Проблема белка. Том 2: Пространственное строения белка - Попов Е.М.
ISBN 5-02-001697-7
Скачать (прямая ссылка):
К. Тэнфорд [51-53] предложил классифицировать остатки по степени их гидрофобности, количественной мерой которой является изменение свободной энергии AG, приходящееся на боковую цепь свободной аминокислоты, при переносе ее из этанола в воду. За нуль принято значение AG для глицина. Расположение остатков согласно значениям AG не совпадает с их классификацией по полярности. По Тэнфорду, степень гидрофобности лизина, гистидина, аргинина имеет примерно такое же значение, что и для валина, метионина, аланина.
Дж. Брандте [54-59] в соответствии с идеей Фишера рассматривал не два, а три типа остатков: гидрофобные, находящиеся преимущественно внутри глобулы; гидрофильные, располагающиеся на поверхности; и нейтральные (глицин, серин, цистеин, аспарагин и глутамин). Числа заполнения внутренних и внешних ячеек для каждого типа остатков взвешиваются в соответствии со свободной энергией переноса остатков внутрь и со статистическим вырождением. Это дает возможность написать статистическую сумму для глобулы и построить статистико-термодинамическую теорию денатурации белка.
Работы Фишера, Тэнфорда и Брандтса имеют феноменологический характер и основываются на представлении об определяющей роли гидрофобных взаимодействий. Однако подобный подход исключает рассмотрение структур конкретных белков и не содержит анализа Многих других факторов, ответственных за пространственную организацию молекул.
241
Гидрофобные взаимодействия, являющиеся по своей природе энтропийным эффектом, не приводят к возникновению каких-либо новых, дополнительных сил, и поэтому выражение "гидрофобные силы" лишено физического смысла. Такие взаимодействия возникают из-за водного окружения молекулы белка и из-за специфической структуры воды. Для полярных и неполярных групп белка гидрофобные взаимодействия играют ориентирующую роль; следствием их является образование наиболее предпочтительных внутри- и межмолекулярных контактов между родственными по своей природе группами. Сами же контакты и их эффективности описываются обычными ван-дер-ва-альсовыми взаимодействиями, электростатикой и водородными связями с учетом влияния среды. Водное окружение может способствовать образованию ионных пар или солевых связей, так как при этом освобождается часть ориентированных молекул воды, окружавших заряженные группы, и, следовательно, увеличивается энтропия воды. Показано [4], что в ряде случаев выигрыш энтропии оказывается более значителен, чем ослабление энергии кулоновских взаимодействий зарядов в водном окружении. При добавлении неводных растворителей солевые связи в отличие от гидрофобных взаимодействий усиливаются.
Подводя итог развитию представлений о стабильности белковой молекулы в 1950-1960-е годы, следует прежде всего отметить некоторый отход от господствующей прежде концепции о пептидной водородной связи как решающего или даже единственного фактора, ответственного за структуру белка. Полученный в этот период большой экспериментальный материал по структуре глобулярных и фибриллярных белков и синтетических полипептидов не мог быть объяснен только на основе такой концепции. Опытные данные свидетельствовали о чрезвычайной чувствительности конформации пептидного остова к природе остатков, их последовательности, растворителю, температуре, значению pH, длине цепи и т.д. Более того, был получен целый ряд факторов, прямо противоречащих концепции об определяющей роли пептидных водородных связей. Например, обнаружено, что слабополярные органические растворители являются сильными денатурирующими агентами. Между тем, они значительно меньше ослабляют пептидную водородную связь, чем вода, и, следовательно, с позиции указанной концепции можно было бы ожидать увеличения стабильности нативной конформации, а не ее разрушения, как это имеет место.
При трактовке опытных данных все больше начинает подчеркиваться роль взаимодействий белковых цепей друг с другом и с пептидным остовом, взаимодействий белка с молекулами окружающей среды. Становится очевидным, что эти взаимодействия не ограничиваются только водородными связями, а их природа более разнообразна. В создание глобулы вносят вклад и дисперсионное притяжение, ионные пары, электростатические взаимодействия, тг-взаимодействия ароматических остатков, водородные связи боковых цепей. Существенны здесь не только энергетические факторы, но и энтропийные. Разрабаты-242
вается концепция гидрофобных взаимодействий, которым, как в свое время пептидным водородным связям, начинают придавать фундаментальное значение. Новые экспериментальные факты, полученные при расшифровке трехмерных структур миоглобина, гемоглобина и лизоцима, свидетельствовали о том, что пространственное строение белков определяется комплексом многих взаимодействий. Однако ввиду сложности проблемы анализ факторов, стабилизирующих структуры белков, носит еще чисто описательный характер или производится на основе упрощенных моделей, отражающих лишь отдельные, взятые изолированно виды взаимодействий. По-прежнему предполагается, что "...макромолекулы белков свертываются в спиральную вторичную структуру вследствие образования огромного числа внутримолекулярных водородных связей, а спиральные участки изгибаются и складываются в компактную третичную структуру, определяемую тонким балансом различных молекулярных сил сцепления и отталкивания" [34. С. 10]. И еще одна дополняющая это расхожее представление характеристика пространственной организации белка: "Третичная структура глобулярных белков представляет собой топологически сложную упаковку а-спиральных областей, соединенных аморфными областями полипептидной цепи" [34. С. 33].
