Попов, Демин, Шибанова - Проблема белка. т.3. Структурная организация белка (947296), страница 35
Текст из файла (страница 35)
Подобный подход к выбору зарядов является очень приближенным в силу неоднозначности разложения дипольного момента молекулы по направлениям связей. Кроме того, центр заряда не совпадает с центром ядра, особенно у атомов с неподеленными электронными парами [например, )ч), О), которые вносят существенный вклад в общий дипольный момент молекулы. На атомах амидной группы распределение зарядов впервые было получено Р.
Курландом и Э. Вильсоном для простейшей молекулы форм- амида с помощью связевых моментов [92). При определении последних использованы компоненты дипольного момента формамида вдоль его главных осей инерции, известные из измерений эффекта Штарка( геометрические параметры, найденные авторами из микроволновых вращательных спектров, и перенесенные из других молекул дипольные моменты связей. Д. Поланд н Г. Шерага использовали для определения зарядов на атомах амидной и сложноэфирной групп квантовомеханический метод [93). Общий заряд на каждом атоме рассматривался в виде суммы с(- и и-зарядов.
При этом о-заряды были вычислены методом МΠ— ЛКАО в варианте Дель Ре, а и-заряды оценены из экспериментальной величины и направления общего дипольного момента молекулы. Е.М. Поповым и В,Н. Желтовой заряды на атомах амидной группы оценены путем теоретического анализа интенсивностей инфракрасных полос поглощения форм- амида и его изотопозамещенных [94).
Свойства пептидной (амидной) группы подробно обсуждаются в главе 4, а сейчас отметим, что ее электронная сгруктура отличается чрезвычайной лабильностью. Поэтому 118 можно ожидать значительной вариации зарядов на атомах под действием многих факторов: водородного связывания, диполь-дипольного взаимодействия, индуктивного эффекта н т.д. Если иметь в виду пептиды и белки, то вряд ли можно надеяться на хорошее знание величин парциальных зарядов атомов и, следовательно, на достаточно точную оценку электростатических взаимодействий. Другая серьезная проблема, возникающая при учете электростатических взаимодействий, связана с диэлектрической проницаемостью е.
Выше отмечалось, что этот параметр характеризует макроскопическое свойство среды ослаблять взаимодействие зарядов, находящихся на большом расстоянии друг от друга. В конформационном анализе одной молекулы такая трактовка параметра е, строго говоря, теряет смысл. Тем не менее от использования диэлектрической проницаемости не отказались и вводят в расчет в виде эмпирического параметра, величина которого может существенно отличаться от величины известной физической константы. Определение е, используемой в конформационном анализе, связано с большими трудностями и вряд ли является однозначным. В отсутствие молекул растворителя в промежутке между близко расположенными атомами значение диэлектрической проницаемости определяется поляризуемостью взаимодействующих атомов и полем, создаваемым окружающими атомами н молекулами растворителя.
Для неполярной среды Брант и Флори рекомендуют величину е = 3,5 [86). Выбор был сделан при сопоставлении результатов конформационного анализа полипептидов с опытными данными. В работе Скотта и Шераги, посвященной конформационному анализу регулярных структур полнпептидов, значение г варьируется от 1 до 4, что, однако, мало сказывается на профиле потенциальной поверхности [85). Учитывая величину диэлектрической проницаемости в алкиламидах (е = 4), значения от 1 до 4 можно считать разумными при оценке электростатических взаимодействий атомов полипептидов в неполярных средах. В случае водных растворов значение в,ф должно быть больше, так как для самой воды е = 81 и, что весьма важно, вода при образовании водородных связей оттягивает на себя заряды атомов амидной группы. С. Кримм и Дж.
Марк в расчете конформаций полипептидов с заряженными группами в водной среде использовали величину а, равную 10 [95). В работе Е.М. Попова и соавт. [96) была рассмотрена возможность учета влияния растворителя на конформационное равновесие низкомолекулярных пептидов в рамкахмеханической модели.
