Шпора 2 (Шпаргалки по биофизике), страница 2
Описание файла
Файл "Шпора 2" внутри архива находится в папке "Шпаргалки по биофизике". Документ из архива "Шпаргалки по биофизике", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "биофизика" из 5 семестр, которые можно найти в файловом архиве МГТУ им. Н.Э.Баумана. Не смотря на прямую связь этого архива с МГТУ им. Н.Э.Баумана, его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "к экзамену/зачёту", в предмете "биофизика" в общих файлах.
Онлайн просмотр документа "Шпора 2"
Текст 2 страницы из документа "Шпора 2"
Биомакромолекулы можно рассматривать как своего рода конденсируемые системы, состояния которых определяются относительно слабых невалентных взаимодействий. Именно такие взаимодействия дают основной вклад к стабилизации конденсации состояния биополимеров и его изменения в процессе функционирования. Значения энергии при ВВ взаимодействиях лежат в интервале 4-8 кДж/моль и выше. Энергия при комнатной (температуре) составляет 2,5 кДж/моль, а энергия коллективных ионных связей составляет 150 -600 кДж/моль.
Силы ВВ имеют электромагнитную природу и определяются взаимодействием электрических диполей молекул. В зависимости от того, обладает ли взаимодействие молекулы электрическим дипольным моментом, или последнее возникает вследствие поляризации оболочек, существуют различные типы сил ВВ
7. Ориентационное взаимодействие.
Рассмотрим энергию взаимодействия диполей, расположенных простейшим образом. При этом расстояние между диполями R много больше их размеров.
Найдем энергию их взаимодействия:
Энергия взаимодействия двух диполей является функцией квадратичных, а не линейных членов, следовательно:
Разложим в ряд Тейлора:
Имеем:
Если диполи свободны и совершают тепловое движение, то в среднем они будут принимать ориентации, соответствующие притяжению (так как в этом случае энергия их взаимодействия понижается). Вероятность взаимного расположения диполей зависит от их энергий, и в равновесии описывается законом Больцмана.
Расчет дает:
где 
- телесный угол.
.
10. Ориентационное взаимодействие.
Наряду с силами Ван-дер-Ваальса, водородная связь и электростатические взаимодействия играют важнейшую роль в стабилизации макромолекулярных структур. В частности, водородная связь стабилизирует внутреннюю структуру полинуклеотидных цепей. Водородная связь осуществляется между атомом водорода одной молекулы и электроотрицательным атомом кислорода (О), азота (N), фтора (F), или хлора (Cl), принадлежащего другой молекуле (известны случаи образования и внутримолекулярных водородных связей). Природа водородной связи сложна и не сводится только к электростатическому притяжению, хотя оно и дает основной вклад в энергию водородной связи. Наряду с взаимодействиями Ван-дер-Ваальса и электростатическими силами, в энергию водородной связи (UH) вносит вклад энергия делокализации (Uделок) 2-х электронов связи (А-Н) и неподеленной пары электронов другого атома. (А - какой-либо из 4-х электроотрицательных элементов). Энергия делокализации приводит к тому, что длина связи уменьшается. Например, для димера муравьиной кислоты:
Для большинства полимеров энергия водородной связи 
оценивается:
Uн=Uэл/стат+Uдисп+Uделок+Uотталк, =>
U= -25.2-12.6-33.6+35.3= -36.1 кДж/моль.
Как правило, для большинства биополимеров Uн связи лежит в пределах 12
35 кДж/моль.
5. Гидрофобные взаимодействия и структуры белков.
Все аминокислотные остатки, входящие в состав полипептидной цепи, условно разделяются на две группы:
-неполярные (гидрофобные),
-полярные (гидрофильные).
Степень гидрофобности остатков определят по разности свободных энергий растворения аминокислоты в слабополярном растворителе и воде (обычно используют этиловый спирт).
Полученные таким образом разности свободных энергий, приходящихся на белковую группу аминокислоты при переносе из спирта в воду приведены в таблице:
Степень гидрофобности аминокислотных остатков
| Гидрофобные | Три | Иле | Тир | Фен | Про |
| Ф кДж/моль | 12.50 | 12.40 | 12.00 | 11.10 | 10.85 |
| Гидрофобные | Лей | Вал | Лиз | Гис | Мет |
| Ф кДж/моль | 10.10 | 7.06 | 6.27 | 5.85 | 5.45 |
| Гидрофобные | Ала | Арг | Цис | Глу | Асп |
| Ф кДж/моль | 3.05 | 3.05 | 2.71 | 2.50 | 2.26 |
| Гидрофобные | Тре | Сер | Гли | Асн | Глн |
| Ф кДж/моль | 1.84 | 0.17 | 0.00 | -0.04 | -0.42 |
Глицил (Гли), аланил (Ала), валил (Вал), лейцил (Лей), изолейцил (Иле), фенилаланил (Фен), пролил (Про), тритофонил (Три), серил (Сер), треонил (Тре), метионил (Мет), аспарагинил (Асн), глутаминил (Глн), цистинил (Цис), аспарагил (Асп), глутамил (Глу), тирозил (Тир), гистидил (Гис), Лизил (Лиз), аргинил (Арг).
