности, содержанию большого числа карбоксильных групп (-СООН), гиалуро-новая кислота хорошо диссоциирует, усиливая свою полианионную природу, что, в свою очередь, приводит к гидратированию молекулы, в результате чего образуется ее гидратирован-ная форма, значительно большая по объему [4]. Это физико-химическое свойство гиалуроновой
Рис. 1. Фрагмент гиалуроновой кислоты Fig. 1. Hyaluronic acid fragment
кислоты лежит в основе физиологических функций, таких как заживление ран и гидратация клеток. Образование гидратированной формы ги-алуроновой кислоты определяет ее вязкоупругие свойства за счет образования большого числа водородных связей с последующим формированием трехмерных матриц [2, 4, 7]. Увеличение концентрации гиалуроновой кислоты закономерно приводит к увеличению вязкости раствора. Уникальное свойство гелеобразования гиалуроновой кислоты нашло широкое применение в медицине и косметологии [2, 3, 8].
Гиалуроновая кислота является одним из основных компонентов гликозоаминогликанового (ГАГ) слоя на поверхности уротелия мочевого пузыря. Нарушение ГАГ слоя и подавление полиферации уротелиальных клеток приводит к образованию хронического или интерстициаль-ного цистита (ИЦ) [9]. Одним из общепринятых протоколов терапии ИЦ является внутрипузырная инстилляция гиалуроновой кислоты с помощью катетера в полость мочевого пузыря [10]. Благодаря своей способности удерживать большое количество влаги гиалуроновая кислота способна встраиваться в поврежденные участки муцино-вого слоя мочевого пузыря, проникая в более глубокие слизистые слои, постепенно восстанавливая ГАГ слой. Механизм мукоадсорбции гиалуроновой кислоты на слизистой оболочке мочевого пузыря основан на взаимодействии гиа-луроновой кислоты и белковой молекулы муцина с образованием межмолекулярных водородных связей [11].
Представляет интерес выявление спектральных проявлений механизмов межмолекулярного взаимодействия гиалуроновой кислоты с составляющими белковую структуру муцина аминокислотами [12]. Предполагается, что водородное связывание происходит за счет взаимодействия -СООН-групп гиалуроновой кислоты и свободных ^Н2 и -ОН групп аминокислотных остатков белковых молекул. Необходимо отметить, что существуют экспериментально подтверждённые факты повышения степени эффективности действия гиалуроновой кислоты в смеси с белковым микрогелем, основанным на изоляте сывороточного белка [13]. Данный экспериментальный факт свидетельствует о том, что наличие дополнительной белковой структуры может усиливать водородное связывание между гиалуроновой кислотой и муцином слизистой оболочки.
С целью изучения спектральных проявлений взаимодействия аминокислот из состава муци-
на с гиалуроновой кислотой и влияния на это взаимодействие белкового микрогеля в качестве носителя был измерен ИК спектр гиалуроновой кислоты и на основе рассчитанных ИК спектров мономера и димера гиалуроновой кислоты дана его интерпретация. Кроме того, были рассчитаны молекулярные структуры двух- и трёхком-понентных смесей аминокислот с гиалуроновой кислотой и соответствующие им ИК спектры c последующим анализом параметров образующихся водородных связей. На основе этих данных были сделаны выводы о степени комплексообразования и влиянии микрогеля - носителя на взаимодействие гиалуроновой кислоты с муцином.
1. Эксперимент и молекулярное моделирование
Измерения ИК спектра гиалуроновой кислоты проведены в лаборатории биомедицинской фотоакустики Научного медицинского центра СГУ имени Н. Г. Чернышевского на ИК Фурье спектрометре ФТ-801 Simex (ООО НПФ «СИ-МЕКС», Россия). Использовалась универсальная приставка для подавления полного внутреннего отражения. Каждый спектр записывался как среднее по 26 сканов с разрешением 4 см-1 в области 550-4000 см-1. Для анализа спектров использовалось программное обеспечение «Программа ZaIR 3.5 для получения, обработки и поиска инфракрасных спектров».
Моделирование структуры и расчёт ИК спектров молекул и их комплексов осуществлялись на основе метода теории функционала плотности (ТФП) [14] с использованием функционала B3LYP и базисного набора 6-31G(d) [15]. Процедуры молекулярного моделирования, включая оптимизацию молекулярных структур и расчёт ИК спектров, были проведены на основе программного комплекса Gaussian [16], широко применяемого для анализа межмолекулярного взаимодействия в различных задачах квантовой физики и химии. Для визуализации молекулярных структур и ИК спектров были использованы программный редактор Avogadro [17] и авторская программа визуализации ИК спектров [18], строящая ИК спектр по числовым значениям, полученным в Gaussian [16].
