A víz, bár egyike a legegyszerűbb kémiai összetételű anyagoknak, ugyancsak egyike a legkomplikáltabb fiziko-kémiai viselkedést felmutatóknak is. Különleges tulajdonságai teszik lehetővé az életnek azt a formáját, amit ismerünk, olyannyira, hogy a biológiai molekulák (fehérjék, lipidek, nukleinsavak stb.) szerkezete és funkciója csak a körülöttük levő vízzel együtt értelmezhető. Erről az „együttes létről” azonban sokszor elfeledkeznek még a biológia területén kutatók is, és úgy értelmezik a jelenségeket, mintha azok csak az adott biológiai molekula viselkedésének következményei lennének, nem pedig egy biomolekula–víz–(+más biomolekulák) komplexnek.
A víz szerkezetének például a fehérjék viselkedésére való direkt hatásáról már 1888 óta vannak ismereteink, amikor is Franz Hofmeister úgy tudott sorba rendezni ionokat (elsősorban az anionok – F- ≈ SO₄^2- > HPO₄^2- > CH₃COO^- > Cl^- > NO₃^- > Br^- > ClO₃^- > I^- > ClO₄^- > SCN^- – bizonyultak érdekesnek), hogy azok a sorban balról jobbra haladva a kicsapatástól (kozmotróp hatás) a fokozott oldódásig (kaotróp hatás) tudták befolyásolni a fehérjék viselkedését. Kiderült, hogy a látható hatáshoz szükséges magas koncentrációjuk (>100 mM) nem általában változtatja meg a víz szerkezetét, hanem az a döntő, hogyan befolyásolják a fehérjékkel érintkező/azokhoz igen közel levő vízmolekulák rendezettségét, illetve kölcsönhatási lehetőségeit.

Mivel ilyen koncentrációjú sók az élőlényekben nincsenek, de maga az „élő anyag” olyan sűrű, hogy általában csak néhányszor tízmolekulányi vízréteg választja el a sejt belsejében a biomolekulákat, kíváncsiak voltunk, vajon maguk a biomolekulák képesek-e a velük érintkező víz szerkezetének befolyásolására, és ezen keresztül saját szerkezetük, illetve a pár molekulányi vízréteg másik felén levő más biomolekulák körülményeinek megváltoztatására.

A méréseket infravörös spektroszkópiával végeztük, annak olyan módjával, amikor egy nagy törésmutatójú kristály (ATR-kristály) belsejében haladó fény a kristály felszínénél teljes visszaverődést szenved, és abszorbeálódik a felszínen kívül levő molekulákban. Így fel tudjuk venni azok infravörös spektrumát (attennuated total reflection [ATR] spectroscopy). A vizsgálatokhoz a 95% H₂O + 5% D₂O keverékéből előálló kb. 10%-nyi HDO molekula 2500 cm^-1 közelében levő O-D rezgését használtuk, mert az nem fed át semmilyen más víz-, vagy biomolekula-eredetű rezgéssel.

Először azt néztük meg, hogy meg tudjuk-e látni a várhatóan legnagyobb effektust, a Hofmeister-sók által okozott szerkezetváltozást a víz-spektrumokban. Mint az 1. ábrán látható, a tiszta HDO O-D rezgéséhez képest, a (0,9 M sóoldat [szintén HDO-ban] mínusz tiszta HDO) spektrumokban oldalsávok jelennek meg; a kaotróp só esetében magasabb, a kozmotróp esetében pedig alacsonyabb hullámszámoknál (cm^-1). A Hofmeister-hatás szempontjából semleges NaCl kis intenzitású, szimmetrikus oldalsávokat adott a tiszta HDO O-D sávjának két oldalán.

1. ábra • H₂O és D₂O keverékéből (95:5) előállított kb. 10%-nyi HOD-molekula O-D nyújtási rezgésének Fourier-transzformációs infravörös spektruma, illetve az ilyen vízkeverékben feloldott sók (0,9 M) mínusz tiszta HDO-spektrumok.

