Osnovy_biokhimii_Nelson_i_Kokh_tom_1 (1123313), страница 23
Текст из файла (страница 23)
Именно этим различием объясняется сравнительно высокая температура кипения бутилового спирта СНз(СНз)зСНзОН Рис. 2-3. Типы водородных связей, наиболее часто всгре- чагощмвся в биологических системах. Ахцептором водо- рода обычно служит атом кислорода нлн азота; донором водорода является другой здектроотрнцательный атом. (117 С) и низкая — у бутана СНз(СНз)зСН, ( — 0,5'С). В молекуле бутнлового спирта есть полярная гндроксильная группа, которая может участповать в образовании мсжмолскулярных водородных связей.
Незаряженные, но полярные Н ! С СН С С О Н О Н Н ! й // Ы вЂ” СН К Рис. 2-4. Нвкоторыв водородные связи, имеющие важ- ное значение для биологических систем. 2Л Слабые взаимодействия в водных средах 1771 К ! Более слабая водородная о О" связь ', Ф о ~ ~ Прочная — ~ водородная связь > — Р гас 2-5. Направленность водородной связи. Максимальное притяжение между частичными электрическими зарядамн (рис.
2-1) реализуется в том случае, когда трн атома (а данном случае О, Н и О), участвующие в образовании водородной связи, лежат на одной прямой. Если группы, участвующие в образовании водородной связи, строго зафиксированы (например, являются частями одной н той же молекулы белка) и такое идеальное расположение невозможно, то образуется более слабая связь. бпомолекулы (такие как сахара) легко растворяк>тся в воде благодаря стабилизационному эффекту от образования водородных связей между гплроксильными грушшми или карбоннльным кнслоролом сахара и полярными молекулами воды.
Спирты, альдегиды, кетоны и соединения, содержащие связи Х вЂ” Н, образуют волородные связи с молекуламн воды (рис. 2-4) и обычно хорошо растворяются в воде. Водоролные связи облалают наибольшей прочностью в тех случаях, когда взаимная ориентация связанных между собой молекул обеспечипаст максимальную энергию электростатического взаимодействия. Такая ситуация наблюлается, если атом водорода и лва делящих его атома расположены на одной прямой„т.е. если акцептор находится на одной линии с ковалентной связью межлу атомом донора и атомом водорода (рнс. 2-5) и если положительно заряженный ион водорода находится ровно между частичными отрицательными зарядами на атомах кислорода Другими словами, водородная связь характеризуется определенной направленностью и вследствие этого способна улерживать обе связанныс с гг помощью молекулы или группы в опрелеленной ориентации.
Ниже мы увидим, что именно это свойство водородных связей способствует стабилизации строго опрслеленных трехмерных структур,характерных для молекул белков и нуклеиновых кислот, имеющих болыпос число внутримолекулярных подоролных связей. Между водой и заряженными веществами существуют зяектростатические взаимодействия Вола является полярным растворителем.
В пей легко растворяется большингтпо биомолекул, которые обычно представляют собой заряженные или полярные вещества (табл. 2-2). Легко растворяющиеся в воде вещества называют гидрофильными (от греч. лк>бящий воду). Напротив, пеполярные растворнтсли (хлороформ, бснзол и др.) плохо растворяя>т полярные б>иомолекулы, но хорошо растворяют те вещества, которые обладают гидрофобными свойствами, т. е. псполярпыс молекулы типа липидов и смол. Вода растворяет такие соли, как ХаС), гнлратируя и стабилизируя ионы Ха' н С! путем ослабления электростатических взаимодсйгтвий между ними, тем самым препятствуя их ассоциапии с образови>нем кристаллической структуры (рис.
2-6). Тс же принципы применимы и к растворению заряженных биомолекул, содержащих ~акис функциональные группы, как ионизованная карбоксильная группа (-СОО ), протоннрованная аминогруппа ( †)>)Н,"), а также эфиры или апгилриды фосфорной кислоты. Вода легко растворяет подобные вещее~на, при этом водоролные связи в молекулах растворенных веществ заменяя>тся водородными связями между растворенным веществом и водой, кроме того, экранируются электростатические взаимодействия между молекулами растворенного вещества. Воду очень удобно использовать для опенки электре>статических взаимодействий между растворенными ионами, поскольку она имеет высокую диэлектрическую проницаемость (этот физический параметр отражает количество диполей в растворителе).
Сила ионных взаимодействий в растворе (Х) зависит от величины заряда (С>), расстояния между заряженными группами (г) н диэлектрической проницаемости растворителя (е, безразмерная величина), в котором происходит взаимодействие: Диэлектрическая проницаемость волы при 25 С равна 78,5, а для такого неполярного растворителя, как бензол, е = 4,6. Таким образом, ионные взаимодействия между растворенными ионами сильнее проявляются в неполярных, чем [78] Часть 1.
