Попов, Демин, Шибанова - Проблема белка. т.2. Пространственное строение белка (947295), страница 59
Текст из файла (страница 59)
Многочисленные исследования фибрнллярных белков и полипептидов показали, что при изменении внешних условий а-спираль может относительно легко переходить в [1-структуру. Так как обе конформации 234 насыщены водородными связями, переход а ф 'р не противоречил представлению об исключительной роли водородной связи в стабилизации структуры полипептидов и белков. В рамках этой же концепции объяснялся и ряд других факторов.
Так, разрушение а-спирали и В-структуры в растворах сильнололярных растворителей естественно было связать со значительным ослаблением в подобных средах пептидных водородных связей, а отсутствие а-спирали у поли-1,- серина и Ь-треонина — с конкуренцией водородных связей в основной цепи Х вЂ” Н...О=С и между группами основной и боковой цепей ))-Н...О, что, конечно, снижает стабильность а-спирали. В то же время в р-структуре полипептидов серина и треонина водородная связь между основной и боковой цепями может реализоваться одновременно с межцепочечной водородной связью и, следовательно, дополнительно стабилизировать эту конформацию.
Водородная связь такого типа в а- спирали невозможна по стерическим причинам. Со временем, однако, стали известны многие факты, которые было трудно объяснить только с позиции концепции пептидной водородной связи. Так, гомополипептиды природных а-аминокислот в твердом состоянии и в растворе как полярных, так и неполярных растворителей находятся не только в регулярных формах, но и в виде аморфной части флуктунрующего клубка.
Легкость перехода а ф В ~~ клубок в растворе указывает на близость значений свободной энергии у а- и ~3-форм и нерегулярной формы. Последняя представляет собой огромное множество рыхлых, практически лишенных пептидных водородных связей конформаций. Эксперименты П. Доти, Э. Блоута и соавт. (25-28) с поли-Е- лизином и поли-Е-глутаминовой кислотой в водной среде показали, что конформационное состояние пептидного скелета определяется не им самим, а далеко отстоящими от него концевыми группами боковых цепей. Оба полимера принимают форму а-спирали в областях рН, где боковые цепи незаряжены и находятся в форме клубка в нейтральной области рН.
Содержание клубка у поли-(.-лизина увеличивается с уменьшением рН, а у поли-Е-глутаминовой кислоты — с увеличением рН. У некоторых гомополнпептндов были обнаружены структуры, не отвечающие оптимальному водородному связыванию (спирали Зш, 41 ь пол иглицин). Значимость пептндных водородных связей для поддержания регулярных конформаций в водной среде, где возможно образование конкурентных водородных связей групп С=О и Х вЂ” Н с молекулами растворителя, была поставлена под сомнение Козманом (4]. Экспериментальные данные Дж. Шеллмана (29), И.
Клотца и Дж. Франзена (30, 3!), действительно, показали, что энергия водородной связи Х-Н...О=С в водном окружении незначительна (1,5 — 0 икал/моль). 235 7.2. ВАН-ДЕР-ВААЛЬСОВЪ| И ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ Для объяснения конформационной стабильности синтетических полипептидов и белков все больший акцент делается на влияние вандер-ваальсовых н электростатических взаимодействий боковых цепей друг с другом и с пептидным остовом. В связи с этим предпринимаются попытки связать наблюдаемую конформацию с амннокислотным составом и последовательностью. Ван-дер-ваальсовы взаимодействия имеют электрическую природу. Они обусловлены взаимодействием электронных оболочек атомов.
На больших расстояниях между парой атомов действуют силы притяжения. Они получили название днсперсионных сил. Их теория была выработана Ф. Лондоном [32] в 1930 г. н Дж. Слетером и Дж. Кирквудом 133) в 1931 г. Дисперсионные, лондоновские, силы определяются взаимодействием "мгновенных" днпс>лей двух атомов, возникающих вследствие квантовомеханического движения электронов; они пропорциональны 1/га, где г — расстояние между атомами. При дальнейшем сближении атомов возникают силы отталкивания, которые на малых расстояниях становятся доминирующими.
Отталкивание возникает из-за невозможности пространственного совмещения двух электронных систем. Силы отталкивания пропорциональны 1/гы или е "(с — эмпирическая константа). Отрицательная, стабилизирующая энергия ван-дер-ваальсовых взаимодействий двух атомов невелика (0,1-0,3 ккал/моль), но при взаимодейсгвии многоатомных групп на оптимальном расстоянии (га) она может достигать нескольких килокалорий иа 1 моль и вносить существенный вклад в стабилизацию (рис.
