Білки та вода - Фізика твердого тіла - Технічний університет Дармштадта
Наявність гідратаційної оболонки - або, принаймні, відповідної оболонки розчинника - абсолютно необхідне для біологічної функції білків. Ми використовуємо ЯМР-експерименти та моделювання MD, щоб дослідити причину цього явища. Як відомо, виникнення складної взаємодії між динамікою білка та води має велике значення в природі. Ми досліджуємо цю взаємодію, наприклад для білків сполучної тканини еластину та колагену. Сполучна тканина виконує різноманітні функції у хребетних. Наприклад, у вигляді хряща він відповідає за розсіювання кінетичної енергії при русі живих істот. Для того, щоб отримати глибоке розуміння процесів на молекулярному рівні, аналіз температурної залежності динаміки білка та води виявляється дуже корисним. Ми також вивчаємо, як змінюються властивості білків, коли вода замінюється іншими розчинниками. Такі дослідження представляють великий інтерес, наприклад, для кріоконсервації білків.
З експериментальної сторони ми використовуємо той факт, що динаміку білка можна досліджувати за допомогою ЯМР 13C, а динаміку води - при використанні D2O - за допомогою 2H ЯМР. Результати наших експериментів ЯМР 13C показують, що наявність гідратної оболонки дійсно необхідна для активації динаміки еластину. Однак підвищена рухливість гідрованого білка зникає, коли він охолоджується приблизно до 200 К. У літературі ведеться жвава дискусія щодо того, чи викликані ці зміни в динаміці білка змінами в динаміці води. Крім того, наші дані ЯМР 13C показують, що рухливість білка знижується, коли вода замінюється розчинником з більшою в'язкістю.
Оскільки гідратаційна вода не замерзає, динаміку рідини можна спостерігати в широкому діапазоні температур. Зокрема, можна отримати знання про поведінку переохолодженої води в діапазоні температур, який недоступний для об'ємної рідини через кристалізацію. Результати наших експериментів ЯМР 2Н показують, що динаміка гідратації води характеризується розподілом часів кореляції, що поширюється на кілька порядків. Тому є виражені динамічні неоднорідності. Ми також виявляємо, що рух води гідратації розвиває анізотропію, коли вона охолоджується в районі 200 К. Це свідчить про те, що нижче цієї температури далекобійна дифузія води, яку можна виявити при більш високих температурах методами градієнта поля, стає місцевим рухом води на експериментальній шкалі часу.
На основі наших даних моделювання стає зрозумілим, що при охолодженні на поверхнях білків еластину та колагену формується дедалі чіткіша мережа водневих містків, тобто частка молекул води, які мають рівно чотири водневі зв’язки, збільшується. Одночасно відбувається зменшення амплітуди руху білка та зміна механізму динаміки води від обертальної дифузії до обертальних стрибків навколо тетраедричного кута. Ці результати моделювання ілюструють, з одного боку, взаємодію між структурою та динамікою на молекулярному рівні, а з іншого боку, взаємодію між динамікою білка та води в сполучній тканині.
Дармштадтський технологічний університет
Фізика твердого тіла