Анотація до роботи:

Борискіна О.П. Енергії водневих зв’язків, що стабілізують конформацію гідратованих колагенових структур. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 03.00.02 - біофізика. – Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна, м. Харків, 2007.

У роботі вивчені енергетичні характеристики водневих зв’язків, що приймають участь у стабілізації конформації потрійної спіралі гідратованих колагенових структур, зокрема модельного колагенового політрипептиду , колагену I типу та мінералізованого колагену I типу. Робота виконана з використанням комплексу експериментальних методів (ІЧ та Раман спектроскопії, п’єзогравіметрії, диференціальної КВЧ діелектрометрії), а також розробленого алгоритму чисельного аналізу частотних характеристик валентних коливань карбонільних груп колагену. Розрахована тонка структура смуги Амід I в ІЧ та Раман спектрах модельних колагенових політрипептидів та виконані віднесення компонент смуги Амід I в експериментальних спектрах та колагену I типу. Вивчені та описані конформаційні перебудови потрійної спірали колагенових структур, що викликані гідратацією. Визначені величини ентальпії гідратації. Знайдено, що мінералізація колагену гідроксиапатитом призводить до часткового закриття центрів гідратації колагену та блокує формування зовнішнього шару гідратної оболонки потрійної спіралі, а також призводить до змін конформації колагену. Вперше експериментально та теоретично визначені величини ентальпії пептид-пептидних водневих зв’язків в політрипептиді та колагені I типа. Знайдено співвідношення енергетичних внесків пептид-пептидних водневих зв’язків та гідратації в ентальпію нативної потрійної спіралі.

У дисертаційній роботі зроблено внесок у вирішення важливої проблеми в області молекулярної біофізики – визначення фізичних механізмів стабілізації потрійної спіралі колагенового типу у водному оточенні. На основі аналізу експериментальних даних, що були отримані за допомогою спектроскопічних (ІЧ та Раман спектроскопія) методів, п’єзогравіметрії, КВЧ діелектрометрії, та теоретичних розрахункі, були визначені енергії водневих зв’язків різних типів та співвідношення їх внесків у стабілізацію нативної конформації колагенових структур, зроблено аналіз структури гідратної оболонки потрійної спіралі та описані взаємозв’язки між утворенням гідратної оболонки та формуванням нативної конформації колагену. Отримані результати суттєво поглиблюють уявлення про механізми взаємодії у системі колаген-вода та колаген-гідроксиапатит-вода та відкривають нові можливості для використання колагену у медицині та біології.

Основні результати та висновки, отримані в даній роботі, можна сформулювати таким чином:

1. Розроблено та апробовано новий метод чисельного аналізу частотних характеристик валентних коливань карбонільних груп у колагенових структурах з урахуванням динамічних резонансних взаємодій електричних коливальних моментів переходу. Обчислено частоти компонент тонкої структури смуги Амід I в ІЧ та Раман спектрах модельних колагенових політрипептидів з різним амінокислотним складом. Виконано віднесення компонент смуги Амід I в експериментальних ІЧ та Раман спектрах модельного політрипептиду та колагену I типу до відповідних валентних коливань. Раман спектри розчину політрипептиду у оксиді дейтерію одержані вперше.

2. Методами п’єзогравіметрії та ІЧ спектроскопії установлено, що внутрішній шар гідратної оболонки , чистого та мінерализованого колагену вміщує відповідно 2,5±0,1, 3,2±0,1 і 2,0±0,1 моль Н₂О/моль , ці молекули води сорбуються за законами Лєнгмюра та Генрі та формують водневі зв’язки з С=О і N–H групами потрійної спіралі. Вперше показано, що гідратна оболонка чистого колагену в водному розчині містить 8,8±1,0 моль Н₂О/моль . Обчислено ентальпії гідратации , чистого і мінералізованого колагену, що становлять відповідно –10,9, –12,2 і –10,6 кДж/моль .

3. Методом ІЧ спектроскопії докладно досліджено конформаційні перебудови потрійної спіралі колагену, що викликаються формуванням його гідратної оболонки та супроводжуються зміцненням прямих пептид-пептидних водневих зв’язків. Показано, що нативна конформація колагену формується в умовах повного заповнення внутрішнього шару його гідратної оболонки, та часткового заповнення зовнішнього шару.

4. Виявлено, що мінералізація колагену гідроксиапатитом призводить до часткового закриття центрів гідратації колагену та блокує формування зовнішнього шару гідратної оболонки потрійної спіралі, а також викликає зміни конформації колагену.

5. Вперше одержано величини ентальпії пептид-пептидних водневих зв’язків у політрипептиді та колагені I типу, які дорівнюють –7,6±1,0 та –6,0±1,0 кДж/моль , відповідно.

