Свойства белок-пигментного комплекса определяются входящим в его состав пигментом и способом его координации в активном центре. В случае каротенопротеинов, конфигурация сайта связывания пигмента зависит от конформационной динамики каротиноида в их составе. Один из вариантов изменения конформации каротиноида – переход его иононового кольца между различными вариантами неплоской структуры – паккерными состояниями (от англ. to pucker – «морщиться»). В нашем исследовании в рамках методов молекулярного моделирования была исследована конформационная динамика пяти различных каротиноидов.

Объектами исследования были выбраны иононовые кольца астаксатина (AST), бета-каротина (BCT), кантаксантина (CAN), лютеина (LUT) и зеаксантина (ZEA). Энергии паккерных состояний были рассчитаны в рамках метода молекулярной динамики с использованием пакета GROMACS. Длительность симуляции составила 1 мкс для каждого каротиноида. В результате для исследованного ряда каротиноидов охарактеризованы энергетические профили паккерных состояний (паккерные карты). Было показано, что барьер перехода между энергетическими минимумами для иононовых колец, содержащих два sp2-гибридных атома углерода (BCT, LUT, ZEA) вдвое ниже, чем для иононовых колец AST и CAN, содержащих по три sp2-гибридных атома углерода. Для AST показано снятие энергетического вырождения для двух паккерных состояний, обусловленное образованием внутримолекулярной водородной связи.

Для каждого паккерного состояния, в рамках методов вычислительной квантовой химии с использованием пакета ORCA, были построены профили потенциальной энергии вращения вокруг С6 – С7 и С6’ – C7’ связей. Показана значительная модификация соответствующих профилей в зависимости от паккерного состояния боковой циклической группы.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-74-00012 (https://rscf.ru/project/22-74-00012/).



Литература

1. Cremer, D. and Pople, J.A. (1975) General Definition of Ring Puckering Coordinates. Journal of the American Chemical Society, 97, 1354-1358.

2. Пакет программ GROMACS URL: https://www.gromacs.org/

3. Пакет программ ORCA 4.1 URL: https://orcaforum.kofo.mpg.de/

The properties of the protein-pigment complex are determined by the pigment included in its composition and the way it is coordinated in the active center. In case of carotenoproteins, the configuration of the pigment binding site depends on the conformational dynamics of the carotenoid in their composition. One of the ways of changing the conformation for a carotenoid is the transition of its iononic ring between different variants of a non–planar structure – puckering states. In our study, the conformational dynamics of five different carotenoids was investigated within the framework of molecular modeling methods.

The iononic rings of astaxanthin (AST), beta-carotene (BCT), canthaxanthin (CAN), lutein (LUT) and zeaxanthin (ZEA) were selected as the objects of the study. The energies of puckering states were calculated within the molecular dynamics method using the GROMACS package. The duration of the simulation was 1 microsecond for each carotenoid. As a result, the energy profiles of puckering states (puckering maps) were characterized for the studied series of carotenoids. It has been shown that energy barrier for transition between two local minima for iononoic rings containing two sp2 hybrid carbon atoms (BCT, LUT, ZEA) is twice lower than for iononic rings of AST and CAN containing three sp2 hybrid carbon atoms. For AST, the removal of energy degeneracy for two puckering states due to the formation of an intramolecular hydrogen bond is shown.

For each puckering state, within the framework of computational quantum chemistry methods using the ORCA package, profiles of the potential energy of rotation around C6 – C7 and C6’ – C7’ bonds were constructed. A significant modification of the corresponding profiles depending on the puckering state of the lateral cyclic group is shown.

The research was funded by the Russian Science Foundation, grant number 22-74-00012 (https://rscf.ru/project/22-74-00012/).



References

1. Cremer, D. and Pople, J.A. (1975) General Definition of Ring Puckering Coordinates. Journal of the American Chemical Society, 97, 1354-1358.

2. GROMACS package URL: https://www.gromacs.org/

3. ORCA package 4.1 URL: https://orcaforum.kofo.mpg.de/