Попов, Демин, Шибанова - Проблема белка. т.2. Пространственное строение белка (947295), страница 60
Текст из файла (страница 60)
У. Козман проанализировал термодинамику процесса перехода молекул углеводородов из неполяриой среды в водное окружение: чистый жидкий углеводород -> углеводород в воде. В табл. П.1 приведены значения изменений энтропии (ЬЯ), энтальпии (ЬН) и свободной энергии (йб), полученные для этого процесса Г. Франком и М. Эвансом [35[ и У. Клоссеном [36, 37[. Из табл. П.1 видно, что у алифатических соединений переход неизменно сопровождается уменьшением энтальпии, т.е.
является экзотермическим процессом, а у ароматических соединений ои происходит практически без изменения энтальпин. Во всех случаях имеет место значительное уменьшение энтропии. Следовательно, низкое сродство углеводородов к водному окружению обусловлено не неблагоприятной чисто энергетической ситуацией, а понижением энтропии. На энтропийный источник низкого сродства неполярных групп к воде обратили внимание еще в 1930-е годы.
Он был привлечен для объяснения возникновения мицелл в водных коллоидных растворах мыл и моющих средств [35, 38-40[. В мицслле гидрофобные группы располагаются внутри, а гидрофильные— на ее поверхности. Большой энтропийный эффект наблюдается при растворении в воде многих органических молекул, содержащих неполяриые группы, присоединенные к полярным. Как известно, растворение алнфатических спиртов в воде сопровождается увеличением свободной энергии (положительное отклонение от закона Рауля); в то же время при избытке воды процесс экзотермичен.
Это может быть только в случае уменьшения энтропии: ЬЯ = (ЬН-йб)/Т < О. Растворимость многих алифатических производных в воде уменьшается с ростом температуры. Согласно принципу Ле П(ателье, это означает, что при переходе молекулы из слабополярной или неполярной среды в воду ЛИ <О. Тот факт, что вещества не смешиваются с водой во всех пропорциях, означает, что Ьб > О и, следовательно, ЛЯ < О, Э. Годдард и соавт. [41] наблюдали, что образование мицелл из 238 Таблица П1 Термодинамические иараметрм иерекода углеводородов в воду Псрсасл тсмасратура, к Ьз, ккам (моль Ьн, акал/моль град) ьс, акал/моль С2НЬ в беизоле-ьС2НЬ в воде С2Н4 в беизоле-ьС2Н4 в воде С2НЬ в СО4 — ьС2НЬ в воде Жидкий С3Н8-ьСЗН8 в воде Жидкий С4НШ ьС4Н10 а воде Жидкий СЕНЬ-4СЬНЬ В воде 298 — 19,8 — 2,3 3,8 -14,7 -1,5 298 -14,9 -1,6 298 298 3,7 4,9 — 22,9 298 — 22,9 5,8 -13,8 291 4,0 239 молекул детергентов в воде сопровождается малым тепловым эффектом, а следовательно, и большим увеличением энтропии.
Впервые Дж. Батлер в 1937 г. объяснил тепловые и энтропийные эффекты растворения в воде углеводородов изменениями, происходящими главным образом в водной фазе при добавлении неполярных молекул, а не в самом углеводороде [38]. Г. Франк и М. Эванс [35] пришли к заключению, что природа таких эффектов связана с реорганизацией молекул воды вблизи неполярной группы и образованием коротко- живущей квазнкристаллической структуры, которую они назвали аайсбсргом". Эта структура менее беспорядочна и имеет лучшую систему водородных связей, чем чистая вода прн той же температуре. "Айсберги" различны в разных системах н отличаются от структуры обычного льда. Это, например, следует из того факта, что образование льда из воды ведет к увеличению объема, а возникновение "айсбергов" — к его уменыпению.
Структурированное состояние воды вокруг неполярных молекул получило также название "мерцающих кластеров" [42-44], "кластерных оболочек" и ьполиэдрнческих клеток",подобных существующим в кристаллогидратах [45), Во всех вариантах терминологии подчеркивается роль молекул неполярного вещества как "структурных творцов" окружающей среды. Из рассмотрения поведения углеводородов в воде Козман [4) делает следующие выводы относительно гидрофобных взаимодействий в белках, отражающих специфические структурные и термодинамические свойства воды. 1. Гидрофобные взаимодействия оказывают стабилизирующее воздействие на структуру белка главным образом за счет энтропийного эффекта.
На каждую неполярную алифатнческую боковую цепь, которая покидает водное окружение, можно ожидать увеличение энтропии около 20 кал/[моль град). 2. Переход алнфатической боковой цепи нз воды в неполярную область является эндотермическим процессом [АН > О). 3. Гидрофобные взаимодействия приводят к понижению свободной энергии системы белок-вода.
Изменения Ьб на одну неполярную группу составляют при комнатной температуре 3,0-5,0 ккал/моль. 4. Из-за эндотермичности перехода неполярных групп из воды в неполярное окружение стабилизация белковой глобулы за счет гидрофобных взаимодействий больше при комнатной температуре, чем при 0'. 5. Реализация гидрофобных взаимодействий прн образовании глобулы должна сопровождаться увеличением объема раствора. Часть углеводородных групп в молекуле белка, которые могут осуществлять гидрофобные взаимодействия, велика.
