Посещений: 
Вода
electric dipole (dipole)
An object whose centers of positive and negative charge do not coincide. For example, a hydrogen chloride (HCl) molecule is an electric dipole because bonding electrons are on average closer to the chlorine atom than the hydrogen, producing a partial positive charge on the H end and a partial negative charge on the Cl end.
Безусловно настало время для воды занять соответ. положение как наиболее важной и активной из всех биологических молекул и оставить позади восприятие, что её влияние не имеет значения, а её присутствием можно пренебречь. Жидкая вода не мелкий игрок ('bit player') в театре жизни - это актер заглавной роли. Хотя напоминания о её центральной роли регулярно публикуются, хотя и редко, в последнее столетие (TIMELINE), поднимая волну интереса, которая всегда падает, уступая дорогу 'glitzier', и менее эфемерным структурам и свойствам др. биомолекул, таких как белки и нуклеиновые кислоты. Даже сегодня большая часть опубликованного материала, который связан с биологическими молекулами игнорирует центральную роль воды в кухне (machinery) жизни.
Недавно, однако, её место в качестве принципиального и наиболее разностороннего игрока в клеточной и молекулярной биологии стало яснее. В массе жидкой воды, каждая молекула воды не только формирует до 4-х tetrahedrally направленных водородных мостика с соседними молекулами воды, но каждая молекула кроме того может устанавливать dipole и индуцировать dipole взаимодействия с др. молекулами (FIG. 1). Такие водные кластеры дают жидкую воду гетерогенного характера, который может меняться в зависимости от разных физических и средовых условий. Атомы биомолекул могут замещать любой или все связи вокруг каждой молекулы воды, что влияет на структуирование соседних молекул воды и биомолекулярные группы, а также вторично на сцепленные молекулы и удаленные части биомолекул. Такие молекулы воды могут быть связаны с поверхностями биомолекул с помощью более сильных или более слабых сил, чем их средние bulk-phase силы взаимодействия. Так или иначе они меняются местами с др. молекулами воды на временной шкале в 1-100 picoseconds1 и эти замены зависят больше от локальной топографии и воздействия конкурирующих молекул воды, чем от силы их связывания. Этот быстрый обмен партнерами позволяет поверхностной форме биомолекулы изменяться, но при этом меняются незначительно др. эффекты гидратации, такие как общее (net) направление и сила водородных связей.
Благодаря высокой плотности жидкого водного compliant, всё ещё сильным водородным мостикам, она контролирует укладку, структуру и активность белков2. Она предопределяет скручивание двойной спирали ДНК3 и распознавание последовательностей ДНК4. В качестве среды для биологических процессов, она может менять и влиять на них мгновенно, замедляя их в определенный момент и ускоряя в др., тем самым постоянно и быстро перенося информацию с одного места на др. как вблизи, так и вдали. Вода может функционировать как индивидуальные изолированные молекулы, малые кластеры, значительно более крупные сети или как жидкая фаза, которая может иметь разные 'personalities'. Кластеры воды обнаруживают высокое разнообразие как по своей структуре и функции, при этом их локальные структуры предопределяются с помощью свободной энергии связывающих и не связывающих контактов5. Несмотря на четкое, согласованное и растущее число сообщений, которые были извлечены из широкого круга феноменов, недвусмысленное подтверждение присутствия определенных кластеров воды всё ещё остается трудно уловимым. Это из-за того, что большинство экспериментальных и теоретических техник не могут наблюдать крупномасштабного образования кластеров и описывают только мимолетную окружающую среду вокруг индивидуальных молекул6,7. Кроме того, моделирование может давать результаты, которые базируются на неполных выборках, а разрешающая сила большинства экспериментов ограничена временным и пространственным усреднением. В самом деле, ни дифракционные8, ни NMR исследования чистой воды не обнаруживают каких-либо доказательств организованных кластеров или из-за методологических недочетов или из-за действительного отсутствия таких кластеров.
В статье предоставляются доказательства только для некоторых из широкомасштабных и сложных вопросов, связанных с биологической активностью воды и предлагается только намек на реальность. Она касается водой контролируемого влияния на структуру белков и нуклеиновых кислот, а также на общую клеточную активность. См. также Further information.
The effects of water on proteins
Вода является интегральной частью многих биомолекул. В частности, взаимодействия белок-вода устанавливают и лежат в основе ландшафта свободной энергии, который управляет упаковкой, структурой, стабильностью и активностью белков9.
