Полимерной основой природного шелка и паутины является склеропротеин фиброин, макромолекулы которого состоят из 16 различных аминокислотных остатков и в кристаллических участках полимера упорядочены в виде антипараллельных β-складчатых листов [1-3]. Термодинамическая устойчивость кристаллической структуры, стабилизированной межмолекулярными водородными связями, является причиной плохой растворимости фиброина большинстве известных растворителей. Между тем, фиброин может быть регенерирован из растворов в виде волокон, пленок и мембран для разделения водно-спиртовых смесей [4], иммобилизации ферментов [5], материала для контактных линз.

Долгое время считалось, что фиброин можно растворить только в концентрированных водных, органических или водно-органических растворах солей [6-10]. Концентрация полимера в этих растворах обычно невысока, чтобы можно было провести необходимую для удаления соли процедуру диализа. Относительно недавно предложен способ получения растворов фиброина с концентрацией, сопоставимой с таковой в выделяемом секрете слюнных желез шелкопряда - до 30% (масс.). По этому способу предварительно получают разбавленный раствор фиброина в водном растворе бромида лития, и после диализа и регенерации фиброин становится растворим в 1,1,1,3,3,3-гексафтор-2-пропаноле [11]. При растворении фиброина в солевых растворах разрушаются водородные связи в его упорядоченных β-кристаллических участках, макромолекулы становятся изолированными и приобретают конформацию статистического клубка [12], поэтому активированный таким образом полимер легче перевести в органический растворитель. Позже было обнаружено, что фиброин растворим без активации в некоторых гидратных формах N-метилморфолин-N-оксида (NMMO) [13] и ионных жидкостях [14].

Для изучения механизма взаимодействия растворитель - растворяемое вещество современная химия широко использует квантово-химические методы. Результаты квантово-химических расчетов взаимодействия различных конформационных структур фиброина с NMMO приведены в работе [15], с ионной жидкостью хлоридом 1-бутил-3-метилимидазолия - в работе [16]. Цель настоящей работы заключалась в получении методом квантовой химии сведений о характере взаимодействия между молекулой растворителя 1,1,1,3,3,3-гексафтор-2-пропанола и различными конформационными моделями фиброина. В качестве моделей фиброина рассматривали β-спиральную и β-складчатую структуры фиброина, представленные шестью аминокислотными остатками H[-Ser-Gly-Ala-Gly-Ala-Gly-]H, повторяющимися в упорядоченных участках полимера. Различные модели пептидов, основанные на остатках глицина и аланина, оценивались ранее [17, 18] на реалистичность в описании свойств полипептидов полуэмпирическими (AM1 и РМ3) и ab initio методами.

Квантово-химические расчеты были проведены с помощью программного пакета HyperChem (Version 7.5) [19] в рамках полуэмпирического метода РМ3. Рассчитаны оптимальные конфигурации и равновесные геометрические параметры моделей β-спиральной и β-складчатой структур фиброина и их комплексов с 1,1,1,3,3,3-гексафтор-2-пропанолом, построенных с помощью программы HyperChem 7.5. Определены длина связей, валентные и торсионные углы, полная энергия и ее изменение при образовании комплексов. Эффективные заряды на атомах рассчитывали по Малликену.

Для изучения взаимодействия конформационных моделей макромолекул фиброина с 1,1,1,3,3,3-гексафтор-2-пропанолом в качестве начального приближения были использованы координаты устойчивого комплекса 1,1,1,3,3,3-гексафтор-2-пропанол - N-метилацетамид, поскольку для моделирования комплексов с полипептидами широко привлекают результаты расчетов низкомолекулярных соединений с пептидными группами СО-NH с аналогичным распределением углов и связей [20-24]. Равновесную геометрию комплекса 1,1,1,3,3,3-гексафтор-2-пропанол - N-метилацетамид, отвечающую минимуму на поверхности потенциальной энергии комплекса (рис.1), рассчитали методом самосогласованного поля в приближении Хартри-Фока HF 6-31G* в программном комплексе Gaussian-98 [25].