Моделирование ИК спектров проводилось на основе гауссовского типа контура с соотношением полуширины контура к полувысоте, равным 4. Эти параметры являются задаваемыми по умолчанию в программе Gaussian [16].
Были рассчитаны структуры и ИК спектры мономера и димера гиалуроновой кислоты,
а также структуры и ИК спектры двух- и трёхком-понентных смесей азотсодержащих аминокислот и гиалуроновой кислоты. Дан анализ рассчитанных параметров водородных связей в образующихся молекулярных комплексах.
С целью минимизации расхождения измеренных и рассчитанных в гармоническом приближении частот проведено их масштабирование, широко используемое в мировой практике в подобных задачах. Масштабирующие множители составили следующие значения: 0.94 для диапазона частот 0-1000 см"1, 0.95 для диапазона 1000-2500 см"1 и 0.96 для диапазона частот 25004000 см"1.
2. Обсуждение результатов
Рассчитанные структуры мономера и диме-ра гиалуроновой кислоты представлены на рис. 2. Цифрами показаны молекулярные группы, колебания которых находят свое отражение в ИК спектре. Цифрой 1 отмечены валентные колебания С-0 группы, цифра 2 отмечает С-0 и С-С связи группы кольца, цифра 3 обозначает валентную связь С=0 карбоксильной группы, цифрами 4 и 5 отмечены валентные колебания С-Н группы и аминогруппы ^Н соответственно, цифра 6 обозначает валентные колебания О-Н группы, атом водорода которой обобществляется в димере гиалуроновой кислоты с образованием межмолекулярной водородной связи.
На рис. 3 представлены измеренный и рассчитанные ИК спектры гиалуроновой кислоты (ГК). Цифрой I отмечен измеренный спектр, цифрой II -
ИК спектр мономера гиалуроновой кислоты, цифрой III - ИК спектр димера гиалуроновой кислоты. На всех спектрах хорошо видны пики полос, соответствующих валентным колебаниям связи С-О на частоте 1200 см"1 (цифра 1), валентным колебаниям связей С-О и С-С в кольце (цифра 2), валентным колебаниям связи С=О карбоксильной группы на частоте 1600 см"1 (цифра 3), валентным колебаниям связей С-Н (цифра 4), валентным колебаниям связей ^Н (цифра 5) и валентным колебаниям связей О-Н (цифра 6), одна из которых принадлежит карбоксильной группе и участвует в образовании димерного кольца.
Наличие широкой и аномально интенсивной полосы в области 3000-3650 см"1 свидетельствует об образовании водородной связи.
Сравнение частот колебаний экспериментального и рассчитанных спектров мономера и димера приведены в табл. 1. Эти частоты соответствуют пикам полос, являющихся спектрально-структурными признаками гиалуроновой кислоты в ИК спектре.
Расчёты ИК спектров мономера и димера ги-алуроновой кислоты демонстрируют уменьшение интенсивности валентных колебаний связей С=О, проявляющихся в диапазоне 1600-1640 см"1 (см. рис. 3, б цифра 3) при образовании димера. Валентные колебания связи группы О-Н, проявляющиеся в диапазоне 3600-3700 см"1 в мономере, при обобществлении протона карбоксильной группы сдвигаются по частоте на ^240 см"1 и аномально возрастают по интенсивности.
а/а б/b
Рис. 2. Рассчитанные структуры мономера (а) и димера (б) гиалуроновой кислоты (цвет онлайн) Fig. 2. Calculated structures of monomer (а) and dimer (b) of hyaluronic acid (color online)
Frequency, cm 1
Рис. 3. Измеренный (I) и рассчитанные (II) ИК спектры мономера и димера (III) гиалуроновой кислоты (цвет онлайн)
Fig. 3. Measured (I) and calculated (II) IR spectra of the monomer and dimer (III) of hyaluronic acid (color online)
Валентные колебания связей N-H, проявляющиеся в диапазоне 3300-3450 см-1, оказываются в зоне проявления водородной связи и на экспериментально измеренном спектре не видны.
Параметры водородной связи, образовавшейся в димере гиалуроновой кислоты, приведены в табл. 2.
Рассчитанные значения энергии с целью верификации результатов сверялись со значениями, полученными по эмпирической формуле Иогансе-на [19, 20]:
-АН = 0.3 VAv - 40, (1)
где -АН - приращение энтальпии, являющееся термодинамической мерой энергии связи, Av - величина частотного сдвига валентных колебаний водородных связей (АН, ккал/моль, Av, см-1).
В табл. 2, 3 приводятся значения энергии связей для двойных комплексов - как полученные по формуле (1), так и рассчитанные в Gaussian [16] (в скобках). Видно, что различия в значениях энергии незначительны, порядка 10%, и для проводимой оценки степени комплексообразования непринципиальны.
