Э. Рис, М. Стернберг - Введение в молекулярную биологию от клеток к атомам (1160049), страница 8
Текст из файла (страница 8)
В вакууме е= 1 ,внутри молекулы белка она равна примерно 4, а в воде е = 80. Пользуясь законом Кулона, можно показать,что сближение положительного и отрицательного эле-ментарных зарядов из бесконечности до расстояния0,3 нм сопровождается термодинамически выгоднымизменением свободной энергии, равным примерно—500 кДж/моль в вакууме, —125 кДж/моль внутри белковой молекулы и —6 кДж/моль в воде.Ионная связь, (соленой мостик) образуется присильном сближении (0,3 нм) двух атомов с разноименными зарядами. В самой белковой молекулегруппа —СОО- боковой цепи остатка глутаминовойкислоты и группа —NH+3 боковой цепи остатка лизинамогут взаимодействовать между собой подобнонизкомолекулярным ионам соли, образуя солевоймостик. Если, однако, такого мостика не образуется,боковые цепи могут взаимодействовать с растворителем; при этом свободная энергия системы такжеубывает. Поэтому образование солевого мостика, хотя и выгодно термодинамически, характеризуется∆G, составляющим всего лишь около —4 кДж/моль,что гораздо меньше величины, следующей из законаКулона.Водородные связи.
Когда атом водорода связывается с электроотрицательным атомом типа кислородаили азота, происходит смещение электронов, приводящее к появлению дробного положительного заряда(обозначаемого δ+) на атоме водорода и дробного отрицательного заряда (обозначаемого δ-) на его партнере. При этом образуется электрический диполь, который может взаимодействовать с другими диполями.Связь такого типа называется водородной. В молекулахбелка группы >N—H и >С=О основной цепи частоучаствуют в образовании водородных связей. ∆G образования водородной связи в вакууме составляет примерно — 20 кДж/моль.
Но те же группы >N—Н и >С=Обелковой молекулы могли бы взаимодействовать сокружающими их молекулами воды, что также термодинамически выгодно, поэтому величина ∆G образования водородной связи в молекуле белка составляет около —3 кДж/моль.Вандерваальсовы силы заставляют атомы притягиваться друг к другу Такие силы притяжения междуатомами возникают, в частности, из-за наличия взаимодействий между флуктуирующими электрическимидиполями, образуемыми электронным облаком и положительным ядром каждого атома. Однако два атомамогут сближаться лишь до тех пор, пока их электронные облака не начнут перекрываться; дальнейшеесближение приводит к возникновению сильного от-талкивания.
Энергия такого взаимодействия описывается выражениемгде А и В — постоянные, зависящие от рода атомов.Таким образом, ввиду конкуренции двух взаимнопротивоположных эффектов — эффекта притяжения(— В/r6) и эффекта отталкивания (А/r 12) — естественнопредположить, что существует какое-то оптимальное(равновесное) расстояние между двумя атомам. Этоприводит к понятию эффективного радиуса атома,называемого обычно вандерваальсовым.Структура воды вокруг молекулы заметно сказывается на энтропии системы. Обычно молекулы водыдвижутся в растворе и вступают во взаимодействие другс другом путем образования и разрыва водородных связей.
Когда же молекулам воды приходится приниматьдостаточно жесткую конфигурацию, подобную структуре льда, упорядоченность возрастает, что термодинамически невыгодно из-за убывания энтропии.Гидрофобный эффект — это тенденция неполярных групп ассоциировать друг с другом, чтобы избежать контакта с водой. В результате такой ассоциациипроисходит нарушение структуры воды, вследствиечего энтропия системы возрастает. Выражение неполярный характер имеют алифатические и ароматические боковые цепи аминокислотных остатков белков(гл.
6) и основания нуклеиновых кислот (гл. 17).Тепловое движение — это хаотическое движениеатомов и молекул, определяющее температуру системы. Доля (/) молекул, у которых тепловая энергиябольше некоторого произвольно взятого значения Е,дается уравнением Больцмана:где R — универсальная газовая постоянная, Т — абсолютная температура. Таким образом, доля молекул сэнергией, большей RT (= 2,5 кДж/моль при комнатной температуре), равна ехр(—1), или 0,37.