Protein folding. Белки укладываются быстро в хорошо определенные трехмерные формы, что зависит от от первичных последовательностей их аминокислот. Поэтому возможно, что ландшафт энергии упаковки д. состоять из многомерной воронки (funnel) только с малыми энергетическими барьерами, которые могут быть легко преодолены за счет достаточной термальной энергии (FIG. 2). Это нуждается в механизме, который обладает гибкими, заменяемыми и растяжимыми связями, а обусловленное водой образование водородных мостиков идеально соответствует этой цели. Поэтому удивительно, что это было предположено только недавно, что укладка белколв опосредуется и ведется с помощью водной сольватации10. Укладка большинства белков происходит с водной гидратацией пептидного остова и точным маневрированием остовом во время его вторичной и supersecondary структурной сборкой в направлении его окончательной и уникальной активной структуры.
Лишь позднее в формировании структуры вода выжимается из кооперативного пептида взаимодействиями водородных мостиков из наиболее гидрофобных областей в направлении более гидрофильных. Хотя вода безоговорочно участвует и имеющиеся водные модели используются в предсказаниях белковой структуры, чтобы снизить вычислительные накладные расходы, эмпирические методологии для предсказаний белковой структуры обычно неспособны включать какие-либо определенные молекулы воды. Однако, ясно, что вода д. безусловно использоваться в более мощных методах структурных предсказаний , которые реалистически следуют биологическому механизму укладки11.
Protein structure. Вода не присутствует, чтобы просто заполнять доступные пространства в и вокруг белка1. Молекулы воды занимают специфические места и образуют локальные кластеры со структурами которые определяются способностями их водородных мостиков и структурой белка. Молекулы воды оккупируют полости в большинстве глобулярных белков, где они присутствуют в одинаковых количествах с количеством индивидуальных аминокислот, они присутствуют и законсервированы как интегральная часть белка9. Хотя эти молекулы воды способны к обмену с наружными молекулами воды, многие из них являются важными для функционирования аминокислот9. Поверхности молекул воды находятся в местах наиболее сильно заряженных аминокислот12, но находятся также и в местах с помощью др. полярных групп. 'Slippery water clusters', которые обладают большей свободой для двумерной трансляции вдоль поверхности, но обладают ограниченной молекулярной ротационной подвижностью, формируются вокруг открытых гидрофобных областей13.
Обмен поверхностной воды и, следовательно, персистенция локальных кластеров и общая гибкость системы, контролируются за счет экспозиции водных молекул к основной массе растворителя, с более значительной экспозицией, коррелирующей с более значительной гибкостью и более свободным движением белковой цепи9. Молекулы воды могут соединяться между областями белка, которые приближаются одна к др., но которые не касаются др. др. и могут переносить поверхностную информацию между субъединицами и прочь в направлении основной массы (FIG. 3a). Т.к. молекулы воды и их кластеры чрезвычайно адаптированы в терминах их ориентации и пространственного распределения, то они могут понижать энергетические барьеры между энергетическими минимумами соседних систем. Вода, следовательно, может функционировать как смазка и тем самым она облегчает необходимые перестройки peptide amide-carbonyl hydrogen связей во время конформационных изменений, что придаёт белкам гибкость, необходимую для выполнения их функций14. Водородные мостики молекул воды и их кластеров могут также функционировать как 'механические зажимы' которые передают взаимосвязанные движения между субъединицами и доменами в зависимости от обстоятельств.
Protein activity and dynamics. Определенное количество воды необходимо для биологической активности всех белков. Даже кажущиеся 'сухими' энзимы в присутствии субстратов в газовой фазе не обнаруживают активности без присутствия некоторых количеств воды15. Большинство растворимых энзимов нуждаются в существенных количествах молекул воды lzk функционирования. Надавнее исследование показало, что, по крайней мере, сеть, сплетенная с помощью водородных мостиков между молекулами воды, которая покрывает большую часть поверхности энзима, необходима для ферментативной активности16. Такие сети соединяют все связанные водородными мостиками водные кластеры на поверхности белка и контролируют динамику белка, такую как движения их доменов. Реципрокные структурные взаимодействия между молекулами воды и белком таким образом передают информацию вокруг белка13. Такая динамика, в свою очередь, лежит в основе биологической функции белка17. Важно, что взаимосвязанная водная сеть оказывает силовое воздействие на динамику белка. Подтверждение этому получено в экспериментах, в которых нарушалась взаимосвязь сети, напр., изменением температуры, чтобы повысить разрывы водородных связей. Такие нарушения обнаруживают тенденцию вызывать денатурацию белка и терять его биологическую активность18, но только в присутствии воды. Сила водной сети управляет динамикой белков. при этом наиболее значительные движения белков появляются в местах, которые содержат множество слабых, искривленных или разорванных водородных мостиков, из-за присутствия более реактивной воды. Напротив ограниченные движения являются результатом присутствия множества сильных межмолекулярных водных водородных мостиков. Структурные элементы, которые наиболее подвержены действию основной массы водной среды ограничены менее всего12. Водная сеть соединяет вторичные структурные элементы в белках и, следовательно, предопределяет не только тонкие детали структуры белка, но и также делает предпочтительными те особые молекулярные вибрации16.
