布里渊中子能谱作为生物分子探针研究集体密度波动水化水

文摘

水在生物分子的行为的作用有目共睹。水和生物分子之间的耦合运动一直在大时间尺度研究自我虽然一部分集体动力仍然是完全未知的。自我水分子的扩散过程动力学提供了信息和弛豫过程的蛋白质结构。集体密度波动可能提供重要的见解可能相关生物信息的传播功能。认为水化水周围生物分子层显示自我动态签名明显不同于大体积的水,与glass-former系统类比,很接受。在同一个图布里渊太赫兹光谱被用来直接调查集体水合动力学水分子在生物系统,显示弱耦合和更bulklike行为。我们将讨论的结果集体水化水模式,由中子布里渊光谱,biomolecules-solvent上下文中的互动。

1。介绍

水,这是宇宙中最常见的分子,是研究最多的一个简单的化合物。在生命科学,它起着基本的作用,因为它代表了大约70%的活细胞的内容。在各种情况下,水分子不仅确定生物分子的结构和动力学但大多数生物功能不会发生在他们的缺席2,3]。为例,根据当地的环境,水分子可以形成相邻站点之间的一座桥梁修复一个理想的构象,构成小池在疏水区域,水合物特定化学组,激活集体运动,或者只是构成了限制液体介质。水分子附近的生物分子可能在三个类别分类:内部水、结合水和自由水。原则上,内部水和水化水对蛋白质稳定性和功能更重要;然而在现实生命系统也自由水的相关作用,例如,允许组件运输(4]。

在生物物理水动力学的描述代表一个重大挑战特别是因为它包含广泛的时间域,从皮秒到毫秒或更多,通常在一个极端的各种各样的情况下,根据当地条件和外部温度和压力等领域。在这个复杂的场景中,水化水动力学的一般图景表明与生物分子表面产生互动,一方面,一个了不起的减速的地方扩散动力学(自我)[5- - - - - -13),另一方面,一个相当大的减少传播的相干长度集体模式(1,14,15]。所有这些动力方面可能是决定生物功能相关。

实验技术、核磁共振、光散射、x射线和中子散射是最目前用来解决生物物理问题特别是探讨水化水动力学。

中子散射是一个特别的非侵入性调查调查和确定生物系统的结构和动力学和溶剂分子。此外,中子散射与光的相互作用是明智的原子氢,均匀和大量分布在生物物质,在这方面与x射线散射技术互补。中子能谱学提供了重要的信息在短时间尺度,尽管如此,在倒易空间中,数据在复杂情况下的解释可能是困难的,因为不同的贡献由原子不同的地方环境。然而,中子散射截面强烈依赖于同位素,开发含重氢,重原子同位素替代,和匹配对比技术,增加了机会强调散射信号从所选部分的生物系统,从而提供机会集中调查一次在一个一半的一个复杂的系统16,17]。

许多优雅的研究,由中子散射光谱,自我动态的蛋白质和水分子在附近的生物分子中存在文献[5- - - - - -8,18- - - - - -20.]。然而,兴趣集体模式,开始与布里渊光谱在太赫兹频段(开发21- - - - - -24),水化水而言,现在起飞提供的新的可能性的概念专用非弹性中子能谱仪BRISP [25]。

布里渊谱BRISP是乐器为小角度的优化热能中子非弹性散射,探索集体激励,设想在一系列不同的系统。在过去几年,它已被广泛用来解决集体水分子的动力学行为,特别是在生物大分子的水化水和承压水。

在本文中,我们将讨论最近的结果水化水集体模式由中子布里渊光谱obtaind biomolecules-solvent交互的上下文中,提供生物样品的例子从小肽整个细胞。

2。BRISP:科学背景和仪器一般特点

新的飞行时间(ToF)布里渊谱仪(BRISP)非弹性中子散射生病一直在设计和建造的高通量反应堆(图1)(详细描述的工具和术语进入仪器,为了执行实验,可以在BRISP web页面(http://www.ill.eu/instruments-support/instruments-groups/instruments/brisp/))(25]。图1显示反应堆大厅内的光谱仪。光谱仪利用飞行时间(26)概念进行中子非弹性散射实验在广阔范围(超过5太赫兹,能量损失和能源获得,根据动量转移)和低动量转移(0.1⁻¹quasielastic地区和1.5⁻¹在非弹性制度,根据能量转移)。

