Проблема белка. Том 3: структурная организация белка - Попов Е.М.
ISBN 5-02-001911-9
Скачать (прямая ссылка):
Простейшими молекулами, моделирующими конформационные возможности свободных аминокислотных остатков, являются метиламиды N-ацетил-а-аминокислот, CH3-CONH-CaHR-CONH-CH3. В состав таких молекул (назовем их ради краткости монопептидами) входят две пептидные группы, структура которых во многом определяет их свойства, в частности конформационные возможности. Поэтому перед рассмотрением структурной организации монопептидов a-аминокислот целесообразно остановиться на электронных и конформационных особенностях простых органических молекул, содержащих пептидные (амидные) группы.
Глава 4
СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ПЕПТИДНОЙ ГРУППЫ
Строение и свойства пептидной группы представляют исключительный интерес для молекулярной биологии и теоретической химии. Она является элементарным звеном основной цепи белков, входит в боковые цепи аминокислот Asn и Gin, присутствует в составе большого числа природных соединений. Несомненно, это одна из самых распространенных в природе совокупностей валентно-связанных атомов. Данный факт весьма знаменателен, и, по-видимому, его одного уже достаточно для предположения об Исключительной структурной организации пептидной группы, ее универсальности.
Проблема белка, т. 3
129
Многое о свойствах пептидной группы может сказать ее химическая формула:
с“ О
\ //
N—С
/
н С
Прежде всего она показывает, что группа состоит из двух непосредственно связанных между собой атомных группировок, имеющих диаметрально противоположные склонности к взаимодействию с электроном, - сильного электроноакцептора (С“СО-) и сильного электронодонора (C“HN-). Такое строение пептидной группы позволяет предположить большие возможности в изменении ее свойств под действием внутримолекулярных и межмолекулярных факторов, влияющих на донорно-акцептор-ные способности фрагментов. Наиболее чувствительной в этом случае оказывается центральная пептидная связь. Предположение подтверждается качественным рассмотрением электронного строения группы. Она обладает 71-электронной системой и подвижными неподеленными парами электронов атомов N и О, а также может образовывать водородные связи, выступая при этом как донор и как акцептор протонов. Атомы пептидной группы имеют существенно разную электроотрицательность и заметно отличаются по величине и знаку парциальных зарядов. Если оставаться в границах понятий и представлений, сложившихся в органической химии, то можно сказать, что строение и свойства этой небольшой совокупности атомов обусловлены действием практически всех известных электронных эффектов: делокализацией л-электронов, индуктивным влиянием, смещением неподеленных пар электронов и изменением гибридизации атомов, гиперконъюгационным эффектом, полярным влиянием, образованием водородных связей, диполь-дипольными и донорно-акцеп-торными взаимодействиями. В отличие от других классов органических соединений, свойства которых, как правило, находят удовлетворительное объяснение в доминирующем влиянии одного-двух из отмеченных эффектов, в пептидах и амидах все они играют важную роль и находятся в неразрывной взаимосвязи. Само их разделение по отношению к пептидной группе выглядит условным. Она как никакая другая группа представляет собой целостную систему и требует независимого рассмотрения.
Итак, можно заключить, что пептидная группа обладает повышенной восприимчивостью к внешним воздействиям и отличается высокой лабильностью в распределении электронной плотности. Сказанное, однако, не исключает известную химическую стабильность пептидной связи. Ее устойчивость объясняется сохранением при изменении внешних условий, не превышающих определенных границ, согласованности во взаимоотношениях между фрагментами пептидной группы, обладающими противоположными и, следовательно, согласно принципу Н. Бора, дополняющими друг друга электронными свойствами.
В настоящей главе рассматриваются экспериментальные и теоретические исследования пептидной группы и обсуждается существующее представление о ее структурной организации в свете имеющихся опытных
данных, результатов квантовохимических расчетов и теоретического анализа колебательных спектров соответствующих молекул. Ряд соображений общего порядка, высказанных о химическом строении пептидной группы, в той или иной мере справедливы и для сложноэфирной (-COOR) и цяанамидной (> N-CN) групп, в которых также осуществляется прямая связь между электронодонорной и электроноакцепторной группировками gTOMOB. Поэтому представляется целесообразным их совместное с пептидной группой обсуждение и сопоставление некоторых свойств.
4.1. КОНФИГУРАЦИЯ ПЕПТИДНОЙ ГРУППЫ
Простейшей молекулой, включающей пептидную связь, является формамид (H2N-CHO). Первое исследование геометрии этой молекулы в неассоциированном состоянии выполнено Р. Курландом и Э. Вильсоном на основе микроволновых спектров четырех изотопных соединений [1]. При расчете структурных параметров предполагалась плоская молекулярная модель с эквивалентными связями NH. Позднее микроволновые спектры формамида были изучены С. Костейном и Дж. Даулингом, но уже при использовании десяти изотопных соединений [2]. Это позволило полностью априорно, т.е. не делая предположений о геометрии молекулы, рассчитать длины связей и валентные углы. Авторы особо подчеркнули, что наблюдаемые спектры этих соединений могут быть однозначно интерпретированы только в случае неплоского строения формамида. Оказалось, что группа H2N-C образует невысокую пирамиду, а связи, как и углы HNC, заметно отличаются друг от друга. Тем самым экспериментально было подтверждено предположение М. Дейвиса и Дж. Эванса о неплоской структуре формамида, высказанное в 1952 г. при изучении контуров полос валентных колебаний NH в инфракрасных спектрах поглощения паров [3].