Protein-ligand interactions. Упорядоченные молекулы воды на поверхности и между биомолекулами часто обеспечивают связывающие взаимодействия. Индуцированные водой эффекты могут быть большими и решающими в отборе лучшего сайта связывания 19. Смещение связанных молекул воды с их поверхности сайтов гидратации часто компенсируется энергетически образованием прямых взаимодействий между биомолекулами. Существуют обычно тесные взаимоотношения между enthalpic потерей и entropic избытком молекул воды, которые смещаются, и между enthalpic избытком и entropic потерей белок-лиганд взаимодействием, которое формируется, это облегчают и связывание и высвобождение 20. Однако, молекулы воды могут оставаться на месте, когда образуется новое взаимодействие (FIG. 3b), и они, вместе с периферическими hydrating связями могут влиять на специфичность, стереохимию и термодинамику процесса связывания 19. Энергетическая организация сети водородных связей (включая их энтропические последствия), которые используют белок, воду и лиганд, является прирожденной частью всех процессов молекулярного распознавания, которое используется связывающимися белками и энзимами.
Water in proton and electron transfer
Упорядоченные молекулы воды, которые соединяют донорский и акцепторный сайты, могут облегчать процессы переноса протонов и реакции переноса электронов. В обоих случаях перенос быстрее, когда связанные молекулы воды соединены более сильными водородными связями.
Water in proton transfer. Существует экстраординарный процесс, обычно обозначаемый как Grotthuss механизмом, при котором протоны могут двигаться быстрее в жидкой среде21. Т.к. перенос происходит между путами, которые содержит низкие концентрации (~10-7 M) протонов, то стандартная диффузия осуществляется чрезвычайно медленно, т.к. она заисит от концентрационных градиентов. Напротив, механизм Grotthuss является наиболее эффективным в нейтральных растворах21. После добавления протонов к одному концу цепи, связанной водродными мостиками (часто обозначаемым 'water wire'), то
hydrogen-bond flipping down цепь высвобождает разные, но идентичные протоны на др. конце водного телеграфа. Протоны, следовательно, движутся быстрее, когда упорядоченная одномерная связанная водородом цепь облегчает их перемещение21. Общей структурной характеристикой белков, которые связаны с транслокацией протонов, является вереница молекул воды в гидрофильной полости, которая выстлана полярными аминокислотами. Термальные флюктуации, которые используют эти полярные аминокислоты, модулируют перенос протонов посредством колебаний молекул воды. Итак, поляризация водородных связей варьирует в зависимости от закрытия и открытия связанных водородом дистанций, это облегчает перенос протонов (FIG. 4a). Водный телеграф является столь эффективным в переносе протонов, что он намеренно нарушается в молекулах aquaporin, которые делают возможной single-file транслокацию молекул воды через мембраны. На полпути через эти каналы для переноса воды, молекулы воды намеренно реориентируются, чтобы предупредить последовательное связывание водорода и тем самым облегчают перенос протонов22.
Water in electron transfer. Перенос электронов между redox сайтами биомолекул использует electron tunnelling через расположенное между ними пространство, это может быть облегчено частично с помощью движения протонов в обратном направлении. Скорость переноса зависит от степени и структуры промежуточного пространства. Структуированные кластеры воды вблизи redox кофакторов облегчают перенос электронов путем продукции строго связанных tunnelling путей между донором и акцептором электронов 23 (FIG. 4b). Более обще, молекулы воды могут облегчать или нарушать этот процесс посредством степени выстраивания своих диполей и их способности формировать водный телеграф.
Water and nucleic-acid structure
Средняя сила водных взаимодействий с нуклеиновыми кислотами значительно больше, чем с белками благодаря высоко ионному характеру нуклеиновых кислот 24. Хотя важность воды часто не замечается, но для структуры ДНК и критического распознавания её последовательностей водные взаимодействия важны, при этом спираль ДНК удлиняется или контрактирует в зависимости от её статуса гидратации 3. Вода гидратирует и большую и малую борозды ДНК путем формирования связей с полярными атомами на краях пар оснований и ориентации молекул воды в зависимости от оснований и их последовательностей. Гидратация малой борозды имеет сложный паттерн, который включает водные hexagons в инициальном spine гидратации, вторичную гидратацию и гидратацию out как четвертую водную оболочку 25. Эта зависимая от последовательностей гидратация, которая распространяется на ободок бороздок, может действовать как 'hydration fingerprint' для данной последовательности ДНК. Это позволяет белкам ощущать последовательность оснований вне борозд и позволяет быстро и как по маслу ощущать последовательноси ДНК 4. Слабые соединения белков с ДНК используют в основном вторичную гидратацию, которая позвляет белка скользить вдоль ДНК способом, который облегчается оставшейся первичной гидратацией молекулами воды. Наталкиваясь на специфические сайты, специализированные белки крепко соединяются с ДНК и это необходимо для обработки генетической информации. Белки осуществляют это посредством высвобождения и замещения некоторых связанных молекул воды, что компенсирует энтропические затраты соединения белка.
