Попов, Демин, Шибанова - Проблема белка. т.3. Структурная организация белка (947296), страница 28
Текст из файла (страница 28)
Белковая макромолекула в водном окружении подвержена лишь одному виду истинно хаотического движения — броуновскому движению. Что касается второй подсистемы — водного окружения, то она состоит из множества малых молекул, склонных, однако, в силу своей природы к образованию сильных водородных связей и электростатическим взаимодействиям. Ни одно свойство жидкой воды не может быть описано на основе предположения о полностью хаотичном движении отдельных молекул. Эксперименты, в частности инфракрасные спектры, вообще не обнаруживают в жидкой воде при комнатной температуре свободных молекул воды. Дж. Бернал еще в 1932 г. в ренттеноструктурном исследовании воды в ее жидкой фазе впервые наблюдал зародышевые формы кристаллов, а годом позже вместе с Р. Флаулером выдвинул гипотезу о существовании в воде трех типов структур, непрерывно переходящих друг в друга [44). Тщательный статистический анализ данных о многих свойствах воды, предпринятый Г.
Немети и Г. Шерагой в 1962 г., привел авторов к заключению о присутствии в воде при нормальных условиях значительных количеств ассоциатов с одной, двумя, тремя и четырьмя межмолекулярными водородными связями [45). Специфика взаимодействия воды с природной аминокислотной последовательностью, обусловливающая возможность последней к структурированию, определяется не абсолютно независимым хаотическим, тепловым движением молекул воды, а движением сложной многофазно структурированной воды, а также сильным поверхностным натяжением [большой избыточной энергией поверхностного слоя) и высокой избирательностью взаимодействий воды в контактном слое с разными по своей природе атомными группами белка.
Итак, выбранная модель белкового свертывания, включающая две тесно взаимодействующие между собой подсистемы, не может быть отнесена к классическим термодинамическим макроскопическим системам. Далее, будем считать, что на протяжении всего процесса структурной самоорганизации белка наша система не обменивается с окружающим пространством ни энергией, ни веществом, т.е. принадлежит к замкнутому типу систем. Исходим из того, что в начальный момент белковая молекула находится в состоянии флуктуирующего клубка. Атграктором спонтанно возникающего нзотермо-изобарического процесса свертывания белковой цепи является равновесное состояние, в котором белок приобретает 94 ~сокоорганизованную, очень устойчивую трехмерную структуру. Проесс идет без нарушения второго начала термодинамики, т.е.
протекает с повышением энтропии всей системы и заканчивается, когда она достигает „,аксимума. Выше отмечалось, что обсуждаемая модельная система не может быть объектом рассмотрения классической равновесной термодинамики. Как можно представить процесс свертывания цепи с точки зрения нелинейной неравновесной термодинамики? Энтропийный фактор. Процесс свертывания не нарушит второе начало термодинамики, если неизбежное при образовании высокоорганизованной структуры уменьшение энтропии белковой цепи будет компенсироваться одновременным увеличением энтропии водной фазы и уменыпением энтальпни системы.
Реализация того и другого связана с эффектом так называемых гидрофобных взаимодействий, возникающих при контактах молекул воды с атомными группами неполярных органических молекул. Энтропийная природа этих взаимодействий была обоснована У. Козманом ~Щ, который показал, что на каждую неполярную алифатическую боковую цепь, покидающую водное окружение, энтропия возрастает на -30 ккал/моль. град, а свободная энергия понижается на 5 — 10 ккал/моль. У болыпинства белков число остатков, склонных к гидрофобным взаимодействиям, превышает 50'я всего аминокислотного состава. Поэтому энтропийный эффект, ведущий к экранизации гидрофобных атомных групп от молекул воды, играет существенную ориентационную роль в свертывании белковой цели. Об этом, в частности, свидетельствует сильное денатурирующее действие, оказываемое на структуру белка слабо полярными органическими растворителями, мочевиной, производными гуанидина и другими соединениями.
Результатом гидрофобных взаимодействий является диспропорционирование энтропии, т.е, увеличение порядка у одной подсистемы за счет его уменьшения у другой. При этом, однако, не возникают какие-то новые по своей природе дополнительные силы и, следовательно, выражение "гидрофобные силы", строго говоря, лишено физического смысла. Рассматриваемые взаимодействия обусловлены водным окружением аминокислотной последовательности и специфической структурой воды.
