А.В. Финкельштейн, О.Б. Птицын - Физика белка - Курс лекций с цветными и стереоскопическими иллюстрациями и задачами (1123404), страница 50
Текст из файла (страница 50)
А при денатурации белка частообразуется расплавленная глобула, где практически сохраняется как количество вторичной структуры, так и объем нативного белка. Не могут ли нам помочь синтетические полимеры, не имеющие вторичной структуры? Ведь в них существует переход глобула-клубок… Может быть, этот переход является ближайшим аналогом денатурации белка?Одно время так и думали.Однако потом оказалось, что процесс денатурации белка качественноотличается от переходов глобула-клубок в «нормальных» полимерах.242дело в том, что как эксперименты с гомополимерами (крайне трудные:из-за угрозы агрегации их приходится проводить при предельно низкихконцентрациях полимера), так и физические теории гомополимеров и статистических гетерополимеров (не «отобранных», как белки, а «нормальных», т. е.
«случайных») расходились с тем, что наблюдается в белках.Они все говорили (рис. 17-10, 17-11), что разрушение плотной глобулы в полимерах должно начинаться постепенно и до самого (или почтидо самого) конца идти без резкого скачка плотности молекулы, связанногос переходом одной фазы («глобула») в другую («клубок»). Они говорилитакже, что к моменту превращения глобулы в клубок она уже становитсяочень рыхлой и что эти две фазы различаются, в основном, масштабомфлуктуаций плотности молекулы (малым — в глобуле, и большим —в клубке), т.
е., что этот переход совсем не похож на фазовый переход первого рода — скажем, на плавление или испарение. А денатурация белкапохожа как раз на плавление или испарение твердого тела.Рис. 17-10. Зависимость гидродинамического радиуса Rh от температуры для разбавленного раствора цепей поли(метил-метакрилата), с молекулярным весом6,5⋅106, в изоамил ацетате [по данным Kayaman N., Guerel E. E., Baysal B.
M.,Karasz F., Macromolecules (1999) 32, 8399]. точка перехода глобула-клубок(«q-точка») приходится на 61 °с (эта точка отмечена стрелкой). Глобула располагается при температуре ниже 61 °с, клубок — выше 61 °с. рассчитанный радиусглобулы из твердого поли(метил-метакрилата), с молекулярным весом 6,5⋅10 6,показан пунктиром. Видно, что клубок имеет примерно в четыре раза больший радиус (и, стало быть, почти на два порядка больший объем и меньшую плотность),чем глобула из твердого полимера, и что вслед за переходом клубок-глобула(при понижении температуры) цепь образует набухшую глобулу с почти вдвоебольшим радиусом (т. е.
с почти на порядок меньшей плотностью), чем глобулаиз твердого полимера (см. область 50–30 °с). За этой первой компактизациейследует, при дальнейшем понижении температуры, вторая (см. область 25–20 °с),и только она ведет уже к плотной глобуле243Облако мономеровПолимерная цепьT1 < T2 < T3 < T4Рис. 17-11. качественное сравнение поведения зависимости энергии ∆Е, энтропии∆S и свободной энергии ∆F = ∆Е – T∆S добавления одного мономера от плотностиρ для двух систем: «облако мономеров» и «полимерная цепь». Графики для энергий приведены для притягивающихся (ε < 0) мономеров. Зависимости ∆F от ρпоказаны для разных температур Т.
На дополнительных графиках (внизу) показанакачественная зависимость плотности ρ обеих систем от энергии взаимодействиямономеров, выраженной в единицах kT; графики относятся к невысокому внешнему давлению [при очень высоком, «надкритическом» давлении разреженных(с ρ < 0,5) состояний не существует]244 Несмотря на то, что классическая теория переходов глобула-клубокв гомополимерах не применима к денатурации белков, я считаю не лишним рассказать о ней, естественно, в самой упрощенной форме. такой рассказ, с одной стороны, позволит мне позже оттенить то, что существенноименно для белковых, «отобранных» цепей, а не просто для полимеров.с другой стороны, эта теория вполне применима к поведению уже денатурированных белковых молекул.
И, наконец, я считаю, что знание базовыхфизических моделей необходимо для общей культуры. Я рекомендую вам «поверять слова формулами» при чтении дальнейшего текста. конечно, проще читать только слова, но они часто допускаютнеоднозначное толкование; так что, поверяя слова формулами, вы самипроверите свое понимание.Итак, я рассмотрю простейшую «полимерную» модель — много(N) одинаковых и связанных в цепь мономеров («бусинок»). И я сравню ее с простейшей моделью, используемой со времен Ван-дер-Ваальса(XIX век!) для описания переходов газ-жидкость, с «облаком мономеров»,т. е. с совокупностью из N таких же, но не связанных в цепь мономеров(см.