К ним относятся боковые цепи остатков валина, лейцнна, изолейцина, фенилаланина, триптофана, пролина и аланина. У большинства белков эти остатки составляют 35-45% всего аминокислотного состава. В гидрофобных взаимодействиях могут участвовать и углеводородные фрагменты полярных боковых цепей. У. Козман предполагает, что пептидных водородных связей вполне достаточно для стабилизации нативной конформации белка. О большой роли гидрофобных взаимодействий свидетельствует сильный денатурирующий эффект слабополярных растворителей, в частности спиртов.
Действие таких растворителей определяется контактами с углеводородными группами, которые нарушают гидрофобные взаимодействия. Денатурирующее действие спиртов на белки возрастает с увеличением размеров алифатического радикала. Сильный денатурирующий эффект мочевины и гуанидиновых солей также объясняется их способностью ослаблять гидрофобные взаимодействия. В то же время известно, что электролиты, как яравило, являются слабыми денатурирующнми агентами.
Это, по-видимому, связано с тем, что солевые связи в белке не вносят существенного вклада в стабилизацию нативной конформации. Д. Поланд и Г. Шерага 146, 471 предприняли попытку построить количественную теорию гидрофобных взаимодействий, основанную на трактовке У. Козмана н разработанных Г. Немети и Г. Шерагой [44, 48, 49) моделях структуры воды. Г. Немети и Г.
Шерагой в 1962 г. была предложена статистическая модель воды, учитывающая пять ее состояний: без водородных связей, с одной, двумя, тремя и четырьмя водородными связями. Введение гидрофобной молекулы увеличивает координационное число льдоподобной структуры (четыре водородные связи) и, следовательно, понижает энергию молекулы. Энергия остальных четырех состояний, напротив, повьппается предположительно на одну и ту же величину.
В результате из полуэмпирического выражения статистической суммы рассчитываются ЬС, ЬН и ЬЯ, отвечающие контактам любых пар неполярных боковых групп белковой молекулы. Найденные значения для разных групп при 25' варьируют для ЬО от -0,2 до -0,5 ккал/моль, ЬН вЂ” от 0,4 до 1,8 ккал/моль и ЬЯ вЂ” от 1,7 до 1О кап/(моль град). Этн количественные оценки согласуются с качественными представлениями, но не более того.
Сама структурная теория воды, основанная на модели смеси четко различающихся видов структур, не согласуется с рядом спектроскопических данных, 240 свидетельствующих в пользу практически непрерывного распределения структур воды. Г, Фишером в !9б4 г. предпринята попытка оценить влияние гидрофобных взаимодействий на форму глобулы из соотношения объемов гидрофильных и гидрофобных боковых цепей (50). Форма глобулы ищется в предположении, что под влиянием гидрофобных взаимодействий неполярныс остатки располагаются внутри, а полярные -на поверхности глобулы, образуя мономолекулярный слой; объем всех остатков считается примерно одинаковым. Г.
Фишер получил аналитическое выражение отношения числа гидрофобных к числу гидрофильных остатков (Ь) как функцию объема глобулы (Ч,). Сравнение теоретической кривой Ь = ((Ч,), полученной для сферы, с экспериментальными значениями Ч, и Ь сделано для 35 белков, Экспериментальные точки обнаруживают большой разброс и, как правило, находятся выше теоретической кривой. Это означает, что белки отступают от сферической формы. В следующей работе Фишер учел условия гидратирования молекулы белка, предположив, что поверхносгь белка покрыта равномерным мономолекулярным слоем воды. Однако и здесь, как и в предыдущем случае, результаты расчета имеют характер ориентировочных оценок.
В расчетах игнорируется не только многообразие полярных и неполярных остатков, но и их последовательность. Условным является само разделение природных аминокислот только на две группы, поскольку все полярные боковые цепи включают углеводородные части. К. Тэнфорд (51-53) предложил классифицировать остатки по степени их гидрофобности, количественной мерой которой является изменение свободной энергии бб, приходящееся на боковую цепь свободной аминокислоты, прн переносе ес из этанола в воду. За нуль принято значение бО для глицина. Расположение остатков согласно значениям бО не совпадает с их классификацией по полярности. По Тэнфорду, степень гндрофобности лизина, гистидина, аргинина имеет примерно такое же значение, что и для валина, метионина, аланина.
Дж. Брандте (54-59) в соответствии с идеей Фишера рассматривал не два, а три типа остатков: гидрофобные, находящиеся преимущественно внутри глобулы; гидрофильные, располагающиеся на поверхности; и нейтральные (глицин, серии, цистеин, аспарагин и глутамин). Числа заполнении внутренних и внешних ячеек для каждого типа остатков взвешиваются в соответствии со свободной энергией переноса остатков внутрь и со статистическим вырождением. Это даст возможность написать статистическую сумму для глобулы и построить статистико-термодинамическую теорию денатурации белка.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
