Протеини и вода

Наличието на хидратираща обвивка - или поне подходящ разтворител - е абсолютно необходимо за биологичната функция на протеините. Използваме ЯМР експерименти и MD симулации, за да изследваме причината за това явление. Както е известно, възникването на сложна взаимовръзка между динамиката на протеина и водата е от голямо значение в природата. Ние изследваме това взаимодействие, напр. за протеините на съединителната тъкан еластин и колаген. Съединителната тъкан изпълнява различни функции при гръбначните животни. Например, под формата на хрущял, той е отговорен за разсейването на кинетичната енергия при движението на живите същества. За да се получи основно разбиране на процесите на молекулярно ниво, анализът на температурната зависимост на динамиката на протеините и водата се оказва много полезен. Ние също така изучаваме как свойствата на протеините се променят, когато водата се заменя с други разтворители. Такива изследвания са напр. от голям интерес за криоконсервацията на протеини.

От експериментална страна, ние се възползваме от факта, че динамиката на протеините може да бъде изследвана с помощта на 13C NMR и динамиката на водата - когато се използва D2O - с помощта на 2H NMR. Резултатите от нашите 13C ЯМР експерименти показват, че наличието на хидратираща обвивка наистина е необходимо за активиране на динамиката на еластина. Въпреки това, повишената подвижност на хидрогенирания протеин изчезва, когато се охлади до около 200 К. В литературата се води оживена дискусия дали тези промени в динамиката на протеините се предизвикват от промени в динамиката на водата. Освен това, нашите 13C ЯМР данни показват, че подвижността на протеина се намалява, когато водата се замени с разтворител с по-висок вискозитет.

Тъй като хидратационната вода не замръзва, динамиката на течността може да бъде проследена в широк температурен диапазон. По-специално могат да се получат знания за поведението на преохладената вода в температурен диапазон, който не е достъпен за насипната течност поради кристализация. Резултатите от нашите 2H ЯМР експерименти показват, че динамиката на хидратационната вода се характеризира с разпределение на времената на корелация, което се простира в рамките на няколко порядъка. Следователно има изразени динамични разнородности. Откриваме също, че движението на хидратационната вода развива анизотропия, когато се охлади в близост до 200 К. Това е индикация, че под тази температура една далечна дифузия на водата, която може да бъде открита при по-високи температури с методи на градиент на полето, се превръща в локално движение на водата в експерименталната времева скала.

Въз основа на нашите симулационни данни става ясно, че при охлаждане на повърхностите на протеините еластин и колаген се образува все по-добре дефинирана водородна мостова мрежа, т.е. делът на водните молекули, които имат точно четири водородни връзки, се увеличава. В същото време има намаляване на амплитудата на движението на протеина и промяна в механизма на динамиката на водата от ротационна дифузия до въртящи се скокове около тетраедричния ъгъл. Тези резултати от симулацията изясняват от една страна взаимодействието на структурата и динамиката на молекулярно ниво, а от друга страна взаимодействието на динамиката на протеини и вода в съединителната тъкан.

Дармщатски технологичен университет
Физика на твърдото тяло