Попов, Демин, Шибанова - Проблема белка. т.3. Структурная организация белка (947296), страница 33
Текст из файла (страница 33)
после опубликования исследования Д. Бартона, посвященного различиям в химическом поведении замещенных циклогексанов с заместителями в экваториальном и аксиальном положениях [61]. Пронизывающая эту работу идея о зависимости скорости и характера хямической реакции от конформации молекулы была быстро воспринята химиками как указание на существование нового, чисто физического фактора, который может оказывать воздействие на реакционную способность соединения. Большое внимание привлекла к себе также публикация Д. Бартона и р, Куксона, в которой излагались основы конформационного анализа и отмечалась особая роль в химии алифатических, ациклнческих и гетеро- циклических соединений предпочтительных по энергии конформаций, "Основной принцип конформацнонного анализа, — полагают авторы,— состоит в том, что физические и химические свойства молекулы могут быть поставлены в соответствие с ее предпочтительной конформацией" [62.
С. 47]. Немного позднее Бартон, подводя итоги бурному становлению конформацнонного анализа в органической химии, приходит к следующему заключению: "Конформационный анализ может быть применен наиболее успешно к системам, содержащим конденсированные циклогексановые кольца; он превратился в общепринятую составную часть стереохимнческого исследования стерондных н тритерпеновых систем, так же как и теоретического рассмотрения такого рода соединений" [63. С. 160], Говоря о применении конформационного анализа, Бартон, по-видимому, не случайно делает акцент на конденсированные циклические системы. Их конформеры, как правило, разделены высокими энергетическими барьерами и поэтому имеют время жизни, достаточное для независимого участия каждого из ннх в химической реакции.
У молекул с линейными цепями барьеры обычно составляют несколько ккал/моль, и время жизни отдельной конформации равно всего лишь 10 "-10 м с. В случае значительной предпочтительности по энергии одного из конформеров в химической реакции фактически участвует также одна пространственная форма молекулы. При наличии набора изоэнсргетнческих конформеров и высокой скорости установления равновесия между ними молекула предстает в химической реакции как статистическое образование. Открытие конформационной изомерии качественно изменило и усложнило содержание проблемы пространственного строения органических соединений. Для характеристики структурной организации молекулы, имеющей ординарные связи, уже недостаточно только знания статического распределения в пространстве атомов и стабилизирующих их системы валентных взаимодействий.
При существовании у молекул ряда легко переходящих друг в друга конформаций такую информацию нужно иметь о каждой пространственной форме. Кроме того, необходимо знать положение конформационного равновесия, весьма чувствительного к изменению внешних условий, и систему взаимодействий валентно несвязанных атомов, которая по сравнению с системой валентных связей более сложна. Решить проблему структурной организации молекул с помощью одних 111 экспериментальных методов и эмпирического подхода представляется нереальным по принципиальным соображениям, поскольку она связана не только с интерпретацией наблюдаемых на опыте фактов, что само по себе довольно сложно, но и с количественной оценкой потенциальных возможностей молекулы.
Там, где речь идет о выявлении скрытых особенностей системы, прерогатива теоретического подхода бесспорна. 3.1. МЕХАНИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ Конформация молекулы, как отмечалось, определяется взаимодействиями валентно несвязанных атомов. Поэтому при создании метода теоретического конформационного анализа, прежде всего, встал вопрос о способе количественной оценки энергии этих взаимодействий. Из двух альтернативных путей его решения — квантовомеханического и классического — первый должен быть исключен из-за громоздкости обьектов исследования, особенно если иметь в виду молекулы белка. Многочисленные попытки Б.
Пульмана и А. Пульман использовать в конформационном изучении пептидов полуэмпирические методы квантовой химии ограничились анализом лишь элементарных монопептидов ]64]. Рассмотрим второй путь решения. Классический подход к исследованию конформаций был предложен в 1946 г. Т. Хиллом [65] и независимо в том же году Ф.
Уэстгеймером и Дж. Майером ]66]. Существенный вклад в развитие теории метода атом- атомных невалентных взаимодействий, его применение и популяризации~ внес А.И. Китайгородский ]67-71]. Подход к оценке взаимодействий включает ряд отнюдь неочевидных допущений и с физической точки зрения не выглядит достаточно строгим. Его аппроксимация реальных внутримолекулярных взаимодействий базируется на механической модели, согласно которой молекула представляется системой точечных масс— атомов без учета их электронно-ядерной структуры и квантовой природы.
Атомы соединены валентными связями, которые, как правило, предполагаются жесткими. Пространственное строение такой модели молекулы определяется разного рода взаимодействиями между всеми валентно несвязанными атомами в попарно-аддитивном приближении и ограниченной свободой вращения вокруг всех ординарных связей. Следовательно, предполагается, что взаимодейстиие между любой парой валент- но-несвязанных атомов не зависит от внутримолекулярного окружения, т.е. имеет универсальный характер и определяется исключительно природой атомов н расстоянием между ними. Межатомные невалентные взаимодействия подразделяются на ван-дерваальсовы, электростатические, торсионные и водородные связи. Каждый вид атом-атомных взаимодействий описывается полученной на основе полуклассических или классических предположений потенциальной функцией с системой параметров, подобранных эмпирически.
