Превращения ионы фосфатов в воде

Ученые обнаруживают доказательства неизвестного ранее состояния одного из самых распространенных ионов на Земле.

По словам исследователей, это недавно обнаруженное поведение имеет значение для понимания функции ионов фосфата в биокатализе, энергетическом балансе в клетках и формировании биоматериалов.

Во время простого исследования процесса сборки кальциево-фосфатных кластеров группа исследователей из Калифорнийского университета, Санта-Барбары и Нью-Йоркского университета наткнулась на неожиданный вывод: ионы фосфатов в воде имеют тенденцию переключаться между своими часто наблюдаемыми гидратированное состояние и ранее неизвестное и загадочное «темное» состояние.

Исследователи считают, что это недавно обнаруженное поведение имеет важное значение для понимания функции ионов фосфата в биокатализе, энергетическом балансе внутри клеток и создании биоматериалов. Исследование недавно было опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences.

«Фосфаты повсюду», — сказал профессор химии UCSB Сонги Хан, один из авторов статьи в Proceedings of the National Academy of Sciences. Ион состоит из одного атома фосфора , окруженного четырьмя атомами кислорода. — Это в нашей крови и в нашей сыворотке, — продолжил Хан. «Это в буфере каждого биолога, это в нашей ДНК и РНК». Она также добавила, что это структурный компонент наших костей и клеточных мембран.

Порошок дикальцийфосфата. Предоставлено: Калифорнийский университет в Санта-Барбаре.

Связываясь с кальцием, фосфаты образуют небольшие молекулярные кластеры на своем пути к образованию минеральных отложений в клетках и костях. Это то, что Хан и его сотрудники Мэтью Хелгесон из UCSB и Алексей Джершоу из NYU готовились изучить и охарактеризовать в надежде раскрыть квантовое поведение в симметричных фосфатных кластерах, предложенное профессором физики UCSB Мэтью Фишером. Но сначала исследователи должны были провести контрольные эксперименты, которые включали сканирование ионов фосфата в отсутствие кальция с помощью спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и криогенной просвечивающей электронной микроскопии (крио-ПЭМ).

Но так как студенты UCSB и NYU, участвовавшие в проекте, собирали справочные данные, включавшие встречающийся в природе изотоп фосфора 31 в водных растворах при различных концентрациях и температурах, их результаты не совпали с ожиданиями. Например, сказал Хан, линия, которая представляет спектр для 31P во время сканирования ЯМР, должна сужаться с повышением температуры.

• «Причина в том, что чем выше температура, тем быстрее кувыркаются молекулы», — объяснила она. Как правило, это быстрое молекулярное движение усредняет анизотропные взаимодействия или взаимодействия, зависящие от относительной ориентации этих малых молекул. Результатом будет сужение резонансов, измеренных прибором ЯМР.
• «Мы ожидали, что сигнал ЯМР фосфора будет простым, с пиком, который сужается при более высоких температурах», — сказала она. «Удивительно, однако, что мы измерили спектры, которые расширились, что привело к полной противоположности тому, что мы ожидали».

Этот противоречивый результат поставил команду на новый путь, проводя эксперимент за экспериментом, чтобы определить его причину на молекулярном уровне. Вывод после года устранения одной гипотезы за другой? Ионы фосфатов образовывали кластеры в широком диапазоне биологических условий — кластеры, которые ускользали от прямого спектроскопического обнаружения, вероятно, поэтому их не наблюдали раньше. Кроме того, измерения показали, что эти ионы чередовались между видимым «свободным» состоянием и темным «собранным» состоянием, отсюда и уширение сигнала вместо острого пика.

Кроме того, по мере повышения температуры количество этих собранных состояний также увеличивалось, что является еще одним поведением, зависящим от температуры, по словам соавтора Mesopotamia Nowotarski.

• «Вывод из этих экспериментов заключался в том, что фосфаты обезвоживаются, и это позволяет им сближаться», — сказала она. При более низких температурах подавляющее большинство этих фосфатов в растворе цепляются за молекулы воды, которые образуют вокруг них защитную водяную оболочку.

Это гидратированное состояние обычно предполагается при рассмотрении поведения фосфатов в биологических системах. Но при более высоких температурах, как объяснил Новотарски, они сбрасывают свой водяной щит, что позволяет им прилипать друг к другу. Эта концепция была подтверждена экспериментами ЯМР, в ходе которых исследовалась фосфатная водная оболочка, и дополнительно подтверждена анализом крио-ПЭМ-изображений для выявления существования кластеров, а также моделированием энергетики сборки фосфатов соавтором Джошуа Штраубом.

По словам исследователей, эти динамические фосфатные сборки и гидратные оболочки имеют важное значение для биологии и биохимии.

Фосфат, по словам инженера-химика Мэтью Хелгесона, является общепринятой «валютой», используемой в биологических системах для хранения и потребления энергии путем преобразования в аденозинтрифосфат (АТФ) и аденозиндифосфат (АДФ). «Если гидратированный фосфат, АДФ и АТФ представляют собой небольшие «банкноты» валюты, это новое открытие предполагает, что эти более мелкие валюты могут обмениваться на гораздо более крупные номиналы — скажем, 100 долларов — которые могут иметь совсем другое взаимодействие с биохимическими процессами, чем известные в настоящее время механизмы», — он сказал.

Кроме того, многие биомолекулярные компоненты включают фосфатные группы, которые аналогичным образом могут образовывать кластеры. Следовательно, открытие того, что эти фосфаты могут собираться спонтанно, может пролить свет на другие фундаментальные биологические процессы, такие как биоминерализация — то, как формируются раковины и скелеты, а также на взаимодействие белков.

• «Мы также протестировали ряд фосфатов, в том числе те, которые включены в молекулу АТФ, и все они, по-видимому, демонстрируют одно и то же явление, и мы провели количественный анализ этих сборок», — сказал соавтор Цзяки Лу.

Этот когда-то упускаемый из виду процесс также может иметь важное значение в сферах клеточной передачи сигналов, метаболизма и болезненных процессов, таких как болезнь Альцгеймера, где присоединение фосфатной группы или фосфорилирование к белку тау в нашем мозгу обычно обнаруживается в нейрофибриллярных клубках. признак нейродегенерации. Увидев и изучив это поведение сборки, команда теперь копает глубже, исследуя влияние pH на сборку фосфата, генетическую трансляцию и сборку модифицированного белка, а также свою первоначальную работу по сборке фосфата кальция.

• «Это действительно меняет наше представление о роли фосфатных групп, которые мы обычно не считаем движущей силой молекулярной сборки», — сказал Хан.

Источник

Метки: Биоматериалы