Следствием гидрофобного эффекта является образование энергетически наиболее предпочтительных внутримолекулярных и внешних контактов между родственными по своей природе атомными группами. Эффективность контактов количественно оценивается с помощью известных потенциальных функций ван-дер-ваальсовых, электростатических и торсионных взаимодействий н водородных связей. Знание направленности изменений энтропии и знтальпии при структурировании белковой цепи и понимание физического смысла причин этих изменений, безусловно, необходимы, но недостаточны для трактовки важнейших особенностей процесса структурной самоорганизации белка.
Изменения параметров Л5 и Л//, являющихся функциями состояния системы, в принципе ничего не могут сказать о конкретном механизме перехода флуктуирующего клубка в детерминированную трехмерную структуру, его обратимости и необратимости, побудительных мотивах и кинетике. При использовании функции состояния путь, проходимый белковой цепью 95 между его началом и концом, так н остается зегга!псодпйа. Выяснение механизма неравновесного процесса, каким является сборка белка, тре.
бует установления корреляций между свойствами макроскопической системы (в данном случае трехмерной структурой молекулы) и ее микроскопических составляющих (конформационными возможностями аминокислот. ных остатков). Связь, которую нужно раскрыть, проявляется в необра. тимых флуктуациях — источнике спонтанного возникновения порядка из хаоса.
Необратимые флуктуации и механизм самоорганизации белка. Пред. полагают, что в начальный период все флуктуации — периодические вращения атомных групп вокруг ординарных связей — являются беспорядочными и несинхронизированнымн друг с другом. В равновесных системах все флуктуации обратимы и согласно основной теории вероятности (так называемого закона больших чисел) составляют пренебрежимо ма. лыс поправки к средним значениям. За редким исключением (например, рассеяние света гомогенной средой и броуновское движение, вызываемые обратимыми флуктуацнями плотности) они не коррелируют со свойствамн системы и не оказывают влияние на ее переход в равновесное состояние В неравновесных системах среди множества обратимых, неустойчивых флуктуаций возникают необратимые флуктуации, оказывающие радикальное воздействие на зволюцию системы.
Они не остаются малыми поправками к средним значениям, а существенно меняют сами эти значения, стирая различие между случайным отклонением и макроскопическим проявлением системы. При свертывании белка подавляющее большинство флуктуаций также обратимо и неустойчиво. Но некоторые из них приводят к сближению определенных амннокислотных остатков, и тогда те могут зффективно взаимодействовать между собой.
По своим последствиям образующиеся контакты между валентно-несвязаннымн атомами могут быть подразделены на близко-, средне- и дальнодействующие. флуктуации, приводящие к образованию первого вида, изменяют взаимное расположение атомных групп в пределах одного аминокислотного остатка; второго вида — расположение остатка относительно соседних в последовательности; третьего — относительно удаленных по цепи остатков. В зависимости от конформационного состояния белковой цепи по ходу ее сборки одни и те же флуктуации могут быть как обратимыми, так и необратимыми. Последними, т.е.
бифуркационными, флуктуации становятся только в том случае, если каждая из них возникает в строго определенном месте последовательности бифуркаций между флуктуирующим клубком и трехмерной структурой. Обратимые флуктуации бесследно исчезают, а необратимые, стабилизированные специфическими невалентными взаимодействиями остатков, остаются в виде гигантских "застывших флуктуаций".
Бифуркационные флуктуации, как правило, представляют собой более или менее сложные комбинации случайных отклонений отдельных атомных групп, целых остатков или фрагментов, которые возникают почти одновременно. Очевидно, такие наборы конформационных отклонений будут стабильными, если все входящие в них элементарные флуктуации окажутся согласованными между собой, т.е. будут отвечать таким взаим- 96 иым ориентациям остатков, которые являются наиболее предпочтитель„ыми по энергии и внутри- н межостаточных взаимодействий валентноиесвязанных атомов. Иными словамн, каждая из бифуркаций должна сеютветствовать выгодному по энергии взаимному расположению атомных Рупп в пределах одного амннокислотного остатка. а определенное сочетание образующих данную бифуркацню элементарных случайных отклонений приводит к дополнительным стабилизирукнцнм взаимодействиям более удаленных атомных групп, принадлежащих соседним по цепи нли пространственно сближенным остаткам.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
