А.В. Финкельштейн, О.Б. Птицын - Физика белка - Курс лекций с цветными и стереоскопическими иллюстрациями и задачами (1123404), страница 14

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 14)

Приходится специально подбирать вместо неполярного слабополярный растворитель(удовлетворительный и для более, и для менее полярных аминокислот) иидти на другие ухищрения. При этом, в зависимости от используемыхслабополярных растворителей, получаются несколько расходящиеся повеличине результаты, особенно для заряженных и сильно полярных аминокислот. Однако качественно они неплохо согласуются.О гидрофобности аминокислот поговорим чуть позже, а для начала полезно увидеть немного цифр, характеризующих гидрофобный эффект прикомнатной температуре для неполярных групп, похожих на те, что встречаются в белках.таблица 5-1.

Характерные термодинамические параметры переноса гидрофобных групп из неполярной жидкости в водный раствор при 25 °С.Данные взяты из C. Tanford, The Hydrophobic Effect (1980)ВеществоЭтан (CH3)2(ср. с боковойгруппой Ala:–CH3)Бензол C6H6(ср. с боковойгруппой Phe:–CH2–C6H5)Толуол C6H5CH3(ср. с боковойгруппой Phe)Перенос∆Gккал/мольБензол →водаCCl4 → вода+3.6∆Hккал/мольT∆Sккал/моль∆Cpкал/(моль×K)–2.2–5.8+59+3.8–1.8–5.4+59Бензол →вода+4.6+0.5–4.1+54Толулол →вода+5.4+0.4–5.8+63таблица 5-1 сразу показывает, что ∆G (в отличие от ∆H и ∆S) растет сразмером гидрофобной молекулы. растет — но как именно? Более подробный анализ гидрофобности разных неполярных молекул показал, чтоих гидрофобная свободная энергия ∆G растет примерно пропорциональнодо ступной для воды поверхности гидрофобных молекул. смысл и способпостроения доступной для воды поверхности демонстрируется рис.

5-5.свободная энергия гидрофобного эффекта составляет около 0,02–0,025 ккал/моль на каждый квадратный ангстрем «доступной поверхности» неполярной молекулы, перенесенной из неполярного растворителя в воду. В частности, для тех молекул, о которых мы уже говорили:для бензола ∆G ≈ 4,6 ккал/моль при доступной поверхности примерно в200 Å2; для циклогексана ∆G ≈ 6,7 ккал/моль при доступной для воды поверхности примерно в 300 Å2.65групп. Однако, если взять только ту доступную для воды поверхность,которая создается неполярными атомами (т. е.

вычесть из общей доступной для воды поверхности приблизительно по 50 Å2 на каждый полярныйатом), мы получим для всех групп примерно одну и ту же зависимость.Рис. 5-5. доступная для воды поверхность внедренной в воду молекулы. точкипоказывают центры граничащих с водой атомов; сплошная линия — их Ван-дерВаальсовы оболочки.

Молекула воды представляется как шарик радиусом 1,4 Å.«доступная для воды поверхность» создается центром этого шарика, когда онобкатывает погруженную в воду молекулу, касаясь Ван-дер-Ваальсовых поверхностей ее внешних атомов. картинка взята из [3] и адаптированата же закономерность наблюдается и для гидрофобных аминокислотных остатков (рис.

5-6).Рис. 5-6. размер доступной для воды поверхности боковых цепей аминокислотныхостатков и гидрофобность этих боковых цепей. [доступная поверхность боковойцепи остатка Х равна доступной поверхности аминокислоты Х за вычетом доступной поверхности остатка Gly, не имеющего боковой цепи; гидрофобность боковойцепи остатка Х равна экспериментально измеренной гидрофобности остатка Хминус гидрофобность остатка Gly].

Остатки Ala, Val, Leu, Phe имеют чисто углеводородные боковые цепи. У Thr и Tyr в боковой цепи есть еще по одному О-атому,у Меt — S-атом, у Trp — N-атом, у His — два N-атома; поэтому у всех них размердоступной неполярной поверхности меньше полного размера доступной поверхности.

