Проблема белка. Том 2: Пространственное строения белка - Попов Е.М.
ISBN 5-02-001697-7
Скачать (прямая ссылка):
Представление об исключительной роли водородных связей неизбежно следует из имеющегося в то время экспериментального материала, который свидетельствовал о структурном единстве фибриллярных и глобулярных белков и синтетических полипептидов. Как в твердом состоянии, так и в растворе пептидные цепи тех и других белков наблюдались в однотипных спиральных или (3-структурных конформациях, т.е. в таких формах, которые только и могли обеспечить полную насыщенность водородными связями между пептидными группами. Следовательно, в силу взаимообусловленности концепций спиральности и водородного связывания утверждение, что наиболее стабильные полипептидные структуры регулярны, эквивалентно утверждению: полипептидные структуры содержат 100%-ное количество пептидных водородных связей. Среди всех видов слабых невалентных взаимодействий атомов водородная связь максимально понижает энергию системы. JI. Полинг и Р. Кори оценивали энергию пептидной водородной связи N-H...O=C -8,0 ккал/моль. Заметим, что эта величина по крайней мере в два раза выше ее реального значения. В связи с чем вполне оправданно выглядит предположение, что водородная связь вносит вклад в стабилизацию регулярных структур поли-пептидного остова или, иными словами, является тем фактором, который диктует способ укладки полипептидной цепи. Так как водородная связь обладает направленностью и проявляется в узком интервале расстояний между группами NH и СО около 1,8 А, то, очевидно, наиболее предпочтительными должны быть те регулярные конформации, которые обеспечивают для образования водородных связей между всеми пептидными группами оптимальные условия. Именно такими конформациями оказались а-спираль и (3-структура складчатых листов,
233
предсказанные Полингом и Кори и обнаруженные у синтетических полипептидов и фибриллярных и глобулярных белков.
Квантовомеханическая теория водородной связи, развитая в 1957 г. К. Коулсоном [13] и Н.Д. Соколовым [14], основана на представлении о ее донорно-акцепторной природе, обусловленной обобществлением не-поделенной пары электронов. В системе А-Н...В связь А-Н находится в промежуточном между ионным (А~-Н+) и ковалентным состояниями. Вследствие уменьшения электронной плотности вблизи атома Н уменьшается и отталкивание между водородом и атомом В. Кроме того, появляется дополнительное притяжение между Н и В, вызванное перераспределением электронной плотности у атома В в поле атома Н и участием электронов неподеленной пары в качестве связывающих.
Н.Д. Соколовым получено количественное истолкование спектроскопических проявлений водородной связи: значительное смещение частоты валентного колебания А-Н в длинноволновую область и резкое увеличение интенсивности инфракрасной полосы поглощения этого колебания. Было также показано, что первой стадией процесса межмолекулярного или внутримолекулярного перехода протона всегда является образование водородной связи. Водородная связь формирует структуру воды и определяет многие ее свойства.
Количественная оценка энергии водородной связи на основе квантовой механики пока еще сложна и мало надежна, поэтому используют эмпирический подход. Впервые потенциальную функцию водородной связи предложили Е. Липпинкотт и Р. Шредер [15, 16]. Функция очень громоздка, содержит много параметров, трудноопределяемых из экспериментальных данных и не имеющих ясного физического смысла. Потенциал Липпинкотта и Шредера непригоден для описания водородной связи в различных средах.
У. Маултон и соавт. модифицировали функцию, введя в нее угловую зависимость энергии водородной связи от ее направленности [17]. В таком варианте потенциал Липпинкотта и Шредера был использован Г. Шерагой и соавт. при исследовании пространственной структуры полипептидов [18, 19]. Следующая попытка описать водородную связь принадлежит А. Ликвори и соавт. [20], которые приняли электростатическую модель связи и использовали зависимость У. Штокмаера [21], описывающую взаимодействия полярных молекул. Д. Поландом и Г. Шерагой предложена функция водородного связывания, содержащая один член в форме потенциала Леннарда-Джонса, а другой - в куло-новской форме [22]. В работе Е.М. Попова и соавт. [23] водородная связь рассматривалась как донорно-акцепторное взаимодействие и была аппроксимирована потенциальной функцией в форме потенциала П. Морзе [24]. Из трех параметров этой функции два определяются непосредственно из опыта, к ним относится энергия диссоциации водородной связи и равновесная длина. Третий эмпирический параметр подбирается.
Многочисленные исследования фибриллярных белков и полипептидов показали, что при изменении внешних условий а-спираль может относительно легко переходить в (3-структуру. Так как обе конформации
234
насыщены водородными связями, переход а (3 не противоречил представлению об исключительной роли водородной связи в стабилизации структуры полипептидов и белков. В рамках этой же концепции объяснялся и ряд других факторов. Так, разрушение а-спирали и (3-структуры в растворах сильнополярных растворителей естественно было связать со значительным ослаблением в подобных средах пептидных водородных связей, а отсутствие а-спирали у поли-L-серина и L-треонина - с конкуренцией водородных связей в основной цепи N-H...O=C и между группами основной и боковой цепей N-H...O, что, конечно, снижает стабильность а-спирали. В то же время в (3-структуре полипептидов серина и треонина водородная связь между основной и боковой цепями может реализоваться одновременно с межцепочечной водородной связью и, следовательно, дополнительно стабилизировать эту конформацию. Водородная связь такого типа в а-спирали невозможна по стерическим причинам. Со временем, однако, стали известны многие факты, которые было трудно объяснить только с позиции концепции пептидной водородной связи. Так, гомополипептиды природных а-аминокислот в твердом состоянии и в растворе как полярных, так и неполярных растворителей находятся не только в регулярных формах, но и в виде аморфной части флуктуирующего клубка. Легкость перехода а |3 ^ клубок в растворе указывает на