Общая энергия невалентных взаимодействий (7„а (конформационная внутренняя энергия молекулы) предполагается в соответствии с принципом Бориа — Оппенгеймера (1927 г.) независимой от энергии валентных связей и пред- 112 является аддитивной суммой энергетических вкладов отдельных видов заимодействий: 0,е„, — — (7„ „ + Уп„ + (7, + (1,„ + (7„„ где: О, „ — энергия , евалентных ван-дер-ваальсовых взаимодействий; (7„„„— энергия дефор„ации валентных углов; (7,„р, — торсионная энергия вращения вокруг валентных связей; (7,з — энергия электростатических взаимодействий; (7 — энергия водородных связей. Оптимальное конформационное согояние молекулы устанавливается в результате компромисса между семи энергетическими составляющими всех пар валентно-несвязанных атомов.
Валентные углы стремятся сохранить свои идеальные значения, отвечающие соответствующим гибридизациям атомов (зр', зрз), а валентно-несвязанные атомы — находиться на равновесных расстояниях, соответствующих минимумам потенциалов парных взаимодействий и торсионных потенциалов. Широкое использование теоретического подхода на основе рассмотрезшой механической модели для анализа конформационных возможностей молекул органических соединений началось в первой половине 1960-х годов, когда представилась возможность переложить большой объем вычислений на ЭВМ. Во второй половине этого десятилетия теоретический конформационный анализ стал применяться для исследования пространственного строения моиопептидов и регулярных полипептидов.
3.2. ПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ ФУНКЦИИ НЕВАЛЕНТНЫХ ВЗАИМОДЕИСТВИИ АТОМОВ Ван-дер-ваальсовы взаимодействия. Это наиболее важный вид межатомных невалентных контактов, вносящий доминирующий вклад в конформационную энергию и во многих случаях практически полностью определяющий конформационные возможности молекулы. Они осуществляются между любыми двумя атомами (не образующими валентную связь), расположенными достаточно близко друг от друга, независимо от того, принадлежат ли одной молекуле или разным. Для расчета ван-дерваальсовых взаимодействий предложено большое число аналитических эмпирических зависимостей, подробное описание которых можно найти в монографиях и обзорах Э.
Илиела и соавт. [72], К. Питцера [73]. Ф. Уэстгеймера [74], А.И. Китайгородского [75, 76], Г. Шераги [77], Г. Рамачандрана и В. Сасисекхарана [78]. Теоретические аспекты этих взаимодействий детально освещены в книгах Р.В. Полозова [79] и В.Г. Дашевского [80]. Ван-дер-ваальсовы межатомные взаимодействия ((7,„,) складываются из дисперсионного притяжения ((7„„,„) и отталкивания ((7„) атомов.
Квантовомеханическая теория сил притяжения была развита в 1937 г. Ф. Лондоном. Понижающие конформационную энергию дисперсионные, или лондоновские, силы есть результат взаимодействия мгновенных диполей, индуцированных поляризующим атомные системы движением внешних электронов, Они действукзт между всеми атомами полярных и неполяриых молекул, т.е, вне зависимости от наличия статического дипольного момента. Силы отталкивания возникают на малых расстояниях между 113 атомами, когда нарушается принцип Паули, запрещающий взаимно~ проникновение заполненных электронных орбиталей атомов. Потенциальная кривая зависимости (/ам от г, где г — расстояние между парой валентно-несвязанных атомов, следует из анализа отклонений свойств реального и идеального газов.
Исследования Т.Хилла [81] М. Кривого и Е. Мейзона [82] рассеяния молекулярных пучков позволили установить зависимость (/„,„(г) для взаимодействий атомов инертных газов, которые были распространены на атомы соответствующих галондов Кривая (/„,„как функция расстояния между атомами гелия представлена на рис.!.2. На больших расстояниях действуют силы притяжения, энергия которых пропорциональна, согласно теории Лондона, 1/г~. На более коротких расстояниях при достаточном сближении атомов их ван-дер-ваальсовы радиусы перекрываются, и отталкивание между ядрами и между электронами доминируют над силами притяжения.
Энергия отталкивания обычно аппроксимируется как 1/гш или ехр(-г). Таким образом, для описания невалентных взаимодействий наиболее широко используются две аналитические формы потенциала: потенциал Дж. Леинарда-Джонса ("6 — 12") (/,„„(г) = (-А/гь) + (В/гш) и потенциал А. Букингема ("6-ехр") (/„„„(г) = = (А/гь) + В ехр( — Сг), где А, В и С вЂ” эмпирические параметры.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
