Взаимодействие белков с ионами металлов играет важнейшую роль в их функционировании в организме. Активные центры многих белков содержат ион металла. Кроме того, ионы металлов могут нарушать структуру белков, провоцируя их агрегацию, что влечёт за собой патологические процессы вплоть до амилоидоза. Целый ряд нейродегенеративных патологий (например, болезни Альцгеймера, Паркинсона, прионные болезни) относятся к конформационным болезням, их причиной является нарушение процессинга ряда нейрональных белков, приводящее к нарушению их конформации, необратимому комплексообразованию и накоплению в клетке в виде токсичных нерастворимых амилоидных фибрилл и более крупных агрегатов (бляшек) [1]. Патогенные комплексы самоорганизуются за счет гидрофобных взаимодействий, образуя характерную кросс-β-структуру, состоящую из β-слоев, направленных перпендикулярно оси фибриллы [2]. Существуют данные о том, что ионы переходных металлов, которые обладают высоким сродством к пептидам и белкам, могут при связывании с ними индуцировать образование межмолекулярных бета-слоев [1]. В этой связи изучение структуры белка при комплексообразовании с ионами металлов может послужить толчком для разработки методов профилактики и лечения конформационных болезней.

Сывороточный альбумин (СА) – наиболее распространенный водорастворимый белок в организме млекопитающих, составляющий около 60% белков плазмы крови. Он является главным транспортировщиком множества низкомолекулярных лигандов и регулятором осмотического давления крови. Он широко используется как модельный глобулярный белок благодаря своей доступности. В данной работе проведено исследование влияния ряда двухвалентных ионов металлов (Mg2+, Mn2+, Cu2+, Co2+) на структуру СА человека. Изучение вторичной структуры проводили методом ИК Фурье спектроскопии на приставке НПВО с анализом полосы Амид I. О состоянии третичной структуры белковой глобулы судили по спектрам УФ поглощения, собственной флуоресценции СА, а также определяли дзета-потенциал молекул белка в растворе.

Обнаружено, что взаимодействие ЧСА с ионами Mg2+ происходит под действием электростатических сил и достигает насыщения при соотношении [Mg2+]:[ЧСА] = 1000, при этом структура белка не нарушается. Взаимодействие HSA c ионами марганца и кобальта не вызывает нарушений третичной структуры белка, однако Mn2+ способен образовывать координационные связи, и, вероятно, провоцировать образование бета-слоев.

Наиболее существенные изменения структуры белка наблюдаются в растворах, содержащих ионы меди. При малом содержании Cu2+ вторичная структура HSA не отличается от нативной. При соотношении [Cu2+]:[ЧСА]=1:1 наблюдается частично обратимая агрегация белка в растворе, при этом вторичная структура ЧСА не нарушается как для белка, обнаруженного в осадке, так и для белка в растворе. Дальнейшее повышение концентрации меди [Cu2+]:[ЧСА]=2:1 приводит к резкому нарушению вторичной структуры белка: содержание альфа-спиралей снижается, причём белок, находящийся в растворе, показывает большее содержание альфа-спиралей, чем белок, находящийся в осадке.

Потенциал диффузного слоя молекул ЧСА весьма чувствителен к ионному окружению белка. В водном растворе при нейтральном pH дзета-потенциал HSA равен приблизительно –40мВ [3]. При добавлении соли в раствор преимущественно происходит взаимодействие HSA с катионами, в результате чего отрицательный дзета-потенциал белка уменьшается по модулю. При взаимодействии с двухвалентными ионами магния заряд альбумина приближается к нулю при соотношении концентраций [Mg2+]:[ЧСА]=1000, и при этом не происходит нарушения структуры белка. Исследование систем, содержащих ионы марганца, в данной работе проведено до соотношения концентраций [Mn2+]:[ЧСА] = 50 и при этих соотношениях изменение плотности заряда на молекуле ЧСА в присутствии ионов марганца происходит аналогично наблюдаемому в присутствие ионов магния, но менее ярко выражено. Взаимодействие ЧСА с Cu2+ приводит к изменению знака заряда белка. Дзета-потенциал равный нулю достигается при соотношении 1:1. Это соотношение соответствует росту поглощения и рассеяния и уменьшению интенсивности флуоресценции ЧСА. Дальнейший рост концентрации ионов меди приводит к появлению положительного заряда на поверхности ЧСА, а в спектрах поглощения наблюдается уменьшение рассеяния, то есть растворимость белка снова повышается. Перезарядка молекул альбумина свидетельствует об образовании прочного комплекса с катионами меди. Таким образом, ионы меди образуют сильную координационную связь с сывороточным альбумином.



Часть исследований проведена с использованием оборудования ресурсного центра Научного парка СПбГУ «Оптические и лазерные методы исследования вещества».



1. С.Н. Иллариошкин. Конформационные болезни мозга. М.: Янус-К, 2003. 248 с.

