VII Съезд биофизиков России
Краснодар, Россия
17-23 апреля 2023 г.
Главная
О Съезде
Организаторы
Программный комитет
Программа Съезда
Место проведения Съезда
Проживание
Оргвзносы
Основные даты
Регистрация
Публикации материалов Съезда
Молодежный конкурс
Контакты
Тезисы
English version
Партнеры Съезда
Правила оформления докладов

Программа Съезда

Секции и тезисы:

Молекулярная биофизика. Структура и динамика биополимеров и биомакромолекулярных систем

Терагерцовая динамика гидратных оболочек биомолекул

Н.В. Пеньков1*

1.ИБК РАН - ФИЦ ПНЦБИ РАН;

* nvpenkov(at)rambler.ru

Гидратация является фундаментальным процессом в биологии, необходимым для приведения биомолекул к нативному состоянию. При этом гораздо менее изученной является обратная сторона гидратации – формирование гидратной оболочки. Гидратные оболочки биомолекул изучаются давно и разными методами, но до полного понимания их строения и функций ещё очень далеко. Мощным импульсом в развитии данного направления было появление метода терагерцовой (ТГц) спектроскопии в начале 2000-х. Данный метод оказался гораздо более чувствительным к структурно-динамическим характеристикам воды, чем другие методы. Это обусловлено спецификой ТГц диапазона (0.3-3 ТГц), по характерным частотам, временам и энергиям соответствующего межмолекулярной структуре и динамике воды. Показано, что гидратные оболочки не ограничиваются одним-двумя слоями сильно связанной воды, а включают и более отдалённые области водной фазы (до нескольких нм от поверхности биомолекулы) с изменённой молекулярной динамикой, что в ряде работ было названо динамическими гидратными оболочками. Однако, несмотря на 20-летнюю историю их изучения, до сих пор не предложены универсальные исследовательские подходы и не описаны обобщающие характеристики динамических гидратных оболочек биомолекул. Основной проблемой является то, что спектры водных растворов в ТГц диапазоне не являются характеристическими, что затрудняет определение конкретных спектральных параметров, характеризующих структуру и динамику гидратных оболочек.

В наших работах развивался подход для исследования гидратных оболочек биомолекул на базе метода ТГц спектроскопии временного разрешения (THz-TDS). Данная разновидность ТГц спектроскопии позволяет измерять спектры комплексной диэлектрической проницаемости (ДП), которые намного более информативны, чем абсорбционные спектры. Суть подхода состоит в следующем.

1) Измеряются спектры ДП раствора биомолекул ε_s^*, растворителя ε_w^(0*) (без биомолекул) и сухого вещества биомолекул ε_i^*.

2) С использованием моделей эффективной среды из ДП раствора ε_s^* вычитается диэлектрический вклад биомолекул ε_i^* и рассчитывается спектр водной фазы раствора ε_w^*=f(ε_s^*,ε_i^* ).

Между ε_w^(0*) и ε_w^* имеются отличия, обусловленные присутствием гидратных оболочек в водной фазе раствора биомолекул. На основании этих отличий извлекается информация о гидратных оболочках биомолекул.

Особое внимание уделялось выбору подходящих для каждого типа биомолекул моделей эффективной среды. В том числе, на основе формализма электродинамики сплошных сред нами была теоретически разработана и экспериментально подтверждена модель эффективной среды, применимая для растворов протяжённых биополимеров (ДНК, полисахариды и др.).

Спектры ε_w^(0*) и ε_w^* не сравнивались напрямую, а раскладывались на составляющие, описывающие все основные типы межмолекулярной динамики воды в представлении теории диэлектрической спектроскопии:

ε^*=(Δε_1)/(1-iωτ_1 )+(Δε_2)/(1-iωτ_2 )+A/(ω_0^2-ω^2-iωγ)+ε_∞+i σ_0/(ε_0 ω), (1)

где τ_1 и Δε_1 – время и амплитуда ориентационной релаксации связанных молекул воды (Дебаевской релаксации); τ_2 и Δε_2 – время и амплитуда ориентационной релаксации свободных молекул воды; A, ω_0, γ – амплитуда, резонансная частота и параметр затухания межмолекулярных продольных колебаний молекул воды, связанных водородными связями; ε_∞ – высокочастотная ДП, σ_0 – dc-проводимость, ε_0 – диэлектрическая постоянная, ω – циклическая частота, i – мнимая единица.

