混雑により、DMSO水の水素結合相互作用が安定します

高分子、イオン、および浸透圧の密な梱包により、細胞内水の最大40％が閉じ込められています。生体分子の構造と安定性に対する添加物の影響に関する大規模な作業体にもかかわらず、これらの相互作用における混雑と不均一性の役割はよく理解されていません。ここでは、混雑しているメカニズムが水とジメチルスルホキシド（DMSO）の間の水素結合相互作用を調節するメカニズムを説明するために、赤外線分光法と分子動力学シミュレーションを使用します。具体的には、ホルムアミドとジメチルホルムアミド（DMF）を分子群衆として使用し、水性混合物のS═O水素結合集団が両方のアミドによって増加することを示しています。これらの添加物は、2つのメカニズムを介してDMSOの最初の溶媒和シェル内の水量を増加させます。（a）水DMSO水素結合を直接安定化。（b）DMSO-DMSOの自己相互作用を不安定化することにより、水曝露の増加。さらに、異なる成分間の水素結合エンタルピーを定量化しました：DMSO-water（61 kJ/mol）> DMSO-Formamide（32 kJ/mol）>水 - 水（23 kJ/mol）≫ホルムアミド水（4.7 kJ/モル）。カルボニルの伸縮振動のスペクトルは、DMSOがタンパク質の不安定化の主なメカニズムとして示唆されている強力なDMSO水相互作用の結果として、アミドの脱水を誘導することを示しています。

Up to 40% of intracellular water is confined due to the dense packing of macromolecules, ions, and osmolytes. Despite the large body of work concerning the effect of additives on the biomolecular structure and stability, the role of crowding and heterogeneity in these interactions is not well understood. Here, infrared spectroscopy and molecular dynamics simulations are used to describe the mechanisms by which crowding modulates hydrogen bonding interactions between water and dimethyl sulfoxide (DMSO). Specifically, we use formamide and dimethylformamide (DMF) as molecular crowders and show that the S═O hydrogen bond populations in aqueous mixtures are increased by both amides. These additives increase the amount of water within the DMSO first solvation shell through two mechanisms: (a) directly stabilizing water-DMSO hydrogen bonds; (b) increasing water exposure by destabilizing DMSO-DMSO self-interactions. Further, we quantified the hydrogen bond enthalpies between the different components: DMSO-water (61 kJ/mol) > DMSO-formamide (32 kJ/mol) > water-water (23 kJ/mol) ≫ formamide-water (4.7 kJ/mol). Spectra of carbonyl stretching vibrations show that DMSO induces the dehydration of amides as a result of strong DMSO-water interactions, which has been suggested as the main mechanism of protein destabilization.