Bielkoviny a voda - fyzika pevných látok - Technická univerzita Darmstadt
Prítomnosť hydratačného obalu - alebo aspoň vhodného obalu s rozpúšťadlom - je absolútne nevyhnutná pre biologickú funkciu bielkovín. Na skúmanie príčin tohto javu používame NMR experimenty a MD simulácie. Ako je známe, výskyt zložitej súhry medzi dynamikou bielkovín a vody má v prírode veľký význam. Skúmame túto interakciu, napríklad pre proteíny spojivového tkaniva elastín a kolagén. Spojivové tkanivo plní u stavovcov rôzne funkcie. Napríklad vo forme chrupavky je zodpovedná za rozptýlenie kinetickej energie v pohybe živých vecí. Na získanie základného pochopenia procesov na molekulárnej úrovni je veľmi užitočná analýza teplotnej závislosti bielkovín a dynamiky vody. Ďalej študujeme, ako sa menia vlastnosti bielkovín, keď je voda nahradená inými rozpúšťadlami. Takéto štúdie sú veľmi zaujímavé napríklad pre kryokonzerváciu proteínov.
Na experimentálnej strane využívame skutočnosť, že proteínovú dynamiku je možné skúmať pomocou 13C NMR a dynamiky vody - pri použití D2O - pomocou 2H NMR. Výsledky našich 13C NMR experimentov ukazujú, že prítomnosť hydratačného obalu je skutočne nevyhnutná na aktiváciu dynamiky elastínu. Zvýšená pohyblivosť hydrogenovaného proteínu však zmizne, keď sa ochladí na asi 200 K. V literatúre sa živo diskutuje o tom, či sú tieto zmeny v dynamike proteínov vyvolané zmenami v dynamike vody. Naše 13C NMR údaje ďalej ukazujú, že mobilita proteínu je znížená, keď je voda nahradená rozpúšťadlom s vyššou viskozitou.
Pretože hydratačná voda nezamŕza, je možné sledovať dynamiku tekutín v širokom rozmedzí teplôt. Najmä je možné získať vedomosti o správaní sa podchladenej vody v teplotnom rozmedzí, ktoré nie je prístupné pre objemovú kvapalinu v dôsledku kryštalizácie. Výsledky našich 2H NMR experimentov ukazujú, že dynamika hydratačnej vody je charakterizovaná distribúciou korelačných časov, ktorá sa rozširuje na niekoľko rádov. Existujú teda výrazné dynamické heterogenity. Zistili sme tiež, že pohyb hydratačnej vody vyvíja anizotropiu, keď sa ochladí v blízkosti 200 K. To naznačuje, že pod touto teplotou sa diaľková difúzia vody, ktorú je možné zistiť pri vyšších teplotách metódami poľného gradientu, stane miestnym pohybom vody v experimentálnej časovej škále.
Na základe našich simulačných údajov je zrejmé, že pri ochladzovaní sa na povrchoch proteínov elastínu a kolagénu vytvára čoraz lepšie definovaná sieť vodíkových mostíkov, tj. Zvyšuje sa podiel molekúl vody, ktoré majú presne štyri väzby vodíkových mostíkov. Zároveň dochádza k zníženiu amplitúdy pohybu proteínov a zmene mechanizmu dynamiky vody z rotačnej difúzie na rotačné skoky okolo štvorbokého uhla. Tieto výsledky simulácie ilustrujú na jednej strane interakciu medzi štruktúrou a dynamikou na molekulárnej úrovni a na druhej strane interakciu medzi dynamikou proteínov a vody v spojivovom tkanive.
Technická univerzita v Darmstadte
Fyzika pevných látok