 
A víz szerkezete szempontjából a kozmotróp hatás azt jelenti, hogy a vízmolekulák között a tiszta vízhez képest nagyobb számban alakulnak ki (erős) hidrogénhidak, amikben mind az O, mind a D atom részt vesz. Az O/D atomra irányuló külső vonzás következtében az O-D kötés távolsága valamelyest nő, ezért a köztük levő vonzóerő csökken, aminek következtében kisebb energia kell az O-D kötés menti rezgés gerjesztéséhez. Ez látszik meg az alacsonyabb hullámszámban (NaF spektrum az 1. ábrán). Kaotróp hatás esetén a vízmolekulák közti hidrogénhidak száma csökken, ezért a fenti logika szerint esetükben az O-D kötés átlagos távolsága csökken, a megrezgetéséhez szükséges energia pedig nő (lásd a magasabb hullámszámot a NaClO₄ esetében az 1. ábrán). Az ilyen hatások révén átalakult szerkezetű vizet a továbbiakban kozmotróp, illetve kaotróp víz néven említjük.

Ezután azt vizsgáltuk meg, vajon a fehérjék a felszínükön levő víz infravörös spektrumában képesek-e hasonló oldalsávokat létrehozni, amelyek ott szintén a szabadtól eltérő szerkezetű víz jelenlétére utalnának. Azt, hogy tényleg csak a molekulák felszínén levő vízmolekulákat lássuk, úgy értük el, hogy fokozatosan beszárítottuk az ATR-kristály felszínére kis cseppekben (kb. 10 csepp, összesen 20 µl) felvitt mintákat. Az oldalsávok megjelenését a száradás során sorozatban felvett infravörös spektrumokból egy, tisztán algebrai módszerrel (ami tehát nem kívánt meg semmilyen előzetes feltevést), határoztuk meg (szinguláris értékekre való lebontás [SVD]).

Egyik példaként a β-kazeint vizsgáltuk. A 2. ábrán látható, hogy az U első komponense (u1) jól egyezik a tiszta HDO O-D rezgés sávjának alakjával, amint annak lennie is kell, hiszen ez a komponens az „átlagos” – esetünkben a szabad – víz spektrumát jelenti. A második komponens (u2) azonban mind a kaotróp, mind a kozmotróp oldalon mutat sávokat, jó egyezésben a β-kazein amfifil természetével. A β-kazein tartalmaz egy nagy hidrofób régiót (kaotróp sáv), amely révén más kazeinmolekulákkal aggregálódik a Ca⁺⁺-szállító kazeinmicellák kialakulásának első lépésében, illetve egy erősen poláros, foszfoszeril oldalláncokat tartalmazó régiót, amelyhez a Ca-foszfát tud kötődni (kozmotróp sáv).

Más fehérjékre is megmutatható, hogy a fehérje felszíne olyan módon befolyásolja az őt burkoló víz rendezettségét, ami megfelel a fehérje biológiai funkciójának. Például, annak ellenére, hogy térszerkezetük hasonló, a mioglobin elsősorban „kaotróp vizet”, a hemoglobin „kozmotróp vizet” alakít ki maga körül. Ez megfelel annak, hogy a mioglobinnak elsősorban más fehérjékkel kell kölcsönhatnia, és ehhez segítség, hogy a felszínén levő, „önmagát szerető” kaotróp víz ki tud menekülni a kölcsönható fehérjék közül. Ezzel szemben a hemoglobinnak elsősorban az oxigént/szén-dioxidot kell nagy, akár makroszkopikus távolságban levő rendeltetési helyére juttatnia, ebben kerülendőek a más fehérjékkel való kölcsönhatások. Ehhez a neutralitáshoz a hemoglobint körülvevő „fehérjeszerető” rendezett kozmotróp víz, a fehérje–fehérje kontaktusok valamelyes „leárnyékolásával”, segítséget tud nyújtani. (Ezeket az adatokat terjedelmi okok miatt nem mutatjuk.)

