ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Белковая глобула и гидрофобные взаимодействия из "Молекулярная биофизика" Вторичные структуры — а-спирали и р-формы реализуются в чистом виде у полиаминокислот, не являющихся информационными макромолекулами. Соответственно эти структуры имеют монотонное периодическое строение. [c.219] В действительности же не имеет смысла разделять вторичную и третичную структуру белка — мы имеем дело с единственной пространственной структурой, содержащей те или иные регулярные участки и неупорядоченные звенья. Сказанное не отвергает иерархического принципа в биологии. Иерархия структур возникает в любых системах, строящихся из большого числа однотипных элементов при наличии взаимодействий между ними. Проблема биологической иерархии была рассмотрена Берналом [77]. [c.220] Можно сформулировать два исходных принципа биологической иерархии. Во-первых, в клетке синтезируется множество тождественных макромолекул. Во-вторых, вероятность образования структур высшей сложности из ее элементов возрастает, а число возможных путей формирования такой структуры убывает, если изучаемые структуры можно представить в виде конечного ряда субструктур, последовательно включенных одни в другие. Иерархия свойственна, например, Космосу — звезды образуют галактики, галактики входят в метагалактику и т. д. В биофизике мы имеем дело с атомами, входящими в пептид, с пептидами, образующими белковую цепь, с белковыми глобулами, образующими четвертичные структуры, и т. д. [c.220] Характер структур на каждом уровне организации определяется геометрическими свойствами структур предыдущего уровня и силами, действующими между их элементами. Возникновение Бысшей структуры происходит автоматически в результате самосборки, принципы которой еще далеко не ясны. Решение проблемы самосборки означало бы, например, возможность предсказания макроскопической структуры мышцы по данным о химическом строении ее белков. Объяснение строения кристаллов, состоящих из малых молекул, на основе знания структуры этих молекул является решением проблемы самосборки в гораздо более простом случае (ср. [27]). [c.220] В отличие от статистического клубка, белковая глобула является не рыхлым флуктуирующим образованием, но компактной, плотно упакованной регулярной системой — апериодическим кристаллом. Плотная глобулярная структура белковой молекулы непосредственно доказывается малой вязкостью белков в растворе. Характеристическая вязкость [т ] (см. стр. 148) составляет для белков величину порядка сотых дециметра на 1 г (см., например, [78]). Определенный отсюда удельный объем много меньще, чем у обычных полимеров, образующих в растворе рыхлые клубки, и близок к удельному объему сухого белка. Это подтверждается всей совокупностью результатов исследования белков методами седиментации, диффузии, светорассеяния, рентгенографии, рассеяния рентгеновских лучей под малыми углами, электронной микроскопии и т. д. [c.221] Вследствие полифункциональности аминокислотных остатков в образовании глобулы участвуют разнообразные силы. Несомненно, что особенности белковой глобулы лищь частично отражаются моделью гомогенной цепи ввиду определяющего значения разнородности звеньев и взаимодействий. [c.221] Единственные сильные взаимодействия в белковой глобуле — это химические дисульфидные связи между остатками Цис (см. стр. 58). Наличие нескольких дисульфидных сшивок между звеньями одной цепи или нескольких цепей (например, инсулин, см. стр. 74) накладывает заметные ограничения на возможные конформации цепи. Однако нельзя было бы говорить о глобуле, если бы взаимодействия сводились к дисульфидным мостикам. В этом случае полипептидная цепь была бы подобна цепи каучука в резине, вулканизированной серой. Каучук в резине сохраняет свойства статистического клубка, несмотря на наличие ди-и полисульфидных мостиков. [c.221] В концентрированных растворах полимеров и к кристаллизации полимеров. [c.222] В концентрированном растворе полимерные цепи не могут существовать в различных конформациях независимо друг от друга. Возможны лищь такие конформации, в которых каждое из звеньев цепи занимает положение в пространстве, не занятое другими ее звеньями или звеньями соседних макромолекул. [c.222] В неразбавленном полимере и = 1. Если гибкость цепи, характеризуемая 2, мала, так что г е, то 1. Неупорядоченному состоянию отвечает 1. Значение = 1 означает упорядоченность, т. е. кристаллизацию при и = 1 или образование жидкокристаллической фазы при и 1. Очевидно, что мы рассмотрели здесь чисто энтропийный фактор — упорядочение цепей может происходить и в отсутствие каких-либо