CC BY
3ВОДНЫЕ РАСТВОРЫ В БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ
ДИНАМИЧЕСКИЕ ГИДРАТНЫЕ ОБОЛОЧКИ МОНО- И
ПОЛИСАХАРИДОВ
Пеньков Н.В.
ФИЦ Пущинский научный центр биологических исследований РАН, г. Пущино, ул. Институтская, д. 3
nvpenkov@rambler. ru
Гидратация биомолекул - один из фундаментальных процессов, лежащих в основе построения живой материи. Только в водном окружении возможно формирование нативной конформации большинства биомолекул. При этом не только вода влияет на структуру биомолекул, но и биомолекулы влияют на структуру воды, формируя гидратные оболочки. То есть гидратированная биомолекула является единой взаимосогласованной системой. Однако в большинстве случаев основное внимание уделяется изучению структуры биомолекул в полном отрыве от их гидратных оболочек. Наряду с белками, нуклеиновыми кислотами и липидами, сахара (углеводы) являются одним из фундаментальных типов биомолекул [1]. Сахара обладают наиболее простой структурой, но даже их гидратные оболочки изучены недостаточно, хотя исследуются уже более 100 лет [2]. Ярким подтверждением тому является отсутствие консенсуса по, казалось бы, простому вопросу: сахара являются космотропами или хаотропами? Этот вопрос ставится в современных научных исследованиях!
Настоящий прорыв в исследовании гидратации произошёл с появлением метода терагерцовой (ТГц) спектроскопии, который показал, что гидратные оболочки биомолекул не ограничиваются 1-2 слоями сильно связанной воды, а включают также более отдалённые области гидратации с изменённой молекулярной динамикой. Рядом авторов они были названы динамическими гидратными оболочками [3]. В наших работах был разработан подход, позволяющий на базе метода ТГц спектроскопии временного разрешения анализировать в растворах гидратные оболочки биомолекул любого типа, как глобулярного, так и фибриллярного [4]. Это позволило расширить представление о гидратации белков [5], фосфолипидных липосом [6], нуклеотидов [7], ДНК [8].
В настоящей работе указанный подход был применён для исследования гидратации сахаров. Проводилось сравнительное исследование водных растворов следующих сахаров: не обладающий зарядом моносахарид глюкоза, её стереоизомер галактоза и полисахариды на основе глюкозы - декстран и амилопектин; заряженный моносахарид галактуроновая кислота и полигалактуроновая кислота. В гидратных оболочках моносахаридов обнаружено одновременное увеличение связанности молекул воды и увеличение количества свободных молекул воды. Эта двойственность наблюдалась нами для большинства биомолекул, что является одним из основных проявлений их динамических гидратных оболочек. Кроме того, зафиксировано увеличение количества и энергии водородных связей, а также время поворотной релаксации свободных молекул воды. То есть динамические гидратные оболочки неоднородны и в них можно выделить области с разными структурно-динамическими характеристиками. Также показано, что аксиальная ориентация ОН(4) группы сахаров, в отличие от экваториальной, способствует уширению распределения энергий водородных связей в гидратных оболочках. Гидратация полисахаридов зависит от типа гликозидных связей и выражена слабее, чем у составляющих их моносахаридов. Последнее объясняется тем, что на каждую гликозидную связь полисахарида приходится потеря двух ОН-групп составляющих моносахаридов, а ОН-группы, очевидно, являются основным фактором гидратации сахаров.
[1] T.W. Rademacher; R.B. Parekh, R.A. Dwek. Glycobiology. Ann. Rev. Biochem. 1988, 57, 785-838. [2] Scatchard, G. The Hydration of Sucrose in Water Solution as Calculated from Vapor-Pressure Measurements. J. Am. Chem. Soc. 1921, 43(11), 2406-2418. [3] S. Ebbinghaus, S.J. Kim, et al. An extended dynamical hydration shell around proteins. Proc Nat Acad Sci USA. 2007, 104, 20749-52. [4] N.V Penkov, N.A. Penkova. Effective medium model applied to biopolymer solutions. Appl. Spectrosc., 2021, 75, 1510-1515. [5] N. Penkov, V Yashin, et al. A study of the effect of a protein on the structure of water in solution using terahertz time-domain spectroscopy. Appl. Spectrosc., 2018, 72, 257-267. [6] N.V. Penkov, VA. Yashin, K.N. Belosludtsev. Hydration shells of DPPC liposomes from the point of view of terahertz timedomain spectroscopy. Appl. Spectrosc., 2021, 75, 189-198. [7] N. V Penkov, N. A. Penkova, V I. Lobyshev. Special role of Mg2+ in the formation of the hydration shell of adenosine triphosphate. Phys. Wave Phenom. 2022, 30, 344-350. [8] N.A. Penkova, M.G. Sharapov, N.V. Penkov. Hydration shells of DNA from the point of view of terahertz time-domain spectroscopy. Int. J. Mol. Sci., 2021, 22, 11089-11104.
