Проблема белка. Том 2: Пространственное строения белка - Попов Е.М.
ISBN 5-02-001697-7
Скачать (прямая ссылка):
близость значений свободной энергии у а- и (3-форм и нерегулярной формы. Последняя представляет собой огромное множество рыхлых, практически лишенных пептидных водородных связей конформаций.
Эксперименты П. Доти, Э. Блоута и соавт. [25-28] с поли-?-лизином и поли-?-глутаминовой кислотой в водной среде показали, что конформационное состояние пептидного скелета определяется не им самим, а далеко отстоящими от него концевыми группами боковых цепей. Оба полимера принимают форму а-спирали в областях pH, где боковые цепи незаряжены и находятся в форме клубка в нейтральной области pH. Содержание клубка у поли-Ь-лизина увеличивается с уменьшением pH, а у поли-Ь-глутаминовой кислоты - с увеличением pH. У некоторых гомополипептидов были обнаружены структуры, не отвечающие оптимальному водородному связыванию (спирали Зю, 4]3, полиглицин).
Значимость пептидных водородных связей для поддержания регулярных конформаций в водной среде, где возможно образование конкурентных водородных связей групп С=0 и N-H с молекулами растворителя, была поставлена под сомнение Козманом [4]. Экспериментальные данные Дж. Шеллмана [29], И. Клотца и Дж. Франзена [30, 31], действительно, показали, что энергия водородной связи N-H...O=C в водном окружении незначительна (1,5-0 кка л/моль).
235
7.2. ВАН-ДЕР-ВААЛЬСОВЫ И ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
Для объяснения конформационной стабильности синтетических полипептидов и белков все больший акцент делается на влияние ван-дер-ваальсовых и электростатических взаимодействий боковых цепей друг с другом и с пептидным остовом. В связи с этим предпринимаются попытки связать наблюдаемую конформацию с аминокислотным составом и последовательностью. Ван-дер-ваальсовы взаимодействия имеют электрическую природу. Они обусловлены взаимодействием электронных оболочек атомов. На больших расстояниях между парой атомов действуют силы притяжения. Они получили название дисперсионных сил. Их теория была выработана Ф. Лондоном [32] в 1930 г. и Дж. Сле-тером и Дж. Кирквудом [33] в 1931 г. Дисперсионные, лондоновские, силы определяются взаимодействием "мгновенных" диполей двух атомов, возникающих вследствие квантовомеханического движения электронов; они пропорциональны 1/г6, где г - расстояние между атомами. При дальнейшем сближении атомов возникают силы отталкивания, которые на малых расстояниях становятся доминирующими. Отталкивание возникает из-за невозможности пространственного совмещения двух электронных систем. Силы отталкивания пропорциональны 1/г12 или е сг (с - эмпирическая константа).
Отрицательная, стабилизирующая энергия ван-дер-ваальсовых взаимодействий двух атомов невелика (0,1-0,3 ккал/моль), но при взаимодействии многоатомных групп на оптимальном расстоянии (г0) она может достигать нескольких килокалорий на 1 моль и вносить существенный вклад в стабилизацию (рис. II. 1). На малых расстояниях энергия резко возрастает и валентно несвязанные атомы не могут сблизиться на расстояние, значительно меньшее г0. Такой характер зависимости позволяет сделать довольно грубое, но тем не менее полезное упрощение. Так как слева от г0 кривая очень крутая, а отрицательная энергия в минимуме незначительна, то потенциал можно представить в виде угловой зависимости. В этом случае справа от вертикали атомы между собой вообще не взаимодействуют, а слева энергия бесконечна и соответствующие расстояния являются запрещенными. Такое представление потенциала отвечает модели жестких сферических атомов. Пока в такой молекулярной модели шары-атомы не касаются друг друга, они не взаимодействуют; в то же время они не могут сблизиться на расстояние, меньшее суммы ван-дер-ваальсовых радиусов. Таким образом, широко распространенные атомные модели (проволочные Кендрью-Уотсона и Бирона, пластмассовые Николсона, объемные Кори-Полинга-Колтена) имеют определенное теоретическое обоснование. Из характера кривой U(r) видна и условность всех моделей. Во-первых, в моделях в значительной мере произвольно выбираются ван-дер-ваальсовы радиусы атомов (реальное взаимодействие около г0 мягкое); во-вторых, в них не учитываются дисперсионные силы притяжения; в-третьих, не принимаются во внимание другие виды
236
воздействий и, в-четвертых, с по- #кдж/мал> мощью моделей жестких сфер нельзя оценить энергию разрешенных конформаций. Тем не менее их использование чрезвычайно полезно при построении трехмерных структур белков по картам электронной плотности и для предсказания запрещенных конформаций.
Ван-дер-ваальсовы взаимодействия атомов не имеют специфической направленности, и их энергия в молекуле определяется в виде аддитивной суммы всех парных взаимодействий атомов. По некоторым ориентировочным оценкам, энергия ван-дер-ва-альсовых взаимодействий в белках Рис' П1' Потенциальная кривая невалентного взаимодействия С...Н
того же порядка, что и энергия водородных связей [34].
Учет электростатических взаимодействий в полипептидах и белках представляет наибольшие трудности из-за отсутствия соответствующей теории. Однако значительное влияние этих взаимодействий на конформацию очевидно, особенно в случае пептидов, состоящих из аминокислот, боковые цепи которых могут иметь целочисленный заряд (лизин, аргинин, аспарагиновая и глутаминовая кислоты). Для оценки электростатических взаимодействий используют классическое монопольное или дипольное приближение. Парциальные заряды на атомах пептидной группы и боковых цепей определяются или из дипольных моментов соответствующих простых молекул или путем квантовомеханических расчетов. Весьма условен выбор диэлектрической постоянной. На близких расстояниях эта величина не равна макроскопической диэлектрической проницаемости среды. Она зависит от поляризуемости взаимодействующих между собой атомов, влияния растворителя. Подробно эти вопросы будут рассмотрены в следующем томе.