6. Розраховано співвідношення енергетичних внесків пептид-пептидных водневих зв’язків та гідратації у ентальпію нативної потрійної спіралі, воно дорівнює 1:2 у колагена, и 1:1,4 у .

Публікації автора:

1. Мележик Е.П., Семенов М.А. Резонансные взаимодействия карбонильных колебаний в коллагеновых структурах // Вісник ХНУ № 606. - Біофізичний вісник. – 2003. - Вип. 13. - С.62-68.

2. Мележик Е.П., Семенов М.А., Иванов А.Ю. Исследование тонкой структуры полосы Амид I ИК-Фурье спектра коллагена // Вісник ХНУ № 665.- Біофізичний вісник. – 2005. - Вип. 15. – С.62-67.

3. Борискина Е.П., Больбух Т.В., Семенов М.А. Валентные колебания карбонильных групп в Раман спектрах коллагена и : расчет и эксперимент // Вісник ХНУ № 716. - Біофізичний вісник. - 2005. –Вип. 16. - С. 5-9.

4. Борискина Е.П., Больбух Т.В., Семенов М.А., Малеев В.Я.. Физические факторы стабильности трехспиральных структур колагенового типа // Біополімери та клітина. – 2006. – Т. 22, № 6. – C. 458-467.

5. Boryskina O.P., Bolbukh T.V., Semenov M.A., Gasan A.I., Maleev V.Ya. Energies of peptide-peptide and peptide-water hydrogen bonds in collagen: evidences from infrared spectroscopy, quartz piezogravimetry and differential scanning calorimetry // J. Mol. Struct. – 2007. – Vol. 827. – P. 1-10.

6. Мележик Е.П., Семенов М.А. Резонансные взаимодействия карбонильных колебаний в коллагеновых структурах // Сб. тезисов докладов 3-й Харьковской конференции молодых ученых "Радиофизика и СВЧ Электроника". - Харьков (Украина). – 2004. – С. 28-29.

7. Мележик Е.П., Семенов М. А. Исследование динамического резонансного взаимодействия карбонильных колебаний в модельной коллагеновой структуре [(PRO-PRO-GLY)₁₀]₃ // Зб. тез доповідей конференції молодих вчених "Фізика низьких температур". Харків (Україна). – 2004. – С. 11.

8. Мележик Е.П., Семенов М. А. Резонансные взаимодействия карбонильных колебаний в модельной коллагеновой структуре [(PRO-PRO-GLY)₁₀]₃ // Зб. тез доповідей І Української наукової конференції "Прoблеми біологічної і медичної фізики". – Харків (Україна). – 2004. – С. 74.

9. Мележик Е.П., Семенов М.А. Расчет тонкой структуры полосы Амид I в ИК – спектре коллагена с учетом резонансного взаимодействия карбонильных колебаний // Сб. тезисов докладов 4-й Харьковской конференции молодых ученых "Радиофизика и СВЧ Электроника". – Харьков (Украина). – 2004. – С. 32-33.

10. Мележик Е.П. Исследование межпептидной водородной связи в коллагеновых структурах // Сб. тезисов докладов 5-й Харьковской конференции молодых ученых "Радиофизика и СВЧ Электроника". – Харьков (Украина). – 2005. – С. 18.

11. Борискина Е.П. Расчет тонкой структуры полосы Амид I в Раман спектрах и коллагена // Сб. тезисов докладов II-й Всеукраинской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Актуальные вопросы теоретической и прикладной физики и биофизики» Физика. Биофизика. - 2006“. - Севастополь (Украина). - 2006. - С.87-89.

12. Boryskina O.P., Semenov M.A. Peptide-peptide and peptide-water hydrogen bonds in collagen: estimation of energies on the basis of IR spectroscopy, quartz piezogravimetry and differential scanning calorimetry // Proc. III-th International Conference on Hydrogen Bonding and Molecular Interactions. - Kyiv (Ukraine). - 2006. - P. 34.

13. Boryskina O.P., Bolbukh T.V., Semenov M.A. Factors of stabilization of collagen structures: quantitative estimations of energies of peptide-peptide and peptide-water hydrogen bonds // Proc. Workshop on the Structure and Functions of Biomolecules II. - Bedlewo (Poland). - 2006. - P. 54.

14. Борискина Е.П., Семенов М.А., Больбух Т.В., Суходуб Л.Б. Влияние минерализации на формирование гидратной оболочки тройной спирали коллагена // Сб. тезисов докладов 6-й Харьковской конференции молодых ученых "Радиофизика и СВЧ Электроника". – Харьков (Украина). – 2006. – С. 35.

15. Борискина Е.П., Семенов М.А., Больбух Т.В., Суходуб Л.Б. Oсобенности гидратации и конформационных переходов чистого и минерализованного коллагена // Зб. тез IV з’їзду Українського біофізичного товариства. – Донецьк (Україна). - 2006. – С. 275-276.