Az élőlényekben a membránok rendkívül fontos szerepet játszanak mind az egyes térrészek elválasztásában, mind a térrészek közti anyagtranszport, illetve jelátadás lehetővé tételében/gátlásában. Mivel az elválasztott térrészek mindegyike vizes fázisú, megnéztük, meg tudjuk-e mutatni, megváltozik-e a víz szerkezete egy lipid modell membrán (dioleoil-foszfatidilkolin [DOPC]:koleszterol [Kol], 10:1), illetve egy biológiai membrán (tilakoid) felszínén (3. ábra). Jól látszik, hogy a modellmembrán felszínén a víz szerkezete kozmotróp irányba tolódik el (lásd a negatív sávot a kaotróp oldalon és a folyamatos növekedést a kozmotróp oldalon. Ezzel szemben a valódi biológiai membránban jelen van mind a kozmotróp víz (2450-60 cm^-1 körül), mind a kaotróp víz (2640-50 cm^-1 körül). A kaotróp víz minden valószínűség szerint a jelenlevő membránfehérjék következménye, amelyek sok (más fehérjékkel való kölcsönhatásra, receptor feladatokra stb. szolgáló), a vizes fázisba benyomuló oldallánccal rendelkeznek.

3. ábra •Dioleoil-foszfatidilkolin (DOPC) és koleszterol (Kol) 10:1 arányú keverékéből készített liposzómák, illetve egy Cianobaktérium tilakoid membrán szuszpenzió beszárítása során a környezetükben levő víz szerkezetváltozásának nyomon követése SVD-analízissel (csak a komponens spektrumokat mutatjuk, részletek az előző ábrán). A HDO-molekulák O-D rezgésének első (u1), második (u2) komponens spektruma tilakoid (T), illetve DOPC/ Kol-membránok (L) környezetében.

Összefoglalva: sikerült megmutatnunk, hogy a biológiai molekulák megváltoztatják a velük kölcsönhatásban levő vízmolekulák egymás közti kapcsolódásának rendjét. Képesek felszínükön kaotróp, illetve kozmotróp vízből álló „párna” kialakítására. A kaotróp vízben a vízmolekulák közti kölcsönhatások átlagban erősebbek, mint a vízmolekulák és az adott biológiai molekula közti kölcsönhatások; a kozmotróp vízben a vízmolekulák és a biológiai molekulák közti kölcsönhatás – erős hidrogénhidak révén – erősebb, mint a vízmolekulák közti átlagos kölcsönhatás. Egy ilyen vízpárnának nagy jelentősége lehet például a stresszfehérjék esetében, ahol egy-egy fehérje sok különféle folyamatban tud hatásosan részt venni; olyanokban, amelyekben nem lehet feltételezni, hogy a fehérjékre egyébként jellemző, atomi szintű specificitáson alapuljon a hatékonyság. Ha például egy membrán stabilizálásáról lenne szó, egy, a stresszfehérjét körülvevő, rendezett vizet tartalmazó kozmotróp vízpárna a stresszfehérje és a membrán közé „szorulva” a membránnal kialakított hidrogénhidak révén megvédheti a membránt a túlzott fellazulástól. A rosszul feltekeredett fehérjék térszerkezetét helyreállítani képes „dajkafehérjék” működése is alapulhat olyan mechanizmuson, hogy belsejükben erősen kaotróp vizet kialakítva az áttekerendő fehérje döntően csak saját térszerkezeti információira, energetikai viszonyaira kénytelen támaszkodni, amíg meg nem találja energiaminimumát. Ebben a dajkafehérjével való kölcsönhatások a köztük lévő kaotróp vízpárna miatt nem fogják zavarni.

Egy ilyen általános, „vízalapú”, elsődleges kölcsönhatási rendező elv egyelőre csak egy hipotézis, melyet az eddigi eredmények nem bizonyítanak be, de lehetséges voltát, és így a további ilyen irányú kutatásokat bátorítják.
 

Kulcsszavak: HDO, Hofmeister-effekt, fehérjeszerkezet, fehérjestabilitás, vízszerkezet