В оценке силы образовавшихся водородных связей играют роль три параметра: энергия связи, длина связи и длина водородного мостика, а также сдвиг частоты колебаний в ИК спектре. В соответствии с классификацией, приведённой в [21], сильным водородным связям соответствует энергия 14.34-28.65 ккал/моль, длина связи 1.21.5 А и длина водородного мостика 2.2-2.5 А, средние связи характеризуются энергией 3.8214.43 ккал/моль, длиной связи 1.5-2.2 А и длиной водородного мостика - 2.5-3.2 А, слабым связям соответствует энергия менее 2.87 ккал/моль, длина связи 2.2-3.2 А и длина водородного мостика -3.2-4.0 А.
На основании результатов построения структурно-динамических моделей мономера и димера
Таблица 1 / Table 1
Измеренные и рассчитанные частоты валентных колебаний связей гиалуроновой кислоты Measured and calculated bond stretching oscillation frequencies of hyaluronic acid
Номер колебания / Oscillation number Тип связи / Bond type Частоты колебаний в ИК спектрах гиалуроновой кислоты / Oscillation frequencies in hyaluronic acid IR spectra
Экспериментальный спектр/ Experimental spectrum, v^ cm-1 Рассчитанный спектр мономера / Calculated monomer spectrum, Vм, cm-1 Рассчитанный спектр димера / Calculated dimer spectrum, v^ cm-1
1 C-O 1125 1127 1129
2 C-C 1400 1410 1409
3 C=O 1600 1602 1605
4 C-H 2920 3065 3075
5 N-H -3400 3400 3400
6 O-H 2960-3620 3621 3383
Таблица 2 / Table 2
Параметры водородной связи в димере гиалуроновой кислоты Hydrogen bond parameters of hyaluronic acid dimer
Фрагмент димерного кольца / Dimer ring fragment Длина связи / Bond length Н...О, А Длина водородного мостика / Hydrogen bridge length O-H...O, А Частота / Frequency V, cm"1 Частотный сдвиг / Frequency shift Av, cm"1 Энергия связи / Bond energy "AH, kkal/mol Интенсивность / Intensity Iir, km/mol
O-H...O 1.72 2.75 3383 238 4.2 (4.0) 3259
Таблица 3 / Table 3
Рассчитанные параметры водородных связей комплексов гиалуроновой кислоты (ГК) и аминокислот Calculated hydrogen bonds parameters of hyaluronic acid and amino acids complex
Тип комплекса / Complex type Тип связи / Bond tyPe Длина H-связи / H-bond length R, Â Длина водородного мостика / Hydrogen bridge length Rb,A Частота / Frequency V, cm"1 Частотный сдвиг / Frequency shift Av, cm"1 Энергия связи / Bond energy "AH, kkal/mol Интенсивность / Intensity IIR, km/mol
TK-серин (Ser) O-H...O 1.69 2.67 3535 211 3.9 (3.6) 1283
^-тирозин (Tyr) O-H...O 1.63 2.61 3507 183 3.6 (3.3) 2170
^-триптофан (Tryp) N-H...O 1.9 2.89 3565 241 4.2 (3.7) 727
TK-лизин (Lys) N-H...O 1.54 2.5 3127 197 3.8 (3.2) 1318
^-аргинин (Arg) N-H...O 1.7 2.67 3220 104 2.4 (2.9) 150
гиалуроновой кислоты можно сделать следующие выводы: при образовании димера частота валентного колебания связи ОН (3621 см"1) уменьшилась до 3383 см"1, частотный сдвиг составляет 238 см"1. Энергия связи и интенсивность спектрального пика равны 4.2 ккал/моль и 3259 км/моль соответственно. Длина Н-связи равна 1.72 А, и длина водородного мостика -2.75 А, что соответствует энергии водородной связи средней силы в соответствии с классификацией водородных связей, приведённой в [21]. Указанные параметры свидетельствуют об устойчивом комплексообразовании на основе водородного связывания.
Рассмотрим межмолекулярное взаимодействие гиалуроновой кислоты с белковыми структурами. Наш анализ будет строиться на основе моделированя межмолекулярного взаимодействия гиалуроновой кислоты с аминокислотами из состава белков муцина и изолята сывороточного белка. В качестве рассматриваемых объектов были выбраны протеиногенные полярные незаряженные аминокислоты, содержащие в составе боковых цепей (радикала) функциональные группы ОН- и NH2- (гидрок-сильные и аминогруппы), что обусловливает их высокую способность к комплексообразова-
нию на основе водородных связей: аргинин, лизин и серин.
Предполагается, что взаимодействие протекает с образованием межмолекулярных водородных связей между -СООН группой гиалуроновой кислоты и функциональными группами (ОН-, NH2-) аминокислотного остатка. В качестве сравнения были также проведены расчеты для ароматических аминокислот тирозина и триптофана, имеющие более жесткую структуру за счет наличия ароматических колец и, как следствие, отсутствия пространственной трансформации.
