Роль высокоэнергетической воды в молекулярном связывании
Вода играет важную роль в жизни, покрывая большую часть нашей планеты, составляя значительную часть нашего тела и участвуя во всех биологических процессах. Однако не вся вода ведёт себя одинаково. Большая её часть является частью огромного, свободно текущего океана, но часть воды оказывается запертой в крошечных укромных уголках, например, в молекулярных карманах, таких как сайты связывания белков или синтетические рецепторы.
Эта «высокоэнергетическая вода» ведёт себя по необычным правилам, не имея возможности образовывать все свои любимые водородные связи. Она подобна гостям, втиснутым в перегретый лифт: они готовы выйти, если кто-то откроет дверь.
Учёные иногда называют эту воду «высокоэнергетической» не потому, что она светится или пузырится, а потому, что она находится в менее комфортном, более энергетически напряжённом состоянии, чем обычная вода. Вытеснение такой воды при появлении другой молекулы может дать неожиданный «толчок» силе взаимодействия, почти как если бы сама вода помогала новичку занять своё место.
Вернер Нау и Франк Бидерманн из Технологического института Карлсруэ (KIT) впервые измерили и теперь нанесли на карту это взаимодействие. Их исследование показывает, насколько сильно может возрасти «связующая способность» за счёт вытеснения высокоэнергетической воды. Работа сосредоточена на модельных системах хозяин-гость, молекулярных контейнерах, которые имитируют способ, которым биологические карманы удерживают молекулы, позволяя команде разобраться в точных термодинамических вкладах вытеснения воды.
«Вода — это не просто фон для химии жизни, она часто является движущей силой, — говорит Нау, профессор химии в Университете Конструктора и соавтор исследования. — Понимая, как молекулы воды ведут себя внутри молекулярных сайтов связывания, мы можем разработать более сильные и умные взаимодействия для применения в таких областях, как медицина и материаловедение».
Количественная оценка роли нескольких невидимых молекул воды — непростая задача. Исследователи первоначально использовали высокоточную калориметрию, которая измеряет тепло, выделяемое или поглощаемое в молекулярных событиях, но полную картину можно было получить только с помощью компьютерного моделирования, выполненного Джеффри Сетиади и Майклом Гилсоном из Калифорнийского университета в Сан-Диего. Вместе они смогли присвоить числа «бонусу свободной энергии», который возникает при удалении высокоэнергетической воды.
Одним из ярких примеров стала макроциклическая молекула кукурбит[8]урил, широко изучаемый молекулярный хозяин. Когда она связывает гостя, уход инкапсулированных молекул воды приносит особенно большой термодинамический выигрыш. Результаты команды подтверждают принцип, который давно подозревали, но редко доказывали: чем неудобнее вода, тем больше она помогает, когда уходит.
Это понимание имеет далеко идущие последствия. В разработке лекарств выявление высокоэнергетической воды в белковой мишени может помочь химикам разработать молекулы, которые вытесняют её, повышая эффективность и специфичность. В материаловедении создание полостей, которые исключают или вытесняют такую воду, может улучшить чувствительность или производительность хранения. Даже природные ферменты могут быть обязаны частью своей эффективности тому, как они управляют молекулами воды в своих активных центрах и выводят их оттуда.
«Высокоэнергетическая вода была частью разговора в супрамолекулярной и биомолекулярной химии, но цифры было трудно определить, — говорит профессор Бидерманн. — Наши результаты предоставляют количественную карту, которую химики и биохимики могут применять в разных системах, чтобы предвидеть, как вода будет влиять на связывание».