Новости химической науки > Вода как смазка для молекулярных машин

Маленькие челноки и колесики на основе отдельных молекул, могут увеличить скорость за счет небольшого количества воды К такому выводу пришла группа исследователей под руководством Сандера Вутерсена (Sander Woutersen) из Амстердамского университета в Нидерландах. Повышенный интерес исследователей к роли воды в работе молекулярных машин проявился благодаря произошедшему в лаборатории счастливому случаю.

Вутерсен объясняет, что его интерес его группы главным образом концентрировался в изучении скорости и принципов действия молекулярных машин. Для изучения этих параметров исследователи использовали динамические версии спектроскопий ЯМР и ИК. В ходе определения характеристик молекулярных машин было обнаружено, что их скорость различается и зависит от используемой партии растворителя – ацетонитрила. Вутерсен говорит, что влияние растворителя было незначительным, но все же присутствовало. Как выяснилось, различие было обусловлено присутствием различных количеств воды в ацетонитриле.

Вода помогает стабилизировать подвижный режим работы за счет того, что она действует как смазка (Рисунок из Nat. Chem., 2013, DOI: 10.1038/nchem.1744)

Используя две молекулярных машины, структура которых была основана на амидах различного строения, полученных в лаборатории Дэвида Лейга (David Leigh), исследователи наблюдали за тем, как быстро двигаются молекулярные машины при добавлении к главному растворителю небольших количеств разных добавок, включая воду. Было обнаружено, что в то время как вода помогает увеличивать скорость работы молекулярных машин, другие растворители, которые могут образовывать водородные связи с элементами молекулярного механизма, оказывают намного меньший эффект по увеличению скорости или даже замедляют машину, созданную из молекул.

Выглядит так, как будто вода «смазывает» молекулярные машины. Конечно же, в это случае концепция смазывания слегка отличается от того, что имеется в виду, когда мы говорим о смазывании велосипедной цепи или добавлении масла в автомобильный двигатель. Вутерсен допускает, что описание процесса может не соответствовать определению смазывания в словаре, но в данном случае является полезной метафорой. Он добавляет, что, опираясь на результаты работы, можно предположить, что молекулы воды, двигаются со скоростью не меньшей, чем энергетический барьер движения молекулярных машин.

Когда молекулярная машина начинает двигаться, водородные связи внутри амидных ассоциатов разрушаются, и группы N–H и C=O в растворе остаются обособленными. Вода взаимодействует с этими обособленными группами, стабилизируя состояние.

Клаас Вине (Klaas Wynne) из Университета Глазго в Великобритании считает, что группа Вутерсена провела отличное исследование. Сам Вине использует сверхбыструю спектроскопию для наблюдения за ролью воды при ее связывании с остовом протеинов, по мере того как они суперспирализуются с образованием третичной структуры. Вине говорит, что первоначально он считал, что наблюдаемые явления описываются термодинамическими эффектами, понижением энергии или чем-то в этом роде. Однако, по мнению Вине, группа Вутерсена доказала, что это не так. Вине высоко оценивает то, что результаты проведенной работы демонстрирует роль кинетических эффектов, и то, как вода может ускорить работу молекулярной машины. Вине считает, что определенно что-то аналогичное может происходить в белковых молекулярных машинах в наших клетках.

Однако, при удалении воды, белки довольно быстро денатурируются, а это означает, что проведение аналогичных измерений для белков может дать неоднозначные результаты. Между тем Вутерсен говорит, что эти механизмы могут оказаться моделями систем для настоящего понимания роли воды в качестве смазки для живых систем.

Источник: Nat. Chem., 2013, DOI: 10.1038/nchem.1744

метки статьи: #молекулярные устройства, #органическая химия, #физическая химия