Биофизика - Владимиров Ю.А.
Скачать (прямая ссылка):
соседних молекул возникает резонанс и притяжение по принципу диполь-
дипольного взаимодействия. Эти взаимодействия называют дисперсионными.
Они играют значительную роль в связывании
70
Рис. 21. Возможный принцип взаимодейстния антаманида с биомембраной (по
данным IO. А. Овчинникова и В. Г. Иванова).
R - характеристическая группа фосфолипидов; А - молекула антаманида; пк -
пептидное кольцо; фен - фенилаланин.
Рис. 22. Водородные связи, встречающиеся в биологических системах.
группы гема в "кармане", образованном боковыми цепями гемоглобина,
взаимодействии углеводородных цепей друг с другом в липидной части
биомембран и других случаях взаимодействий неполярных групп молекул.
Важную роль в формировании структуры макромолекул играют водородные
связи. Последние обусловлены способностью самого малого атомного ядра
протона проникать в электронные оболочки соединяемых им
электроотрицательных атомов и их стягивать. Примеры водородных связей,
типичных для биологических систем, приведены на рис. 22. Там же даны
энергии этих связей. Обычно в биологических молекулах атомы, удерживаемые
водородными связями, находятся на расстояниях от 250 до 320 пм. Ядро
водорода (или протон), как правило, отстоит приблизительно на 95-100 пм
от одного из электроотрицательных атомов и на 140-220 пм от другого. Чем
более асимметрична связь, т. е. больше различие расстояний от протона до
атомов, с которыми он связан, тем легче эта связь разрывается и тем
меньше ее энергия.
зо
20
.4 ^
о-н-N-
Ч'0-Н-0=
^N-H-8- ^N-H-
,0. ^N-H - 0= ^N-H- Оч
Энергия связи, кДж/моль
71
Водородные связи играют важнейшую роль в поддержании определенной
вторичной структуры не только белков, но и нуклеиновых кислот.
Одновременное образование большого числа слабых, в частности, водородных
связей в макромолекулах лежит в основе явления комп-лементарности, т. е.
строго структурного соответствия и специфичности связывания больших
участков молекул. Например, Г-Ц-пары обладают энергией связи всего лишь 5
кДж/моль, и константа диссоциации комплекса Г-Ц, рассчитанная по
уравнению Больцмана (уравнение 1.10), равна примерно 1/7. Иначе говоря,
на каждые семь пар оснований в 1 М растворе приходится одна пара
свободных оснований. Для динуклеотидов Ц2 и Г2 общая энергия связи цепей
в комплексе увеличится вдвое, а константа диссоциации комплекса Ц2-Г2,
согласно уравнению Больцмана, станет равной (1/7)г = 1/49. Таким образом,
концентрация спаренной формы будет превышать концентрацию свободных
динуклеотидов в 49 раз.
Ясно, что для полинуклеотидов, содержащих тысячи оснований, равновесие
будет практически полностью смещено в сторону комплекса с водородными
связями.
3.3. СТРУКТУРА ВОДЫ И ГИДРОФОБНЫЕ
ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
Большинство биополимеров функционирует в водной среде, и взаимодействие
составляющих их мономеров с водой во многом определяет пространственную
конфигурацию макромолекулы в целом.
Попытаемся выяснить, что представляет собой жидкая вода и почему она
играет столь важную роль в биологических процессах. В отличие от гидридов
элементов VI группы: H2S, H2Se, Н2Те молекула Н20 является диполем из-за
своей асимметрии: линии, соединяющие центры атома кислорода с центрами
атомов водорода, образуют угол 104,28°. Атом кислорода в молекуле Н20
расположен как бы в центре тетраэдра, в двух вершинах которого находятся
атомы водорода (рис. 23). Две пары электронов кислорода, не участвующих в
образовании ковалентных связей, находятся на вытянутых орбиталях, оси
которых направлены к двум другим углам тетраэдра. Эти электронные пары
несут локальный отрицательный заряд и обусловливают электростатическое
притяжение между данной молекулой воды и атомами водорода соседних
молекул. Бла-
72
Рис. 23. Тетраэдрическая структура полностью координированной воды.
1Молекулы 1 и 2, так же как и центральная молекула Н20,расположены н
плоскости листа бумаги. Молекула 3 расположена над этой
плоскостью, молекула 4 под *
ней, так что атомы кислорода молекулы 1-4 находятся в
/
н
углах правильного тетраэдра. ^ Расстояния даны в пикометрах.
годаря этим взаимодействиям в жидкой воде формируются ассоциации молекул,
называемые кластерами. Структура кластеров сходна со структурой льда. В
кристаллах льда каждая молекула Н20 связана водородными связями с 4
соседями, при этом атомы кислорода соседних молекул также располагаются в
вершинах тетраэдров (см. рис. 23). Такая кристаллическая решетка
отличается рыхлостью: в кристаллах льда атомы расположены сравнительно
далеко друг от друга, и это объясняется тем, что лед имеет довольно
низкую плотность, более низкую, чем жидкая вода, в которой часть молекул
располагается в полостях тетраэдрической кристаллической структуры.
Вместе с тем даже после полного таяния льда в жидкой воде сохраняются
льдоподобные структуры - кластеры. Если бы в жидкой воде не было
кластеров и молекулы воды были бы плотно упакованы, то, как показывают
расчеты, ее плот ность при 25° С составляла бы не 1,0, а 1,8 г/см3.