Структура рассматриваемых аминокислот показана на рис. 4. Красным цветом выделены радикалы, через которые может происходить межмолекулярное комплексообразование.
Ароматические аминокислоты тирозин и триптофан относятся к умеренно полярным молекулам, содержащим резонансно стабилизированные кольцевые структуры - фенольное кольцо у тирозина и индольное кольцо у триптофана. Серин относится к нейтральным аминокислотам, имеющим в боковой цепи гид-роксильную группу. Лизин и аргинин относятся к основным аминокислотам, в которых функциональные группы в боковых цепях полностью протонированы при нейтральных значениях рН. Эти аминокислоты имеют наивысшие показатели
h2n
Арги н ин
кислотности функциональных групп: 10.8 у лизина и 12.5 у аргинина, что может обусловливать их высокую способность к комплексообразова-нию на основе водородного связывания.
Рассчитанные структуры и ИК спектры молекулярных комплексов гиалуроновая кислота - аргинин (Arg), гиалуроновая кислота - лизин (Lys), гиалуроновая кислота - серин (Ser), гиалуроновая кислота - тирозин (Tyr) и гиалуроновая кислота -триптофан (Tryp) представлены на рис. 5.
При анализе комплексообразования с гиа-луроновой кислотой будем рассматривать возможности водородного связывания на основе амино- и гидроксильных (у серина и тирозина) групп радикалов аминокислот, поскольку а-карбоксильные (-СООН) и а-аминогруппы (-NH2) аминокислот участвуют в образовании пептидных связей в белковых структурах.
Параметры образующихся водородных связей для рассчитанных молекулярных комплексов приведены в табл. 3.
Как видно из табл. 3, все аминокислоты, за исключением аргинина, образуют с гиалуро-новой кислотой водородные связи средней силы. Необходимо отметить, что водородное связывание через гидроксильную группу даёт более значительную интенсивность спектрального пика по сравнению со связыванием через аминогруппу, при этом энергия водородной связи и длина водородного мостика во всех случаях примерно одинаковы.
С целью выявления влияния микрогеля - носителя на водородное связывание гиалуроновой кислоты с муцином - были проанализированы возможности комплексообразования гиалуроно-вой кислоты с двумя аминокислотами, одна из которых принадлежит муцину, а другая -
белковому микрогелю-носителю, с которым смешивается гиалуроновая кислота перед введением в мочевой пузырь. Были рассмотрены параметры водородного связывания гиалуроновой кислоты с триптофаном и тирозином, с серином и тирозином, с лизином и аргинином, а также с лизином и серином.
Рассчитанные ИК спектры молекулярных комплексов гиалуроновая кислота - триптофан (Tryp) - тирозин (Tyr), гиалуроновая кислота -серин (Ser) - тирозин (Tyr), гиалуроновая кислота - лизин (Lys)-аргинин (Arg) и гиалуроновая кислота - лизин (Lys) - серин (Ser) представлены на рис. 6. На основании выполненных расчетов была составлена табл. 4, в которой приведены параметры водородных связей для рассчитанных молекулярных комплексов.
Видно, что во всех случаях происходит ком-плексообразование на основе водородного связывания, однако сила водородных связей для каждой из исследуемых трёхкомпонентных смесей существенно отличается. Наиболее сильное водородное связывание показывает комплекс гиалуро-новой кислоты с аргинин и лизином: из табл. 4 видно, что частотный сдвиг составляет 487 см"1, длина водородного мостика - 2.6 Â, а интенсивность спектрального пика достигает значения 2358 км/моль. Энергия водородной связи, таким образом, будет составлять 6.3 ккал/моль, что говорит об этой связи как о средней. При соединении гиалуроновой кислоты с лизином и серином также образуется связь средней силы: энергия 3.8 ккал/моль, интенсивность спектрального пика 1527 км/моль, длина водородного мостика 2.52 Â. В случае объединения двух ароматических аминокислот с гиалуроновой кислотой
Рис. 4. Молекулярные структуры исследуемых аминокислот (цвет онлайн) Fig. 4. Molecular structures of investigated amino acids (color online)
а/а
в/с
г/d
д/e
б/b
Рис. 5. Рассчитанные структуры и ИК спектры молекулярных комплексов гиалуроновой кислоты с аргинином (Arg) (а), лизином (Lys) (б), серином (Ser) (в), тирозином (Tyr) (г) и триптофаном (Tryp) (д) (цвет онлайн)
