Ученые разработали теорию, описывающую взаимодействие воды с гидрофобными — плохо растворяющимися в ней — соединениями. Эти вещества в водных растворах, таких как внутриклеточная среда, участвуют во многих процессах, например в поддержании энергетического баланса в клетке. В отличие от предыдущих моделей, новая теория смогла объяснить экспериментальные данные, описывающие энергию и энтропию — меру хаоса, — наблюдаемые при растворении гидрофобных соединений, в широком диапазоне температур и типов молекул. Разработка позволит лучше понять биофизические процессы, протекающие в клетках, а также искать терапевтические средства для восстановления работы белков при патологиях. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в The Journal of Physical Chemistry B.
В зависимости от своего строения вещества по-разному взаимодействуют с водой, в связи с чем их делят на гидрофобные и гидрофильные. Первые плохо растворяются в воде, а вторые — легко. Гидрофобные связи — контакты между гидрофобными участками молекул — необходимы для работы многих белков, поддержания энергетического баланса клетки, передачи сигналов внутри организма. Однако взаимодействие гидрофобных соединений с водой еще не до конца изучено. Понимание гидрофобных процессов потенциально позволит разрабатывать лекарства, эффективно вступающие в реакцию с гидрофобными структурами в составе клетки и восстанавливающие их работу при болезнях.
Ученые из Севастопольского государственного университета установили, что происходит при попадании небольших гидрофобных соединений в воду. Для этого авторы использовали стандартное теоретическое упрощение: они рассмотрели случай, когда в воду погружалась сферическая гидрофобная молекула, вокруг которой формировалась оболочка слабосвязанных молекул воды.
Исследователи построили статистико-термодинамическую теорию, позволяющую количественно описать связь между оболочкой из молекул воды и растворенной молекулой. При этом авторы учитывали два типа движений во вновь образующейся паре «гидрофобная молекула — молекула воды»: трансляционное и ориентационное. Ученые считали, что если вода и соединение самосогласованно двигаются вдоль направления их связи, то возникает трансляционное движение. Если молекулы отклоняются от оси их связи, то формируется ориентационное движение. Так авторы смогли рассчитать изменение термодинамических параметров системы при формировании связи между водой и гидрофобной молекулой. Согласно предыдущим моделям считалось, что роль взаимодействия воды с гидрофобными молекулами, пытающимися «сбежать» от нее, несущественна, однако новая модель сфокусировала внимание именно на связи между гидрофобным соединением и водой.
В результате разработанная модель оказалась способна объяснить экспериментальные данные, накопленные за последние 40 лет. В частности, она хорошо описала количество теплоты, необходимое для растворения инертных газов и некоторых органических соединений. Так, согласно экспериментальным данным, один из ключевых коэффициентов, необходимых для оценки количества такого тепла, должен попадать в диапазон 0,7–2,1 единицы, тогда как предсказанный коэффициент, полученный при использовании теории, составил 2,09. Таким образом, разработанная модель потенциально позволит более подробно описывать гидрофобные взаимодействия в молекулах белков и ДНК, глубже изучать их работу и, следовательно, восстанавливать их в случае развития патологий.
«Разработанная нами теория потенциально скорректирует классические представления о гидрофобных эффектах в воде, а также может усовершенствовать подходы к изучению активности белков и синтезу новых лекарственных препаратов. В дальнейшем мы планируем распространить область применения теории на гидрофильные ("любящие воду") молекулы и на неводные системы, что может иметь практическое значение для развития новых химических технологий», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Максим Евстигнеев, доктор физико-математических наук, директор Института перспективных исследований Севастопольского государственного университета.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