рис. 17-11). Мы увидим, что в полимере нет аналога расслоенияна «жидкую» и «газообразную» фазы.Предварительное замечание. Ниже я буду считать, что мономеры притягиваются (иначе слишком скучно: плотная фаза не образуется, и все)и что интенсивность этого притяжения не зависит от температуры, т. е.что оно имеет чисто энергетическую природу. Последнее часто неверно,так как мономеры плавают в растворителе (вспомните о гидрофобномэффекте: он растет с температурой!), но так легче найти и рассмотретьвсе основные сценарии возможных фазовых превращений.
А потом ужеможно усложнить задачу — учесть зависимость «энергии» притяженияот температуры — и указать, когда, при каких температурах, какой из этихсценариев реализуется.сначала я хочу дать качественную картину и объяснить, почему «облако» может претерпевать скачок из плотной в разреженную фазу, а полимерне может, т.
е. почему он должен сгущаться постепенно. Чем жизнь мономера в полимере отличается от его жизни в облаке?тем, что в полимере он не может далеко отойти от своего соседа по цепи;а в облаке он может отлететь от любого другого мономера куда угодно,пока не наткнется на стенку сосуда.Почему из мономеров образуется плотная фаза — будь то жидкость(если мономеры не связаны цепью) или глобула (если связаны)? Потому,что мономеры притягиваются друг к другу, и, при низкой температуре,245когда роль энтропии падает (вспомните: в свободной энергии F = E – TSэнергия E сравнивается с энтропией, умноженной на температуру), энергия притяжения побьет любое желание мономеров рассредоточитьсяпо пространству и выиграть энтропию. Побьет всегда — кроме одногослучая: когда такое рассредоточение приведет к практически бесконечнобольшому энтропийному выигрышу.
А последнее возможно тогда, когдаоблако мономеров помещено в очень большой объем. И вот здесь-то мономерам этого облака приходится выбирать между двумя фазами: либо бытькаплей (низкая энергия, но и малая энтропия), либо быть разреженнымгазом (ничтожная энергия, но зато очень большая энтропия: летай, гдеугодно!). А вот промежуточные состояния — с не очень низкой энергией и с невысокой энтропией (когда плотность, скажем, раза в 2 или в 10меньше, чем у капли) — будут иметь более высокую свободную энергию,и потому не будут стабильны.
так что стабильной — при низкой температуре — будет либо очень плотная фаза облака, либо очень разреженная,но не нечто рыхлое. Иначе говоря, при изменении внешних условий (скажем, при повышении температуры) в «облаке мономеров» может наблюдаться резкое испарение плотной фазы.так обстоит дело в «облаке». А в полимере? Не так, потому что в самойразреженной глобуле мономер никак не может далеко отойти от своего соседа по цепи, т. е. его энтропия в самом разреженном клубке никогда не превзойдет какого-то предела и не сможет (при низкой температуре) конкурировать с энергией, выигрываемой при сжатии глобулы.
так что полимеруне из чего выбирать: при низкой температуре его мономерам никак не разлететься по всему сосуду — как бы велик тот ни был, а быть ему толькосжатым в глобулу, и, значит, в отличие от «облака», он не может претерпетьскачок из плотной в разреженную фазу. то есть при изменении внешнихусловий (скажем, температуры) возможно только постепенное разрыхление(или уплотнение) полимерной глобулы, но никак не ее резкое «испарение».теперь повторим то же самое на языке формул.сравним «облако» из N мономеров, помещенных в объем V, с глобулой того же объема, образованной цепью из также N мономеров. считая,что мономеры и «облака», и полимера более или менее равномерно распределены по объему, добавим к каждой из этих систем еще один мономери посмотрим, как зависит свободная энергия этого мономера (или, как говорят, его химический потенциал) от плотности системы. Химический потенциал — удобный инструмент анализа сосуществования фаз.
дело в том, что молекулы перетекают из той фазы, где их химический потенциал выше, в ту, где их химический потенциал ниже, — это понижает общую свободную энергию системы и приближает ее к равновесию.246А в равновесии химический потенциал молекул в одной фазе равен химическому потенциалу тех же молекул в другой фазе. Значит, скачкообразный переход одной фазы в другую возможен, только если разным плотностям, разным фазам системы отвечает один и тот же химический потенциал.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
