Попов, Демин, Шибанова - Проблема белка. т.3. Структурная организация белка (947296), страница 40
Текст из файла (страница 40)
Причина уменьшения межатомных расстояний Х-(О) и Π— С(0) обусловлена повышением порядка этих связей, возникающим в результате дополнительного взаимодействия неподелениых пар электронов атома (и) Х или Оси-электронами С=О. Максимального стабилизирующего эффекта и, следовательно, наибольшего л-порядка связи, очевидно, следует ожидать, кйгда ось орбитали одной пары п-электронов азота, в первом случае, и ось суммарной составляющей орбиталей двух пар л-электронов кислорода, во втором, будут параллельны оси орбиталей к-электронов карбонильной группы.
Таким образом, общие соображения приводят к заключению о возможном существовании пептидных и сложноэфирных групп в двух энергетически самых предпочтительных ротамерных формах (рис. П. 1), получивших название "транс-" н "((ис-конфигурации". Пептидные и сложноэфирные группы в плоской или почти плоской цис. конфигурации (оз = О') обычно реализуются в небольших циклических системах. Только такая изомерная форма возможна у обеих групп а шестичленных циклах 2,5-дикетопиперазина, 2,5-дикетоморфолина и ях З,б-производных; она обнаружена во всех лактамах (СНз)л 2СОХН и лак.
тонах (СНз) зСООс размером цикла л — 8. При увеличении числа звеньев в лактамных и лактонных кольцах пептндная и сложноэфирная группы приобретают плоскую или близкую к плоской транс-конфигурацию (с! = = 180'). Циклический тетрапептид саркозин имеет две амидные группы в цис-и две в транс-форме. В циклогексапептиде Иу — О!у — 0-А1а-0-А!а-— Иу-Иу четыре группы реализуются в цис- и две — в транс-кон.
фигурации, В циклотетрадепсипептидах (например, (О1у — Иусо)ъ (МеА1а— 1.ас)з с 0000-, 000Ь-, 0(.Ь0-, Ь01.0- и 1.000-конфигурациями атомов С», 0-Ну1» — 2.-Ме11е-0-Ну1» — 0-МеБеп) обе сложноэфирные группы находятся в транс-, а промежуточные пептидные — в цис-форме; депсипептидные циклы больших размеров (энниатины, валиномицин и др.) содержат все группы только в транс-конфигурации.
Ациклические амиды, как правило, имеют транс-формы. Она наблюдается у карбоксильной и сложноэфирной групп в молекулах простых кислот и эфиров. Доминирует эта форма и в составе сложных соединений с открытыми цепями; пептидные группы только в транс-конфигурации обнаружены практически у всех исследованных аминокислотиых последовательностей линейных полипелтидов и белков. Нередко, однако, встречаются случаи, когда ациклические простейшие амиды и пептиды реализуются в двух формах — цис- и транс- или даже только в цис-форме.
Положение конфигурационного равновесия зависит от заместителей лрв атоме Н, их объема и строения, а также от природы растворителя. У монозамещенных Ы-алкилформамидов содержание цис-конфигурация растет симбатно с увеличением объема Х-заместителя. Так, у Х-ыетилформамида в растворе бензола цис-изомер составляет около 8%, Х-этил-— 12% и Х-трет-бутилформамида — 18%, что объясняется невалентными взаимодействиями алкильного радикала с атомом кислорода, С этой же причиной связывают повышение содержания цис-формы у Х-трет-бутилформамида до 63% в растворе серной кислоты, поскольку происходящая в этой среде протонизация карбонильного углерода увеличивает его эффск. тивный радиус.
С действием стерического эффекта согласуется и резкое возрастание (ло сравнению с Х-алкилформамидами) содержания цис-кон. фигурации у соответствующих тиоаналогов. Взаимодействия валентно-несвязанных атомов, возможно, являются причиной смещения конфигурационного равновесия. Тем не менее, только этим фактором нельзя объяснить экспериментальные данные. Более тяяш имеющийся материал свидетельствует о том, что стерический эффек~ не оказывает решающего влияния на содержание транс- и цис-изомсров В противном случае трудно было бы, например, понять безусловное прелнрованне транс-конфигурации у тех же Х-алкилформамидов, в моле„лах которых стерические взаимодействия более благоприятствуют цисформе.
Х-Алкилацетамиды реализуются, как правило, в пзранс-конфигуации, В полярных и неполярных средах только в этой форме обнаружены 1~( метил-, Х-атил-, Х-пропил- и Х-глрегл-бутилацетамиды. Однако доля „ис формы значительно возрастает у фенилацетамидов. Так, у Х-глретбутилфенилацетамида в СС!4 содержание цис-конфигурации составляет 70%, у М-и-толилфенилацетамида — 90%; исключительно в кис-форме находится в этих условиях Х-о-толилфенилацетамид. Замещение М- аякильиого радикала в ацетамидах на ароматическую группу также смещает равновесие в сторону кис-изомера.
Содержание ацетанилида в цискоифигурации изменяется в растворе хлороформа с 45 до 73% при увеякчении концентрации от 1,5 до 52 мол. %. Рост цис-изомера скорее всего связан не с изменением константы равновесия транс-, цис-мономеров в пользу последнего (что маловероятно и, кроме того, противоречит данным КК-спектров), а с образованием ассоциатов, среди которых преобладают кольцевые димеры цис-формы с двумя водородными связями.