2. R.Tycko, R. B. Wickner. Molecular structures of amyloid and prion fibrils: consensus versus controversy. Acc. Chem. Res. 2013. V. 46. P. 1487–1496.

3. S.A. Tankovskaia, K.V. Abrosimova, S.V. Paston, Spectral demonstration of structural transitions in albumins, Journal of Molecular Structure, 2018, V. 1171, P. 243-252.

The interaction of proteins with metal ions plays an important role in their functioning in the organism. The active centers of many proteins contain a metal ion. In addition, metal ions can disrupt the structure of proteins, provoking their aggregation, which entails pathological processes up to amyloidosis. A number of neurodegenerative pathologies (for example, Alzheimer's, Parkinson's, prion diseases) are conformational diseases, their cause is a violation of the processing of a number of neuronal proteins, leading to a alteration of their conformation, irreversible complexation and accumulation in the cell in the form of toxic insoluble amyloid fibrils and larger aggregates (plaques) [1]. Pathogenic complexes self-organize due to hydrophobic interactions, forming a characteristic cross-β-structure consisting of β-layers directed perpendicular to the fibril axis [2]. There is evidence that transition metal ions, which have a high affinity for peptides and proteins, can induce the formation of intermolecular beta layers when bound to them [1]. In this regard, the study of the protein structure during complex formation with metal ions can serve as an impetus for the development of methods for the prevention and treatment of conformational diseases.

Serum albumin (SA) is the most abundant water-soluble protein in mammals, accounting for about 60% of plasma proteins. It is the main transporter of many low molecular weight ligands and the regulator of blood osmotic pressure. It is widely used as a model globular protein due to its availability. In this work, we studied the influence of a number of divalent metal ions (Mg2+, Mn2+, Cu2+, Co2+) on the structure of human SA. The study of the secondary structure was carried out by Fourier IR spectroscopy on an ATR attachment with the analysis of the Amide I band. The state of the tertiary structure of the protein globule was judged from the spectra of UV absorption, SA intrinsic fluorescence, and also the zeta potential of protein molecules in solution was determined.

It was found that the interaction of HSA with Mg2+ ions occurs under the action of electrostatic forces and reaches saturation at the ratio [Mg2+]:[HSA] = 1000, while the protein structure is not disturbed. The interaction of HSA with manganese and cobalt ions does not cause disturbances in the tertiary structure of the protein, however, Mn2+ is able to form coordination bonds and, probably, provoke the formation of beta layers.

The most significant changes in the protein structure are observed in solutions containing copper ions. At a low content of Cu2+, the secondary structure of HSA does not differ from the native one. At the ratio [Cu2+]:[HSA]=1:1, partially reversible protein aggregation in solution is observed, while the secondary structure of HSA is not disturbed both for the protein found in the precipitate and for the protein in solution. A further increase in the concentration of copper [Cu2+]:[HSA]=2:1 leads to a sharp violation of the secondary structure of the protein: the content of alpha-helices decreases, and the protein in solution shows a greater content of alpha-helices than the protein in the sediment.

The potential of the diffuse layer of HSA molecules is very sensitive to the ionic environment of the protein. In an aqueous solution at neutral pH, the zeta potential of HSA is approximately –40mV [3]. When salt is added to the solution, HSA interacts predominantly with cations, as a result of which the negative zeta potential of the protein decreases in absolute value. When interacting with divalent magnesium ions, the albumin charge approaches zero at the concentration ratio [Mg2+]:[HSA]=1000, and the protein structure is not disturbed. The study of systems containing manganese ions was carried out in this work up to a concentration ratio of [Mn2+]:[HSA] = 50, and at these ratios, the change in the charge density on the HSA molecule in the presence of manganese ions occurs similarly to that observed for magnesium, but less pronounced. The interaction of HSA with Cu2+ leads to a change in the sign of the protein charge. A zeta potential equal to zero is achieved at a ratio of 1:1. This ratio corresponds to an increase in absorption and scattering and a decrease in the HSA fluorescence intensity. A further increase in the concentration of copper ions leads to the appearance of a positive charge on the HSA surface, and a decrease in scattering is observed in the absorption spectra, i.e., the protein solubility increases again. The recharging of albumin molecules indicates the formation of a strong complex with copper cations. Thus, copper ions form a strong coordination bond with serum albumin.



A part of scientific research was performed at the Research park of St.Petersburg State University «Center for Optical and Laser Research».



1. S.N. Illarioshkin. Conformational diseases of the brain. M.: Janus-K, 2003. 248 p..

2. R.Tycko, R. B. Wickner. Molecular structures of amyloid and prion fibrils: consensus versus controversy. Acc. Chem. Res. 2013. V. 46. P. 1487–1496.

3. S.A. Tankovskaia, K.V. Abrosimova, S.V. Paston, Spectral demonstration of structural transitions in albumins, Journal of Molecular Structure, 2018, V. 1171, P. 243-252.