Проблема белка. Том 3: структурная организация белка - Попов Е.М.
ISBN 5-02-001911-9
Скачать (прямая ссылка):
Открытие конформационной изомерии качественно изменило и усложнило содержание проблемы пространственного строения органических соединений. Для характеристики структурной организации молекулы, имеющей ординарные связи, уже недостаточно только знания статического распределения в пространстве атомов и стабилизирующих их системы валентных взаимодействий. При существовании у молекул ряда легко переходящих друг в друга конформаций такую информацию нужно иметь о каждой пространственной форме. Кроме того, необходимо знать положение конформационного равновесия, весьма чувствительного к изменению внешних условий, и систему взаимодействий валентно несвязанных атомов, которая по сравнению с системой валентных связей более сложна. Решить проблему структурной организации молекул с помощью одних
экспериментальных методов и эмпирического подхода представляется нереальным по принципиальным соображениям, поскольку она связана не только с интерпретацией наблюдаемых на опыте фактов, что само по себе довольно сложно, но и с количественной оценкой потенциальных возможностей молекулы. Там, где речь идет о выявлении скрытых особенностей системы, прерогатива теоретического подхода бесспорна.
3.1. МЕХАНИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ
Конформация молекулы, как отмечалось, определяется взаимодействиями валентно несвязанных атомов. Поэтому при создании метода теоретического конформационного анализа, прежде всего, встал вопрос о способе количественной оценки энергии этих взаимодействий. Из двух альтернативных путей его решения - квантовомеханического и классического - первый должен быть исключен из-за громоздкости объектов исследования, особенно если иметь в виду молекулы белка. Многочисленные попытки Б. Пульмана и А. Пульман использовать в конфор-мационном изучении пептидов полуэмпирические методы квантовой химии ограничились анализом лишь элементарных монопептидов [64]. Рассмотрим второй путь решения.
Классический подход к исследованию конформаций был предложен в 1946 г. Т. Хиллом [65] и независимо в том же году Ф. Уэстгеймером и Дж. Майером [66]. Существенный вклад в развитие теории метода атом-атомных невалентных взаимодействий, его применение и популяризацию внес А.И. Китайгородский [67-71]. Подход к оценке взаимодействий включает ряд отнюдь неочевидных допущений и с физической точки зрения не выглядит достаточно строгим. Его аппроксимация реальных внутримолекулярных взаимодействий базируется на механической модели, согласно которой молекула представляется системой точечных масс -атомов без учета их электронно-ядерной структуры и квантовой природы. Атомы соединены валентными связями, которые, как правило, предполагаются жесткими. Пространственное строение такой модели молекулы определяется разного рода взаимодействиями между всеми валентно несвязанными атомами в попарно-аддитивном приближении и ограниченной свободой вращения вокруг всех ординарных связей. Следовательно, предполагается, что взаимодействие между любой парой валент-но-несвязанных атомов не зависит от внутримолекулярного окружения, т.е. имеет универсальный характер и определяется исключительно природой атомов и расстоянием между ними.
Межатомные невалентные взаимодействия подразделяются на ван-дер-ваальсовы, электростатические, торсионные и водородные связи. Каждый вид атом-атомных взаимодействий описывается полученной на основе полуклассических или классических предположений потенциальной функцией с системой параметров, подобранных эмпирически. Общая энергия невалентных взаимодействий U0бщ (конформационная внутренняя энергия молекулы) предполагается в соответствии с принципом Борна-Оппен-геймера (1927 г.) независимой от энергии валентных связей и пред-
схавляется аддитивной суммой энергетических вкладов отдельных видов
взаимодействий. ?/0бщ — ^ндв ^угл ^торс ^ ^эл
+ ивс, где: ивяв - энергия яевалентных ван-дер-ваальсовых взаимодействий; Uyrn - энергия деформации валентных углов; UTopc - торсионная энергия вращения вокруг валентных связей; иэл - энергия электростатических взаимодействий; Uvc - энергия водородных связей. Оптимальное конформационное состояние молекулы устанавливается в результате компромисса между всеми энергетическими составляющими всех пар валентно-несвязанных атомов. Валентные углы стремятся сохранить свои идеальные значения, отвечающие соответствующим гибридизациям атомов (sp3. sp:), а валентно-несвязанные атомы - находиться на равновесных расстояниях, соответствующих минимумам потенциалов парных взаимодействий и торсионных потенциалов.
Широкое использование теоретического подхода на основе рассмотренной механической модели для анализа конформационных возможностей молекул органических соединений началось в первой половине 1960-х годов, когда представилась возможность переложить большой объем вычислений на ЭВМ. Во второй половине этого десятилетия теоретический конформационный анализ стал применяться для исследования пространственного строения монопептидов и регулярных полипептидов.
3.2. ПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ ФУНКЦИИ НЕВАЛЕНТНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ АТОМОВ
