Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
Хорошо известно, что гидратация играет важную роль для формирования нативной структуры биологических молекул. Биомолекулы, в свою очередь, влияют на структуру воды в ближайшем окружении, формируя гидратные оболочки, что изучено гораздо хуже, несмотря на давнюю историю исследований с использованием различных методов. Среди них особняком стоит относительно новый метод терагерцовой (ТГц) спектроскопии. Его чувствительность к гидратным оболочкам оказалась существенно выше других классических методов. И это неудивительно, поскольку ТГц диапазон по характерным энергиям и временам соответствует межмолекулярной структуре и динамике воды. Показано, что гидратная оболочка как область водной фазы с изменённым состоянием не ограничивается одним-двумя слоями сильно связанной воды, а может занимать объем даже больший, чем сама биомолекула. Это означает, что наиболее полную информацию о гидратации биомолекул можно получить при исследовании их водных растворов, а не слабо гидратированных образцов, как это в большинстве случаев делается. Несмотря на большой потенциал ТГц спектроскопии, до сих пор нет надёжных разработанных подходов для изучения гидратации биомолекул в растворах. Главным образом, это связано с тем, что спектры растворов в ТГц диапазоне не содержат чётко выраженных полос, а выглядят как монотонные не характеристические кривые. Это создаёт трудности в определении конкретных спектральных параметров, связанных с конкретными структурно-динамическими характеристиками гидратных оболочек.
В наших работах развивался подход исследования гидратации на базе метода ТГц спектроскопии временного разрешения (THz-TDS). Данная разновидность ТГц спектроскопии позволяет измерять спектры комплексной диэлектрической проницаемости (ДП), которые более информативны, чем обычные спектры поглощения. Идея исследования состоит в следующем.
Отметим, что модели эффективной среды для разделения вкладов биомолекул и водной фазы раствора практически не использовались, за исключением наших работ. Для компактных биомолекул, таких как глобулярные белки, нуклеотиды, моносахариды и др., можно применить известные модели эффективной среды Бруггемана или Максвелла Гарнетта. Однако для фибриллярных биомолекул до недавнего времени не существовало разработанных моделей. В нашей теоретической работе [1] на основе формализма электродинамики сплошных сред была получена такая модель эффективной среды и экспериментально проверена на примере водного раствора ДНК.
ДП водной фазы и могут быть описаны следующей моделью:
, (*)
где и – время и амплитуда релаксации связанных молекул воды (Дебаевской релаксации); и – время и амплитуда ориентационной релаксации свободных молекул воды; – амплитуда, резонансная частота и параметр затухания межмолекулярных продольных колебаний молекул воды, связанных водородными связями; – высокочастотная диэлектрическая проницаемость; – проводимость в постоянном поле; – диэлектрическая постоянная; – циклическая частота; – мнимая единица.
Модель (*) учитывает все основные хорошо известные типы межмолекулярной динамики воды, проявляющиеся в ТГц области, а каждый параметр обладает определённым физическим смыслом. В описанном подходе гидратация изучается на основе сравнения и , поэтому смысловыми характеристиками являются изменения параметров при переходе от чистого растворителя к водной фазе раствора биомолекул . Так уменьшение означает усиление связывания воды в гидратных оболочках. Параметр пропорционален количеству свободных молекул воды [2], которое вследствие гидратации меняется. – время релаксации свободных молекул воды, которое тоже может отличаться для гидратной и не гидратной воды. Увеличение/уменьшение (или ), как правило, означает увеличение/уменьшение числа водородных связей; – параметр, пропорциональный средней энергии водородного связывания; – параметр, характеризующий ширину энергетического распределения водородных связей. Описанный подход был применен нами для исследования гидратации всех основных типов биомолекул: белков, фосфолипидов, нуклеиновых кислот, сахаров.
Показано, что у белка при изменении конформации происходит изменение параметров релаксации молекул воды в гидратных оболочках. Наименьшие отличия гидратной оболочки от невозмущенной воды наблюдаются для нативной конформации белка [3]. Фосфолипидные липосомы рассматривались при трех температурах в фазовых состояниях гель, риппл-фаза, жидкий кристалл. Показано, что при переходе от фазы гель к риппл-фазе влияние фосфолипида на гидратную оболочку изменяется с ослабляющего водородное связывание на усиливающее. Установлено, что протяженность гидратной оболочки липосом превышает 5 нм [4]. Показано, что комплекс Mg∙АТФ формирует особую упорядоченную гидратную оболочку с образованием дополнительных водородных связей, чего не наблюдается ни для АТФ, ни для Ca∙АТФ. Это может иметь биологический смысл, поскольку лишь при связывании с Mg2+ АТФ участвует в биологически значимых реакциях [5, 6]. Гидратная оболочка ДНК содержит три области, отличающиеся от невозмущённой воды: более сильно связанные молекулы, область с бо́льшим количеством свободных молекул, область с бо́льшим количеством водородных связей.
Показано, что ионы K+ в концентрации близкой к внутриклеточной существенно ослабляют все эффекты гидратации ДНК, что тоже может иметь биологический смысл. ДНК проявляет кооперативные эффекты гидратации по сравнению с отдельными нуклеотидами [7]. Установлен ряд особенностей гидратации сахаров с различной молекулярной структурой. Показана зависимость гидратации от ориентации ОН-групп моносахаридов и от типа гликозидных связей в полисахаридах. В противоположность ДНК, полисахариды проявляют антикооперативные эффекты гидратации [8].
Полученные данные существенно дополняют наши знания о гидратных оболочках биомолекул, а метод THz-TDS, позволяющий оперировать параметрами ДП водной фазы растворов, может стать полноценным структурным методом исследования водных растворов биомолекул, как ЯМР или ИК-спектроскопия.
С учетом того что протяженность гидратных оболочек оказывается сопоставима со средним расстоянием между биомолекулами в живых системах, особенный интерес представляет роль гидратных оболочек в процессах биомолекулярного взаимодействия. Исследования в данном направлении на стыке физической химии и молекулярной биофизики, по моему мнению, имеют большие перспективы.