Fig. 5. Calculated structures and IR spectra of molecular complexes of hyaluronic acid with arginine (Arg) (а), with lysine (Lys) (b), with serine (Ser) (c), with tyrosine (Tyr) (d) and with tryptophan (Tryp) (e) (color online)
а/а
б/b
в/с
г/d
Рис. 6. Рассчитанные структуры и ИК спектры молекулярных комплексов гиалуроновая кислота - триптофан (Tryp) -тирозин (Tyr) (а), гиалуроновая кислота - серин (Ser) - тирозин (Tyr) (б), гиалуроновая кислота - лизин (Lys) - аргинин (Arg) (в), гиалуроновая кислота - лизин (Lys) - серин (Ser) (г) (цвет онлайн)
Fig. 6. Calculated structures and IR spectra of molecular complexes hyaluronic acid - tryptophan (Tryp) - tyrosine (Tyr) (а), hyaluronic acid-serine (Ser) - tyrosine (Tyr) (b), hyaluronic acid - lysine (Lys) - arginine (Arg) (c) and hyaluronic acid - lysine
(Lys) - serine (Ser) (d) (color online)
Таблица 4 / Table 4
Рассчитанные параметры водородных связей молекулярных комплексов гиалуроновой кислоты
и двух аминокислот
Calculated hydrogen bonds parameters of hyaluronic acid and two amino acids molecular complexes
Тип комплекса / Complex type Тип связи / Bond type Длина H-связи / H-bond length R, Â Длина водородного мостика/ Hydrogen bridge length Ri, А Частота / Frequency V, cm"1 Частотный сдвиг / Frequency shift Av, cm"1 Энергия связи / Bond energy -AH, kkal/mol Интенсивность / Intensity IIR, km/mol
TK - тирозип (Tyr) -триптофан (Tryp) O-H...O 2.31 3.29 3521 113 2.6 339
TK - серип (Ser) -тирозип (Tyr) O-H...O 2.7 3.0 3500 134 2.9 136
TK - аргипип (Arg) -лизип (Lys) N-H...O 1.7 2.6 3147 487 6.3 2358
TK - лизип (Lys) -серип (Ser) N-H...O 1.53 2.52 3127 197 3.8 1527
сила водородного связывания в тройном комплексе существенно уменьшается: энергия связи в комплексе гиалуроновая кислота- триптофан -тирозин становится всего 2.6 ккал/моль, а при объединении ароматической и нейтральной аминокислот (комплекс гиалуроновая кислота- серин-тирозин) энергия водородного связывания остаётся такой же, как и для двойных комплексов: 2.9 ккал/моль. Интенсивность спектральных пиков и в том, и в другом случае невысока: 339 и 136 км/моль, а длина водородного мостика соответствует слабым связям: 3.29 и 3.0 А соответственно (см. табл. 4).
Из сравнения результатов, приведённых в табл. 3, 4, видно, что при объединении двух полярных аминокислот с гиалуроновой кислотой происходит существенное увеличение силы водородных связей, в то время как объединение двух ароматических аминокислот приводит к существенному ослаблению водородного связывания. Наличие нейтральной аминокислоты (серин) не изменяет силу водородного связывания в тройном молекулярном комплексе. Вышесказанное даёт возможность сделать предположение о том, что образование молекулярных комплексов ги-алуроновой кислоты с белковыми структурами происходит, скорее всего, через более активные полярные аминокислоты, в то время как ароматические и нейтральные аминокислоты практически не принимают участия в этом взаимодействии.
Выводы
В результате анализа полученных результатов было сформулировано следующее заключение: образование достаточно устойчивых мо-
лекулярных комплексов гиалуроновой кислоты с белковыми структурами происходит за счёт водородного связывания полярных аминокислот -аргинина и лизина. В этом случае присоединение дополнительной аминокислоты к молекулярным комплексам усиливает водородные связи, которые становятся средними, близкими к сильным. Этот вывод подтверждает экспериментально зафиксированное существенное повышение эффективности действия гиалуроновой кислоты в присутствии белкового микрогеля, используемого в качестве носителя [13]. В то же время необходимо отметить, что создание тройного молекулярного комплекса гиалуроновой кислоты с двумя ароматическими аминокислотами практически невозможно в силу слабого межмолекулярного взаимодействия.
Таким образом, установлено, что наличие дополнительной белковой структуры существенно повышает взаимодействие гиалуроновой кислоты с белком муцина слизистой оболочки за счёт межмолекулярного комплексообразования на основе полярных основных аминокислот. Этот результат позволяет оценить и обосновать механизмы межмолекулярного взаимодействия микрогелей, основанных на изоляте сывороточного белка, с белками слизистой оболочки и подтвердить эффективнсть использоваться микрогелей в тар-гетной терапии, связанной с восстановлением муцина при помощи гиалуроновой кислоты.
