А.В. Финкельштейн, О.Б. Птицын - Физика белка - Курс лекций с цветными и стереоскопическими иллюстрациями и задачами (1123404), страница 17
Текст из файла (страница 17)
концентрация Н+, т. е. [Н+] (моль/литр) равна 10–рНпо определению, а концентрация ОН– в воде есть примерно 10–14+рН.Пусть активный центр (АЦ) принимает ион Н+: АЦ + Н+ = АЦН+. тогда,по закону действующих масс, соотношение концентраций двух (с Н+ и безН+) форм активного центра составляет81[АЦН+]/[АЦ] = exp(–∆FАЦН+/RT) × [H+] == exp(–∆FАЦН+/RT) × 10–рН = exp{–(∆FАЦН+/RT + 2,3 × рН)},где ∆FАЦН+ — свободная энергия связывания Н+ (при [Н+] = 1 моль/л) с активным центром, а значок [ ] означает концентрацию.Если мутация вносит в белок заряд, создающий в его активном центрепотенциал ϕ, то ∆FАЦН+ меняется: ∆FАЦН+|с_мутацией = ∆FАЦН+ |без_мутации + ϕe, гдеe — заряд Н+.
так как в рН-оптимуме величина [АЦН+]/[АЦ] (и, следовательно, величина ∆FАЦН+/RT + 2,3 × рН) должна быть одной и той же и при,и без мутации, то∆FАЦН+|без_мутации /RT + 2,3 × рН|опт._без_мутации == ∆FАЦН+|с_мутацией /RT + 2,3 × рН|опт._с_мутацией.то естьϕe = ∆FАЦН+|с_мутацией – ∆F АЦН+|без_мутации == 2,3RT(рН|опт._без_мутации – рН|опт._с_мутацией) = 2,3RT × (–∆рН).так, зная сдвиг pH-оптимума, можно оценить потенциал, созданный вактивном центре мутированным остатком белка.
теперь, зная трехмернуюструктуру этого белка и, следовательно, расстояние r от мутированногоостатка до активного центра, можно оценить эффективную диэлектрическую проницаемость εэфф (входящую в формулу ϕ = q/εэффr) для взаимодействия внесенного мутацией заряда q с районом активного центра.Мутации в опытах Фершта вводились на поверхность белка, чтобы неразрушить его структуру (мы уже знаем, что энергия глубоко погруженногов белок заряда очень велика, так что он может буквально взорвать белок).результат: эффективная диэлектрическая проницаемость εэфф колебалась в этих опытах от 40 до 100, причем первое характерно для близких кактивному центру мутаций, а второе — для удаленных от него и «затененных» телом белка.
И большая величина εэфф вообще, и, в особенности, то,что εэфф может достигать 100 — вызвало изрядное удивление, так как многие, не знакомые как следует с электростатикой, считали, что εэфф должнылежать где-то между 3 (как внутри белка) и, в самом крайнем случае, 80(как в воде). Однако нас эти величины удивлять не должны — они хорошосогласуются с тем, что можно ожидать из рис. 6-10. Небольшое отступление — о белковой инженерии.
Ее главная прелестьзаключается в том, что, меняя такой-то кодон в гене белка, мы можем ввести мутацию в точно определенное место белковой глобулы, так как и генэтого белка, и его аминокислотная последовательность, и его трехмернаяструктура известны. кроме того, влияние мутации на структуру такжеможно контролировать — рентгеноструктурным анализом или ЯМр.
таким образом, вся работа ведется с открытыми глазами.82В опытах, о которых шла речь, белок служит микроскопическим (вернее,наноскопическим) электрометром. И белковая инженерия дает возможностьиспользовать такие приборы и при этом прыгать от физической теории кгенным манипуляциям и обратно, что чрезвычайно занимательно. теперь я хочу сделать несколько добавлений касательно электростатических взаимодействий.Первое. до сих пор я говорил только о взаимодействии отдельных зарядов.
Однако к электростатике относятся и взаимодействия диполей (например, диполей Н(+)–О(–) и Н(+)–N(–), вовлеченных в образование водородных связей), а также квадруполей — последние присутствуют, например, вароматических кольцах (рис. 6-15).Рис. 6-15. Электрический квадруполь ароматическогокольца: слой «половинок» p-электронов (заряд –3) —облака сверху; слой ядер (заряд +6) — посредине;слой вторых «половинок» p-электронов (заряд –3) —облака снизуЯ остановился на взаимодействии зарядов потому только, что они наиболее сильны, — даже при прямом контакте они в несколько раз сильнее, чемвзаимодействия диполей (и к тому же медленнее спадают с расстоянием), авзаимодействия диполей — сильнее, чем взаимодействия квадруполей.Второе.
При наличии свободных зарядов (например, соли) в воде электростатические взаимодействия ослабевают с расстоянием r не по закону«энергия пропорциональна (1/r)», а гораздо быстрее — как (1/r)exp(–r/D).Здесь D — радиус дебая-Хюккеля; он соответствует характерному размеру противоионного облака вокруг заряда. Величина D не зависит отсамого заряда, но зависит от зарядов и концентрации ионов соли в среде,от диэлектрической проницаемости среды и от температуры. В воде прикомнатной температуреD ≈ 3/I1/2 Å,(6.5)гдеI = 1/2 Σi ci zi2(6.6)— ионная сила раствора в моль/литр.