Поэтомуэнергия связей должна превышать 2,5 кДж/моль, иначе они будут легко рваться и вновь образовываться врезультате теплового движения. Таким образом, связи, обусловленные вандерваальсовыми силами, а иногда и водородные связи и солевые мостики, непрерывно рвутся и снова восстанавливаются.8. Конформация пептидовКонформациямимолекулы называются такиеварианты расположения в пространстве составляющихмолекулу атомов, которые могут быть получены одиниздругоговращениемвокругодинарныхковалентных связей. В противоположность этомуконфигурации — это такие варианты взаимногорасположения атомов молекулы, переходы междукоторымитребуют разрываиобразованияковалентных связей. Так, D- и L-изомерыаминокислотных остатков (гл.
6) представля-ют собой различные конфигурации, а α-спираль и коллагеновая спираль (см. ниже) — различные конформации полипептидной цепи.Пептидной связью называется связь между >С=Огруппой одного остатка и >N—Н-группой следующего. Эта С—N-связь вопреки ожиданиям не являетсяодинарной, а в силу резонанса оказывается частичнодвойной (С—N). При этом соответственно уменьшается порядок двойной связи С=О.
Такое изменениепорядка связей вызвано тем, что одна пара электроновсвязи С=О распределяется между атомами О, С и N.Вследствие этого перераспределения атомы О, С, N,Н (пептидная группа) и связанные с ними ковалентнодва Са-атома оказываются лежащими в одной плоскости, называемой амидной, а вращение вокруг связиO*N становится запрещенным. Предположение о планарности пептидной группы было высказано Полингом и Кори. Они заметили, что длина пептидной связи(0,132 нм) имеет промежуточное значение междудлиной одинарной С—N-связи (0,149 нм) и двойнойС=Ы-связи (0,127 нм).Транс-конформации пептидной группы.
Са-атомы,примыкающие с двух сторон к одной пептидной группе, обычно находятся в транс-конформации по отношению друг к другу. Альтернативная ^ис-конформация невыгодна из-за слишком сильного сближенияобъемных групп, присоединенных к Са-атомам.Са-атом связан одинарными связями с - атомомодной пептидной группы и с С-атомом следующей.Вокруг этих одинарных связей возможно относительно свободное вращение.Углы ф и Ψ. Для описания вращения вокруг связейN—Са и Са—С используются соответственно углы ф(фи) и Ψ(пси).
Угол ф задает положение всех атомов,которые лежат в амидной плоскости, предшествующейСа-атому, а угол Ψ определяет положение всех атомовамидной плоскости, следующей за Са-атомом.Некоторые пары значений ф и Ψ запрещены, поскольку при этом имеют место стерические ограничения из-за сближения двух атомов на расстояние,меньшее чем сумма их контактных (т. е. вандерваальсовых) радиусов.
Например, при ф = 0°, Ψ= 180° возникают стерические контакты между двумя атомамикислорода.Конформационная карта Рамачандрана, или (ф, Ψ)карта, показывает, какие пары значений ф и Ψразрешены. Эта карта названа именем индийскогоученого, рассчитавшего допустимые значения углов фи Ψ. Каждая точка на карте соответствует определеннойпаре значений ф и Ψ и показывает, является лиданное взаимное расположение атомов двухамидных плоскостей и боковой группы, присоединенных к Са-атому, энергетически выгодным.
Приведенная на рис. 8.1 (ф, Ψ)-карта характерна длябольшинства боковых цепей, за исключением глицинаи пролина. В случае полностью разрешенныхконформаций нежелательные контакты между атомами отсутствуют. Запрещенные углы (например, ф= 0°, Ψ = 180°) соответствуют конформациям, в которых отдельные атомы находятся друг от друга нарасстоянии, меньшем суммы их контактных радиусов.Необходимо отметить что, поскольку атомы неявляются жесткими сферами, возможно сближение ихна расстояние, несколько меньшее суммы контактныхрадиусов.