сил (кроме сил, препятствующих внутреннему вращению), если сами цепи достаточно жестки. [c.222] Важная задача физики белков состоит в нахождении структуры глобулы, образуемой цепью или цепями известной первичной структуры в водном окружении (см. 4.9). [c.222] Рассмотрение глобулы в вакууме лишено физического смысла. Белки функционируют в воде, и она активно действует на растворенные молекулы. Строение макромолекулы белка в водном растворе специфично и должно отличаться от ее строения в ином окружении. Решение указанной выше задачи должно одновременно учитывать и свойства белка, и свойства среды. [c.222] Предположение об определяющем значении гидрофобных взаимодействий для глобуляризации белка было высказано еще в 1944 г. [82, 83]. Идея состояла в том, что углеводородные неполярные радикалы аминокислотных остатков преимущественно контактируют друг с другом, а не с водой напротив, полярные радикалы взаимодействуют с водой. В результате гибкая макромолекула белка в воде сворачивается в глобулу. Неполярные, гидрофобные, радикалы располагаются внутри глобулы, а полярные, гидрофильные, радикалы — на ее поверхности, соприкасающейся с водой. [c.223] Эта идея основана прежде всего на данных о низкой растворимости неполярных веществ, например углеводородов в воде. Вместе с тем, как следует из ряда фактов, молекулы, содержащие и полярные, и неполярные группы, находясь в водном окружении, располагаются таким образом, что полярные группы контактируют с водой, а неполярные удаляются из водного окружения. Классические опыты Лэнгмюра, изучавшего мономо-лекулярные слои жирных кислот на поверхности воды, показали, что полярные карбоксильные группы молекул слоя погружены в воду, а неполярные углеводородные радикалы обращены наружу [84]. Та же ситуация определяет структуру мицелл в водных коллоидных растворах мыл гидрофобные группы располагаются внутри мицеллы, гидрофильные — на ее поверхности. [c.223] Глобулярные белки денатурируются (см. 4.8) под действием слабополярных органических растворителей, образующих водородные связи с большим трудом, чем вода. Действие таких растворителей определяется контактами с гидрофобными группами эти контакты нарушают гидрофобные взаимодействия. Денатурирующее действие спиртов на белки возрастает с увеличением размеров алифатического радикала [85, 86]. Сильное денатурирующее действие мочевины также объясняется ее способностью ослаблять гидрофобные взаимодействия. Концепция гидрофобных взаимодействий как важнейшего фактора, определяющего пространственную структуру белка, была подробно обоснована Кауцманном [87]. [c.223] В сторону увеличения структурированности, что означает понижение энтропии [87, 90]. Эти рассуждения имеют качественный характер, и из них, очевидно, не следует, что понижение энтропии должно превалировать над понижением энергии. Нужно подчеркнуть, что концепция гидрофобных взаимодействий противоречит гипотезе об окружении молекулы белка упорядоченными слоями структурированной воды, стабилизирующими нативную, глобулярную конформацию. Эта гипотеза (см. [91 — 94]) сомнительна — образование таких упорядоченных слоев приводило бы не к уменьщению, а к увеличению свободной энергии. [c.225] Приведенные численные оценки согласуются с описанными качественными представлениями. Однако, как уже указывалось (см. стр. 206), эта модельная теория не подтверждается спектроскопическими данными. [c.226] предложенный в работе [174] (см. стр. 207), был эффективно применен Дашевским и соавторами к расчету термодинамических функций систем вода плюс метан и вода плюс твердые сферы [175—177]. В этих работах развита статистическая механика гидрофобных взаимодействий. Впервые определены кривые зависимости свободной энергии гидрофобного взаимодействия от расстояния между частицами. Дальнейшее развитие таких работ может оказаться существенным для физики белков. [c.226] Очевидно, что бессмысленно говорить о гидрофобных силах . Специфических сил здесь нет, мы имеем дело, с одной стороны, с обычными ван-дер-ваальсовыми силами и водородными связями, с другой — со структурой воды как целого. [c.226] В следующем параграфе будет рассмотрено влияние водного окружения, т. е. прежде всего гидрофобных взаимодействий, на различные силы, действующие в глобуле, на ее тонкую структуру. Остановимся предварительно на грубой оценке влияния гидрофобных взаимодействий на форму глобулы. Такая оценка была дана Фишером [103], разбившим все аминокислотные остатки на две группы — полярные, или гидрофильные (Арг, Асп, Гис, Глу, Лиз, Сер, Тир, Тре), и неполярные, или гидрофобные (остальные 12). [c.226] Вернуться к основной статье