Каждый параметр (1) обладает определённым физическим смыслом, и его изменение при переходе от растворителя к водной фазе раствора однозначно характеризует структурно-динамические характеристики гидратных оболочек. Так, уменьшение Δε_1 означает усиление связывания воды в гидратных оболочках, параметр Δε_2 пропорционален количеству свободных молекул воды, τ_2 – время их ориентационной релаксации, изменение A коррелирует с изменением числа водородных связей, а параметры ω_0 и γ определяют среднюю энергию и ширину распределения энергий водородных связей.

Описанный подход был применён для исследования гидратации биомолекул всех основных типов, что продемонстрировало его информативность и универсальность. Показано, что у белка при изменении конформации происходит изменение параметров релаксации молекул воды в гидратных оболочках. У фосфолипидных липосом фазовые переходы сопровождаются изменением водородного связывания в гидратных оболочках, протяжённость которых превышает 5 нм. Комплекс Mg∙АТФ формирует особую гидратную оболочку с образованием дополнительных водородных связей, чего не наблюдается ни для АТФ, ни для Ca∙АТФ. Это может иметь биологический смысл, поскольку именно Mg∙АТФ участвует в большинстве биологически значимых реакций. 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. Ионы K+ с внутриклеточной концентрацией существенно ослабляют все эффекты гидратации ДНК, что тоже может иметь биологический смысл. ДНК проявляет кооперативные эффекты гидратации по сравнению с отдельными нуклеотидами. Установлен ряд особенностей гидратации сахаров. Показана зависимость гидратации от ориентации OH-групп и типа гликозидных связей. В противоположность ДНК, полисахариды проявляют антикооперативные эффекты гидратации.

С учётом того, что протяжённость динамических гидратных оболочек оказывается сопоставима со средним расстоянием между биомолекулами внутри живой клетки, особенный интерес представляет их роль в процессах взаимодействия биомолекул. Видится, что исследования в данном направлении на стыке физической химии и молекулярной биофизики имеют большие перспективы.

Terahertz dynamics of hydrate shells of biomolecules

N.V. Penkov1*

1. Institute of Cell Biophysics of RAS;

* nvpenkov(at)rambler.ru

Hydration is a fundamental process in biology necessary to bring biomolecules to their native state. At the same time, the reverse side of hydration, namely the formation of a hydrate shell, is much less studied. Hydrate shells of biomolecules have been studied for a long time and by various methods, but a full understanding of their structure and functions is still very far away. A powerful impulse in the development of this area of research was the appearance of the method of terahertz (THz) spectroscopy in the early 2000s. This method turned out to be much more sensitive to the structural-dynamic characteristics of water than other methods. This is due to the specifics of the THz range (0.3-3 THz). It corresponds to the characteristic frequencies, times and energies of the intermolecular structure and dynamics of water. It is shown that hydrate shells are not limited to one or two layers of strongly bound water, but also include more distant regions of the water phase (up to several nm from the surface of the biomolecule) with altered molecular dynamics, which in a number of works has been called dynamic hydrate shells. However, despite the 20-year history of their study, universal research approaches have not yet been proposed and generalizing characteristics of dynamic hydrate shells of biomolecules have not been described. The main problem is that the spectra of aqueous solutions in the THz range are not characteristic, which makes it difficult to determine specific spectral parameters characterizing the structure and dynamics of hydrate shells.

In our work, an approach has been developed for the study of hydrate shells of biomolecules based on the THz time-domain spectroscopy (THz-TDS). This type of THz spectroscopy makes it possible to measure the spectra of complex dielectric permittivity (DP), which are much more informative than absorption spectra. The essence of the approach is as follows.

