PDF (1123296), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Первичная структура полимерной цепи определяетсяхимическими или валентными взаимодействиями. Объемные взаимодействия в основномопределяют вторичную структуру макромолекул. Общим критерием стабильностимолекулярной структуры является наличие минимума на кривой U(r) зависимостиэнергии взаимодействия от расстояния между взаимодействующими частями. Картинка«Электронный терм для двухатомной молекулы».На малых расстояниях преобладают силы отталкивания, а на больших расстоянияхпревалирует притяжение. При r = ro силы притяжения и отталкивания уравновешивают другдруга. Значение энергии U(r) свободных частиц при r -> к бесконечности равно нулю, аэнергия образованной ими стабильной структуры отрицательна U(ro) < 0.
На малыхрасстояниях, где частицы отталкиваются, U(r) > 0. Минимум U(r0) соответствуетмаксимальной по абсолютной величине и отрицательной по знаку энергии взаимодействия. Вобразовании вторичной структуры белка играют большую роль силы Ван-дер-Ваальса. Ониимеют электромагнитную природу и связаны с взаимодействием электрических диполей в соседних молекулах. Наиболеераспространены дисперсионные взаимодействия между молекулами, которые не обладают постоянными дипольнымимоментами.
Природа этих сил носит квантовомеханический характер.Неопределенности в значениях координаты дельта х и импульса дельта р связаны соотношением неопределенностейдельта х дельта р = hЭто значит, что и в основном невозбужденном состоянии существуют быстрые смещения заряда электрона от положенияравновесия, а следовательно, в молекуле в состоянии покоя появляются "мгновенные" дипольные моменты. Появление такогомомента в одной молекуле индуцирует появление его в соседней молекуле. Возникает взаимодействие двух быстроменяющихсядипольных моментов, которые, таким образом, становятся связанными и притягиваются друг к другу.
Энергия притяжения двухмгновенных диполей, или энергия дисперсионного взаимодействия, быстро убывает с расстоянием Uдисп~1/r6.Кроме дисперсионного взаимодействия возможно и электростатическое притяжение между постоянными диполями вполярных молекулах. Кроме того, существуют также индукционные взаимодействия, которые возникают между постояннымдипольным моментом в одной молекуле и наведенным им диполем в соседнейполяризуемой молекуле. Суммарное ван-дерваальсово взаимодействие двух молекулзависит от вклада всех типов дипольных взаимодействий и составляет по величине от 1,0 донескольких десятков ккал/моль.В выражении для полной энергии или полного потенциала взаимодействия необходимоучесть не только притяжение Uпритяж(r)~1/r6, но и отталкивание на близких расстоянияхUотт(r)~1/r12) сложение этих величин дает формулу на картинкегде В - константы притяжения и отталкивания, r,k - расстояние между взаимодействующими атомами (i и k).Наряду с силами Ван-дер-Ваальса большую роль в стабилизации биоструктур играют водородные связи иэлектростатические взаимодействия между заряженными и полярнымигруппами.
Водородные связи, например, стабилизируют вторичную структуруполипептидных цепей. В энергию водородной связи дают вкладэлектростатические взаимодействия, притяжение и отталкивание, а такжеэнергия делокализации электронов. Величины энергии водородной связи сильноварьируют (3 - 8 ккал/моль). Так, водородная связьО-Н ... О обладает энергией 8,6 ккал/моль.где qi, qk - заряды на атомах (i и k), rik - расстояние между атомами, эпсилон - диэлектрическая постоянная.Условия существования клубка и глобулы.
Вследствие объемных взаимодействий сблизившиесяучастки могут либо притягиваться, либо отталкиваться друг от друга. Повышение температуры приводитк увеличению отталкивания между мономерами, понижение — способствует их взаимному притяжению.Существует температура, при которой отталкивание мономеров полностью компенсируется их взаимнымпритяжением. Эта температурная точка называется тета-точкой или тета-температурой. В тета-точкеобъемные взаимодействия отсутствуют, и макромолекула представляет собой клубок с размерами R ~lN1/2, который сохраняется и при повышении температуры Т > тета.