В формуле (6.6) сумма берется по всемсортам ионов в растворе, причем zi — заряд (в единицах протонного заряда),а ci — концентрация (в моль/л) иона i. Обычным физиологическим условиям соответствует I ≈ 0,1–0,15; при этом D ≈ 8 Å. Однако некоторые микроорганизмы живут при I ~ 1 моль/л и выше; при этом сохраняются, и то в оченьослабленном виде, только те электростатические взаимодействия, что соответствуют «солевым мостикам», т. е. прямому контакту зарядов.83В целом, при наличии в растворе ионной атмосферы энергия взаимодействия двух зарядов имеет вид(6.7)U = [q1q2/εэффr] exp(–r/D) .третье.
Электростатическое взаимодействие — яркий пример не парного взаимодействия частиц. Оно зависит не только от расстояния r междузарядами q1 и q2, но и от свойств среды (меняющих и ε, и D), и, в частности, от расстояний от зарядов до других тел и от формы этих тел (все этовлияет на εэфф), а также от концентрации свободных ионов в растворе (онавлияет на величину D).И еще одно добавление. до сих пор я обычно говорил «энергия электростатических взаимодействий». Это говорилось только для простотыслога — как я уже говорил в начале лекции, строго говоря, надо былоговорить «свободная энергия».
Ведь мы следили только за притяжениеми отталкиванием зарядов, но отнюдь не запрещали им (и их окружению)обмениваться теплом с окружающей средой. А раз теплообмен возможен,значит, по определению, речь шла о свободной энергии.Более того. Исследуя температурную зависимость электростатическихэффектов в водном окружении, можно показать, что энтропийная составляющая в них доминирует, а собственно энергетическая (энтальпийная)составляющая близка к нулю. Это видно из того, что диэлектрическаяпроницаемость воды меняется от 88 до 55 (т.
е. электростатические взаимодействия растут на 40 %) при росте абсолютной температуры Т от 273до 373 к (тоже примерно на 35 %). А у взаимодействия, растущего пропорционально абсолютной температуре, есть только энтропийная, но нетэнтальпийной части. Значит, в воде весь электростатический эффект связан не с энергией, а с упорядочением воды вокруг зарядов и с изменениемэтого упорядочения при сближении или отдалении зарядов друг от друга.Значит, как ни парадоксально, электростатика в воде имеет энтропийную, а не энергетическую природу, впрочем, так же, как и гидрофобныевзаимодействия или образование водородных связей в водном окружении. Заключая раздел «Элементарные взаимодействия в белках и вокруг», яхочу еще упомянуть о дисульфидных связях и о координационных связях.Не столь массовые, как, например, водородные связи, — эти связи, однако,часто играют важную роль в белках. Дисульфидные (или S–S) связи образуются цистеиновыми (Cys) аминокислотными остатками (боковая группа цистеина: –CβH2–SH).
Непосредственное, с выделением водорода (по схеме –CH2–SH + HS–CH2– →→ –CH2–S–S–CH2– + H2) окисление цистеинов в белках не идет — оно84происходит слишком медленно при комнатной температуре. Однако образование S–S-связей в белках может быстро происходить при помощитиол-дисульфидного обмена. Полагают, что в клетке это происходит приучастии глутатиона, существующего и в мономерной тиольной (GSH), ив димерной дисульфидной (GSSG) формах, — и происходит по схемекак разрыв, так и образование S–S-связей в клетках катализируется(т.
е. ускоряется, но не направляется) специальным ферментом — дисульфидизомеразой.Образование S–S-связей в клетке обратимо, так как энергетический баланс этой реакции — тиол-дисульфидного обмена — близок к нулю (былодве ковалентные S–H-связи и одна S–S-связь, и столько же осталось;не правда ли, это очень похоже на энергетический баланс образованиявнутрибелковых водородных связей в водном окружении?). Более того,имеющаяся относительно высокая концентрация GSH в клетке сдвигаетравновесие в сторону разрыва тех связей, которые могли бы образоватьсяпри «случайном» сближении цистеинов.
Поэтому здесь способны образоваться и выжить S–S-связи только между «и без того» (т. е. — другимивзаимодействиями) сближенными цистеинами.Особенно важны S–S-связи для белков, которым придется жить и работать вне клетки. с одной стороны, там нет дисульфидизомераз и глутатиона,так что уже завязавшиеся (внутри клетки или на выходе из нее) связи «замораживаются», они уже не порвутся и не перестроятся. с другой — белоквне клетки попадает в разные условия и дополнительный запас прочности,даваемый стабильными замороженными S–S-связями, ему не помешает.Поэтому S–S-связи гораздо более типичны для секретируемых белков, чемдля внутриклеточных.
Обычно в секретируемых белках все имеющиеся цистеины (кроме одного, если их число нечетно) вовлечены в S–S-связи. Координационные связи образуются N-, O- и S-атомами белка (а такжеО-атомами воды) с двух- и трехвалентными ионами металлов: Fe, Zn, со,Ca, Mg и т. д.У ионов этих металлов есть незаполненные, но низко (по энергии),чуть над заполненными лежащие электронные орбиты. каждая из нихспособна связать электронную пару.
А у О-, N-, S-атомов («доноров электронов») есть электронные пары, которые могут перетечь на свободныеорбиты ионов. Образующаяся при этом связь ничем не отличается отобычной химической связи кроме того, что для обычной связи электроны85поставляются обоими входящими в связь атомами, а для координационной — только одним из них.При образовании координационных связей ион металла связывается снесколькими донорами электронов. При этом крупные (с радиусом ~1,5 Å)атомы-доноры со всех сторон окружают маленький (с радиусом ~0,7 Å)двух- или трехвалентный ион. Наиболее часто шесть атомов-доноровокружают (координируют) ион металла, располагаясь по вершинам правильного октаэдра (рис. 6-16).ВтОрИЧНЫЕ стрУктУрЫ ПОЛИПЕПтИдНЫХ ЦЕПЕЙЛекция 7Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