Список литературы
1. Meyer K. Chemical structure of hyaluronic acid // Fédération Proceedings. 1958. Vol. 17, № 4. С. 10751077.
2. Iaconisi G. N., Lunetti P., Gallo N., Cappello A. R., Fiermonte G., Vincenza Dolce V., Capobianco L. Hyaluronic Acid: A Powerful Biomolecule with WideRanging Applications - A Comprehensive Review // International Journal of Molecular Science. 2023. Vol. 24, iss. 12. Article number 10296. https://doi.org/ 10.3390/ijms241210296
3. Цепилов Р. Н., Белодед А. В. Гиалуроновая кислота - «старая» молекула с «новыми» функциями: биосинтез и деполимеризация гиалуроновой кислоты у бактерий и в тканях позвоночных, в том числе в процессах канцерогенеза // Биохимия. 2015. Т. 80, вып. 9. С. 1315-1333.
4. Snetkov P., Zakharova K., Morozkina S., Olekhno-vich R., Uspenskaya M. Hyaluronic acid: The influence of molecular weight on structural, physical, physico-chemical, and degradable properties of biopolymer // Polymers. 2020. Vol. 12, iss. 8. Article number 1800. https://doi.org/10.3390/polym12081800
5. Chemistry and biology of hyaluronan / eds. H. G. Garg, C. A. Hales. Amsterdam ; Boston : Elsevier, 2004. 605 p.
6. Vasvani S., Kulkarni P., Rawtani D. Hyaluronic acid: A review on its biology, aspects of drug delivery, route of administrations and a special emphasis on its approved marketed products and recent clinical studies // International Journal of Biological Macromolecules. 2020. Vol. 151. P. 1012-1029.
7. Khabarov V N., Boykov P. Y., Selyanin M. A. Hyaluronic acid: Production, properties, application in biology and medicine. Hoboken : John Wiley& Sons, 2015. 224 p.
8. Dovedytis M., Liu Z. J., Bartlett S. Hyaluronic acid and its biomedical applications: A review // Engineered Regeneration. 2020. Vol. 1. P. 102-113.
9. Pyo J. S., Cho W. J. Systematic review and meta-analysis of intravesical hyaluronic acid and hyaluronic acid / chondroitin sulfate instillation for interstitial cystitis / painful bladder syndrome // Cellular Physiology and Biochemistry. 2016. Vol. 39, № 4. P. 1618-1625.
10. Matsuoka P. K, Haddad J. M, Pacetta A. M, Baracat E. C. Intravesical treatment of painful bladder syndrome: A systematic review and meta-analysis // International Urogynecology Journal. 2012. Vol. 23. P. 1147-1153.
11. Boddupalli B. M., Mohammed Zulkar N. K, Ravinder Nath A., Banji D. Mucoadhesive drug delivery system: An overview // Journal of Advanced Pharmaceutical Technology & Research. 2010. Vol. 1, № 4. P. 381.
12. Rose M. C. Mucins: Structure, function, and role in pulmonary diseases // American Journal of Physiology-Lung Cellular and Molecular Physiology. 1992. Vol. 263, № 4. P. L413-L429.
13. Saveleva M. S., Lobanov M. E., Gusliakova O. I., Plastun V. O., Prikhozhdenko E. S., Sindeeva O. A., Gorin D. A., Mayorova O. A. Mucoadhesive Emulsion Microgels for Intravesical Drug Delivery: Preparation, Retention at Urothelium, and Biodistribution Study // ACS Applied Materials & Interfaces. 2023. Vol. 15, № 21. P. 25354-25368. https://doi.org/10.1021/acsami. 3c02741
14. Кон В. Электронная структура вещества - волновые функции и функционалы плотности // Успехи физических наук. 2002. Т. 172, № 3. С. 336-348.
15. Becke A. D. Density-functional thermochemistry. III. The role of exact exchange // Journal of Chemical Physics. 1993. Vol. 98, № 7. P. 5648-5652. https://www. doi.org/10.1063/1.464913
16. Frisch M. J., Trucks G. W., Schlegel H. B., Scuseria G. E., Robb M. A., Cheeseman J. R., Montgomery J. A., Vreven Jr. T., Kudin K. N., Burant J. C., Millam J. M., Iyengar S. S., Tomasi J., Barone V., Mennucci B., Cossi M., Scalmani G., Rega N., Petersson G. A., Nakatsuji H., Hada M., Ehara M., Toyota K., Fukuda R., Hasegawa J., Ishida M., Nakajima T., Honda Y., Kitao O., Nakai H., Klene M., Li X., Knox J. E., Hratchian H. P., Cross J. B., Adamo C., Jaramillo J., Gomperts R., Stratmann R. E., Yazyev O., Austin A. J., Cammi R., Pomelli C., Oc-hterski J. W., Ayala P. Y., Morokuma K., Voth G. A., Salvador P., Dannenberg J. J., Zakrzewski V. G., Dap-prich S., Daniels A. D., Strain M. C., Farkas O., Malick D. K., Rabuck A. D., Raghavachari K., Fores-man J. B., Ortiz J. V., Cui Q., Baboul A. G., Clifford S., Cioslowski J., Stefanov B. B., Liu G., Liashenko A., Pis-korz P., Komaromi I., Martin R. L., Fox D. J., Keith T., Al-Laham M. A., Peng C. Y., Nanayakkara A., Challa-combe M., Gill P. M. W., Johnson B., Chen W., Wong W., Gonzalez C., Pople J. A. Gaussian 03, Revision B.03. Gaussian, Inc., Pittsburgh PA, 2003. 302 p.