中子布里渊散射探索补充运动范围与布里渊光散射相比,它跨越了一个很小的波矢量区域由于长波长的入射辐射,也是完全互补的非弹性散射x射线,它提供了一个具体的感性重原子(如C、O)和几乎没有感性的氢原子。

的动机来访问这个运动区域,清洁探头由非弹性中子散射,与能量传输特性的理解,这可能是一个微观机制负责整个生物分子信息的传播。特别是BRISP设计允许集体激发的调查的特点是高传播速度(声音加速超过3000年代⁻¹)。这个飞行时间仪器旨在为科学界提供一个新的先进的调查和有效的工具“低能量动力”无序物质从液体和眼镜压缩气体和生物系统。

一个非弹性中子散射实验提供了微观动力学通过动态信息结构的因素,哪一个事件的概率成正比中子散射的样本动量转移和一个能量转移(26]。一个典型的实验BRISP光谱仪将访问一个动态结构因素在()地区的贡献连贯的部分,因颗粒间的相关性,尤其有趣的(图2)[1]。

由于大不连贯的散射截面的氢(有关自我动力学),对主要的截面氘,一个中子光谱学调查水化水可以执行的连贯的动态样本组成一个完全氢化蛋白质和重水(26]。氢化的非相干信号蛋白将计入quasielastic峰由于相当广泛的能源解决BRISP相干信号的同时,生产主要由氘水化水,将成为纯粹的非弹性光谱。然而,在某些情况下完全氘样品的可用性在重水将提供一个清洁分离生物分子和水化水的贡献。

模型的选择采用了解释取决于物理考虑系统接受调查。因此,收集到的光谱,生物分子的水合作用水,经常分析使用阻尼谐振子(DHOs)来描述水共同作用传播整个系统(1,14,15]。这个选择是由使用最简单的经验形式的需要包含振动模式的最重要的特性。更复杂的模型可以被认为是但以牺牲雇佣更多的自由参数。依赖的动量传递适当的频率,DHOs,定义了”色散曲线,“提供的照片活动集体运动的物理特性(optic-like acoustic-like,色散)。另一方面的分析阻尼因子将信息”一生中”或传播长度,这些运动,局部结构相关的传播媒介。

生物系统中水分、集体作用被发现是两种模式的传播特征的类比发现散装水:高能线性分散模式和低能耗模式,而恒定的能量。在这幅图中,水化水动态结构因子可以表达如下: 第一项是一个狄拉克δ函数的强度代表弹性和quasielastic生物系统的响应。quasielastic组件是假定有一个微不足道的宽度比仪器能量分辨率。当情况不是这样一个有限宽度函数采用相反的δ函数,(比如,一个洛伦兹函数通常是相当合适的)。这个词玻色因子,而这个词在花括号之间是两个DHO响应函数的总和:高能,确定的下标是谁的参数,和一个低能的,确定的下标。每个DHO函数的特点是三个端依赖参数,适当的频率阻尼因子,强度。实验数据和最适合的例子在图表示2。

3所示。生物分子的集体动力学水化水的例子

为了给仪器的快照生物学应用潜力,几个亮点BRISP实验结果将被描述在接下来的段落。的例子很少色散曲线和阻尼因素从水化水的生物样本,从小肽整个细胞,将讨论。

3.1。蛋白质水合水

太赫兹色散曲线的测定水化壳的生物分子首次定义了核糖核酸酶(核糖核酸酶)蛋白(1,14]在水化水平0.7和1.0 g之间的水每克蛋白质。新兴的图像表明,尽管与生物分子表面的交互和转化单粒子动力学的减速,高频集体动力学水化水类似于大体积的水。

对于大体积的水(27- - - - - -30.核糖核酸酶水化水里),观察两种集体模式不同的特点:一个高频的模式分散自然和非色散低频模式。相同的结果被发现的MD模拟(31日]。