2. Вода Неполярные Типичная смола Полярные Глюкоза СН ОН Н Н Н ОН Амфифильные Фенилаланин 'Ннз — СН7 — СОО Глипим Аспартат з Мыз 1 СП вЂ” СН вЂ” СОО ННз 1 -ООС вЂ” СН,— СН вЂ” СОО- Фосфатидилхолин о СНз(СН7)~5СН7 С О СН7 1 СН (СН ),зСН вЂ” С вЂ” Π— СН О 1 11 +М(СНз)з ! О СН7 О Р О СН7 СН7 1 О СНз — СН вЂ” СОО- 1 ОН Лактат ОН 1 Глицерин НОСН,— СН вЂ” СН,ОН ! Неполярная группа [ Полярная группа на ориентацию модекзд воды Рис.
2-6. Вода иак растворитель. Хорошал растворимость в воде многих кристаллических солей обусловлена гидратацией ионов, образующих эти соли. Кристаллическая решетка г)аП распадаетс7ь по мере того как молекулы воды окружают ионы Ма' и С1-. Заряды ионов частично нейтрализуются, и электростатическое притяжение„необходимое для образования решетки, ослабевает. в полярных средах. Зависимость силы ионных взаимодействий от расстояния (от 1/гз) приводит к тому, что в воде притяжение или отталкивание :-.;:Ф ";:..—,,!: — ':, >,.'Г ["'." - 'б-"-"-'7 ~- О 11 СНз(СН7)7 — СН=СН вЂ” (СН7)з — Сыз С О 1 СН,(СН,) СН=СН вЂ” (СН,) СН, ионов действует лишь на очень коротком рассто- янии — в диапазоне от 10 до 40 пм в зависимости от концентрации электролита.
Ф' ' '':;:, ГидратироваиС!'- ":::, ный иов С1 Обратите внимание а.„„- 'в,': Гидратировав7ВР з ' вый ион Ыв~ 1В01 Часть 1. 2. Вода Полярная чголоваь >(. ~( сй ф, Неполяр- ная алкиль ная цепь (тхвость) «Мерцающие кластеры» в толще воды Рис. 2-У. Поведение амфифильных соединений в водном растворе. а) Длинноцепочечные жирные кислоты имеют гидрофобные алкильные цепи, которые окружены слоем упорядоченных молекул воды. б) Образование мицелл приводит к минимизации контакта гидрофобной поверхности жирных кислот с водой, кроме того, в такой структуре минимальное число упорядоченных молекул воды задействовано в образовании оболочки вокруг неполярных молекул.
Стабилизация мицеллы происходит за счет выигрыша в энергии в результате высвобождения иммобилизозанных молекул воды. Высокоупорядоченные молекулы воды образуют оболочку вокруг гидрофобной алкильной цепи Ь- з~Р <) 3 ъ Распределение ° ~ ~~ липидов в воде. ф ф з1з чх Вокруг каждой молекчлы лнпизз образуется слой 'ч~ $ ~ упорядоченных .~ ) ф ~4...,.у.... ф~ ) ъ- ~ 1 .6.
ч~9 ~". ~.% о Образование липидных ф х(' кластеров. Упорядоченные ф Ъ" структуры воды «~ возникают тольоз",;!:, ь 4 льку упорядочено молекул воды. 6~ Все гидрофобныс т.р „. '-. '~, ' ';,"',, ' -; группы спрятаны Ъ.- = "а: „внутрь мицеллы; Ф 4~ чтем-;=',;:дхж )за~, возрастает. [62[ Часть 1. 2. Вода Многие биоыолскулы являются амфифильными: белки, пигменты, некоторые витамины, а также стеролы и фосфолипиды в мембранах имеют как полярные, так и неполярныс участки.
Образованные такими молекулами структуры удерживаются за счет гидрофобных взаимодействий между неполярными группами. Гидрофобпыс взаимодействия между липидами, а также между липидами и белками являются важнейшим принципом построения биологических мембран. Гидрофобные взаимодействия между неполярными аминокислотами играют роль в стабилизации трехмерной структуры белков. Образование водородных связей между водой и полярными соединениями также приводит к упорядочиванию молекул воды, однако в случае растворения непо'шрных вещесчв энергетический эффект меныпс. Часть движущей силы, направленной на гнязывание полярного субстрата (реагирующего всщестна) с комплсмептарной полярной поверхностью фермента, расходуется на повышение энтропии, поскольку фермент выталкивает упорядоченные молекулы волы с поверхности субстрата, а субстрат выталкивает упорядоченные молекулы волы с поверхности фермента (рис.
2-8). Ван-дер-ваальсовы взаимодействия являются слабыми силами межатомного притяжения При слишком близком контакте двух незаряженных атомов происходит пзаимолсйствие окружающихихэлсктронныхоблакон. Случайные вариации положения электронов вокруг одного ядра могут создавать электрический диполь„который способен индуциронать противоположный электрический диполь в соседнем атоме.
Два днполя слабо притягиваются друг к другу, в результате чего ядра сближаются. Такие слабые силы притяжения назынают ван-дер-ваальсовым притяжением (или силами Лондона). По мере сближения двух ядер возникает противоположно направленная сила отталкивания их электронных облаков. В точке, где общее притяжение максимально, говорят, что ядра находятся в ван-дер-наальсоном контакте.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
