Ο ρόλος των διαλυτών στη διαμόρφωση των πεπτιδίων: μελέτη της αλληλεπίδρασης του Η2Ο και του DMSO με ενώσεις μοντέλα, αμινοξέα και παράγωγά τους

Abstract

In this doctorate thesis four biomolecule groups’ hydration numbers: the amino acids’, the acetyl amino acids’, the betaines’ and dipeptides’ were investigated by nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR) in conjunction with density functional theory (DFT) calculations. Furthermore, all interactions between peptides and dimethyl sulfoxide’s molecules were identified in detail (by NMR spectroscopy and ab initio calculations).In particular, hydration studies were based on the 13Cα nuclei dipolar relaxation of all under study biomolecules and on the 14N nuclei quadrupolar relaxation of acetyl amino acids and betaines only, in acid and neutral pH (except for dipeptides’ hydration studies, which focused on their zwitterionic form, neutral pH). In addition, spectroscopic results were compared / validated with / by DFT calculations for the identification of the first hydration shell of certain prototype molecules namely, Alanine, acetyl Alanine, Alanine betaine and Alanine Alanine dipeptide. Spectroscopic results of amino acids and acetyl amino acids showed that their hydration degree consists of the same number of interacting water molecules, while their protonated form (acid pH) is more hydrated by one water molecule in comparison with the neutral pH form. Betaines’ hydration degree remains constant and independent of their ionization state, while betaines interact with 1 2 or 2 3 less water molecules than neutral pH and protonated forms of amino acids / acetyl amino acids. The above betaines’ hydration results revealed that amino group “controls” amino acids and acetyl amino acids extra hydration in their protonated forms. All spectroscopic results came into perfect agreement with DFT calculations of Alanine’s and their derivatives’ hydration studies and they revealed (taking into consideration recent hydration studies of glycine betaine) that neural pH forms of amino acids / acetyl amino acids and betaines directly interact with an average of 6 and 4 water molecules, respectively.The study of peptides’ interactions with DMSO molecules focused on COOH and NH groups of peptides (model compounds were used) and revealed that DMSO molecules form very strong hydrogen bonds (their energy ranged between 8 to 9 kcal/mol) with the above study peptide’s groups, while the thermodynamic study of the above intermolecular interactions ( COOH. . .DMSO and NH. . .DMSO) revealed that they are entropically favored

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματοποιήθηκε η μελέτη ενυδάτωσης τεσσάρων σημαντικών βιομοριακών ομάδων: των αμινοξέων, των ακετυλο αμινοξέων, των βεταϊνών και των διπεπτιδίων, με χρήση της φασματοσκοπίας πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού (ΝΜR) σε συνδυασμό με υπολογισμούς των συναρτησιοειδών ηλεκτρονιακής πυκνότητας (DFT) και η αναλυτική μελέτη (ΝΜR και ab initio υπολογισμοί) του συνόλου των αλληλεπιδράσεων που αναπτύσσονται μεταξύ ενώσεων μοντέλων μιμητών των πεπτιδίων με τα μόρια του διαλύτη διμεθυλο σουλφοξειδίου (DMSO).Συγκεκριμένα, η μελέτη ενυδάτωσης πραγματοποιήθηκε μέσω της πυρηνικής αποκατάστασης των πυρήνων 13Cα όλων των παραπάνω βιομορίων και των πυρήνων 14Ν των ακετυλο αμινοξέων και βεταϊνών σε υδατικά διαλύματα όξινου και ουδέτερου pH (εκτός των διπεπτιδίων που μελετήθηκαν μόνο σε ουδέτερο pH). Παράλληλα, αποπειράθηκε η σύγκριση / επαλήθευση των φασματοσκοπικών δεδομένων με την θεωρητική μελέτη ενυδάτωσης, μέσω της μεθόδου DFT, της αλανίνης, ακετυλο αλανίνης, βεταΐνης της αλανίνης και του διπεπτιδίου αλανίνη αλανίνη. Έτσι διαπιστώθηκε πως ο βαθμός ενυδάτωσης των αμινοξέων και ακετυλο αμινοξέων αποτελείται από τον ίδιο αριθμό μορίων νερού, ενώ η πρωτονιομένη ιοντική κατάσταση των αμινοξέων / ακετυλο αμινοξέων αλληλεπιδρά με ένα επιπλέον μόριο νερού σε σχέση με αυτή του ουδέτερου pH. Επιπλέον, απεδείχθη ότι ο βαθμός ενυδάτωσης των βεταϊνών παραμένει σταθερός ανεξαρτήτως της ιοντικής τους κατάστασης, ενώ παράλληλα διαπιστώθηκε ότι τα μόρια των βεταϊνών ενυδατώνονται κατά 1 2 και 2 3 μόρια νερού λιγότερο από την ουδέτερου και όξινου pH ιοντική κατάσταση των αμινοξέων / ακετυλο αμινοξέων αντίστοιχα. Επιπροσθέτως, η μελέτη ενυδάτωσης των βεταϊνών οδήγησε στο συμπέρασμα ότι η επιπλέον ενυδάτωση των πρωτονιομένων αμινοξέων / ακετυλο αμινοξέων «ελέγχεται» από την αμινομάδα τους. Όσον αφορά τα διπεπτίδια, εξακριβώθηκε ότι η διπολικού ιόντος κατάστασή τους αλληλεπιδρά με 1 2 μόρια νερού περισσότερο απ’ ότι η αντίστοιχη των αμινοξέων. Όλα τα φασματοσκοπικά δεδομένα είναι σε συμφωνία με την αντίστοιχη θεωρητική μελέτη ενυδάτωσης της αλανίνης και των παραγώγων της, ενώ διαπιστώθηκε (και με την χρήση επιπλέον βιβλιογραφικών δεδομένων) πως ο μέσος όρος των άμεσα αλληλεπιδρώντων μορίων νερού της ουδέτερου pH κατάστασης των αμινοξέων / ακετυλο αμινοξέων είναι 6 και των βεταϊνών 4.Η αντίστοιχη μελέτη αλληλεπίδρασης των μορίων DMSO με τα πεπτίδια επικεντρώθηκε στις ομάδες –COOH και –ΝΗ των πεπτιδίων και πραγματοποιήθηκε με τη χρήση ενώσεων μοντέλων που προσομοιάζουν τα πεπτιδικά μόρια. Έτσι, διαπιστώθηκε πως ο διαλύτης DMSO αλληλεπιδρά με πολύ ισχυρούς δεσμούς υδρογόνου (ενέργειας ~8 9 kcal/mol) με τις συγκεκριμένες ομάδες, ενώ παράλληλα απεδείχθη ότι η συμπλοκοποίηση των μορίων DMSO με τις εν λόγω ομάδες καθοδηγείται εντροπικώς.