Гипотеза об определяющей роли гидрофобных взаимодействий была доказана в 1944 году. Идея состоит в том, что гибкая молекула белка в воде сворачивается в глобулу (поскольку полярные остатки белка стремятся к максимальному контакту с водным окружением, а неполярные – к минимальному). Известно, что минимальной поверхностью при заданном объёме обладает сфера. Стремление неполярных радикалов образовать внутри белковой частицы некое подобие шарообразной капли, а полярных сосредоточиться на её поверхности и приводит к образованию компактного тела – глобулы с гидрофобным ядром и гидрофильной поверхностью.
1-гидрофобное ядро,
2-гидрофильная оболочка.
В 1964 году Фишер установил, что, зная число аминокислотных остатков в белке и отношение полярных к неполярным, можно предсказать форму глобулы. Для простоты будем считать, что все остатки имеют одинаковые объёмы. Найдём отношение полярных к неполярным, которое обозначим b. Для главного радиуса r0, покрытой мономолекулярным слоем толщины d (Фишер считал, что d ~ 4-5
), посчитаем отношение числа полярных и неполярных остатков. Если глобула сферическая, то при сделанных допущениях:
=
=
=
.
Следовательно, чем меньше r0, тем больше должна быть гидрофильность белка. На рисунке приведена экспериментальная кривая Фишера значений b от объёма глобулы.
Глобула может быть сферической строго говоря лишь в случае, если b=bs.
Если b>bs, то есть число полярных остатков больше, чем необходимо для того, чтобы покрыть гидрофобное ядро гидрофильным слоем, то глобула вытягивается в виде эллипсоида и имеет большую поверхность, чем в случае сферы.
Если b>>bs, то возникают фибриллярные структуры (х на графике).
Если b<bs, то гидрофильные остатки не полностью закрывают гидрофобное ядро и гидрофобное взаимодействие между такими остатками приводит к агрегации белков и возникновению надмолекулярных структур.
Таким образом, белки, для которых значения b лежат выше кривой Фишера, представляют собой эллипсоиды и фибриллы, на кривой – сферические глобулы, под кривой располагаются белки, образующие надмолекулярную структуру. Формирование гидрофобного ядра в глобулярных белках имеет важное значение для их функционирования. Прежде всего, благодаря гидрофобным взаимодействиям, белки, из-за своей огромной молекулярной массы, обладают сравнительно компактной структурой.
6. Связывание лигандов с макромолекулами.
Образование комплексов между малой молекулой (ионом, метаболитом, гормоном), именуемой лигандом L, и центрами связывания лиганда на макромолекуле М лежит в основе функционирования большинства макромолекул. Образование комплекса ML можно рассматривать как кинетическую реакцию, константа равновесия которой:
(1)
Обозначим через r концентрацию связанного лиганда, через с – концентрацию свободного лиганда в растворе, через N – концентрацию центров связывания лигандов на макромолекуле, тогда концентрация незанятых лигандами центров связывания будет равна:
N – r = [M].(2)
В этих обозначениях выражение для константы равновесия:
(3)
При заполнении половины центров связывания из уравнения получаем:
(4)
Т. е. k – обратно пропорционально концентрации свободного лиганда в условиях 50% заполнения центров связывания.
На рисунке представлены данные по насыщению кислородом миоглобина и различных гемоглобинов человека. При построении графика удобно пользоваться не концентрацией О2, а его парциальным давлением.
1 – миоглобин,
2 – фетальный гемоглобин,
3 – нормальный гемоглобин
4 – гемоглобин больного серповидной анемией.
Уравнение для кривой связывания можно получить, если решить уравнение (3) относительно r. Тогда получим уравнение (5). С увеличением концентрации лиганда доля занятых центров r стремится к N. Из рисунка видно, что практически только связывание кислорода с миоглобином описывается гиперболой, а связывание с гемоглобином описывается S-образной зависимостью, которая обусловлена взаимодействием центров связывания между собой в процессе связывания.
В 1909 году Хиллом была предложена модель связывания кислорода с гемоглобином, которая описывает экспериментальные данные. Согласно этой модели центры связывания кислорода на молекулах гемоглобина не являются независимыми. А именно присоединение одной молекулы кислорода к одному из центров увеличивает сродство к кислороду других центров, а связывание двух молекул кислорода ещё более облегчает связывание с третьей. Такое связывание, при котором связывание идентичными центрами изменяется по мере их заполнения, называется кооперативным связыванием. Хилл рассмотрел модель максимальной кооперативности, т.е. когда связывание одного лиганда настолько увеличивает сродство остальных центров, что они заполняются почти мгновенно. Это значит, что в равновесном растворе лиганда N и макромолекулы, имеющих n центров. Связывание практически присутствует либо макромолекул с незанятыми центрами связи и комплексы лигандов с макромолекулой, у которого все центры заполнены. Таким образом, модель максимальной кооперативности практически означает протекание такого кинетического процесса:
(6)
В последнем выражении [M], [Ln], [N] – концентрации комплексов, свободного лиганда и свободных центров связывания. Степень насыщения центров связывания Y определяется как отношение концентраций связанных макромолекул к общей концентрации макромолекул в растворе.
