Acqua ad alta energia: i ricercatori rivelano come l'acqua spostata possa sovraccaricare il legame molecolare
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"L'acqua non è solo lo sfondo della chimica della vita, ma spesso ne guida l'azione", afferma Werner Nau, professore di chimica alla Constructor University e coautore di un nuovo studio pubblicato su Angewandte Chemie International Edition. "Comprendendo il comportamento delle molecole d'acqua all'interno dei siti di legame molecolare, possiamo progettare interazioni più forti e intelligenti per applicazioni in campi che vanno dai farmaci ai materiali".
Nel suo elemento: Il professore di chimica della Constructor University Dr. Werner Nau
Constructor University
L'acqua è ovunque nella vita, ricopre la maggior parte del nostro pianeta, costituisce la maggior parte dei nostri corpi e costituisce il palcoscenico su cui si svolge tutta la biologia. Ma non tutta l'acqua si comporta allo stesso modo. La maggior parte fa parte del vasto oceano di liquido sfuso, ma una parte si trova intrappolata in piccoli angoli e fessure, confinata all'interno di sacche molecolari come i siti di legame delle proteine o i recettori sintetici. Queste acque intrappolate vivono secondo regole insolite, non potendo creare tutti i loro legami idrogeno preferiti. In effetti, sono come ospiti stipati in un ascensore surriscaldato: desiderosi di uscire se qualcuno apre la porta.
Gli scienziati a volte chiamano questa "acqua ad alta energia", non perché brilli o frizzi, ma perché si trova in uno stato meno confortevole e più energico dell'acqua normale. Lo spostamento di questa acqua quando un'altra molecola si muove può dare un sorprendente "impulso" alla forza dell'interazione, quasi come se l'acqua stessa aiutasse a spingere il nuovo arrivato al suo posto.
Questo è esattamente ciò che Werner Nau e Frank Biedermann del Karlsruhe Institute of Technology (KIT) hanno prima misurato e ora mappato. Il loro studio mostra, in dettaglio quantitativo, quanto "potere vincolante" extra può derivare dall'allontanamento dell'acqua ad alta energia. Il lavoro si concentra su sistemi modello ospite-ospite, contenitori molecolari che imitano il modo in cui le tasche biologiche si aggrappano alle molecole, consentendo al team di individuare i precisi contributi termodinamici dello spostamento dell'acqua.
Quantificare il ruolo di alcune invisibili molecole d'acqua non è un compito semplice. Inizialmente i ricercatori hanno utilizzato la calorimetria ad alta precisione, che misura il calore rilasciato o assorbito negli eventi molecolari, ma il quadro completo è stato risolto solo grazie alla modellazione computazionale eseguita da Jeffry Setiadi e Michael Gilson dell'Università della California San Diego. Insieme, hanno potuto assegnare numeri al "bonus di energia libera" che deriva dalla rimozione dell'acqua ad alta energia.
Un esempio eclatante è stato fornito dalla molecola macrociclica cucurbit[8]uril, un ospite molecolare ampiamente studiato. Quando si lega a un ospite, l'allontanamento delle molecole d'acqua incapsulate offre un guadagno termodinamico particolarmente elevato. I risultati del team hanno fornito dati concreti su un principio a lungo sospettato ma raramente dimostrato: più l'acqua è scomoda, più è utile quando se ne va.
Questa intuizione ha implicazioni di vasta portata. Nella progettazione di farmaci, l'identificazione di acque ad alta energia in un bersaglio proteico potrebbe aiutare i chimici a progettare molecole che le spingano fuori, migliorando la potenza e la specificità. Nella scienza dei materiali, la creazione di cavità che escludano o espellano tali acque potrebbe migliorare le prestazioni di rilevamento o immagazzinamento. Anche gli enzimi della natura potrebbero dover parte della loro efficienza al modo in cui gestiscono le molecole d'acqua all'interno e all'esterno dei loro siti attivi.
"L'acqua ad alta energia ha fatto parte della conversazione nella chimica supramolecolare e biomolecolare, ma i numeri erano difficili da definire", dice il Prof. Biedermann. "I nostri risultati forniscono una mappa quantitativa che chimici e biochimici possono applicare a diversi sistemi per prevedere come l'acqua influenzerà il legame".
Il lavoro è frutto di una collaborazione tedesco-americana tra la Constructor University, il KIT e la UC San Diego ed è stato selezionato per la prima di copertina di Angewandte Chemie, a testimonianza del suo ampio interesse scientifico.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
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