картинка взята из [3] и адаптированаУ боковых групп с полярными атомами гидрофобный эффект (при той жеобщей доступной для воды поверхности) меньше, чем у чисто неполярных66 Гидрофобный эффект играет очень важную роль в поддержании стабильности белковой структуры. Именно он сворачивает белковую цепьв компактную плотную глобулу. рисунок 5-7 показывает, что свободнаяэнергия перехода гидрофобной группы из воды в гидрофобную же жидкость велика — она составляет несколько килокалорий на моль, в то времякак свободная энергия затвердевания этой же неполярной жидкости близка к нулю при физиологических температурах. [точнее: для сравнительнонизкомолекулярных углеводородов, таких, как циклогексан, показанныйна рис.

5-7, свободная энергия отвердевания даже положительна, и это недает им отвердеть при комнатной температуре. Отвердеванию противитсяэнтропия, в частности, энтропия вращений и перемещений молекул пожидкости, — в жидкости каждая молекула плавает более или менее свободно, а в твердом теле она зажата кристаллической решеткой. Энтропияперемещений молекулы, грубо говоря, не зависит от ее размера в отличиеот энтальпии, которая растет с ростом числа контактов одной молекулыс другими, т.

е. с ростом ее поверхности. В белковой цепи роль энтропииперемещений меньше, так как аминокислотные остатки связаны цепью,т. е. не могут двигаться независимо друг от друга, и это способствуетотвердеванию белка.]Рис. 5-7. термодинамика переноса типичной неполярной молекулы, циклогексана,из жидкой фазы в твердую и в водный раствор. Цифры соответствуют процессампри 25 ос. Величины ∆H, Т∆S и ∆G даны в ккал/моль. картинка взята из [6], но всечисла уточнены с использованием справочников и уравнений (5.10)–(5.15)67Если даже пренебречь всей вообще энтропией кристаллизации циклогексана в свободной энергии его отвердевания, ∆Gжидкий_циклогексан-кристалл, т.

е. положить ∆Gжидкий_циклогексан-кристалл ≈ ∆H жидкий_циклогексан-кристалл = –0,65 ккал/моль, — тои в этом случае видно, что для циклогексана термодинамический эффект отвердевания много слабее гидрофобного эффекта, приводящегок конденсации растворенных в воде молекул в жидкую каплю, так как∆Gвода→жидкий_циклогексан = –6,7 ккал/моль. таким образом, гидрофобный эффект берет на себя, грубо говоря, 90 %работы по созданию белковой глобулы.

Но он сам по себе не может создать нативный твердый белок. Он создает лишь расплавленную белковуюглобулу, о которой речь впереди. Отвердевает белок, как и все органические жидкости, под действием Ван-дер-Ваальсовых сил, а также водородных и ионных связей — взаимодействий более специфичных и болеечувствительных к деталям атомной структуры, чем простая водобоязнь.Но это — окончательная огранка, а большая часть работы, вся черноваяработа падает на гидрофобный эффект.Лекция 6Влияние водного окружения на электростатические взаимодействия.Электрическое поле у поверхности и внутри белка. диэлектрическая проницаемость. Экранировка зарядов в солевых растворах.Измерение электрических полей в белках при помощи белковой инженерии. дисульфидные связи.

координационные связи.теперь мы обсудим электростатические взаимодействия, точнее — теособенности, которые им придает наличие белковой глобулы и воды вокруг нее. казалось бы, что здесь обсуждать: вы и так помните, что зарядq1 на расстоянии r от себя создает, в среде с диэлектрической проницаемостью ε, электрическое поле с потенциаломϕ = q1 / εr(6.1)и взаимодействует с находящимся на этом расстоянии зарядом q2 с энергиейU = ϕ q2 = q1q2 / εr.(6.2)Помните вы, наверно, и то, что в вакууме (или в воздухе) ε = 1, в воде εблизко к 80, а в среде типа пластмассы (и, между прочим, сухого белка) εлежит где-то между 2 и 4.Внутренний голос: Это все верно, но только «почти».

