Вода — незаменимая жидкость в биофизике: от исследования сложной природы молекулярных взаимодействий до свойств гидратации наноматериалов, белков и мембран и молекулярных признаков гидрофобности

Простота молекулярной формулы воды не мешает ей проявлять сложные свойства, особенно выраженные при гидратации и в условиях наноконфайнмента, характерных для биологических интерфейсов. В этой главе мы рассматриваем молекулярные основы гидратации мембран, уделяя внимание фундаментальному принципу: взаимосвязи локальной структуры и энергии, определяющей двойственную природу взаимодействий воды. Мы вводим Vindex — не требующий параметрической подгонки структурный показатель, основанный на энергии и позволяющий различать тетраэдрическую координацию и дефекты водородных связей — два предпочтительных локальных состояния воды. С помощью этого показателя мы впервые даём однозначное, не основанное на произвольных допущениях молекулярное определение гидрофобности: «гидрофобность — это неспособность системы компенсировать дефекты водородных связей в гидратном слое с теми же энергетическими затратами, что и у объёмной воды (около −6 кДж/моль — всего примерно 30% энергии типичной водородной связи)». Эта абсолютная шкала устраняет субъективность понятия гидрофобности, точно выявляет переход при краевом угле θ = 90° и предсказывает режимы высыхания в наноконфайнменте. Применяя эти концепции в биофизике, мы показываем, что в гидратных оболочках белков и липидных мембран координационных дефектов значительно больше, чем в объёмной воде. Эти молекулы с дефектной структурой распределены не случайным образом, а концентрируются в функциональных областях, например в участках связывания белков. Наконец, мы приводим предварительные результаты, показывающие, что обогащение дефектами характерно и для гидратного слоя липидных мембран. Это позволяет с высоким пространственным разрешением, вплоть до отдельного атома, картировать локальную гидрофобность и углубить понимание молекулярного распознавания и проницаемости мембран. 4S