Лекции Рубина (1123233), страница 20
Текст из файла (страница 20)
Огсюда,(9.4), найдем,у-квантовоченьмала:8Г ~ 1о- эВ. Однако в реальных условиях резонансная частота поглощенияу-квантов ядром не совпадает с частотой самого у-кванта. Дело в том,что при поглощении у-кванта ядромется в кинетическую энергию57Feотдачи,часть энергии кванта превраща-т.е.впоступательнуюэнергиюдвижения самого ядра. Это значит, что на самом деле энергия у-кванта,используемаядлянепосредственноговозбужденияядра57Fe,будетуменьшена на величину, равную энергии отдачи. В результате резонансная частота поглощения сместится по сравнению с исходной частотойсамого у-кванта.
Поскольку естественная ширина линии очень мала(Г ~ 10-8 эВ), а энергия отдачи для свободного Fe намного больше 2· 10-357эВ, то этот сдвиг будет очень заметен. Реальная величина энергии отдачи зависит от способности ядра атома57Feвоспринять импульс отдачи, аэто в свою очередь определяется его собственной подвижностью. Втвердых телах возможно поглощение у-квантов без отдачи, когда энергию отдачи берет на себя весь кристалл в целом, а смещений ядра57Feвообще не происходит.
Этот эффект поглощения у-квантов без отдачиназывается эффектом Мессбауэра. В этом случае в спектрах поглощенияу-квантов появляются линии, не смещенные по энергии из-за отсутствияотдачи. с ростом среднеквадратичного смещения х ' мессбауэровского2ядра57Fe вероятность-2рот, при малых Хf'поглощения без отдачи у-кванта падает. Наобо-не происходит передачи энергии ядру, жестко свя-занному с окружением, и вероятностьf'приближается к единице.Зависимость вероятности поглощения без отдачи от х2носит экспоненциальный характер:(9.7)57где Л = Л/2п, 'А - длина волны у-кванта ( Л =0,13 А для Fe ).Измеряя вероятность поглощения без отдачи в различных условияхтемпературы и влажности, можно оценить величину смещения ядра мессбауэровского атома, т.
е. получить амплитудную характеристику егоподвижности. Нормальный белок обладает характерной температурнойзависимостьюf '(Т)с изломом, что говорит о кооперативном характереразмораживания внутренней подвижности при температурах излома.Сухой белок такими свойствами не обладает, а скорее напоминает обычное твердое тело, где увеличение ххарактер. При температурах2с температурой носит монотонный77 - 200 К мессбауэровские ядра колеблются с малыми амплитудами (0,1 А), а при высоких температурах появляются более крупномасштабные смещения (0,3 - 0,6 А).
Увеличение108внутреннейПОДВИЖНОСТИбелка и в этом случае коррелируетсщимростомфункциональнойегоактивно-сти (рис. 9.5). Временноеразрешение в методе ЯГРлимитируется временемвозбужденногоядра1,0соответствую-•*0,5состоянияFe (•* ~ 10-7 с). Фак57тически с помощью методаЯГР измеряетсякоторое-tnf'смещениемессбауэровскогоатомядра,успевает2,0пройти за время 10- с.
Яс7но, что на других временахрегистрациисмещенийамплитудыбудет1,0другими.Общая классификация подвижности элементов струк-туры белка по характернымвременамдвиженийрис.9.6.отдельныхвидовприведенана140100Рис.9.5.1802.2.0 2.60 Т(К)ТемпературнаявероятностиэффектазависимостьМессбауэра( -lnf' =<х > ): 1сухой белок;2 - влажный белок; 3 - функциональная активность N по переносу электрона2в бактериальных реакционных центрах109т,сРелаксация:атомов иrp'Ynn10-11-боковых~ади~саловРела~сациясвободной воды1мино~::.ис.nот-ных остатков10-э-хчаст.~:.оволиnеnти,11-ной цеnи-доменов и10-7~диницРелаtссациясвязаннойводыЛокальныекон:rсо~~щионныеРеакцияnepси~и·переноса~отонанизир~емыхrp~nn-целых моле.:-улРазвертывание'УЧВСТК.ОВеt-спираJ1и10-sОбмен прочносвязанн'Ь1х1ионовСаОграниченныеконформационныепереходы10-1Раэвертываниесверть1ваниемоr!~ул10Рис.1109.6.Схема характеристических времен подвижности белковЛекция10.
ФИЗИЧЕСКИЕ МОДЕЛИДИНАМИЧЕСКОЙ ПОДВИЖНОСТИ БЕЛКОВВ предыдущей лекции мы познакомились с характерными временами и амплитудами движений участков белка, которые можно найтиэкспериментально. Обратим внимание еще раз на то, что полученныевеличины,конечно,зависятотвременногоразрешенияиспользуемогометода и описывают движение в той микрообласти белка, где локализована соответствующая метка.
