CC BY
10Отличия структуры гидратной оболочки АТФ в зависимости
от связывания с Mg2+
Н.В. Пеньков
Институт биофизики клетки РАН — обособленное подразделение ФИЦ ПНЦБИ РАН, 142290, Россия, Московская обл., г.Пущино, ул. Институтская, 3 [email protected]
Аденозин-5'-трифосфат (АТФ) является одной из фундаментальных биологических молекул. Многие её биологические и физико-химические свойства существенно зависят от гидратации. Ещё в 1970 г. P. George [1] указал на то, что для понимания процесса гидролиза АТФ необходим учёт энергии гидратации. Однако вопрос структуры гидратной оболочки АТФ до сих пор является предметом дискуссий, а теоретически рассчитанная энергия гидролиза АТФ не совпадает с точным экспериментальным значением. В данной работе были исследованы гидратные оболочки АТФ и комплекса Mg-АТФ методами терагерцовой спектроскопии временного разрешения (THz-TDS) и динамического светорассеяния (DLS). Анализировались растворы 40 мМ АТФ в воде и с добавкой 40 мМ MgCh. Учитывая большое значение константы связывания АТФ с Mg2+ (9550 М-1), в растворе с MgCh практически все молекулы АТФ находятся в виде Mg-АТФ. Из полученных с помощью THz-TDS спектров комплексной диэлектрической проницаемости растворов вычитался вклад АТФ с использованием модели эффективной среды. Затем полученные диэлектрические проницаемости водной фазы раскладывались на составляющие, относящиеся к релаксации связанных и свободных молекул воды, а также продольным межмолекулярным колебаниям.
Обнаруженное уменьшение амплитуды дебаевской релаксации раствора АТФ (66.49±0.77) по сравнению с водой (68.86±0.81) свидетельствует об искажении структуры воды и наличии сильно связанных молекул воды, что объясняется гидратацией фосфатных групп. При связывании АТФ с Mg2+ ситуация принципиально меняется. По параметрам дебаевской релаксации растворы АТФ+MgCh и MgCh практически не отличаются друг от друга. При этом возрастает вклад в диэлектрическую проницаемость межмолекулярных колебаний связанных водородными связями молекул воды: ,Д/^2=1.748±0.017 при наличии АТФ и 1.710±0.016 без АТФ, где A, ш - амплитуда и резонансная частота колебательной полосы. Это свидетельствует о большем количестве водородных связей между молекулами воды в присутствии Mg-АТФ. Методом DLS установлено, что гидродинамический диаметр комплекса Mg-АТФ (1.46±0.05 нм) больше, чем АТФ (0.98±0.27 нм). Однако отличие интенсивности рассеяния указанных растворов (в 1.6 раза) существенно меньше, чем это следует из закона Рэлея, поэтому разница в размерах не может быть объяснена агрегацией АТФ. Объединив данные обоих методов был сделан вывод, что Mg-АТФ формирует более выраженную гидратную оболочку с большим количеством водородных связей между молекулами воды по сравнению с АТФ.
Столь принципиальное отличие гидратации АТФ в зависимости от связывания с Mg2+ требует ответа на вопрос о механизмах формирования и перестройки гидратных оболочек. Видится два основополагающих фактора. Во-первых, заряд фосфатных групп, который сильно меняется при связывании с Mg2+. Во-вторых, дипольный момент молекулы АТФ, который тоже меняется при связывании с Mg2+ и может влиять на коллективную перестройку всей гидратной оболочки. И наконец, самым интригующим вопросом является возможный биологический смысл «особой» гидратной оболочки Mg-АТФ, ведь хорошо известно, что практически во всех биологически значимых реакциях АТФ участвует именно в комплексе с Mg2+. Прояснение этого аспекта может иметь важное фундаментальное значение для молекулярной биологии, биохимии и биофизики.
[1] P. George, R.J. Witonsky, M. Trachtman, C. Wu, W. Dorwart, L. Richman, W. Richman, F. Shurayh, B. Lentz. "Squiggle-H2O". An enquiry into the importance of solvation effects in phosphate ester and anhydride reactions.Biochim. Biophys. Acta (1970) 223(1): 1-15.
