Odseki

Mreža vodikovih vezi vode je podvržena nenehnemu prekinjanju in nastajanju vezi na pikosekundni časovni skali. Strukturna dinamika vode je v središču pozornosti zaradi temeljnega pomena vode v kemijskih in bioloških procesih, bodisi v svojem osnovnem stanju bodisi v stanju, ki je spremenjeno z motnjo ob dodatku hidrofobnih in/ali hidrofilnih topljencev.

Razumevanje sprememb v lokalni strukturi mreže in dinamiki vode v bližini topljencev je ključnega pomena za vpogled v mehanistično ozadje številnih pojavov, kot so nastanek tridimenzionalne strukture beljakovin, nastanek micelov itd.

Naše raziskave se osredotočajo na molekularne mehanizme v vodnih raztopinah majhnih topljencev, ki vodijo do ključnih vidikov hidrofobnega učinka, vključno z izgubo entropije med hidratacijo, izvorom hidrofobne asociacije in nastankom urejene strukture okoli topljencev. Pri tem uporabljamo kemometrično podprto vibracijsko spektroskopijo in simulacije molekularne dinamike. Med drugim smo pokazali, da so vodikove vezi v bližini majhnih nepolarnih topljencev okrepljene do ravni, primerljive s tistimi v ledu in klatratih (1). Drugače pa se je izkazalo pri alkoholno-vodnih raztopinah, kjer je število molekul vode, katerih vpetost v mrežo vodikovih vezi spremeni posamezna molekula alkoholnega topljenca, relativno majhno in ni dokazov o velikih preurejenih strukturnih enotah, ki bi bistveno odstopale od strukture vode v osnovnem stanju (2).

1. GRDADOLNIK, J., MERZEL, F., AVBELJ, F. Origin of hydrophobicity and enhanced water hydrogen bond strength near purely hydrophobic solutes. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. Jan. 2017, vol. 114, iss. 2, DOI: 10.1073/pnas.1612480114
2. ZUPANČIČ, B., GRDADOLNIK, J. Solute-induced changes in the water H-bond network of different alcohol-aqueous systems. Journal of molecular liquids. [Online ed.]. Nov. 2021, vol. 341, DOI: 10.1016/j.molliq.2021.117349

Razumevanje nastanka in dinamike agregacije proteinov ima ključno vlogo v raziskovanju bolezni, katerih molekularno ozadje je nalaganje proteinskih plakov, v raziskovanju zlaganja proteinov in stabilnosti zdravil, ki temeljijo na proteinih. V okviru naših raziskav smo dokazali zmogljivost infrardeče spektroskopije za zaznavanje strukturnih sprememb v proteinih, ki jih povzroči povišanje temperature (1). Z uporabo diferenčne spektroskopije, multivariatne analize in algoritmov za modeliranje absorpcijskih trakov imamo možnost za identifickacijo zgodnjih strukturnih sprememb, ki lahko sprožijo nastanek končnih agregatov.

Študije konformacij biopolimerov se v osnovi opirajo na teoretične modele, ki se rutinsko uporabljajo za obdelavo in analizo eksperimentalnih podatkov. Hamiltonova formulacija Zimm-Braggovega modela, ki smo jo predlagali (2), vključuje poenostavljeno, a eksplicitno predstavitev interakcij med vodo in polipeptidom. Pokazali smo, da se naš model zelo dobro ujema z eksperimentalnimi podatki krožnega dikroizma za denaturacijo, ki jo povzročata toplota in mraz, hkrati pa omogoča oceno energij znotrajmolekularnih in medmolekularnih vodikovih vezi, do katerih ni mogoče priti z drugimi analitičnimi metodami. Občutljivost energijskega ravnotežja določa pogoje za nastanek hladne denaturacije, s čimer pojasnjuje njeno odsotnost v nekaterih proteinih.

1. NOVAK, U., ŽEROVNIK, E., TALER-VERČIČ, A., TUŠEK-ŽNIDARIČ, M., ZUPANČIČ, B., GRDADOLNIK, J. Amyloid formation of Stefin B protein studied by infrared spectroscopy. Frontiers in bioscience. 2023, vol. 28, no. 3, 46, str. 1-10. ISSN 2768-6698, DOI:10.31083/j.fbl2803046
2. BADASYAN, A., TONOYAN, Sh. A., VALANT, M., GRDADOLNIK, J. Implicit water model within the Zimm-Bragg approach to analyze experimental data for heat and cold denaturation of proteins. Communications chemistry. 2021, vol. 4, str. 1-8, ilustr. ISSN 2399-3669, DOI:10.1038/s42004-021-00499-x

Vodikove vezi v bioloških sistemih so bistvene, saj ohranjajo strukturno celovitost, dajejo dinamični karakter in podlago biološkim funkcijam. Med njimi so še posebej zanimive kratke (močne) vodikove vezi. Zanimanje za te vezi se je znatno povečalo, ko sta Cleland in Kreevoy predlagala, da bi takšne interakcije lahko igrale osrednjo vlogo v nekaterih encimskih reakcijah.

Dihidrat acetilen dikarboksilne kisline je modelni sistem, ki ima močno vodikovo vez med karboksilno OH skupino in molekulo vode. Ta kompleks kaže značilen infrardeči spekter s širokim in kompleksnim trakom OH valenčnega nihanja (1). Izvor tega širokega OH traku je pripisan anharmoničnosti potenciala vodikove vezi, ki poveča sklopitev med OH valenčnim nihanjem in nizkofrekvenčnim načinom raztezanja vodikove vezi. Odraz OH valenčnega nihanja v obliki dveh ločenih, specifično oblikovanih trakov, izhaja iz učinkov Fermijeve resonance in Davydove sklopitve.

Vpliv slojevitih struktur na jakost vodikove vezi smo raziskovali tudi v monohidratih perfluoroalkil karboksilne kisline (2). Infrardeči spektri teh kislinskih hidratov se bistveno razlikujejo od tistih, ki so značilni za kislinske dimere. Omeniti velja, da so položaj, oblika in zlasti širina trakov valenčnega nihanja OH skupin, ki sodelujejo v najmočnejših vodikovih vezeh, bistveno spremenjeni. Izrazit rdeči premik položaja traku kaže na nastanek močnejših vodikovih vezi v teh sistemih.

1. NOVAK, U., GOLOBIČ, A., KLANČNIK, N., MOHAČEK-GROŠEV, V., STARE, J., GRDADOLNIK, J. Strong hydrogen bonds in acetylenedicarboxylic acid dihydrate. International journal of molecular sciences. 2022, vol. 23, iss. 11, str. 1-22, ilustr. ISSN 1422-0067. DOI:10.3390/ijms23116164.
2. NOVAK, U., GRDADOLNIK, J. Infrared spectra of hydrogen bond network in lamellar perfluorocarboxylic acid monohydrates. Spectrochimica acta. Part A, Molecular and biomolecular spectroscopy. [Print ed.]. 15 May 2021, vol. 253, str. 119551-1-119551-8. ISSN 1386-1425. DOI:10.1016/j.saa.2021.119551.