Для того чтобы на основании этих данныхпредставить себе общую картину и понять законы внутренней динамикибелка, необходимо на основе экспериментальных данных составить соответствующие физические модели и проанализировать их свойства.Известно, что малые колебания атомов в твердом теле происходят с вы13-\13сокими частотами roo ~ 1О - с ( 't ~ 1О с)и малымиамплитудамих.~ 0,01-0,lA. Эти колебания можно описать как обычные гармонические колебания.
Однако такой подход неприменим для описания микродвижений белка с амплитудами Ха >>O,lA. Плотность белка очень великаи сравнима с ПЛОТНОСТЬЮжидкостейиU(x)органических кристаллов. Поэтомусмещениеотдельногофрагмента белка на величину, большую чем O,lA,ВОЗМОЖНОтолько,оно одновременновождаетсяеслисопрообразованиемфлуктуационнойполостииз-за сдвига других молекулярныхгрупп,окружающихданныйфрагмент. Фрагмент белка как бы "расталкивает"соседниегруппы.Такоедвижение требует энергииактивацииниядляпреодолепотенциальных энергетическихбарьеров,Рис.10.1.
Конформационное движение всмещевязкой среде (имитация вязкости потенцинию фрагмента. Поскольальной гребенкой) Ха - средняя амплитудапрепятствующихкупереходИЗмикросостояниясопровождаетсявОДНОГОкондругоеконформационный потенциал; ебольши--формационных флуктуаций; И(х)--энергияактивации конформационных движений111ми смещениями (~lA), то и ширина барьера должна быть довольнобольшой.
Такой процесс перехода нельзя уподобить "одноактному" перескоку между двумямикроинформационнымисостояниями.Переходчерез широкий барьер здесь представляет собой непрерывный процессдвижения в потенциальном поле со сложным рельефомциальной гребенкой (рис.10.1).-частой потенТаким образом, движение фрагментабелка характеризуется двумя пространственными масштабами. Движение по "частоколу" из частых потенциальных барьеров отражает взаимодействие фрагмента с окружающими белковыми группами. Оно носитдиффузионный характер и характеризуется коэффициентом конформационной диффузииформационнойD(x),зависящим от окружающей среды или от конкоординатых.Другойпространственныймасштаботражает результирующее медленное перемещение вдоль самой конформационной координаты и происходит в конформационном потенциале и (х). Как видно из рисунка, выход за пределы конформационнойэнергетической ямы [-ха, Ха,] запрещен, так как связанный с остальнойбелковой молекулой фрагмент не может отойти как угодно далеко.
Такоедвижение в целом соответствует непрерывной ограниченной диффузии ввязкой среде, когда фрагмент испытывает действие случайных толчковили теплового шума. Временная зависимость среднего квадратичного2смещения [х(t)] в этом процессе определяется формулой-( )]2 -Ха_ -2 (l -е -t/ic) .[ xtЗдесь-2~х а - среднии(10.1)квадратхарактерное время релаксации вамплитудысмещения,'te -процессе ограниченной диффузии,зависящее от трения при движении. Оно равно'tc =2y!mro о,(10.2)где у - коэффициент трения, пропорциональный микровязкости белка,т-масса фрагмента,roo- частота колебаний.Напомним, что коэффициент трения зависит от микровязкости белка согласно известной формулеСтоксау= бп Ь У],гдеЬ-вязкостьхарактерныйвпуазах(10.3)линейный(пз).размерПовышениефрагментатемпературы(Ь ~1 - lOA),У] -экспоненциальноуменьшает вязкость(10.4)(s 112энергия активации вязкого течения).Значит, с ростом температуры экспоненциально уменьшается ивремя't0так каку6пЬ11'tc--2-=--2-,mro<2~mroо11 ~еelk,T(10.5)о.Увеличение вязкости среды приводит к росту 'tc т.
е. к уменьшениюскорости диффузии. Огсюда можно понять влияние температуры навнутримолекулярное движение в белке и, в частности, зависимость среднеквадратичного смещения мессбауэровского атома от температуры (см.рис.9.5).При низких температурах 'tc очень велико, и при поглощении укванта мессбауэровское ядро не успевает сместиться за время пребывания в возбужденном состоянии. В этом случае происходит поглощение укванта без отдачи11( f'~1).Наоборот, в области высоких температур, гдеи 'tc малы, ядро успевает сместиться и /'падает. Таким образом, приповышении температуры в точке излома температурной кривой (см.рис.9.5)изменяется величина 'tc, которая становится ниже критическогозначения.
По температурной зависимостимикровязкости11f'(Т) можно найти величиныsдля белков, энергии активациивязкого течения, амплитуды ха конформационных движений. Обработка экспериментальныхданных для белков дает обычные значения 11 ~ 10 при 300К, что намногобольше вязкости воды и глицерина, s - 20 кДж/моль, Ха ~О,4А. Имеющие2ся в структуре белка а- и 13-элементы испытывают ограниченное диффузионноедвижение,зависящееотжесткости,микровязкостисреды.Изгибные флуктуации а-спиралей имеют определенную форму, причемамплитуда и время релаксации резко зависят от линейных размеров спирали.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
