Water and protein solutions studied by field-dependent magnetic relaxation

Sammanfattning: Popular Abstract in Swedish Kärnmagnetisk resonans (NMR) är en metod som bygger på att många atomkärnor uppför sig som mycket små magneter. Detta i sin tur beror på att kärnan beter sig som en liten roterande laddning. Man säger att kärnan har ett spinn, eller att kärnan är ett spinn. I min avhandling använder jag mig av en fantastisk egenskap hos kärnspinnen. Om man stör systemet kommer det att vilja relaxera tillbaks till utgångsläget som vi kallar jämvikt. Hastigheten med vilken systemet relaxerar beror på vilka interaktioner kärnspinnen känner och hur de varierar i tiden. I en vätska pågår ständig rörelse. Det som gör NMR kraftfullt är att det finns (relativt) enkla metoder att beskriva hur rörelserna påverkar relaxationen. Genom att mäta relaxationen kan man därför säga något om hur och hur snabbt molekylerna rör sig! Proteiner är mycket stora molekyler som är av oerhört stor betydelse eftersom allt levande består av dem. De bygger upp människokroppen, men är också naturens verktyg. Eftersom proteiner är stora och består av många slags mindre byggstenar (aminosyror) är de också mycket svåra att förstå sig på och vi är långt ifrån att tillförlitligt kunna räkna oss fram till funktionen och strukturen av ett okänt protein. Alla proteiner i kroppen befinner sig i en omgivning av något slag. Ofta är omgivningen vatten, men ett protein kan även omge sig av andra proteiner eller cellmembran. Omgivningen har stor betydelse för hur proteinet fungerar, men också varför det ser ut som det gör. Jag har studerat hur omgivningen växelverkar med olika protein. En studie undersöker hur vattnet växelverkar med en typ av protein som binder fettsyror. Proteinet bildar ett stort hålrum där det finns vattenmolekyler, men hålrummet binder även fettsyran. I den metod jag använder studerar man proteinets interaktioner med vattenmolekylerna i hålrummet med hjälp av vattnets kärnspinnrelaxation. Resultaten visar att vattenmolekylerna byter plats med varandra inne i hålrummet på ca en miljarddel av en sekund, vilket är långsamt (!) om man jämför med hur snabbt liknande processer sker i rent vatten. Vattnet i hålrummet byter sedan med vattnet runt proteinet efter mer än 10 miljarddelar av en sekund men kortare än en miljondel av en sekund. Två studier handlar om hur andra lösningsmedel än vatten påverkar proteiner. Jag har valt att studera urea och ett etanolderivat. Varför vill man göra något sådant? Orsaken är ganska enkel. Urea och alkoholer har länge använts som verktyg i studier av proteiners stabilitet. Ett protein består egentligen av en lång kedja aminosyror som på något sätt finner en tredimensionell struktur. De stora obesvarade frågorna inom proteinkemin är hur proteinerna finner denna struktur (proteinveckningsproblemet) och varför den sedan är stabil. Andra lösningsmedel än vatten har ofta egenskapen att de förstör proteinets tredimensionella veckning, dvs de gör proteinet instabilt. Man säger att proteinet denaturerar, dvs vecklar ut sig. Genom att systematiskt förändra proteinet genom mutationer och sedan denaturera med t. ex. urea kan man därför undersöka vilken betydelse olika krafter har för proteiners stabilitet. Men, för att dra några slutsatser av detta måste vi förstå hur lösningsmedlen destabiliserar strukturen. Mina studier visar att både urea och alkohol växelverkar direkt med proteinet, medan de påverkar proteinets interaktioner med vatten på olika sätt. Dessutom verifierar ureastudien att den denaturerade formen också är ganska kompakt. Detta är något man inte trodde för några år sedan, men som nu finner allt mer experimentellt stöd. Ytterligare en studie rör vattemolekylerna nära ytan av ett protein. Det är viktigt att förstå hur dessa beter sig eftersom de kan förväntas ha stor betydelse för proteinets stabilitet och dess växelverkan med andra biomolekyler. Tidigare trodde man att ytvattnet binder länge till ytan pga starka vätebindningar, men den uppfattningen har fått stryka på foten under årens lopp. Vi tror snarare att de flesta vattnen på ytan har nästan lika snabb dynamik som vattenmolekylerna i rent vatten, dvs de snurrar ett varv på ca 20-200 miljondelar av en miljondels sekund. Studien gjordes på ett lite spektakulärt sätt. Vi stoppade in proteinerna i emulsioner som går att underkyla till lägre temperaturerer än -30 °C. (Rent vatten fryser vid 0 °C endast om det finns föroreningar eller liknande i vattnet som iskristallerna kan utgå från.) På detta sätt hoppades vi kunna får processerna vid ytan att gå så långsamt att vi kunde studera dem mer noggrant. Det visar sig att vattnet på ytan går att dela in i två klasser. De flesta snurrar mycket snabbt, medan några få (cirka 5 för ett litet protein) rör sig långsammare eftersom de befinner sig i "fickor" på proteinet. Vatten är på många sätt en märklig vätska som vi inte till fullo begriper. Som ett exempel kan nämnas att trots att molekylerna i flytande vatten är i genomsnitt nästan lika mycket vätebunda till varandra som i is, är dynamiken oerhört mycket snabbare. Ett problem är att det finns få sätt att experimentellt studera vätebindingen mellan två närliggande vatten eftersom de klassiska metoderna inte på ett enkelt sätt kan se skillnad på den vattenmolekyl som är inblandad i vätebindingen och de som inte är det. Jag har använt NMR-relaxation just för att försöka göra detta. Genom att kombinera experiment och teori har jag kunnat bestämma både vinkeln och avståndet i vätebindingen som funktion av temperaturen. Resultaten visar, precis som man kanske kan förvänta sig, att vätebindingen blir mer och mer förvrängd ju närmare kokpunkten man kommer, dvs både avståndet och vinkeln blir större i genomsnitt. Vid kokpunkten bryts bindingarna helt och vattnet förångas. Metoden skulle kunna användas för att studera andra system där det är svårare att veta vad man förväntar sig, men mina resultat kan också användas för att förbättra de teoretiska modeller som finns för vatten.