Физика Водных Растворов
Приглашенный доклад
ОСОБЕННОСТИ ДИНАМИЧЕСКИХ ГИДРАТНЫХ ОБОЛОЧЕК БЕЛКА В НАТИВНОЙ КОНФОРМАЦИИ НА ПРИМЕРЕ БЫЧЬЕГО СЫВОРОТОЧНОГО АЛЬБУМИНА
ФИЦ Пущинский научный центр биологических исследований РАН, г. Пущино, ул. Институтская, д. 3
e-mail: [email protected]
Множество исследований биомолекул было посвящено их гидратным оболочкам, под которыми понималось небольшое количество специфически связанных на поверхности молекул воды. Появившаяся в начале 2000х гг. терагерцовая (ТГц) спектроскопия продемонстрировала непревзойдённую чувствительность при анализе структурно-динамических характеристик воды в растворах. Это позволило установить, что гидратные оболочки биомолекул обладают протяжённостью порядка нанометров. Они были названы динамическими гидратными оболочками, поскольку вода в них не только структурно, но и динамически отличается от окружения. В ряде работ было показано [1], что гидратные оболочки белков проявляют особенности ТГц спектров, когда белки находятся в функциональных состояниях, включая нативную конформацию. Однако эти особенности на уровне межмолекулярной структуры и динамики воды объяснены не были.
В настоящей работе описан подход, основанный на методе терагерцовой спектроскопии временного разрешения (THz-TDS), позволяющий анализировать динамические гидратные оболочки белков. Суть метода заключается в анализе комплексной диэлектрической проницаемости водной фазы достаточно концентрированного раствора белка, в котором практически вся вода является гидратной. Для бычьего сывороточного альбумина (БСА) это около 334 мг/мл. Из диэлектрической проницаемости выделяются два релаксационных и один колебательный молекулярные процессы. Они интерпретируются классическим образом, как релаксация связанных и свободных (или слабо связанных) молекул воды и межмолекулярные колебания на водородных связях.
На примере БСА в трёх конформациях показано, что фракция свободных (или слабо связанных) молекул в гидратных оболочках белка оказывается более многочисленной, но усреднённая связанность воды больше, чем в невозмущённом состоянии. Аналогичные проявления наблюдались и для других типов биомолекул: нукле-отидов [2], ДНК [3], моно- и полисахаридов [4], фосфолипидных липосом [5], что, по-видимому, определяет специфику гидратации биомолекул. Это объясняется тем, что в гидратных оболочках усиливается связывание молекул воды в первичных слоях, а в более отдалённых областях гидратации, напротив, структура воды несколько разрушена, по сравнению с водой невозмущённой. Также энергетические распределения водородных связей в гидратных оболочках оказываются сужены.
Наиболее интересный результат заключается в том, что все указанные проявления гидратации наиболее сильно выражены для нативной конформации белка. Также для гидратных оболочек нативного белка характерно меньшее количество водородных связей и тенденция к уменьшению их средней энергии по сравнению с не нативными конформациями. Сам факт уникальности гидратной оболочки белка в нативной конформации отмечался для разных белков и ранее [6,7]. Однако применённый в настоящей работе методический подход впервые позволил эти особенности описать конкретными параметрами межмолекулярной структуры и динамики воды.
Полученные данные дополняют представление о связи структуры белков с их функциональной активностью. По-видимому, нативная конформация не сама по себе определяет активность белков, но при участии их динамических гидратных оболочек.
Литература:
[1] Penkov NV. Terahertz spectroscopy as a method for investigation of hydration shells of biomolecules. Bioph. Rev. 2023 15 (5): 833-849.
[2] Penkov NV, Penkova, N. Key differences of the hydrate shell structures of ATP and MgATP revealed by terahertz time-domain spectroscopy and dynamic light scattering. J. Phys. Chem. B 2021 125 (17): 4375-4382.
[3] Penkova NA, Sharapov MG, Penkov NV. Hydration shells of DNA from the point of view of terahertz time-domain spectroscopy. Int. J. Mol. Sci. 2021 22 (20): 11089.
[4] Penkov NV. Relationships between molecular structure of carbohydrates and their dynamic hydration shells revealed by terahertz time-domain spectroscopy. Int. J. Mol. Sci. 2021 22 (21): 11969-11988.
[5] Penkov NV, Yashin VA, and Belosludtsev KN. Hydration shells of DPPC liposomes from the point of view of terahertz time-domain spectroscopy. Appl. Spectrosc. 2021 75 (2): 189-198.
[6] Born B, Kim SJ, Ebbinghaus S, Gruebele M, Havenith M. The terahertz dance of water with the proteins: the effect of protein flexibility on the dynamical hydration shell of ubiquitin. Faraday Discuss 2009 141:161-173.
[7] Meister K, Ebbinghaus S, Xu Y, Duman J.G, DeVries A, Gruebele M, Leitner D.M, Havenith M. Long-range protein-water dynamics ijijhyperactive insect antifreeze proteins. Proc Nat Acad Sci USA 2013 110(5): 1617-1622.
Пеньков Н.В.