Проблема белка. Том 3: структурная организация белка - Попов Е.М.
ISBN 5-02-001911-9
Скачать (прямая ссылка):
Таким образом, выбранная модельная система состоит из двух подсистем - единичной природной аминокислотной последовательности и водной среды. Является ли такая двухфазная система макроскопической в термодинамическом, статистическом смысле? Чтобы стать объектом равновесной термодинамики, все ее подсистемы должны представлять собой совокупность множеств несвязанных друг с другом частиц. Макро-скопичность белковой подсистемы определяется большим числом образующих молекулу белка атомов (порядка 103-104) и значительным количеством конформационных степеней свободы (102-103), позволяющих полипеп-тидной цепи в принципе принимать множество микроскопических состояний (10", где п - число аминокислотных остатков в цепи). Однако эта подсистема не может быть представлена совокупностью беспорядочно перемещающихся и не взаимодействующих друг с другом атомов. Напротив, все они эффективно связаны между собой посредством валентных и Невалентных взаимодействий. Тот факт, что разные природные амино-
кислотные последовательности в одинаковых условиях свертываются существенно различным образом, неоспоримо доказывает, что совокупность невалентных взаимодействий влияет на траектории движения включенных в данную валентную схему атомных групп, делает движения атомов взаимозависимыми, не совсем хаотичными, что в конечном счете, как увидим, определит механизм структурной самоорганизации белка. На это же указывают данные противоположного характера, касающиеся синтетических полимеров, в том числе, полипептидов, и практически всех биологических макромолекул небелковой природы. В значительной мере лишенные специфических корреляций между звеньями полимерной цепи, они ни при каких условиях не образуют идентичных для всех молекул стабильных трехмерных структур, и в крайнем случае принимают конфор-мационные состояния с участками линейной регулярности. Белковая макромолекула в водном окружении подвержена лишь одному виду истинно хаотического движения - броуновскому движению.
Что касается второй подсистемы - водного окружения, то она состоит из множества малых молекул, склонных, однако, в силу своей природы к образованию сильных водородных связей и электростатическим взаимодействиям. Ни одно свойство жидкой воды не может быть описано на основе предположения о полностью хаотичном движении отдельных молекул. Эксперименты, в частности инфракрасные спектры, вообще не обнаруживают в жидкой воде при комнатной температуре свободных молекул воды. Дж. Бернал еще в 1932 г. в рентгеноструктурном исследовании воды в ее жидкой фазе впервые наблюдал зародышевые формы кристаллов, а годом позже вместе с Р. Флаулером выдвинул гипотезу о существовании в воде трех типов структур, непрерывно переходящих друг в друга [44]. Тщательный статистический анализ данных о многих свойствах воды, предпринятый Г. Немети и Г. Шерагой в 1962 г., привел авторов к заключению о присутствии в воде при нормальных условиях значительных количеств ассоциатов с одной, двумя, тремя и четырьмя межмолекуляр-ными водородными связями [45]. Специфика взаимодействия воды с природной аминокислотной последовательностью, обусловливающая возможность последней к структурированию, определяется не абсолютно независимым хаотическим, тепловым движением молекул воды, а движением сложной многофазно структурированной воды, а также сильным поверхностным натяжением (большой избыточной энергией поверхностного слоя) и высокой избирательностью взаимодействий воды в контактном слое с разными по своей природе атомными группами белка. Итак, выбранная модель белкового свертывания, включающая две тесно взаимодействующие между собой подсистемы, не может быть отнесена к классическим термодинамическим макроскопическим системам.
Далее, будем считать, что на протяжении всего процесса структурной самоорганизации белка наша система не обменивается с окружающим пространством ни энергией, ни веществом, т.е. принадлежит к замкнутому типу систем. Исходим из того, что в начальный момент белковая молекула находится в состоянии флуктуирующего клубка. Аттрактором спонтанно возникающего изотермо-изобарического процесса свертывания белковой цепи является равновесное состояние, в котором белок приобретает
высокоорганизованную, очень устойчивую трехмерную структуру. Процесс идет без нарушения второго начала термодинамики, т.е. протекает с повышением энтропии всей системы и заканчивается, когда она достигает максимума. Выше отмечалось, что обсуждаемая модельная система не может быть объектом рассмотрения классической равновесной термодинамики. Как можно представить процесс свертывания цепи с точки зрения нелинейной неравновесной термодинамики?
Энтропийный фактор. Процесс свертывания не нарушит второе начало термодинамики, если неизбежное при образовании высокоорганизованной структуры уменьшение энтропии белковой цепи будет компенсироваться одновременным увеличением энтропии водной фазы и уменьшением энтальпии системы. Реализация того и другого связана с эффектом так называемых гидрофобных взаимодействий, возникающих при контактах молекул воды с атомными группами неполярных органических молекул. Энтропийная природа этих взаимодействий была обоснована У. Козманом [46], который показал, что на каждую неполярную алифатическую боковую цепь, покидающую водное окружение, энтропия возрастает на -30 ккал/моль град, а свободная энергия понижается на 5-10 ккал/моль. У большинства белков число остатков, склонных к гидрофобным взаимодействиям, превышает 50% всего аминокислотного состава. Поэтому энтропийный эффект, ведущий к экранизации гидрофобных атомных групп от молекул воды, играет существенную ориентационную роль в свертывании белковой цепи. Об этом, в частности, свидетельствует сильное денатурирующее действие, оказываемое на структуру белка слабо полярными органическими растворителями, мочевиной, производными гуанидина и другими соединениями.