特别是,所谓的低频模式显示一个optic-like角色与一个相当恒定的能量约6 - 7兆电子伏,而所谓的高频模式而不是被认为是acoustic-like性质和特点是线性增加的能量随着wavevector(左面板图3)。低,边坡的这种模式提供了一个传播速度约3400 m / s;一个类似的值都是被推断出来的大部分液态水。有趣的是,低频(下图1 GHz)模式在水中传播,以及蛋白质,更低的速度。这种效应似乎是一个共同的特点在所有生物系统探索。另一方面,相关的低频模式可以O-O-O分子间氢键网络的弯曲运动(32]或纵向和横向动力学之间的耦合33]。

然而,不同于大体积的水的行为,都励磁的发现强烈阻尼。尤其是高频模式,显示了一个增加的阻尼因子(右面板图3)。这个二次依赖表明,激励可以通过一个较小的自由程传播比在大体积的水相对较小。特别是,密度波动过阻尼在超过0.8⁻¹,因此它的传播变得越来越阻碍,周期很短。这种行为可以假设相关水化水氢键网络(HB)和扭曲的影响,而其大部分四面体安排,由生物分子界面的存在。特别是,关于这个主题,最近建议当地的“密度”的水围绕biohydrophilic基质高于biohydrophobic的(34]。在蛋白质的情况下,这将导致一个平均失真,将出现一个集体激发的平均寿命。

记住这张照片,我们可以考虑蛋白质分子作为扰动探测水的溶剂,能够引入新奇事物通常定义良好的和有序的结构的水分子氢键网络。在这方面,它变成了自然有趣的水化水研究这种行为的存在不同的微扰分子和检查是否和如何影响水结构。

3.2。DNA水化水和离子的解决方案

相干密度波动传播通过DNA水化水,级别1至15克的水每克DNA,也被调查。由于极性基团的存在,静电相互作用强于在蛋白质的存在;因此HB的水化水网络预计将以不同的方式影响。事实上,推断结果发现球状蛋白非常相似。双模色散曲线显示惊人的相似特征的能量依赖和阻尼因素(图4)[15,35]。过多的模式的存在在这两种情况下约6 - 7兆电子伏表明这种能量范围可能是至关重要的对水化水动力学与生物分子及其耦合。此外,水化水的DNA和蛋白质的相似性表明快集体励磁在接口与生物分子对不同强度的solute-solvent交互。相反在大时间尺度(ps-ns),全球和更强的减速第一水化层的动态观察(36]。

结果从Mamontov和同事离子解决方案,如氯化锂溶液(D2O)_0.88(氯化锂)_0.12水,也表明集体从solute-solvent交互作用是解耦的37]。也在这种特殊情况下,探索一系列温度之间的270和205 K,低收入和高频激励的存在显然出现了。高频声波模式显示了水合作用完全相同的声速探测水。然而,在反对所观察到的生物系统,低频模式更低外推的依赖,它允许第二个1500 m / s的速度传播。

3.3。集体动力学在活细胞的细胞内的水

为了更好地理解之间的关系扩散动力学的减慢,氢键网络,和密度波动阻尼因子,Orecchini和同事调查了整个集体动力学大肠杆菌细胞(38]。

水代表了大约70%的活细胞内容、不均匀分布在间质、局限和池的水。在显示了一个细胞胞内的主要部分水扩散动力学大部分的水非常相似。只有大约10%的总水被发现慢了下来(39]。在这种情况下,相应的阻尼因素是预期行为不同于整个生物分子。

结果表明,虽然高频色散曲线,因此相应的传播速度与蛋白质和DNA水化水,相应的阻尼因素有一个清晰的指纹细胞内的水是由大量的自由水(图不相互影响的5)。特别是,推断出阻尼因子似乎是一个加权平均阻尼因素的散装和水化水。原来估计的自由液比例大约是总数的60%的水和水,每个分子水合三层,因此这表明一个更扩展HB网络相比之前的例子。

比较低频数据到蛋白质和DNA水化水,细胞水似乎有依赖随着离子解决方案(37]。然而,这第二个“速度”的起源可能是不同因为在这种情况下通过零斜率不自然。应该提到的低频(下图1 GHz)传播速度也远低于3000 m / s DNA和细菌,再次表明集体的共同本质水动力学和生物相关的系统。