17. Avogadro - Free cross-platform molecular editor -Avogadro. Funding for the Avogadro manual was provided by the University of Pittsburgh Department of Chemistry. Pittsburgh, Pensylvania, 2015. URL: https:// avogadro.cc/ (дата обращения: 15.03.2024).
18. Программа графической визуализации результатов численного моделирования на основе методов квантовой механики : св-во о гос. регистрации программы для ЭВМ 2015616290 Рос. Федерация / А. Н. Бока-рев, И. Л. Пластун ; правообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю. А.». № 2015612953 ; заявл. 13.04.15 ; зарегистр. 05.06.15, Бюл. № 1. 1 с.
19. Иогансен А. В. Инфракрасная спектроскопия и спектральное определение энергии водородной связи // Водородная связь / отв. ред. Н. Д. Соколов. М. : Наука, 1981. С. 112-155.
20. Бабков Л. М., Пучковская Г. А., Макаренко С. П., Гаврилко Т. А. ИК спектроскопия молекулярных кристаллов с водородными связями. Киев : Наукова думка, 1989. 160 с.
21. Стид Дж. В., ЭтвудДж. Л. Супрамолекулярная химия : в 2 т. М. : Академкнига, 2007. Т. 1. 479 с.
References
1. Meyer K. Chemical structure of hyaluronic acid. Federation Proceedings, 1958, vol. 17, no. 4, pp. 1075-1077.
2. Iaconisi G. N., Lunetti P., Gallo N., Cappello A. R., Fiermonte G., Vincenza Dolce V., Capobianco L. Hyaluronic
Acid: A Powerful Biomolecule with Wide-Ranging Applications - A Comprehensive Review. International journal of Molecular Science, 2023, vol. 24, iss. 12, article no. 10296. https://doi.org/10.3390/ijms241210296
3. Tsepilov R. N., Beloded A. V. Hyaluronic acid is an "old" molecule with "new" functions: Biosynthesis and depoly-merization of hyaluronic acid by bacteria and vertebrates -especially in cancerogenesis. Biochemistry, 2015, vol. 80, iss. 9, pp. 1315-1333 (in Russian).
4. Snetkov P., Zakharova K., Morozkina S., Olekhno-vich R., Uspenskaya M. Hyaluronic acid: The influence of molecular weight on structural, physical, physico-chemical, and degradable properties of biopolymer. Polymers, 2020, vol. 12, iss. 8, article no. 1800. https://doi. org/10.3390/polym12081800
5. Garg H. G., Hales C. A., eds. Chemistry and biology of hyaluronan. Amsterdam, Boston, Elsevier, 2004. 605 p.
6. Vasvani S., Kulkarni P., Rawtani D. Hyaluronic acid: A review on its biology, aspects of drug delivery, route of administrations and a special emphasis on its approved marketed products and recent clinical studies. International Journal of Biological Macromolecules, 2020, vol. 151, pp. 1012-1029.
7. Khabarov V. N., Boykov P. Y., Selyanin M. A. Hyaluronic acid: Production, properties, application in biology and medicine. Hoboken, John Wiley & Sons, 2015. 224 p.
8. Dovedytis M., Liu Z. J., Bartlett S. Hyaluronic acid and its biomedical applications: A review. Engineered Regeneration, 2020, vol. 1, pp. 102-113.
9. Pyo J. S., Cho W. J. Systematic review and meta-analysis of intravesical hyaluronic acid and hyaluronic acid / chon-droitin sulfate instillation for interstitial cystitis / painful bladder syndrome. Cellular Physiology and Biochemistry, 2016, vol. 39, no. 4, pp. 1618-1625.
10. Matsuoka P. K., Haddad J. M., Pacetta A. M., Bara-cat E. C. Intravesical treatment of painful bladder syndrome: A systematic review and meta-analysis. International Urogynecology Journal, 2012, vol. 23, pp. 1147-1153.
