Пользовательский поиск

Строение белков

Опыт уже давно показал, что полное изучение химических процессов требует одновременного изучения тех физических явлений, которые вызывают и сопровождают химические реакции. Роль таких физических явлений настолько велика, своеобразна и многогранна, что в конечном результате развилась и оформилась специальная дисциплина — физическая химиянаука о физических явлениях, неразрывно связанных с химическими процессами.

Продолжение ниже

Рудольф Хаушка: феномен белка

Типичная субстанция телесного строения животного – белок – так же характерна для животного, как для растения углеводы. Но и растение на определенном этапе развития образует белок, а именно,...

Читать дальше...

всё на эту тему


Молекулярные силы и взаимодействия

Ферменты — это глобулярные белки, содержащие как регулярные участки (а-спирали и 3-листы), так и нерегулярные области типа полимерных петель. Структура полипептидной цепи цитохром-с-пероксидазы — это весьма сложное молекулярное образование, которое удерживается в структурированном состоянии действием каких-то внутренних сил. Какова природа этих сил? Что заставляет большую совокупность атомов взаимодействовать друг с другом и формировать уникальную структуру? Очевидно, что эти же силы и взаимодействия проявляют себя в элементарных актах катализа, определяя способность субстрата входить в активный центр и претерпевать химические изменения

Внутри- и межмолекулярные связи в белках условно (по силе и природе взаимодействий) подразделяют на ковалентные, электростатические, водородные и гидрофобные.

Ковалентные связи. Стерические ограничения

Основой белка является полимерная полипептидная цепь, в которой отдельные аминокислоты связаны ковалентной амидной связью. Характерные длины связей: С—Н, N—Н, О—Н 0,1 нм; С=0, C=N, С=С 0,12 нм; С—С 0,15 нм; S—S 0,18 нм. Амидная связь в воде термодинамически неустойчива, и любой белок в водном растворе в состоянии равновесия должен был бы представлять собой смесь свободных аминокислот. Однако процесс гидролиза в нейтральных средах протекает исключительно медленно, что обеспечивает кинетическую стабильность белка.

Данный эффект имеет определяющее значение при взаимодействии молекул в белковых системах, в частности, он определяет конформацию полипептидной цепи.

Наличие заместителей у атомов С и их стерическое взаимодействие с атомами кислорода и амидным атомом водорода ограничивает свободу вращения вокруг этих связей. Очевидно, что в зависимости от размера и строения заместителей стерическое отталкивание атомов будет различным. Самым свободным является вращение по углам для глицина, самым ограниченным — для аминокислоты пролина. Впервые расчет потенциальной энергии как функции углов φ и у был проведен Г. Рамачандраном. Он предложил представлять результаты расчета в виде двухмерных зависимостей потенциальной энергии от значений углов φ и у. Эти зависимости получили название карт Рамачандрана. Затемненные области на этих картах соответствуют парам углов (φ и у), при которых стерическое отталкивание отсутствует и система энергетически стабильна. Светлые области отвечают парам углов (φ и у), при которых конформация испытывает напряжение и энергетически затруднена или вообще запрещена. Интенсивность затемнения областей характеризует степень энергетической стабильности конформаций.

Видно, что для глицина область разрешенных конформаций максимальная (наибольшая затемненная поверхность); для аланина область свободного вращения групп вокруг связей С—С, и С—N существенно ограничена, однако существует область ненапряженных конформаций. Для пролина область разрешенных конформаций предельно ограничена. Эта структурная особенность аминокислот используется при формировании и функционировании белковых молекул. Если необходимо строго зафиксировать полипептидную цепь в пространстве, в качестве структурообразующей аминокислоты используется пролин. Если требуется обеспечить конформационную подвижность той или иной области белка или возможность поворота цепи, в структуре полипептидной цепи должен находиться глицин.

Электростатические взаимодействия

Природа электростатических взаимодействий определяется кулоновским притяжением противоположно заряженных групп или атомов и отталкиванием одноименно заряженных. Энергия электростатического взаимодействия заряженных частиц определяется законом Кулона, где Z1,Z2 — заряды взаимодействующих частиц; е — заряд электрона, равный 1,6*10-19 Кл; ε — диэлектрическая проницаемость среды; l — расстояние между частицами.

Энергия взаимодействия заряженных частиц может быть весьма значительна. Так, в вакууме энергия взаимодействия частиц, находящихся на расстоянии 0,1 нм, составляет 1380 кДж/моль; на расстоянии 0,3 нм — 460 кДж/моль. Однако в водном растворе, особенно в растворах электролитов, кулоновское взаимодействие существенно ослабляется. Молекулы воды имеют большой дипольный момент и поэтому способны, взаимодействуя с заряженными частицами, частично компенсировать их взаимное влияние. Диэлектрическая проницаемость воды равна ε = 80, и согласно закону Кулона сила взаимодействия заряженных частиц в воде будет в 80 раз меньше, чем в вакууме.

Из изложенного следуют два важных для практики вывода:

  • в органических растворителях или в микрофазе, близкой по характеристикам к гидрофобному аполярному органическому растворителю, сила электростатического взаимодействия заряженных групп возрастает по сравнению с водой (диэлектрическая проницаемость органического растворителя существенно меньше диэлектрической проницаемости воды);
  • введение в систему дополнительных заряженных ионов должно приводить к ослаблению электростатического взаимодействия в силу экранирования зарядов введенными ионами.

