Fehérjék és víz - Szilárdtestfizika - Darmstadti Műszaki Egyetem
A fehérjék biológiai működéséhez elengedhetetlen a hidratáló héj - vagy legalább egy megfelelő oldószerhéj - jelenléte. NMR kísérletek és MD szimulációk segítségével vizsgáljuk meg ennek a jelenségnek az okát. Mint ismeretes, a fehérje és a víz dinamikája közötti komplex kölcsönhatás előfordulása nagyon fontos a természetben. Ezt a kölcsönhatást vizsgáljuk, pl. Az elasztin és a kollagén kötőszöveti fehérjeire. A kötőszövet számos funkciót lát el a gerinceseknél. Például porc formájában felelős a kinetikus energia eloszlásáért az élőlények mozgásában. A folyamatok molekuláris szintű megértése érdekében a fehérje hőmérséklet-függőségének és a víz dinamikájának elemzése nagyon hasznosnak bizonyul. Azt is megvizsgáljuk, hogy a fehérjék tulajdonságai hogyan változnak, ha a vizet más oldószerekkel helyettesítik. Az ilyen vizsgálatok nagy érdeklődésre tartanak számot például a fehérjék krioprezerválása szempontjából.
Kísérleti oldalon kihasználjuk azt a tényt, hogy a fehérjedinamika a 13C NMR segítségével és a víz dinamikája - D2O alkalmazásakor - a 2H NMR segítségével vizsgálható. 13C-NMR-kísérleteink eredményei azt mutatják, hogy a hidratáló héj jelenléte valóban szükséges az elasztin dinamikájának aktiválásához. A hidrogénezett fehérje megnövekedett mobilitása azonban eltűnik, amikor 200 K körüli hőmérsékletre hűl. Az irodalom élénk vitát folytat arról, hogy a fehérjedinamika ezen változásait kiváltják-e a vízdinamika változásai. Továbbá, 13C-NMR-eredményeink azt mutatják, hogy a fehér mobilitása csökken, ha a vizet nagyobb viszkozitású oldószerrel helyettesítik.
Mivel a hidratáló víz nem fagy meg, a folyadék dinamikája széles hőmérsékleti tartományban követhető. Különösen lehet ismereteket szerezni a túlhűtött víz viselkedéséről olyan hőmérsékleti tartományban, amely a kristályosítás miatt az ömlesztett folyadék számára nem elérhető. 2H NMR kísérleteink eredményei azt mutatják, hogy a hidratációs víz dinamikáját a korrelációs idők eloszlása jellemzi, amely több nagyságrendre is kiterjed. Ezért kifejezett dinamikus heterogenitások vannak. Megállapítottuk azt is, hogy a hidratációs víz mozgása anizotrópia alakul ki, amikor lehűl 200 K közelében. Ez azt jelzi, hogy ezen hőmérséklet alatt egy nagy hatótávolságú víz diffúzió, amely magasabb hőmérsékleteken terepi gradiens módszerekkel detektálható, lokális vízmozgássá válik a kísérleti időskálán.
Szimulációs adataink alapján világossá válik, hogy lehűléskor az elasztin és a kollagén fehérjék felületén egyre jobban definiált hidrogénhíd-hálózat alakul ki, vagyis nő a pontosan négy hidrogénkötésű vízmolekulák aránya. Ugyanakkor csökken a fehérje mozgásának amplitúdója és megváltozik a víz dinamikájának mechanizmusa a rotációs diffúziótól a tetraéderes szög körüli ugrásokig. Ezek a szimulációs eredmények tisztázzák egyrészt a szerkezet és a dinamika kölcsönhatását molekuláris szinten, másrészt a fehérje és a víz dinamikájának kölcsönhatását a kötőszövetben.
Darmstadti Műszaki Egyetem
Szilárdtest fizika