Наилучшее совпадение с экспериментальными данными было получено при е = 4 для растворов в СС!4, е = 6-7 — СНС!з и в = 10 — НзО. Низкая точность в определении зарядов на атомах и неопределенность параметра г,ф (значение которого, помимо сказанного выше, должно быть чувствительно также к расстоянию между зарядами), естественно, сказываются на величинах рассчитываемой энергии электростатических взаимодействий. Следует, однако, иметь в виду, что по сравнению с энергией ван-дер-ваальсовых невалентных взаимодействий электростатическая составляющая изменяется с расстоянием очень плавно (пропорционально 1/г). Поэтому она не может привести к заметному изменению геометрических параметров оптимальных конформаций, но может суще- 119 Р и с ! 5 Зависимость торсионной энергии этапа от авугранно~о угла вращения (В) при учете ван-пер.
наьаьсовыя взаимодействий //гьрг, лгал/ьгара 120 ьгг ственно повлиять на значе. ние конформациоиной энергии еу у и, следовательно, положение равновесия конформеров. Торснонные взаимодейст. УЮ вия. Впервые предположение а, врагу о заторможенности вращения вокруг связи С-С в этапе было высказано в 1929 г. Л. Эбертом [97).
Вскоре также до появления соответствующих экспериментальных данных это явление было исследовано теоретически Г. Эйриигога путем оценки ван-дер-ваальсовых сил притяжения и отталкивания валентно-несвязанных атомов водорода [98] Принимая длину связи С вЂ” С равной 1,54 А, а длину С-Н 1,13 А и считая валентные углы тетраэдрическими, Эйринг получил зависимость энергии (/,„р, от двугранного угла вращения О, представленную на рис. 1.5. Энергия отталкивания имеет наибольшее значение при затененном положении атомов водородов метильных групп этапа (цис-форме), При изменении угла 6 от 0 до б0' энергия отталкивания уменьшается приблизительно на 0,3 ккал/моль, что и будет считаться потенциальным барьером вращения этапа.
В 193б г. Дж. Кемп и К. Питцер, выполнив более прецизионный расчет этапа с учетом энтропии вращения, нашли значение потенциального барьера вокруг С-С равным 3,15 ккал/моль [99). Они же впервые использовали форму потенциала энергии торсионных взаимодействий (/ = 1/2(/(1 — соа36), которая с тех пор стала широко использоваться в расчетах подобного рода. Значение барьера 3,15 ккал/моль, полученное теоретически, оказалось близким опытной величине (2,75 ккал/моль), которую установили спустя два года Г.
Кистяковский и соавт. [100] при определении теплоемкости этана. В 1949 г. Л. Смит впервые получил в результате исследования инфракрасного спектра поглощения этапа однозначное доказательство о принадлежности предпочтительной конформации этой молекулы к точечной группе симметрии /узе, т.е. пространственной форме с трансоидным положением связей С вЂ” Н метильных групп [101], Со временем более распространенными объектами исследования внутреннего вращения становятся галоидпроизаодные этапа.
Они имели то преимущество перед незамещенным этапом, что предоставляли для своего изучения больший набор данных, полученных с помощью различных физико-химических методов; дипольные моменты [102], раман- и ИК-спектроскопия [103-106], электронография [107, 108], рентгеноструктурный анализ [109]. В 1951 г. с помощью последнего М. Милбергом и У. Липкомбом было показано, что все молекулы кристаллического 1,2-дихлорэтана находятся в транс-форме. Электронографическнй метод задолго до этого дал доказательства в пользу существования транс-формы как основной в его парах [107). В исследовании тем же методом Дж.
Эйнс- та и Дж. Керла паров 1,2-дихлорэтана найдено, что угол поворота нз-формы (промежуточной между транс- и цис-) относительно трансформы составляет около 110', а не 120', как принималось ранее, причем при 22' ее имеют приблизительно 30% молекул [108]. Параллельно с экспериментальным исследованием конформаций этапа и его производных проводилось, хотя и менее успешно, теоретическое изучение внутреннего вращения атомных групп. В 1954 г. С, Мидзусима, анализируя существующие гипотезы о природе потенциала торможения, писа, что "...до сих пор не существует убедительной и хорошо разработанной теории, которая объясняла бы количественно потенциальные барьеры, препятствующие внутреннему вращению" [102.
С. 71]. Тремя годами позднее Э. Уилсон высказал предположение о том, что потенциальный барьер должен "... некоторым образом представлять свойство, присущее самой осевой связи, и не должен быть обязан в сколько-нибудь значительной мере прямым силам между примыкающими к ней атомами или теми частями электронного облака, которые относительно удалены от этой связи" [110. С. 819].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