Хотя подобное сближение нежелательно,оно тем не менее может иметь место, а соответствующие конформаций называются частичноразрешенными (например, ф = —180°, Ψ = 180°). Если каждую полностью разрешенную пару значенийф и Ψ представить на карте темно-коричневой точкой,то получающиеся в результате темно-коричневыеучастки будут отвечать полностью разрешеннымобластям значений углов ф и Ψ. Частично разрешенные области значений углов ф и Ψ отмечены накарте светло-коричневым цветом. Следует подчеркнуть, что (ф, Ψ)-карты указывают разрешенные парызначений ф и Ψ для данного конкретного остатка.Боковая цепь глицина, состоящая лишь из одногоатома водорода, по размеру меньше, чем у любого ждругого остатка. Поэтому на (ф, Ψ)-карте для глицинабольше разрешенных областей, чем на картах другихостатков. Напротив, в случае пролина ограничения,налагаемые ковалентной связью между атомомуглерода боковой цепи и атомом азота основной цепи,приводят к значительному уменьшению размеровразрешенных областей.Регулярные или спиральные структуры несколькихсоседних вдоль цепи остатков значения ф и Ψокажутся одинаковыми, то в пределах этого участка укаждого Са-атома основная цепь будет поворачиватьсяна один и тот же угол.
В результате получитсярегулярная вторичная структура. Подобные структурычасто обнаруживаются в глобулярных и фибриллярныхбелках. Особенно важное значение имеют параллельная и антипараллельная (β-структуры (гл. 9), αспираль (гл. 9) и коллагеновая спираль (гл. 11).Значения углов ф и Ψ, соответствующие эти типамвторичной структуры, приведены на рис. 8.1.9. Вторичная структура белковПод вторичной структурой участка полипептиднойцепи понимают конформацию основной цепи этогофрагмента без учета конформации боковых групп.Согласно более раннему определению, употребляемому иногда и сейчас, вторичная структура — это те сегменты полипептидной цепи, которые участвуют вформировании регулярной сетки водородных связей.При некоторых конформациях образуются регулярные повторяющиеся структуры, стабилизированныеводородными связями между >N—Н- и >С=О-группами основной цепи (например, α-спираль, β-слой,коллагеновая спираль).Регулярнаяилиспиральная,вторичнаяструктура образуется тогда, когда у всех остатковзначения углов ф и Ψ одинаковы.
При этом основнаяцепь у каждого Са-атома поворачивается на один и тотже угол. Любую спираль можно рассматривать какрезультат наматывания цепи на боковую поверхностьвоображаемого цилиндра. Спираль характеризуетсячисломповторяющихсяединиц(остатков),приходящихся на один виток (обозначается п), ирасстоянием между соседними остатками вдоль осиспирали (d). Высота одного витка (р) равнапроизведению п на d. Спирали могут быть правыми илевыми. Утверждение, что какая-то спираль являетсяправой, означает, что если вытянутый впередбольшой палец правой руки направить вдоль осиспирали, то расположенные перпендикулярно емузажатые в кулак остальные пальцы будут указыватьнаправление хода цепи.Цопни и Корм в 1951 г.
предположили, что в белкахдолжны встречаться два типа регулярной структуры —α-спираль (п = 3,6) и β-структура (п = 2). Эта догадкаосновывалась, во-первых, на известных данных оразмерах пептидной группы и ее плоском строении,а во-вторых, на том, что оптимальные условия для об……...ООразования водородной связи N—Н…О реализуются втом случае, когда все три атома, N, Н и О, лежат на одной прямой. Именно способностью полипептиднойцепи принимать форму α-спирали и β-структуры удалось объяснить результаты экспериментов по изучению дифракции рентгеновских лучей на волокнах фибриллярного белка кератина (гл. 11), находящегося соответственно в α - и β-формах (отсюда и название — α и β-структуры).
α -Спираль и β-структура являютсяэнергетически наиболее выгоднымиконформациями, поскольку обе онистабилизированы водородными связями (гл. 7)между >N—H- и >С=О-группами основной цепи.Кроме того, и α-спираль, и β -структурадополнительно стабилизируются благодаря плотнойупаковке атомов основной цепи, которые подогнаныдруг к другу, как кусочки одной картинки-головоломки.В правой α –спирали ф = -57°, Ψ= -47°. Число остатковна виток (п) равно 3,6, расстояние между соседнимиостатками вдоль оси спирали (d) — 0,15 нм, а высотаодно витка (р) составляет 0,54 нм (= 3,6× 0,15 нм).Каждая >С=О-группа образует водородную связь счетвертой по ходу цепи >N—Н-группой. Регулярностьструктуры означает, что все >N—H- и >С=О-группы,за исключением находящихся на концах спирали, могут образовывать водородные связи.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