11. Boddupalli B. M., Mohammed Zulkar N. K., Ravinder Nath A., Banji D. Mucoadhesive drug delivery system: An overview. Journal of Advanced Pharmaceutical Technology & Research, 2010, vol. 1, no. 4, pp. 381.
12. Rose M. C. Mucins: Structure, function, and role in pulmonary diseases. American Journal of Physiology-Lung Cellular and Molecular Physiology, 1992, vol. 263, no. 4, pp. L413-L429.
13. Saveleva M. S., Lobanov M. E., Gusliakova O. I., Plastun V. O., Prikhozhdenko E. S., Sindeeva O. A., Gorin D. A.,Mayorova O. A. Mucoadhesive Emulsion Microgels for Intravesical Drug Delivery: Preparation, Retention at Urothelium, and Biodistribution Study. ACS Applied Materials & Interfaces, 2023, vol. 15, no. 21, pp. 25354-25368. https://doi.org/10.1021/acsami. 3c02741
14. Kohn W. Nobel Lecture : Electronic structure of matter-wave functions and density functionals. Rev. Mod. Phys., 1999, vol. 71, no. 5, pp. 1253-1265. https://www.doi. org/10.1103/RevModPhys.71.1253
15. Becke A. D. Density-functional thermochemistry. III. The role of exact exchange. Journal of Chemical Physics, 1993, vol. 98, no. 7, pp. 5648-5652. https://www.doi. org/10.1063/1.464913
16. Frisch M. J., Trucks G. W., Schlegel H. B., Scuseria G. E., Robb M. A., Cheeseman J. R., Montgomery J. A., Vreven Jr. T., Kudin K. N., Burant J. C., Millam J. M., Iy-engar S. S., Tomasi J., Barone V., Mennucci B., Cossi M., Scalmani G., Rega N., Petersson G. A., Nakatsuji H., Hada M., Ehara M., Toyota K., Fukuda R., Hasegawa J., Ishida M., Nakajima T., Honda Y., Kitao O., Nakai H., Klene M., Li X., Knox J. E., Hratchian H. P., Cross J. B., Adamo C., Jaramillo J., Gomperts R., Stratmann R. E., Yazyev O., Austin A. J., Cammi R., Pomelli C., Oc-hterski J. W., Ayala P. Y., Morokuma K., Voth G. A., Salvador P., Dannenberg J. J., Zakrzewski V. G., Dap-prich S., Daniels A. D., Strain M. C., Farkas O., Malick D. K., Rabuck A. D., Raghavachari K., Fores-man J. B., Ortiz J. V., Cui Q., Baboul A. G., Clifford S., Cioslowski J., Stefanov B. B., Liu G., Liashenko A., Pis-korz P., Komaromi I., Martin R. L., Fox D. J., Keith T., Al-Laham M. A., Peng C. Y., Nanayakkara A., Challa-combe M., Gill P. M. W., Johnson B., Chen W., Wong W., Gonzalez C., Pople J. A. Gaussian 03, Revision B.03. Gaussian, Inc., Pittsburgh PA, 2003. 302 p.
17. Avogadro - Free cross-platform molecular editor - Avo-gadro. Funding for the Avogadro manual was provided by the University of Pittsburgh Department of Chemistry. Pittsburgh, Pensylvania, 2015. Available at: https:// avogadro.cc/ (accessed March 15, 2024).
18. Bokarev A. N., Plastun I. L. Program for graphical visualization of numerical simulation results based on quantum mechanics methods. Certificate of state registration of a computer program 2015616290 Russian Federation; copyright holder Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Professional Education "Yuri Gagarin State Technical University of Saratov". No. 2015612953; declared. 13 April 2015 ; registered 05 June 2015, Bull. no. 1. 1 p. (in Russian).
19. Iogansen A. V. Infrared Spectroscopy and Spectral Determination of Hydrogen Bond Energy. In: So-kolov N. D., ed. Vodorodnaia sviaz' [Hydrogen Bond]. Moscow, Nauka, 1981, pp. 112-155 (in Russian).
20. Babkov L. M., Puchkovskaya G. A., Makarenko S. P., Gavrilko T. A. IK spektroskopiia molekuliarnukh kristallov s vodorodnymi sviaziami [IR Spectroscopy of Molecular Crystals with Hydrogen Bonds]. Kiev, Naukova dumka, 1989. 169 p. (in Russian).
21. Steed J. W., Atwood J. L. Supramolecular Chemistry. 2nd ed. New York, John Wiley & Sons, 2009. 1002 p. (Russ. ed.: Moscow, Akademkniga, 2007, vol. 1. 479 p.).
Поступила в редакцию 18.02.2024; одобрена после рецензирования 03.04.2024; принята к публикации 15.04.2024 The article was submitted 18.02.2024; approved after reviewing 03.04.2024; accepted for publication 15.04.2024