Свернутая в α-спираль модель фиброина имеет внутримолекулярные связи C=O---H-N, для β-складчатой вытянутой конформации макромолекул характерно образование межмолекулярных связей C=O---H-N, в которых группы СО и NH принадлежат разным молекулам. На рис.2 приведена структура комплекса 1,1,1,3,3,3-гексафтор-2-пропанол - фрагмент спиральной структуры фиброина с водородной связью между группой OH растворителя и группой C=O полипептида (схема I).

При взаимодействии 1,1,1,3,3,3 -гексафтор-2-пропанола с аминокислотным остатком серина возможно образование одновременно двух водородных связей, в которых участвует как атом водорода, так и атом кислорода группы OH растворителя. Дополнительная Н-связь образуется между кислородом гидроксила растворителя и водородом группы ОН остатка серина (схема II, рис.3).

В табл. 1 приведены основные геометрические параметры модели фиброина в а-спиральной конформации и их изменения при образовании сольватных комплексов с молекулой 1,1,1,3,3,3-гексафтор-2-пропанола по схемам I и II.

Взаимодействие модели фиброина с 1,1,1,3,3,3 -гексафтор-2-пропанолом вызывает изменения торсионного угла пептидной группировки: группа СО разворачивается, чтобы образовать связь с атомом водорода группы ОН растворителя, и при этом удлиняется, сохраняя внутримолекулярную связь NH···OC. Наименьшие изменения геометрии макромолекул имеют место при образовании комплекса растворителя с аминокислотным остатком серина (схема II). Изменение энергии при образовании комплексов, в зависимости от схемы, составляет -(20.8-21.7) кДж/моль. В приведенных комплексах можно видеть, что взаимодействие
1,1,1,3,3,3-гексафтор-2-пропанола с моделью фиброина не приводит к разрыву внутримолекулярной связи C=0---H-N полипептида. При сольватации фиброина увеличиваются по абсолютному значению положительный заряд атома углерода и отрицательный заряд атома кислорода группы СО, участвующей в образовании Н-связи с растворителем (табл.2). Этим можно объяснить стабилизирующую роль 1,1,1,3,3,3 -гексафтор-2-пропанола по отношению к α-спиральной конформации макромолекул полипептидов.

Структура сольватного комплекса 1,1,1,3,3,3-гексафтор-2-пропанол - модель P-структуры фиброина из двух связанных межмолекулярными Н-связями макромолекул приведена на рис.4.

Изменение энергии при образовании комплекса значительно меньше по сравнению с комплексом 1,1,1,3,3,3- гексафтор-2-пропанол - α-спираль, составляя -11.7 кДж/моль. Как и в комплексе с α-спиралью, растворитель образует Н-связь с группой СО модели фиброина, при этом сохраняются характерные для β-складчатой структуры фиброина межмолекулярные водородные связи C=O---H-N. Изменения геометрических параметров модели полипептида минимальны.

Таким образом, становится понятным отсутствие растворяющей способности 1,1,1,3,3,3-гексафтор-2-пропанола по отношению к упорядоченной складчатой форме фиброина. В раствор можно перевести макромолекулы только при условии разрушения межмолекулярных связей, чего не происходит при взаимодействии с растворителем β-складчатой структуры полипептида. В спиральной же структуре полимера межмолекулярные Н-связи практически отсутствуют, а сохранение внутримолекулярных связей не препятствует их переводу в раствор. Поляризация внутри- и межмолекулярных связей в α-структуре фиброина при взаимодействии с 1,1,1,3,3,3 -гексафтор-2-пропанолом является причиной стабилизирующего действия растворителя на а- спиральную структуру макромолекул.

• Полуэмпирическим квантово-химическим методом РМ3 проведен анализ параметров и структуры сольватных комплексов моделей биополимера фиброина с органическим растворителем 1,1,1,3,3,3-гексафтор-2-пропанолом.
• В качестве модели упорядоченных участков фиброина использован гексапептид H[-Ser-Gly-Ala-Gly-Ala-Gly-]H.

Исследования выполнены при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант№ 06-08-00278).