П.1). На малых расстояниях энергия резко возрастает и валентно несвязанные атомы не могут сблизиться на расстояние, значительно меньшее гв. Такой характер зависимости позволяет сделать довольно грубое, но тем не менее полезное упрощение. Так как слева от га кривая очень крутая, а отрицательная энергия в минимуме незначительна, то потенциал можно представить в виде угловой зависимости. В этом случае справа от вертикали атомы между собой вообще не взаимодействуют, а слева энергия бесконечна и соответствующие расстояния являются запрещенными. Такое представление потенциала отвечает модели жестких сферических атомов.
Пока в такой молекулярной модели шары-атомы не касаются друг друга, они не взаимодействуют; в то же время онн не могут сблизиться на расстояние, меньшее суммы ван-дер-ваальсовых радиусов. Таким образом, широко распространенные атомные модели (проволочные Кендрью-Уотсона и Бирона, пластмассовые Николсона. объемные Кори — Полинга — Колтена) имеют определенное теоретическое обоснование. Из характера кривой 1Лг) видна и условность всех моделей. Во-первых, в моделях в значительной мере произвольно выбираются ван-дер-ваальсовы радиусы атомов (реальное взаимодействие около го мягкое); во-вторых, в них не учитываются дисперсионныс силы притяжения; в-третьих, нс принимаются во внимание другие видзя воздействий и, в-четвертых, с помощью моделей жестких сфер нельзя оценить энергию разрешенных конформаций.
Тем не менее их исполь- лл зование чрезвычайно полезно лрн построении трехмерных структур белков по картам электронной плот- 4э ности и для предсказания запрещенных конформацнй. Ван-дер-ваальсовы взаимодейст- гл вия атомов не имеют специфической Ж~ Фи ля Щг Фгг направленности, и их энергия в моле- д куле определяется в виде аддитивной Лдгмив суммы всех парных взаимодействий Ф атомов. По некоторым ориентиро- -гЮ ночным оценкам, энергия ван-дер-ваальсовых взаимодействий в белках Р в с. пл. ПотевцвальваЯ кРиваЯ ве- валевтного взавмодеястввя С...Н того же порядка, что и энергия водородных связей ~341.
Учет электростатических взаимодействий в полипептидах и белках представляет наибольшие трудности из-за отсутствия соответствующей теории. Однако значительное влияние этих взаимодействий на конформацию очевидно, особенно в случае пептидов, состоящих из аминокислот, боковые цепи которых могут иметь целочисленный заряд (лизин, аргинин, аспарагнновая и глутаминовая кислоты).
Для оценки электростатических взаимодействий используют классическое монопольное или дипольное приближение. Парциальные заряды на атомах пептидной группы и боковых цепей определяются или из дипольных моментов соответствующих простых молекул.или путем квантовомеханических расчетов. Весьма условен выбор диэлектрической постоянной, На близких расстояниях эта величина не равна макроскопической диэлектрической проницаемости среды.
Она зависит от поляризуемости взаимодействующих между собой атомов, влияния растворителя. Подробно эти вопросы будут рассмотрены в следующем томе. 7.3. ГИДРОФОБНБ|Й ЭФФЕКТ Отмеченные виды взаимодействий являются чисто внутримолекулярными, касающимися взаимодействий между участками полипептидной цепи. Однако белки функционируют в воде, которая активно влияет на свертывание гибкой полнпептидной цепи в глобулярную форму. Среди межмолекулярных взаимодействий фундаментальная роль в организации глобулы отводится так называемым гидрофобным взаимодействиям, Понятие о таких взаимодействиях возникло в начальный период изучения коллоидного состояния высокомолекулярных поверхностно-активных веществ, в том числе белков.
Сам термин "гидро- 237 фобные взаимодействия" предложил И. Ленгмюр в 1916 г, при выводе уравнения изотермы мономолекулярной адсорбцни для характеристики соединений и атомных групп, ие смачивающихся водой ("частокол" Леигмюра). Так как сильногидрофильные и снльногидрофобные коллоиды резко различаются по многим свойствам, разделение коллоидов по признаку смачнваемости и несмачиваемости водой было положено в основу классификации коллоидных систем.
Природа гндрофобиости долгое время оставалась невыясненной. Впервые трактовка этого явления была дана в 1959 г. Козманом [4[. Им же применительно к белкам предложена концепция гидрофобных взаимодействий, согласно которой углеводородные боковые цепи аминокислотных остатков преимущественно контактируют друг с другом, а не с водой; полярные же боковые цепи, напротив, предпочтительно взаимодействуют с водой. В результате этих тенденций белковая цепь укладывается таким образом в компактную глобулу, чтобы неполярные остатки оказались во внутренней части молекулы и образовали бы там нечто вроде углеводородной капли, экранированной от воды, а полярные остатки расположились на поверхности, соприкасающейся с водой.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
