Молекулярная биология. Структура и функция белков - Степанов В.М.
ISBN 5-06-002573-Х
Скачать (прямая ссылка):
Сложнее обстоит дело при взаимодействии с водой неполярных боковых цепей белка. На модельных соединениях — простейших углеводородах — показано, Что они могут в небольшой степени растворяться в воде. При этом Их молекулы, не способные устанавливать водородные связи, включаются в своеобразные '’пустоты*' в динамической структуре воды-полости, ячейки. Последние Образованы молекулами боды, связанными между собой водородными связями (рис. 6.1).
*
По существу, это напоминает так называемые соединения включения. Возникновение таких ячеек означает упорядочение, выключение из хаотического движения значительного числа молекул воды, т.ё. уменьшение энтропии растворителя — воды. Уменьшение энтропии, которое оказывается тем большим, чем больше поверхность раздела неполярные группировки — вода,' ограничивает растворение углеводородов в, воде:' термодинамически выгодным оказывается расслоение системы, образование двух фаз — водной и углеводороДнЬй.
Нечто аналогичное сопровождает и растворение в воде пептидной цепи, несущей неполярные боковые группы. Каждая из таких групп оказывается в ячейке, окруженной структурированными молекулами воды, что приводит к уменьшению энтропии системы. "Отслаивание1' углеводородных радикалов в этом случае, понятно, невозможно, — они нанизаны на скелет полипептидной цепи. Поэтому реализуется другой процесс — свертывание глобулы, при котором значительная часть (не менее
Рис. 6.1, Додекаэдр, образованный молекулами воды, соединенными , водородными связями
Внутри додекаэдра образуется полость диаметром около 5 А,в которой Может быть размещено гидрофобное, т.е. не дающее водородных связей с водой, соединение. Формирование додекаэдра или аналогичных правильных структур с более крупными полостями требует упорядочения молекул воды, тем большего, .чем больше поверхность разместившегося в полости соединения. Это приводит к понижению энтропии системы и делает выгодным объединение гидрофобных элементов белка в ядро
106
половины) гидрофобных боковых цепей оказывается скрытой от контакта с окружающей белок водой. .При этом нередко наблюдается образование своеобразных внутримолекулярных "капель" из гидрофобных боковых цепей аминокислот, "гидрофобных ядер" более или менее сложной формы. Иногда такие ядра вытянуты, напоминая полумесяц, иногда распадаются на два-три самостоятельных небольших ядра.
Важно, что уменьшение поверхности соприкосновения Гидрофобных групп с водой приводит к установлению между ними так называемых гидрофобных контактов. Заметим, что сближение неполярных групп влечет за собой установление ван-дер-ваальсовых контактов между ними, в определенной мере также стабилизирующих белковую глобулу. Однако вклад этих весьма слабых взаимодействий в энергетику процесса свертывания белка невелик, тогда как роль гидрофобрных контактов, иными словами, роль изменения энтропии растворителя рри свертывании белка очень значительна.
Термодинамика свертывания белковой глобулы характеризуется тем, что факторы, способствующие образованию компактной нативной структуры, и факторы, действующие в противоположном направлении, почти сбалансированы. Изменение свободной энергии при свертывании белка, содержащего примерно 100 аминокислотных остатков, составляет около 10 ккал/моль, или всего лишь 0,1 ккал в расчете на один аминокислотный остаток. Для сравнения укажем, что энергия водородной связи составляет около 3 ккал.
Еще важнее, что эта удивительно небольшая величина оказывается разностью двух достаточно крупных, но сбалансированных величин. Последнее приводит к тому, что белковая глобула может утрачивать стабильность, разворачиваться уже при относительно небольшом изменении указанных величин. Например, утрата только одной водородной связи при замене в лизоциме фага Т4 треонина изолейцином снижала температуру денатурации белка на 11°. Существенно, что дестабилизация третичной структуры белка может быть вызвана не только воздействием на белок, но и изменением структуры растворителя — воды.
Известно несколько способов оценки гидрофобности боковых цепей аминокислот, входящих в состав белка. Согласно одному из них, предложенному Р.Вольфенденом, определяют распределение соединений, моделирующих боковую цепь того или иного остатка между во-; дой и находящимся в равновесии с ней паром. Так, боковая цепь треонина аппроксимировалась этиловым спиртом, радикал аланина — метаном и т.п. В этих условиях гидрофобные соединения будут стремиться покинуть воду и перейти в пар.
Оказалось, что по величине константы равновесия паровая
107
фаза/вода (т.е. по склонности перехода в пар) боковые цепи аминокислот могут быть собраны в следующие группы:
1. Константа порядка 102 — глицин, лейцин, изолейцин, валин, аланин.
2. Константа порядка 101 — фенилаланин, цистеин, метионин.
3. Константа порядка 10"4 — треонин, серин, триптофан, тирозин.
4. Константа порядка 10‘8 — аспарагин, лизин, глутамин, глутамат, гистидин, аспартат.