Во-первых, когда заряды находятся не в вакууме, а в какой-то среде, то U является, строгоговоря, не энергией, а свободной энергией [ведь именно она — в присутствии теплообмена нашей системы (зарядов) со средой — стремится к минимуму при стремлении к равновесию, т. е. именно она должна отвечать запритяжение разноименных зарядов и отталкивание одноименных].

крометого, энергия элементарного взаимодействия не должна зависеть от температуры, а U зависит от диэлектрической проницаемости ε, и, следовательно, меняется с температурой.69Лектор: Это замечание абсолютно верно, но все это — постольку, поскольку нас интересует влияние взаимодействия зарядов на стабильностьбелка — мелочь, пуристика.Важнее то, что уравнение (6.2) справедливо только тогда, когда «среда»однородна. А когда нас интересует взаимодействие зарядов в белках, мыимеем дело с крайне неоднородной средой.

У самогó белка, как у любойпластмассы, ε невелико, где-то около 2 или 4 (напомню: в воздухе ε = 1),а у воды ε = 80. И заряженные группы белка обычно расположены на егоповерхности, у самой воды (позже мы поймем, почему). какое же ε мыдолжны брать для оценок электростатических взаимодействий в белке?Если мы выберем ε ≈ 80, два единичных (протонных) заряда на расстоянии 3 Å будут взаимодействовать с энергией ≈ 1,5 ккал/моль; если же мывозьмем ε ≈ 3, то они будут взаимодействовать с энергией ≈ 40 ккал/моль.разница уж очень велика: дополнительные +40 ккал/моль разрушат любуюбелковую структуру...кстати, как понять, — существен или нет тот или иной (свободно-)энергетический эффект для белка? тут полезно помнить две величины:(а) kT ≈ 0,6 ккал/моль; эффект, уступающий kT (в расчете на одну молекулубелка) всегда не существен — он «замывается» тепловыми флуктуациями;(б) характерный «запас стабильности» белковой структуры (разностьсвободных энергий между нативной и денатурированной формой белка),≈ 10 ккал/моль; эффект, превышающий 10 ккал/моль, «взрывает» белок.Второй вопрос связан вот с чем.

Формулы (6.1) и (6.2) справедливы,когда r, расстояние между зарядами, много больше размера молекул среды. Но в белках заряды часто находятся в прямом контакте, на расстоянии3–4 Å друг от друга, когда даже молекула воды, не говоря уже о боковойгруппе, между ними не влезет. как же оценивать электростатические взаимодействия в этом случае? Брать ε = 1, как в вакууме? Или все же братьε = 80? Или…?Маленькое философское отступление.

Зачем вообще нужны такие прикидочные оценки? казалось бы, имея мощный компьютер, можно ввести в него «всекак есть»: молекулы воды, координаты атомов белка, в том числе координатызарядов, задать температуру, т. е. энергию теплового движения, и «все посчитатьточно». На самом деле эта картина несколько утопична. расчет (я имею в видудетальный расчет, он ведется при помощи так называемой «молекулярной динамики») — займет часы или дни (и, кстати, совсем точным он не будет, вспомнитехотя бы о «некруглых», из-за p-орбит, атомах): ведь вам надо будет рассмотретьи тепловые движения, и поляризацию десятков тысяч атомов. А вас, скорее всего, интересует простая, но быстрая прикидка: можно ли ввести в такое-то местобелка заряд, или белок при этом взорвется? И моя цель — научить вас делатьтакие прикидки.70 Прежде всего оценим, как меняется энергия заряда при переносе его изводы (ε ≈ 80) в белок (ε ≈ 3).

Характеристики

Список файлов лекций