1) The DP spectra of the solution of biomolecules ε_s^*, solvent ε_w^(0*) (without biomolecules) and the dry biomolecules ε_i^* are recorded.

2) Using the effective medium models, the dielectric contribution of biomolecules ε_i^* is subtracted from the DP solution ε_s^* and the spectrum of the water phase of the solution ε_w^*=f(ε_s^*,ε_i^*) is calculated.

3) There are differences between ε_w^(0*) and ε_w^* due to the presence of hydrate shells in the water phase of the biomolecule solution. Based on these differences, information about the hydrate shells of biomolecules is extracted.

Particular attention was paid to the selection of effective medium models suitable for each type of biomolecules. In particular, based on the formalism of electrodynamics of continuous media, we have theoretically developed and experimentally confirmed the effective medium model applicable to solutions of extended biopolymers (DNA, polysaccharides, etc.).

The spectra of ε_w^(0*) and ε_w^* were not compared directly, but were decomposed into components describing all the main types of intermolecular dynamics of water in the representation of the theory of dielectric spectroscopy:

ε^*=(Δε_1)/(1-iωτ_1 )+(Δε_2)/(1-iωτ_2 )+A/(ω_0^2-ω^2-iωγ)+ε_∞+i σ_0/(ε_0 ω), (1)

τ_1 and Δε_1 – time and amplitude of orientation relaxation of bound water molecules (Debye relaxation); τ_2 and Δε_2 – time and amplitude of orientation relaxation of free water molecules; A, ω_0, γ – amplitude, resonant frequency and damping parameter of intermolecular stretch vibrations of water molecules bound by hydrogen bonds; ε_∞ – high frequency DP, σ_0 – dc-conductivity, ε_0 – dielectric constant, ω – cyclic frequency, i – imaginary unit.

Each parameter of the equation (1) has a certain physical meaning, and its change during the transition from the solvent to the water phase of the solution uniquely characterizes the structural and dynamic characteristics of hydrate shells. Thus, a decrease in Δε_1 means an increase in the binding of water in hydrate shells, the parameter Δε_2 is proportional to the number of free water molecules, τ_2 is the time of their orientation relaxation, the change in A correlates with the change in the number of hydrogen bonds, and the parameters ω_0 and γ determine the average energy and the width of the energy distribution of hydrogen bonds.

The described approach was used to study the hydration of all major types of biomolecules, which demonstrated its informativeness and versatility. It is shown that when the conformation of the protein changes, the relaxation parameters of water molecules in hydrate shells change. In phospholipid liposomes, phase transitions are accompanied by a change in hydrogen binding in hydrate shells, the thickness of which exceeds 5 nm. The Mg∙ATP complex forms a special hydrate shell with the formation of additional hydrogen bonds, which is not observed for either ATP or Ca∙ATP. This may make biological sense, since Mg∙ATP is involved in most biologically significant reactions. The hydrated shell of DNA exhibits three regions different from undisturbed water: more strongly bound molecules, a region with an increased number of free molecules, and a region with an increased number of hydrogen bonds. K+ ions with intracellular concentration significantly weaken all the effects of DNA hydration, which may also make biological sense. DNA exhibits cooperative hydration effects compared to individual nucleotides. A number of features of sugar hydration have been established. The dependence of hydration on the orientation of OH-groups and the type of glycosidic bonds is shown. In contrast to DNA, polysaccharides exhibit anticooperative hydration effects.

Taking into account the fact that the thickness of dynamic hydrate shells is comparable to the average distance between biomolecules inside a living cell, their role in the biomolecules interaction is of particular interest. It seems that research in this direction at the junction of physical chemistry and molecular biophysics has great prospects.


Докладчик: Пеньков Н.В.
43
2023-02-03

Национальный комитет Российских биофизиков © 2022
National committee of Russian Biophysicists