Проблема белка. Том 2: Пространственное строения белка - Попов Е.М.
ISBN 5-02-001697-7
Скачать (прямая ссылка):
Для того чтобы клубок был действительно статистическим, нужно чтобы вращения вокруг ординарных связей основной и боковой цепей аминокислотной последовательности происходили независимо и в той же мере свободно, как у модельных малых молекул. В свою очередь, это возможно только при условии одинаковой эффективности межмоле-
346
кулярных и внутримолекулярных взаимодействий и отсутствия избирательности во взаимодействии молекул растворителя с разнообразными по своей природе аминокислотными остатками. Очевидно, полностью удовлетворить подобным условиям (и, следовательно, привести белковую цепь в состояние истинного статистического клубка) не может ни одна среда.
Для оценки размеров конформационных изменений при денатурации белков наиболее удобной характеристикой является энтропия. Чем больше развернулась белковая цепь, чем резче переход порядок— беспорядок и чем ближе состояние цепи подошло к статистическому клубку, тем выше значение энтропии. В отношении этого фактора два рассматриваемых нами термодинамических состояния находятся как бы на разных полюсах. Однако в системе белок—среда возрастание конформационной энтропии при развертывании полипептидной цепи в значительной степени компенсируется ее отрицательным изменением вследствие погружения неполярных атомных групп в воду (эффект гидрофобных взаимодействий). Среднее изменение конформационной энтропии в расчете на один остаток при переходе из нативного состояния в денатурированное колеблется от 2 до 6 ккал/(моль град) [28—30]. По существу, эта величина составляет энтропийную стабилизацию развернутого состояния. Устойчивость компактной глобулы характеризует энтальпия. По данным С. Чотиа [12], среднее значение изменения энтальпии на один остаток при том же переходе составляет 2,5—3,0 ккал/моль. Для нативной конформации лизоцима была получена общая энергия стабилизации 28—36 ккал/моль, причем наиболее существенный вклад (около половины) вносят гидрофобные взаимодействия. Разность свободной энергии между нативным состоянием и денатурированным, или общая стабильность функционирующего в физиологических условиях белка, составляет, согласно К. Тэнфорду [31], К. Пейсу [32] и П.Л. Привалову [33], от 4,0 до 15,0 ккал/моль. Это есть малая разность больших чисел.
Р. Ламри и Р. Билтонен приводят следующие термодинамические характеристики устойчивости химотрипсина, которые авторы считают типичными для глобулярных белков [20]. Свободная энергия развертывания белка при pH 3,0 и 21° равна около 7,0 ккал/моль (при pH 7,0 равна 14,0 ккал/моль). Эта величина складывается из изменения энтальпии в 6,0 ккал/моль, которая включает изменение энергии внутримолекулярных (-183,0 ккал/моль) и межмолекулярных (123,0 ккал/моль) взаимодействий, и изменения энтропии в 170 ккал/ (моль-град). Энтропийный фактор (-TAS) также имеет два члена: конформационный, внутренний (-363 ккал/моль), и гидрофобный, внешний (320 ккал/моль).
К. Пейс исследовал гидрохлоридгуанидиновую денатурацию у ряда белков при различных значениях pH [32]. На основе полученных данных автор рассчитал свободную энергию денатурации, приведенную к нулевой концентрации денатуранта. Найденная свободная энергия миоглобина (pH 6,0), миоцима (pH 2,9), а-химотрипсина (pH 4,3), рибонуклеазы (pH 6,6) и (3-лактоглобулина (pH 3,2) имела следующие
347
значения: 8,5; 9,5; 12,0; 16,0 и 22,0 ккал/моль соответственно. Приведенные белки, очевидно, не были отобраны в процессе эволюции по максимальной стабильности, поскольку реализация их функций, как правило, требует определенной подвижности. Во всяком случае, синтетические белки, сконструированные эмпирически, обладают значительно большей стабильностью [34].
11.2. МЕТАСТАБИЛЬНЫЕ СОСТОЯНИЯ
Выше были рассмотрены некоторые свойства двух предельных, термодинамически стабильных состояний природных аминокислотных последовательностей: нативного и полностью денатурированного. Оба конформационных состояния рассматривались независимо друг от друга; сравнивались лишь физические и химические свойства белковой цепи в различных состояниях. Теперь необходимо раскрыть связь между этими состояниями и понять те события, в которых участвует белковая цепь на пути от нативной трехмерной структуры к статистическому клубку или в противоположном направлении, поскольку переход во многих случаях является обратимым (N D). В данном разделе обсуждаются главным образом экспериментальные исследования процесса денатурации белков.
Термодинамические аспекты. Изучение денатурации привело в начале 1970-х годов к доказательству того, что сборка трехмерной структуры глобулярных белков представляет собой самопроизвольно протекающий, быстрый и безошибочный процесс. Утвердилось представление, что он термодинамически обратим, относится к переходам первого ряда и описывается равновесной термодинамикой и статистической физикой. Нативное состояние белка имеет наименьшую свободную энергию Гиббса, т.е. является глобальным, в физиологических условиях, а термодинамически устойчивое состояние статистического клубка глобально в условиях полной денатурации.
