Биологическая химия. Том 31 - Карасев В.А.
Скачать (прямая ссылка):
3.1. Организация надмолекулярных биоструктур
3.1.1. Силы, участвующие в формировании надмолекулярной организации
В настоящее время принято выделять следующие типы взаимодействий, определяющих формирование надмолекулярных структур: гидрофобные силы, ван-дер-ваальсовы взаимодействия, ионные, «солевые» и водородные связи [28]. Мы рассмотрим их, в основном, в применении к белкам, полагая.
что их роль в других типах надмолекулярных структур аналогична.
Гидрофобные силы. Полипептидные цепи белков содержат в своем составе как полярные, так и неполярные боковые цепи аминокислот. При этом неполярные остатки аминокислот ведут себя аналогично другим неполярным соединениям, например, углеводородам. При взаимодействии с водой эти остатки вызывают перестройку систем водородных связей воды. Чтобы сохранить неизменным количество водородных связей молекулы воды располагаются вокруг неполярных соединений. Гидрофобные группы сами по себе не вызывают больших изменений энтальпии, но приводят к увеличению локальной упорядоченности (уменьшению энтропии). Вода имеет тенденцию снова увеличить свою энтропию, вследствие чего неполярные остатки аминокислот вытесняются из воды и формируют гидрофобное ядро белковой глобулы. Считают, что именно гидрофобные силы определяют формирование этого ядра [73]. Более подробно роль воды в сворачивании белков изложена в работе [145].
Важную роль, по современным представлениям, гидрофобные силы играют в биомембранах. Эти представления основаны на том, что поведение чистых фосфолипидов, наиболее важных, после белков компонентов биомембран, почти полностью определяется гидрофобными взаимодействиями. Для того, чтобы обеспечить минимальный контакт остатков жирных кислот фосфолипидов с водой они должны быть ориентированы этими остатками внутрь бислоя, в то время как полярные гидрофильные группировки фосфолипидов, находясь на поверхности бислоя, обеспечивают контакт с водой. Данные соображения легли в основу наиболее общепринятой в настоящее время жидкостно-мозаичной модели биомембран [118].
Однако значение гидрофобных сил в надмолекулярных биоструктурах не следует переоценивать. Так, в работе [31] показана стабилизация коротких спиральных фрагментов ри-бонуклеазы «солевыми» (по терминологии авторов) связями боковых цепей аминокислот, благодаря чему эти фрагменты приобретают в воде стабильную специфическую конформацию. В биомембранах фосфолипиды участвуют в формировании комплексов с белками [12], и их поведение в таких комплексах уже будет определяться не только гидрофобными взаимодействиями. Принято считать, что результатом действия гидрофобных сил является гидрофильная поверхность белковых глобул, создаваемая полярными остатками аминокислот [38]. В применении к биомембранам это оказывается далеко не всегда так, поскольку многие мембранные белки содержат главным образом неполярные остатки аминокислот и имеют неглобулярную конформацию [54]. По-видимому, именно со-
четание гидрофобных эффектов и стабилизирующей роли других типов взаимодействий приводит к формированию уникальной организации надмолекулярных структур.
Ван-дер-ваальсовы взаимодействия. Данный тип взаимодействий возникает между группами —СН.. .НС — в плотно упакованных структурах. Энергия таких взаимодействий составляет —0,03 ккал/моль, но, несмотря на малую величину, они играют важную роль в стабилизации белковых глобул. Существенно отметить, что плотность упаковки белкового яд-ра близка к плотности упаковки молекулярных кристаллов и составляет в среднем 0,75 [113]. Такая упаковка практически непроницаема для молекул воды. В этом случае, очевидно, существенно затруднены и другие молекулярные движения внутри такого ядра. На важность плотной упаковки для функционирования белков указывает тот факт, что в белках наблюдается согласованная замена аминокислот: уменьшение размера одной аминокислоты, например, иле—*вал, ведет к соответственному увеличению размера другой аминокислоты:
: гли_*ала [140].
Подобные взаимодействия важны, по-видимому, и в случае контакта жирных кислот фосфолипидов с белками мембран [12].
Солевые, ионные и водородные связи. Такое подразделение полярных взаимодействий, часто встречающееся в литературе (например, мы уже упоминали о термине «солевые» связи, использованном в работе [31]), довольно условно. По существу, во всех случаях речь идет о водородных связах, но обладающих различной степенью полярности. В частности, связь Между аминогруппой лизина и карбоксильной группой глютаминовой кислоты, часто рассматриваемая как ионная, т. е.:
н
C—N+H ...~0—С=0 (3.1)
н I
по существу является ионно-водородной. При этом, как следует из представленной схемы, возможности к образованию водородных связей этих групп далеко не исчерпаны. Аналогичным образом, ионно-водородной можно считать связь между протонированным гистидином и глютаминовой кислотой:
Обе пары аминокислот можно рассматривать и в качестве примеров «солевых» связей. Чтобы не создавать терминологической путаницы, в этой главе мы будем придерживаться термина «водородные связи». В третьей главе будут предложены новые термины, специально нами обоснованные.
