Vízmolekulák orientációs autokorrelációs függvényei

Ahogy az korábban is megemlítésre került, a tömbfázisú vízhez képest az oldott anionok és fehérjék első hidratációs burkában a vízmolekulák orientációs dinamikája általában lassul. Most a tc5b minifehérje első oldási burkában lévő vízmolekulák orientációs tulajdonságainak az oldott anionok által kiváltott megváltozását vizsgáljuk meg, különös tekintettel azokra a régiókra, ahol jelentős az anionok felhalmozódása.

Az első hidratációs burokra jellemző távolságot a minifehérje körüli víz oxigén atomok RDF-je segítségével állapítottuk meg. Ahogy a 18. ábrán látható az RDF függvénynek két közeli maximuma van, az első ~ 0,19 nm távolságban, a másik pedig ~ 0,28 nm távolságban. Ez a két régió együttesen alkotja az első hidratációs burkot, és az első maximumhoz tartozó vízmolekulák az 𝑂 − 𝐻 kötésüket elfordítják a fehérje felszínétől, így akceptor szerepet játszanak, míg a második csoport molekulái donorként viselkednek, a H atomot a felszín felé fordítva. Az első halmaz vízmolekulái (melyeknek oxigén atomjuk 0,23 nm-nél közelebb van a tc5b-hez) valószínűleg a pozitívan töltött felszínek környezetében találhatóak, a második halmaz vízmolekuláinak (melyeknek oxigénatomjuk 0,23-0,31 nm távol van a tc5b-től) pedig az összes többi régióban jellemző a jelenléte. Ezek a pozitívan töltött felszínek a kaotróp ionok kitüntetett felhalmozódási / kölcsönhatási helyei, ahogy azt a korábban bemutatott RDF-ek szolgáltatta eredményekből láthattuk (16. Ábra).

- 48 -

18. ábra Víz-oxigén atomok RDF-je a tc5b minifehérje körül (felül). A két kitüntetett csoport: 1.

akceptor vízmolekulák, 2. donor vízmolekulák szemléltetése (alul).

Viszonyítási alapként meghatároztuk a minifehérjétől 0,7 nm távolságban lévő 0,05 nm vastagságú tartományban található vízmolekulák átlagos orientációs autokorrelációs függvényeit mind a vizsgált ionok jelenlétében és azok hiányában (19. ábra), a tiszta vizes esetet tömbfázisnak tekintjük. A tiszta víz esetében a leggyorsabb az autokorrelációs függvények lecsengése, továbbá ezek a függvények az anionokat tekintve HS-nak megfelelő rendezettséget mutatnak: a leggyorsabb vízmolekula-reorientációt a perklorát jelenlétében láthatunk, míg a fluorid ionok lassítják a leginkább ezt a folyamatot.

Az orientációs autokorrelációs függvényéket a minifehérje első hidratációs burkában található vízmolekulák mindkét halmazára származtattuk (20. ábra). Összehasonlítva a 19. ábrán látható eredményekkel megállapítható, hogy a görbék lecsengése jelentősen lassabb a vízmolekulák mindkét halmazára, mint a tömbfázis esetében. Az 1-es halmaz vízmolekulái lassabban randomizálják a kezdeti orientációjukat, mint a 2-es halmazba tartozók mind az ionok jelenlétében, mind azok hiányában.

- 49 -

19. ábra Orientációs autokorrelációs függvény egy 0,05 nm vastagságú burokban a tc5b minifehérjétől mért 0,7 nm távolságban a vizsgált sók jelenlétében és azok hiányában.

A másik fontos megfigyelés, hogy az első hidratációs burokban található vízmolekulák két halmazának orientációs autokorrelációs függvényét eltérő módon befolyásolják az oldott anionok. A kaotróp anionok (ClO4- és NO3-) gyorsítják, míg a Cl^- és F^- ionok lassítják a reorientációt a tiszta vizes esethez képest az 1-es halmaz esetében. Ugyanakkor a 2-es halmazt tekintve az összes anion lassítja ezt a folyamatot a tiszta vizes esettel összevetve és az egyes ionok hatása is hasonló mértékű. A határfelületen jelenlévő ionok mellett a minifehérje első hidratációs burkában található vízmolekulák tulajdonságai, különösen a határfelületi víz-szerkezet stabilitása szintén meghatározó fontosságú tényezők. A HE mikroszkopikus szintű értelmezése már egy régóta tartó vita. A korábbi értelmezéseknek az volt az alapötlete, hogy a struktúra-építő, kozmotróp ionok erősítik, míg a struktúra-romboló, kaotróp ionok gyengítik a vízmolekulák közötti H-híd kötések erősségét nagy távolságokban [138]. Nemrégiben azonban számos kísérleti eredmény úgy tűnik, ellentmond ennek az elképzelésnek. Omta és mtsi.

spektroszkópiai módszerekkel vizsgálták a Mg(ClO4)2, NaClO4 és Na2SO4 sók oldatát [139], a vízmolekulák orientációs korrelációs idejét mérve. Munkájuk során megállapították, hogy az ionok csak az első hidratációs burkukban befolyásolják jelentősen a vízmolekulák tulajdonságait. Ugyanezt a hatást vizsgálták Stirnemann és mtsi. polarizációs erőteret és MD szimulációs eszközöket használva [140]. Magyarázatott adtak arra, hogy miért lassítja a vízmolekulák reorientációját minden magas koncentrációjú (megközelítőleg 1 mól feletti) sóoldat. A 18. ábrán látható, tömbfázisra vonatkozó eredményeink összhangban vannak ezekkel a megállapításokkal, megfelelnek az általuk kimutatott tendenciáknak.

- 50 -

20. ábra Orientációs autokorrelációs függvények a vízmolekulák két halmazára: (A) oxigén atomjuk 0,23 nm-nél közelebb van a tc5b-hez és (B) oxigén atomjuk 0,23-0,31 nm távol van a tc5b-től; mind a

vizsgált ionok jelenlétében, mind azok hiányában.

- 51 -

A határfelületi víz orientációs dinamikájának lassulását spektroszkópiai módszerek segítségével kimutatták Aoki és mtsi., lizoszómák vizes oldatát használva teszt rendszernek [141], ugyanerre a következtetésre jutottak Perticaroli és mtsi. [142]. Emellett MD módszerek segítségével ugyanerre a rendszerre mutattak ki jelentős lassulást Sterpone és mtsi. [143].

Emellett, a vízmolekulák 1-es halmaza (a lehetséges akceptorok) esetében, melyek a pozitívan töltött határfelületi elemek körül találhatóak, az orientációs autokorrelációs függvények a HS-nak megfelelő rendezettséget mutatHS-nak (20. ábra). Ennek következtében feltételezhető, - figyelembe véve a pozitív felszín feletti anion eloszlást (16. ábra) - hogy az első oldódás burokban tapasztalható reorientációs dinamika megváltozása a vízmolekulák közötti H-híd kötés rendszer megváltozását is jelzi, ahogyan azt kísérletileg is megfigyelték Hofmeister sók esetében [50, 51]. Valószínűleg az autokorrelációs függvények módosulása kapcsolatban áll a fehérje felszín közeli vízsűrűség fluktuációkkal is, ahogy azt Garde és mtsi. javasolták [144, 145], amely entrópikus jellegű járulékot adhat a felületi feszültséghez, azonban ez még igazolandó. Hasonlóan a határfelületi effektusok finom részleteihez, mint például a polarizáció szerepe a HE tekintetében [73, 146], ezek a kérdések későbbi vizsgálatok tárgyai lehetnek.