Полноатомное моделирование тропоэластина человека: основной вклад в упругость эластина даёт вода гидратации

В журнале Nature Communications опубликованы многомикросекундные полноатомные расчёты представительного эластомерного участка тропоэластина человека — мономерного предшественника эластина. Авторы оценили конформационную энтропию белка, энтропию воды гидратации, а также энтальпии белок-белковых и белок-водных взаимодействий при растяжении. По их данным, вода гидратации даёт доминирующий неблагоприятный энтропийный вклад nature.comNature Communicationsnature.comОткрыть источник ↗. Результаты получены моделированием одного участка, а не измерениями на ткани.

Пятидесятилетний спор об упругом сокращении эластина

Эластин обеспечивает упругость артерий, кожи и лёгких. Это долгоживущий белок внеклеточного матрикса, который выдерживает миллиарды циклов растяжения и сокращения с минимальной остаточной деформацией; нарушение этих свойств может приводить к гипертрофии желудочков и инсульту. Гидратированный эластин упруг, сухой — хрупок, а термоупругие измерения показывают, что его сокращение в основном движется энтропией.

Спор идёт об источнике этой энтропии. Модели каучукоподобной упругости связывают сокращение с потерей конформационной энтропии белка при растяжении. Модели гидрофобной гидратации связывают его с потерей энтропии воды: растяжение открывает гидрофобные поверхности, которые упорядочивают окружающую воду. Дискуссия длится более 50 лет.

Что показало моделирование

В расчётах конформационная энтропия белка в целом снижается лишь умеренно. Локальные отклики неоднородны и зависят от вторичной структуры и контекста последовательности nature.comNature Communicationsnature.comОткрыть источник ↗.

Вода ведёт себя иначе. При растяжении много молекул воды переходит из объёма в устойчиво низкоэнтропийный первый гидратный слой, и именно это даёт доминирующий неблагоприятный энтропийный вклад.

Энтальпийные изменения действуют в обратную сторону. Растяжение разрушает выгодные внутрибелковые взаимодействия и усиливает взаимодействия белка с водой. Эти противоположные энтальпийные вклады в значительной мере компенсируют энтропийный штраф.

Авторы заключают, что результаты поддерживают термодинамический механизм, связанный с гидратацией. В нём вода — главный энтропийный вкладчик в сокращение эластина при сильной компенсации энтальпии и энтропии nature.comNature Communicationsnature.comОткрыть источник ↗.