Однако в области Т > тета из-за увеличения силотталкивания размеры клубка возрастают: R > lN1/2. где а — коэффициент набухания макромолекулы; а > 1 в области Т > тета иа = 1 при Т = тета.В хороших растворителях притяжение атомов цепи и растворителя больше, чем между атомами цепи, что равносильноувеличению их взаимного отталкивания в таком растворителе (область Т > тета; здесь а > 1). Наоборот, в плохих растворителяхвзаимное притяжение звеньев полимера больше, чем их притяжение к молекулам растворителя (область Т < тета; а < 1).
Вобласти Т < тета в объемном взаимодействии превалируют силы притяжения, которые могут привести к конденсацииполимерного клубка в плотную слабо флуктуирующую глобулу. Эта глобула стабилизируется самосогласованным сжимающимполем, обусловленным силами притяжения между мономерами.На ранних стадиях сворачивания в развернутой цепи образуются альфа - или бета - участки вторичной структуры за счетлокальных взаимодействий.
Затем эти участки стабилизируются в результате действия гидрофобных сил, водородных связей иобъемных взаимодействий с другими участками цепи с образованием уже третичной структуры. Самосборка структуры белканосит направленный кооперативный характер. Она протекает через определенное число промежуточных стадий, а не путемперебора всех возможных вариантов укладки до достижения минимального по энергии состояния.Реальное время сворачиваниябелковой глобулы - несколько секунд.Выгодные низкоэнергетические состояния появляются сразу на ранних этапах сворачивания в небольших участках цепи,включающих два - три остатка.
Вначале для расчета низкоэнергетической конформации белка находят низкоэнергетическиесостояния дипептидов. Низкоэнергетические формы трипептидов представляют собой комбинации низкоэнергетических формсмежных дипептидов, что является результатом согласованности три - и дипептидных взаимодействий. Конформационныйанализ более сложных олигопептидов проводится методом последовательного увеличения цепи на один остаток. Важно, чтоновые взаимодействия, возникающие при удлинении цепи, стабилизируют фрагмент и не нарушают уже сложившихсявзаимодействий и низкоэнергетических форм. В настоящее время такой полуэмпирический метод расчета дает возможностьопределить пространственную структуру достаточно сложных полипептидов, включающих до сотни остатков.Образование свободных радикалов в клетках при действии неблагоприятных факторов среды.Свободное окисление протекает при участии свободнорадикальных форм кислорода, которые образуются в процессеодноэлектронного восстановления кислорода и прежде всего супероксид-аниона кислорода.Обычно эти реакции свободнорадикального окисления протекают в активном центре соответствующих ферментов, апромежуточные продукты не появляются во внешней среде.
При изменении условий функционирования дыхательнойцепи (например, при гипоксии) в ней также возможно одно-электронное восстановление кислорода, объясняющееся тем, чтоего сродство к убихинону выше, чем к цитохромоксидазе. Эти процессы приводят к образованию супероксид-анионакислорода. Этот радикал может образовываться и под влиянием ультрафиолетовых лучей, а также путем взаимодействиякислорода с ионами металлов переменной валентности (чаще всего с железом) или в ходе спонтанного окислениянекоторых соединений, например дофамина. Наконец, он может продуцироваться в клетках и такими ферментами, какксантиноксидаза или НАДФН-оксидаза.Образование супероксид-аниона кислорода имеет важное биологическое значение.
Он является высокореакционнымсоединением, которое вследствие высокой гидрофильности не может покидать клетку и накапливается в цитоплазме. Егопревращения приводят к образованию ряда активных окислителей (рис. 9.10). Он способен активировать NO-синтазу, котораяобразует в тканях NO-радикал, обладающий свойствами вторичного посредника (активирует растворимую гуанилатциклазу,продукт которой – цГМФ – проявляет вазодилататорные свойства).
С другой стороны, супероксид-анион способен снижатьсодержание NO-радикала, превращая его в пероксинитрит ONOOH (см. рис. 9.10).Живые клетки имеют системы защиты от повышенной продукции свободных радикалов. Ферментсупероксиддисмутазапревращает супероксид-анион кислорода в менее реакционноспособный и более гидрофобный пероксид водорода Н2О2.Пероксид водорода является субстратом каталазы и глутатионзависимых пероксидаз, которые катализируют его превращениев молекулу воды. Однако пероксид водорода может генерировать гидроксил-радикал в присутствии двухвалентного железаили превращаться в гипохлорит-анион ОСl–ферментом миелопероксидазой.Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