Характеристикой влияния дополнительных ионов является ионная сила раствора электролита.

В реальных системах в присутствии диполей воды и дополнительных электролитов энергия ионных взаимодействий не превышает 12 — 20 кДж/моль, хотя может сильно возрастать в локальной области микроорганической фазы белковой молекулы.

При известной функции потенциальной энергии U(r) электростатические взаимодействия могут быть детально проанализированы. Теоретически в аналитической форме значение l рассчитано для двух случаев — для бесконечно разбавленных растворов электролитов и для растворов электролитов, подчиняющихся предельному закону Дебая — Хюккеля.

Бесконечно разбавленные растворы электролитов. В растворах электролитов при бесконечном разбавлении потенциальная энергия взаимодействия заряженных частиц описывается законом Кулона.

Влияние общего заряда белковой глобулы. Анализ электростатических эффектов не учитывает воздействие на ферментативную реакцию общего заряда белковой глобулы. При исследовании ферментативной реакции в условиях, близких к изоэлектрической точке белка, этим эффектом действительно можно пренебречь.

Однако при проведении реакции вдали от изоэлектрической точки в условиях, когда белковая глобула несет большой заряд, влияние общего заряда глобулы может быть весьма значительным.

Предполагалось, что общий заряд белка можно представить равнодействующим зарядом, локализованным в центре сферической глобулы. Диэлектрические свойства среды считались постоянными по всему объему и характеризовались диэлектрической проницаемостью. В рассматриваемом приближении предполагалось также, что потенциальная энергия взаимодействия заряженных частиц не зависит от угловых характеристик и взаимодействие зарядов имеет линейный характер.

Влияние заряда глобулы может быть весьма значительным. Если субстрат заряжен и реакция проводится вдали от изоэлектрической точки, можно ожидать увеличения или уменьшения энергии взаимодействия примерно на два порядка.

Важно отметить, что электростатические взаимодействия являются ненаправленными в отличие, например, от водородной связи.

Ослабление электростатического взаимодействия при высоких концентрациях солей часто используют в препаративной химической энзимологии. Например, выделение белков в большинстве случаев включает стадию осаждения белков концентрированным раствором электролита, часто сульфата аммония. При этом в первую очередь происходит нейтрализация зарядов белковых молекул и агрегация белка.

Исследование показало, что димеризация обусловлена дипольным характером связи О—Н. В свою очередь дипольный характер связи определяется разными электроотрицательностями атомов, образующих связь. Электроотрицательность характеризует способность атома поляризовать ковалентные связи. Связь между атомами тем более полярная, чем больше разность электроотрицательностей атомов. Электроотрицательности атомов водорода и углерода близки (2,1 и 2,5 соответственно). Поэтому связи С—Н неполярные, их дипольный момент практически равен нулю. В это же время связи С=0, О—Н, N—Н полярные (электроотрицательность атома кислорода 3,5, азота 3,0). Связи О—Н и С—О характеризуются дипольным моментом 1,6 и 2,5 Д соответственно. Это приводит к тому, что на атоме кислорода связи О—Н локализуется некоторый избыточный отрицательный заряд 5-, на атоме водорода — некоторый избыточный положительный заряд 5+. При наличии в области связи О—Н любой другой поляризованной связи (в димере кислот это связь С=0) между ними неизбежно возникает электростатическое взаимодействие, приводящее к образованию комплекса или внутримолекулярной связи.

Данный тип связи был назван водородной связью.

Энергия водородной связи в димере алифатических кислот равна 28,4 ± 0,6 кДж/моль. Водородная связь в отличие от электростатического взаимодействия характеризуется определенной направленностью. Наибольшая энергия отвечает взаимодействию, реализующемуся линейно между акцептором и донором водорода.

Водородные связи играют исключительно важную роль в биологических системах. Прежде всего, водородные связи формируют структуру воды, кластеризуя молекулы воды и существенно изменяя ее физико-химические характеристики.

В силу наличия системы водородных связей температура кипения воды повышается практически на 200°. Водородные связи принципиально важны в системах «записи» биологической информации в молекулах ДНК при образовании специфических комплексов между гетероциклами пиримидин-пуриновых. Водородные связи формируют вторичную структуру белка. Взаимодействие между карбоксильным кислородом и амидной группировкой — С=0 Н—N — обеспечивает образование а-спиралей и 3-структур. Образование фермент-субстратных комплексов и «узнавание» молекул субстрата активным центром происходит в большинстве случаев с участием водородных связей.




© Авторы и рецензенты: редакционный коллектив оздоровительного портала "На здоровье!". Все права защищены.


 
Текст сообщения*
Защита от автоматических сообщений
Загрузить изображение
 

nazdor.ru
На здоровье!
Беременность | Лечение | Энциклопедия | Статьи | Врачи и клиники | Сообщество


О проектеКарта сайта β На здоровье! © 2008—2015
nazdor.ru, nazdor.com
Контакты Наш устав

Рекомендации и мнения, опубликованные на сайте, являются справочными или популярными и предоставляются широкому кругу читателей для обсуждения. Указанная информация не заменяет квалифицированную медицинскую помощь, основанную на истории болезни и результатах диагностики. Обязательно проконсультируйтесь с врачом.

Размещенные на сайте информационные материалы, включая статьи, могут содержать информацию, предназначенную для пользователей старше 18 лет согласно Федеральному закону №436-ФЗ от 29.12.2010 года "О защите детей от информации, причиняющей вред их здоровью и развитию".