Проблема белка. Том 3: структурная организация белка - Попов Е.М.
ISBN 5-02-001911-9
Скачать (прямая ссылка):
Таким образом, предполагается, что механизм структурной самоорганизации белка включает бифуркационные флуктуации трех ступеней. Флуктуации первой ступени отвечают низкоэнергетическим конформа-
ционным состояниям свободных остатков; второй ступени - низкоэнергетическим конформационным состояниям фрагментов цепи, являющихся сочетаниями бифуркационных флуктуаций первой ступени; флуктуации третьей ступени проявляются на завершающей стадии сборки белковой цепи. Следовательно, конечная нативная конформация белка, если не принимать во внимание ее динамические свойства, а рассматривать ее как бы встроенной в кристаллическую решетку, представляет собой застывшие бифуркационные флуктуации трех ступеней. Беспорядочно-поисковый процесс структурной самоорганизации белка - это селекция необратимых флуктуаций среди множества обратимых, причина возникновения которых обусловлена собственным тепловым движением атомных групп и вынужденным броуновским движением белковой молекулы.
Глава 3
ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ ПОДХОД К КОНФОРМАЦИОННОМУ АНАЛИЗУ
Один из пионеров современной стереохимии Д. Бартон около 40 лет назад отметил, что для "точного описания" молекул органических соединений надо знать "три К": конституцию, конфигурацию и конформацию [56]. Понятие "конституция" совпадает с понятием химического строения молекулы, т.е. ее валентной схемы. Конфигурация молекулы означает пространственное расположение атомов, обусловленное валентными силами, поэтому ее изменение сопряжено с разрывом химических связей. Конформация - это также расположение атомов в пространстве, но определяемое, помимо валентных, также невалентными силами. Влияние последних проявляется в искажении валентных углов и длин связей по сравнению с идеальными углами в невозмущенной конфигурации молекулы, инверсии ("выворачивании") пирамидальных структур и, прежде всего, в появлении особого вида стереоизомерии, вызванной заторможенным вращением вокруг ординарных связей. Конформации - это неидентичные геометрические формы, которые может принимать молекула без нарушения ее целостности, т.е. без разрыва химических связей. Повышение энергии молекулы из-за образования неблагоприятных невалентных контактов, следствием которого является деформация валентных углов и длин связей, принято называть "байеровским напряжением", а ведущее к изменению конформационного состояния молекулы - "питце-ровским напряжением".
Интерес к конформационной изомерии был впервые проявлен в конце XIX в. в работе Г. Заксе, где отмечалось, что шестичленные углеродные циклы могут быть представлены в виде двух неплоских форм (ванны и кресла), в которых все валентные углы равны тетраэдрическим [57, 58]. Спустя почти тридцать лет Э. Мор предположил, что две формы кресла замещенных циклогексана должны легко превращаться друг в друга 110
путем вращения вокруг простых связей, что исключает их разделение [56, 60]. В последующие двадцать лет конформационный анализ широкого распространения не получил. Перелом произошел лишь в 1950 г. после опубликования исследования Д. Бартона, посвященного различиям в химическом поведении замещенных циклогексанов с заместителями в экваториальном и аксиальном положениях [61]. Пронизывающая эту работу идея о зависимости скорости и характера химической реакции от конформации молекулы была быстро воспринята химиками как указание на существование нового, чисто физического фактора, который может оказывать воздействие на реакционную способность соединения.
Большое внимание привлекла к себе также публикация Д. Бартона и Р. Куксона, в которой излагались основы конформационного анализа и отмечалась особая роль в химии алифатических, ациклических и гетероциклических соединений предпочтительных по энергии конформаций. "Основной принцип конформационного анализа, - полагают авторы, -состоит в том, что физические и химические свойства молекулы могут быть поставлены в соответствие с ее предпочтительной конформацией" [62. С. 47]. Немного позднее Бартон, подводя итоги бурному становлению конформационного анализа в органической химии, приходит к следующему заключению: "Конформационный анализ может быть применен наиболее успешно к системам, содержащим конденсированные циклогексановые кольца; он превратился в общепринятую составную часть стереохими-ческого исследования стероидных и тритерпеновых систем, так же как и теоретического рассмотрения такого рода соединений" [63. С. 160]. Говоря о применении конформационного анализа, Бартон, по-видимому, не случайно делает акцент на конденсированные циклические системы. Их конформеры, как правило, разделены высокими энергетическими барьерами и поэтому имеют время жизни, достаточное для независимого участия каждого из них в химической реакции. У молекул с линейными цепями барьеры обычно составляют несколько ккал/моль, и время жизни отдельной конформации равно всего лишь 10~и-10~14 с. В случае значительной предпочтительности по энергии одного из конформеров в химической реакции фактически участвует также одна пространственная форма молекулы. При наличии набора изоэнергетических конформеров и высокой скорости установления равновесия между ними молекула предстает в химической реакции как статистическое образование.
