Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Проект посвящен изучению специфических взаимодействий оснований нуклеиновых кислот как составных фрагментов РНК и ДНК с пептидами, которые лежат в основе биохимических процессов синтеза протеинов с заданной последовательностью аминокислот. Задачей проекта является анализ баланса межмолекулярных взаимодействий различного типа в зависимости от химической структуры пептида. В результате выполнения первого этапа проекта на основе калориметрических данных установлено образование комплексов нуклеиновых оснований с пептидами со стехиометрией 1:1. Впервые получены термодинамические характеристики комплексообразования оснований нуклеиновых кислот (урацила и цитозина) с пептидами, принимающими при физиологическом значении pH=7.4 цвиттер-ионную или анионную форму, и содержащие в боковой цепи различные гидрофобные или гидрофильные группы (метильную, гидроксифенильную, пропановой кислоты, тиольную). Изученный ряд пептидов включает: аланил-аланин, аланин-тирозин, глицил-глутаминовую кислоту, гамма-глутамил-цистеил-глицин (глутатион). Обнаружена зависимость констант комплексообразования от способности карбоксильной и протонированной аминогруппы пептидов к кислотной диссоциации как характеристики акцепторной и донорной способности этих групп к водородному связыванию. Соотношение энтальпийного и энтропийного вкладов в процессе комплексообразования значительно изменяется в зависимости от структуры пептида. Выполненные денсиметрические измерения позволили изучить изменение объемных характеристик урацила (концентрационные и стандартные значения кажущегося молярного объема) в фосфатно-солевом буфере при добавках пептидов - глицил-L-тирозина и глицил-L-глутаминовой кислоты, в интервале температур 288-313 К. Концентрационные зависимости кажущегося молярного объема урацила имеют максимум, положение которого подтверждает образование комплексов со стехиометрией 1:1. Установлено, что стандартный кажущийся молярный объем нейтрального урацила возрастает при комплексообразовании с цвиттер-ионами или анионами пептидов. Анализ изменений объемных характеристик в рамках модели перекрывающихся гидратных сфер показал, что положительный вклад электростатического взаимодействия и водородного связывания заряженных групп пептидов с полярными группами урацила доминирует над отрицательным вкладом от частичной дегидратации и гидрофобного взаимодействия. На основании вычисленных значений второй производной кажущегося молярного объема урацила по температуре при постоянном давлении показано возрастание упорядоченности растворителя в окружении урацила при добавках пептидов, что может быть связано с блокированием его полярных групп за счет водородного связывания с амино- и карбоксилатной группой пептидов. Добавки более гидрофобного пептида оказывают более сильный структурирующий эффект. Квантово-химическое моделирование комплексов цитозина и урацила с анионами глицил-L-глутаминовой кислоты и цвиттер-ионами глицил-тирозина позволило выявить важные детали механизма взаимодействия оснований нуклеиновых кислот с пептидами. Доказано образование водородных связей между пептидами и основаниями нуклеиновых кислот. Каждый ион пептида образует 2 Н-связи с молекулой нуклеинового основания, в случае урацила возможно образование 3 Н-связей. Длины Н-связей составляют от 1.54 до 1.99 ангстрем. Выделены центры водородного связывания в молекулах пептидов и нуклеиновых оснований. Общим мотивом в структуре всех изученных комплексов является образование циклических фрагментов («хелатов»), в которых пептиды выступают как полидентатные лиганды по отношению к нуклеиновому основанию.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Проект посвящен изучению специфических взаимодействий оснований нуклеиновых кислот как составных фрагментов РНК и ДНК с пептидами в среде буферного солевого раствора. На основе калориметрических данных установлено образование комплексов урацила, тимина и цитозина с пептидами с пептидами: глицил-глицином (неразветвленной структуры), аланил-глутамином (заблокирована одна из кислотных карбоксильных групп), глицил-фенилаланином (ароматический фрагмент в боковой цепи). Впервые получены термодинамические характеристики комплексообразования оснований нуклеиновых кислот с пептидами. Показано, что в отличие от комплексов с мономерными аминокислотами характеристики комплексообразования нуклеиновых оснований с пептидами не проявляют закономерной связи с зарядом и константами кислотной диссоциации пептида, что связано с реализацией многоцентровых взаимодействий в их комплексах. Найдена зависимость изменения энергии Гиббса в реакции комплексообразования пептидов с урацилом и цитозином от числа центров Н-связывания. Величины ΔG возрастают при увеличении числа центров в пептиде от 7 до 9, дальнейшее увеличение числа центров до 12 не вызывает монотонного роста величин, что связано с увеличением числа образуемых Н-связей пептида с нуклеиновым основанием и достижением максимума возможных связей между пептидом и нуклеиновым основанием. Найдена закономерная зависимость изменения энтропии в процессе комплексообразования с показателем гидрофобности пептида Log P´ в ряду от GluCysGly к GlyPhe, что согласуется с моделью перекрывающихся гидратных сфер. Выполненные денсиметрические измерения позволили изучить изменение объемных характеристик урацила в фосфатно-солевом буфере при добавках пептидов - глицил-глицина и глицил-L-фенилаланина в фосфатно-солевом буфере, в интервале температур 288-313 К, которые являются чувствительными к тонким изменениям в структуре гидратной оболочки нуклеинового основания. Концентрационные зависимости кажущегося молярного объема урацила имеют максимум, положение которого подтверждает образование комплексов с пептидами со стехиометрией 1:1. Установлено, что стандартный кажущийся молярный объем нейтрального урацила возрастает при комплексообразовании с цвиттер-ионами пептидов. Анализ изменений объемных характеристик в рамках модели перекрывающихся гидратных сфер показал усиление эффекта упорядоченности гидратной оболочки урацила при добавках пептидов, а также зависимость стандартных объемов переноса урацила и объемных коэффицентов парного взаимодействия урацил – пептид от гидрофобности пептида. При добавках пептида GlyGly с наименьшим показателем гидрофобности из изученного ряда (Log P´ = -3.10) значения стандартных объемов переноса урацила и объемных концентрационных коэффициентов парного взаимодействия увеличиваются с ростом температуры от 288 до 313 К, что указывает на доминирование взаимодействий между гидрофильными полярными и заряженными группами урацила и пептида. При добавках наиболее гидрофобного пептида GlyPhe (Log P´ = -1.50) эти величины, напротив, убывают с ростом температуры, что характерно для взаимодействий между гидрофобными группами. Квантово-химическим методом B97D / 6-311++G** выполнено моделирование комплексов урацила, тимина и цитозина с трипептидом – трехполярным анионом гамма-глутамил-цистеил-глицина (глутатиона) в сравнении с ранее изученными комплексами дипептидов. Анализ структуры и параметров критических точек показал, что комплексы стабилизированы водородными связями. Удлинение длины цепи в трипептиде по сравнению с дипептидами приводит к возрастанию числа потенциальных центров Н-связывания, в комплексах с цитозином обнаружено образование 4 межмолекулярных Н-связи длиной 1.6 – 1.9 Å. Кроме Н-связей с концевыми заряженными группами (амино- и карбоксилатной), реализуются связи с NH группой пептидного фрагмента, расположенного в середине цепи.