Cellular water and cell activity
Cellular water. Хотя NMR26 и большинство, если не все, исследования молекулярной динамики27 показали, что вода вне внутреннего слоя гидратации вокруг биомолекул преимущественно не испытывает влияния со стороны биомолекул, но др. исследования показывают , что вода внутри клеток ведет себя по-разному в отличие от воды вне28. Напр., вязкость внутриклеточной воды выше и её способность диффундировать ниже, как и было отмечено с помощью NMR29. Это не просто обусловлено присутствием разных растворов или существованием увеличенных поверхностей, но, по-видимому, результат более сложных последствий комбинации факторов. В самом деле, убедительные документы позволяют предположить, что внутриклеточная среда является гелем30, жидким кристаллом31 или состоит из чрезвычайно поляризованного водного структуирования32. Клетки являются битком набитыми площадями и высокая пропорция воды связана с миомолекулярными взаимодействиями и является нечувствительной к осмотическому давлению33. А такой среде незначительные изменения в конформации белков могут связывать больше воды, что еще больше уменьшает процесс диффузии или могут высвобождать значительные количества воды, которая увеличивает текучесть и активность внутриклеточной среды34. Водные растворы могут формировать отдельные, но всё ещё полностью водные фазы в зависимости от присутствующих растворов. Такие фазы согласуются с водой низкой плотности с более экстенсивными водородными связями или с водой высокой плотности, в которой меньше и более изогнутые водородные мостики35. Т.к. такие фазы имеют отличающиеся характеристики гидратации, реактивность и метаболические способности, то очевидно, что такое макроскопическое структуирование м. играть важную роль в клеточной активности. Напр., картина при coherent phase микроскопии клеток и спор цианобактерий, которые ответственны за refractive index и изменения размера, обнаруживают чувствительность к вариациям их метаболических состояний. Это может указывать на изменения в статусе гидратации, хотя эффект может быть целиком обусловлен мембранными эффектами36.
Раковые клетки содержат больше свободной воды, чем нормальные клетки, а степень злокачественности увеличивается со степенью клеточной гидратации. Отсюда следует. что внутриклеточная гидратация может быть первичным фактором в канцерогенезе37. Это может быть из-за повышенной гидратации, облегчающей ускорение внутриклеточных процессов, включая дыхание, это увеличивает конкурентноспособность краев раковых клеток в отношении использования питательных веществ.
Communication at a distance. Клетки содержат несколько молекул, таких как cyclic AMP, которые функционируют в качестве мессенджеров между биомолекулами, включая и выключая процессы. Хотя диффузия метаболитов не является в целом, как считают, лимитирующей на малых расстояниях 38, быстрая реакция клеток на изменения окружающей среды, по-видимому, вряд ли обусловлена только изменением концентрации, которая ощущается вследствие простого процесса диффузии. Вместо этого клетки возможно получают преимущества от более быстрого переноса информации. Вода имеет идеальное расположение и прекрасно подходит для такой функции. Простейшим примером этого является высвобождение протонов в воду одной из биомолекул, которое влияет на поведение др. не соприкасающихся с ней биомолекул 39. Однако, более сложные водные эффекты также могут наблюдаться. Изменения в конформации белка изменяют содержание активной воды внутри клеток, это вызывает приток или отток воды 40 и тем самым изменяется активность гидратирующей воды вокруг др. биомолекул. Кроме того, сдвиг равновесия, который следует за высокими концентрациями молекул актина и их полимеризованных цепочек обязательно меняет компартментализацию клеток за счет изменений цитоскелета. Степень статически заряженных поверхностей актина, тубулина и промежуточных филамент может сильно влиять на количества свободной воды и следовательно, на метаболическую активность этих молекул воды в клетке 41.
Conclusions
Water is an integral part of biomolecular
structural organization, and is central to
the assembly and three-dimensional shape
of proteins and nucleic acids. More importantly,
water is essential for the function of
these molecules, guiding their interactions and facilitating their biological activities.
In particular, the capability of water
clusters to reach out from the surface of
biomolecules to allow interactions at noncontacting
distances increases the likelihood
and specificity of such interactions.
At the extreme level, changes in water
clustering and water activity in one part
of a cell can be quickly sensed elsewhere
without the need for diffusional processes.
In the future, the importance of nanoscopic
pools of differing aqueous phases for
intracellular activity should be clarified. It is
also hoped that no discussion of biological
processes will be thought to be complete
without assessing the role of water.
|
Сайт создан в системе
uCoz
