Проблема белка. Том 2: Пространственное строения белка - Попов Е.М.
ISBN 5-02-001697-7
Скачать (прямая ссылка):
- к его уменьшению. Структурированное состояние воды вокруг неполярных молекул получило также название "мерцающих кластеров" [42—44], "кластерных оболочек" и "полиэдрических клеток", подобных существующим в. кристаллогидратах [45]. Во всех вариантах терминологии подчеркивается роль молекул неполярного вещества как "структурных творцов" окружающей среды.
Из рассмотрения поведения углеводородов в воде Козман [4] делает следующие выводы относительно гидрофобных взаимодействий в белках, отражающих специфические структурные и термодинамические свойства воды.
1. Гидрофобные взаимодействия оказывают стабилизирующее воздействие на структуру белка главным образом за счет энтропийного эффекта. На каждую неполярную алифатическую боковую цепь, которая покидает водное окружение, можно ожидать увеличение энтропии около 20 кал/(моль • град).
2. Переход алифатической боковой цепи из воды в неполярную область является эндотермическим процессом (АН > 0).
239
3. Гидрофобные взаимодействия приводят к понижению свободной энергии системы белок-вода. Изменения AG на одну неполярную группу составляют при комнатной температуре 3,0-5,0 ккал/моль.
4. Из-за эндотермичности перехода неполярных групп из воды в неполярное окружение стабилизация белковой глобулы за счет гидрофобных взаимодействий больше при комнатной температуре, чем при 0°.
5. Реализация гидрофобных взаимодействий при образовании глобулы должна сопровождаться увеличением объема раствора.
Часть углеводородных групп в молекуле белка, которые могут осуществлять гидрофобные взаимодействия, велика. К ним относятся боковые цепи остатков валина, лейцина, изолейцина, фенилаланина, триптофана, пролина и аланина. У большинства белков эти остатки составляют 35—45% всего аминокислотного состава. В гидрофобных взаимодействиях могут участвовать и углеводородные фрагменты полярных боковых цепей. У. Козман предполагает, что пептидных водородных связей вполне достаточно для стабилизации нативной конформации белка. О большой роли гидрофобных взаимодействий свидетельствует сильный денатурирующий эффект слабополярных растворителей, в частности спиртов. Действие таких растворителей определяется контактами с углеводородными группами, которые нарушают гидрофобные взаимодействия. Денатурирующее действие спиртов на белки возрастает с увеличением размеров алифатического радикала. Сильный денатурирующий эффект мочевины и гуанидиновых солей также объясняется их способностью ослаблять гидрофобные взаимодействия. В то же время известно, что электролиты, как правило, являются слабыми денатурирующими агентами. Это, по-видимому, связано с тем, что солевые связи в белке не вносят существенного вклада в стабилизацию нативной конформации.
Д. Поланд и Г. Шерага [46, 47] предприняли попытку построить количественную теорию гидрофобных взаимодействий, основанную на трактовке У. Козмана и разработанных Г. Немети и Г. Шерагой [44, 48, 49] моделях структуры воды. Г. Немети и Г. Шерагой в 1962 г. была предложена статистическая модель воды, учитывающая пять ее состояний: без водородных связей, с одной, двумя, тремя и четырьмя водородными связями. Введение гидрофобной молекулы увеличивает координационное число льдоподобной структуры (четыре водородные связи) и, следовательно, понижает энергию молекулы. Энергия остальных четырех состояний, напротив, повышается предположительно на одну и ту же величину. В результате из полуэмпирического выражения статистической суммы рассчитываются AG, АН и AS, отвечающие контактам любых пар неполярных боковых групп белковой молекулы. Найденные значения для разных групп при 25° варьируют для AG от -0,2 до -0,5 ккал/моль, АН - от 0,4 до 1,8 ккал/моль и AS - от 1,7 до 10 кал/(моль • град). Эти количественные оценки согласуются с качественными представлениями, но не более того. Сама структурная теория воды, основанная на модели смеси четко различающихся видов структур, не согласуется с рядом спектроскопических данных, 240
свидетельствующих в пользу практически непрерывного распределения структур воды.
Г. Фишером в 1964 г. предпринята попытка оценить влияние гидрофобных взаимодействий на форму глобулы из соотношения объемов гидрофильных и гидрофобных боковых цепей [50]. Форма глобулы ищется в предположении, что под влиянием гидрофобных взаимодействий неполярные остатки располагаются внутри, а полярные
- на поверхности глобулы, образуя мономолекулярный слой; объем всех остатков считается примерно одинаковым. Г. Фишер получил аналитическое выражение отношения числа гидрофобных к числу гидрофильных остатков (Ь) как функцию объема глобулы (Vt). Сравнение теоретической кривой b = f(Vt), полученной для сферы, с экспериментальными значениями V, и b сделано для 35 белков. Экспериментальные точки обнаруживают большой разброс и, как правило, находятся выше теоретической кривой. Это означает, что белки отступают от сферической формы. В следующей работе Фишер учел условия гидратирования молекулы белка, предположив, что поверхность белка покрыта равномерным мономолекулярным слоем воды. Однако и здесь, как и в предыдущем случае, результаты расчета имеют характер ориентировочных оценок. В расчетах игнорируется не только многообразие полярных и неполярных остатков, но и их последовательность. Условным является само разделение природных аминокислот только на две группы, поскольку все полярные боковые цепи включают углеводородные части.