Положение конфигурационного равновесия очень подвижно у соединений с несимметричной аминной группой. Наиболее стабильным изомером в амидах типа К'Кз('( — СОК оказывается тот, в котором возникают меньшие силы отталкивания между К при карбониле и одним из заместителей при атоме Х. Вопрос о транс- и иис-изомерии особый интерес представляет для Х-метилнрованных пептидов и пептидных групп, азот которых принадлежит аминокислотному остатку Рго. Группа -(НзС)1ч — СО— входит в основную цепь многих биологически активных соединений 0(еструктин, споридесмолиды, актнномицин, зиниатнны и др.). Метилирование пептидной группы с точки зрения невалентных взаимодействий должно приводить к уменьшению энергетической разницы между цисвтранс-состояниями.
Действительно, реализация метиламидов Х-ацетил- Х-метил-а-аминокислот с цис-конфигурацией группы -(НзС)Х-СΠ— обнаруживается по спектрам ЯМР (91, Теоретический конформационный анализ молекулы метиламида 1ч-ацетил-Х-метил-(.-аланина с транс- и Иискоифигурацией третичной аминной группы показал, что энергия наиболее выгодных конфигураций с кис-формой лишь на 0,6 — 0,7 икал/моль превышает энергию самой предпочтительной конформации с транс-формой, что хорошо согласуется с экспериментом (12). Соответствующее энтальвийное различие у метиламида Х-ацетил-(.-пролива не превышает 0,5 ккал/моль, а у диметиламида Х-ацетил-(.-пролива оно близко к нулю [13). На формирование пространственного строения полипептидов оказывают влияние не только различие в энергии конфигураций отдельных звеньев цепи (хотя это важно), но и кооперативные эффекты.
Поэтому в принципе не исключены ситуации, когда даже небольшой предпочтительвости в энергии одной из форм окажется достаточно для ее реализации по Всей длине полипсптидной цепи. Или, напротив, по общей энергии полипептида может стать оптимальной конфигурация пептидной группы, 135 имеющая несколько ббльшую (в изолированном состоянии) величин) энтальпии. Например, поли-/.-пролив в неполярных средах содержит пептидные группы в цис-форме (полипролин 1), а в полярных — в транс.
форме (полипролин 11); пептидные группы у его близкого конформацион. ного аналога — поли-Х-метил-(.-аланина — в тех же условиях реализуются в транс-форме. Согласно результатам теоретического анализа разность в энергии цис- и транс-полипролина невелика (0-1,4 ккал/моль в пользу последнего) и может перекрываться влиянием растворителя. То обстоятельство, что в белках и линейных природных пептидах реализуется почти исключительно транс-конфигурация пептидной группы, лишний раз подтверждает справедливость положения о согласованности (гармонии) всех видов внутримолекулярных невалентных взаимодействий атомов, исходя из принципов теории структурной организации белковых молекул (14), М. Левитт и С. Лифсон [15), а также Дж. Дайзенхофер и У.
Стейгеманн (16) проанализировали данные рентгеноструктурного анализа белков и пришли к выводу о не вполне плоском сгроении пептидных групп, заключающемся в отклонении двугранного угла оз от 180', пирамидализации связей атома Х и, в меньшей степени, связей карбонильного углерода. Учитывая, однако, разрешающую способность метода, речь не может идти о твердо установленных фактах, а лишь о возможных отклонениях от плоского строения группы и соответствующих инверсиях конфигураций. Теоретические расчеты энергии неплоских деформаций пептидной группы (17) показывают, что поворот вокруг связи Х-С' вблизи ш = 180' на +10'и выход связи Х-С из плоскости СХС" на 20' увеличивают энергию на 2,0 — 3,0 ккал/моль.
Более значительными энергетическими потерями сопровождается пирамидализация связей карбонильного углерода; выход этого атома из плоскости С ОХ на 0,1 А требует затраты энергии около 5,0 ккал/моль. Таким образом, опытные данные и результаты теоретического конформационного анализа показывают, что в отношении своей конфигурация пептидная группа в амидах, циклических и линейных пептидах, депсипелтидах и белках имеет лишь две вакансии — о> = 180' и оз = 0', что, в свою очередь, бесспорно свидетельствует о болыпой высоте потенциального барьера, разделяющего транс- и цис-конфигурации. Имеющиеся в литературе экспериментальные данные об активационных параметрах транс — цис-перехода (изменения свободной энергии Ьб,вс дв или близкие им величины изменений энтальпии ЬН,вс ю.) и разностях энтальпии транс- и цис-конфигурации (ЬН,вою.) получены при температурных исследованиях спектров ЯМР, колебательных и микроволновых спектров, а также ультразвуковым методом около 20 простых амидов.
Найденные для них барьеры вращения вокруг связи Х-С (ЬН,вс вв ) попадают в интервал 14,0-23,0 ккал/молвя приблизительно на порядок меньшие значения имеют параметры ЬН,вас (1,0 — 3,0 ккал/моль). По ряду причин (использование различных методов и методик, неодинаковые условия проведения эксперимента, разные способы обработки опытных данных) представляется затруднительным четкое выявление тенденция в изменениЯх величин ЬНма ис н Ь//мц „. в зависимости от пРиРолы 136 Таблице П 2 Иааентиые углы !град) транс- н дис-иенфитурацнй !Ч-метнлацетамнда н метнлацетата !4-Метилацетамид Метилацетат 125 С1! !О' С' 120 О'С'О !2! О'СС12! 121 Г!СС(2! НС,ип 108 НС,Н СО!!ЧС' ЯЯС' НС'О НССО! нс„>н н~гР~ 123 !20 122 119 108 108 121 114 125 116 !20 108 108 114 123 117 120 108 108 116 118 123 1!9 108 108 123 117 137 заместителей, полярности среды, концентрации и т.д.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