从所有这些例子,然后出现看来,信息的传播通过水化水层不受尺寸影响,bio-surface化学异质性的程度,和水化水HB的扩展网络。最令人惊讶的匹配效应是水化水的高频声波的传播速度在所有的生物系统调查。似乎出现了另一个有趣的结果,这需要更深入的调查,是,当一个不可忽视的大体积的水水化水存在于系统相比,低频模式显示了动量传递弱依赖。另一方面,阻尼因子似乎使当地水结构的重要信息的属性。这个结果表明,阻尼有重要作用将密度波动从生物分子转移到水化水,反之亦然。

3.4。亲水和疏水肽水化水

在分子水平上揭示水化壳的动力学和控制化学生物表面的非均质性参数,Russo和同事使用简化的蛋白质模型生物分子进行实验和MD模拟,与不同的亲水和疏水性能5,6,34,40,41]。在第一次调查中,作者表明,在室温和高度集中的解决方案(~1分子溶质:25水分子,~1全4水化层厚),亲水的水化水(NALMA肽)和疏水(NAGMA肽)模型肽显示了当地平移扩散系数,当地居民时间,旋转扩散常数抑制对大体积的水。结果,水化水动力学明显更快在疏水亲水界面相比,它显示了明显的反常扩散签名。这不同的动态行为归因于不同的配置HB网络第一蛋白质模型生物分子的水合层。

在这个框架中,测量的集体动力学可以提供有关的特定效果的亲水或疏水界面分子表面传播的信息。对于所有先前讨论了生物分子,观察两种不同的模式:分散模式和一个非色散。非分散的模式被发现的相同的水化层水peptide-model系统和它对应于平均能量值为4.5 5兆电子伏。这种能量价值是不同于已经发现了整洁的水和大分子,但讨论的事先同意以前观察到的振动态密度(5,6]。它也是有趣的观察发现,任何坡的低地区,如前所观察到的细胞内的水和离子解决方案不可忽视的大体积的水。

另一方面,分散模式表现出两种截然不同的行为(图6)。集体密度波动传播在周围的水化水完全亲水分子的速度比在疏水。推断出声音的速度对应于亲水性和3600 m / s~2500 m / s的疏水性。相应的阻尼因子也更高的在第一种情况下,强烈建议不同的可塑性和两个水合氢键网络结构层。较低的速度观察在疏水的情况下,不匹配的蛋白质和DNA水化水,表明减少密度和/或降低交互的水疏水环境有重要的影响。

亲水的速度更高的探测NAGMA水化层意味着当地环境更稠密和/或刚性比”生成的从疏水NALMA”。这些初步结果是一致的,已经提出了作者在比较振动态密度的两种类型的蛋白质模型肽高密度和低密度无定形冰(5,6,34]。

4所示。结论和观点

BRISP代表一个独特的工具来研究水溶液的集体属性,特别是,水化水。这打开了新的视角研究领域,到目前为止只有部分探索。事实上,首先调查表明,即使低于self-dynamics情况下,水集体动力学可以修改存在的不同的分子,包括生物的、重要的。驾驶任何主要的结论还为时过早的原因不同的观察行为,特别是到低频模式的非色散性质。然而,作为一个初步结果可以说明高频模式传播在相当高的速度在所有情况下,在水与生物分子之间的相互作用影响阻尼因子,它总是高于大体积的水。速度高频率的值总是接近发现在大体积的水,同样,也低频传播速度低得多,因为它发生在大体积的水。这种行为让我们想起所谓的快的声音,这是观察在水中在许多热力学条件。

最后我们观察这些第一次实验进行BRISP描绘的路线:理想实验系统上执行solute-solvent静电相互作用可以自由调整多种热力学(t - p)。

在这幅图中一个新的领域探索与高压在生物系统中的应用。新的生物物理社区的兴趣和需求,食品科学和生物学感兴趣在极端条件下,使高压样品架的开发建设优化为研究生物解决方案。试样夹,钛合金制造,达到30 MPa压力下的生物分子和将允许调查nondenaturting压力。对溶菌酶的初步实验方案在高浓度展示出了一些有希望的结果的重要性和水作为保护和塑化媒介的角色。

确认

作者感谢病人提供中子束。d . Russo感谢d·理查德·他的帮助在开发和集成工具,致力于BRISP数据分析,在生病灯项目。

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