ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Состояние воды и гидрофобные взаимодействия в биоструктурах из "Биофизика Т.1" Особенности строения воды. Как известно, свойства воды обусловлены способностью ее молекул образовывать друг с другом водородные связи между атомами кислорода и водорода 0-Н---0 (см. 2 гл. VIII). Молекул, воды обладает такой электронной структурой, что может образовывать с соседними молекулами воды сразу четыре водородных связи, в которых участвуют по два протона и по две неподеленные пары электронов кислорода от каждой из них (рис. IX.27 и IX.28). [c.229] Жидкая вода представляет собой систему с сильно развитыми водородными связями, свойства которой хорошо описываются непрерывной, или континуальной, моделью, где практически все молекулы воды в среднем образуют водородные связи. Однако водородные связи в воде характеризуются широким набором углов и длин. Это означает, что потенциальная энергия водородной связи является непрерывной функцией угла межмолекулярной водородной связи и геометрических характеристик молекул воды. Максимум функции распределения энергии водородной связи соответствует расстоянию между атомами кислорода До-О = 0,286 нм. В упорядоченной структуре водородные связи линейны и Ко-О сокраш ается до 0,275 нм. [c.229] ОНО значительно увеличивается — до 10 с (для сравнения время валентных колебаний связи 0-Н тв 10 с). [c.231] включая модификации льда, связаны, очевидно, с суш ествованием большого числа переходных структурных элементов, взаимопревраш ения между которыми еш е не вполне ясны. [c.231] Следствием этого является отталкивание водой молекул неполярных веш еств, которым термодинамически выгоднее взаимодействовать друг с другом, чем с водой. Эффект отталкивания растворителя и представляет собой так называемые гидрофобные взаимодействия, которые, как видно, не связаны с суш ествованием каких-либо особых сил взаимного притяжения между элементами системы, а имеют чисто термодинамическую причину. [c.232] Молекулярная картина, отражаюш ая изменение структуры воды и взаимную ориентацию молекул растворенного веш ества и растворителя, достаточно сложна. Так, в данном случае в отличие от процесса образования ассоциатов молекул в чистой воде уменьшение энтропии не компенсируется снижением энтальпии системы. [c.232] Прежде всего возникает вопрос о том, какие конкретные изменения в системе углеводород - вода приводят к уменьшению ее энтропии. Очевидно, растворение углеводорода в воде связано с внедрением его молекул в структурированные области воды и их разрушением. Небольшие молекулы, способные встраиваться в льдоподобный каркас водных кластеров, лучше растворяются, поскольку они относительно мало разрушают водородные связи. Однако, как правило, достаточно большие молекулы гидрофобных соединений разрушают водородные связи в воде. Так как энергия возникаюш их ван-дер-ваальсовых взаимодействий между молекулами растворенного веш ества и водой меньше энергии разрушенных водородных связей чистого растворителя, то в целом это должно было бы привести к увеличению энергии системы. Следовательно, данное обстоятельство и является причиной разделения системы на две фазы молекулы чистого растворителя и гидрофобного соединения. Вместе с тем обш ее уменьшение энтропии системы углеводород - вода при растворении неполярных веш еств в воде интерпретируется как образование льдоподобной оболочки вокруг неполярной молекулы или структурирования воды неэлектролитами . [c.232] Уплотненный упорядоченный каркас из молекул воды образуется вокруг каждой растворенной в воде молекулы гидрофобного соединения. Образование уплотненного слоя находит свое отражение, в частности, в сдвиге инфракрасных полос поглощения воды (5180 и 2130 см ), свидетельствующих об упрочении водородных связей между молекулами воды. Дальнейшее повышение концентрации неэлектролита в воде приводит уже к гидрофобным ван-дер-ваальсовым взаимодействиям между самими растворенными молекулами и образованию их ассоциатов с уплотненным упорядоченным слоем воды на гидрофобной поверхности. Наряду с уменьшением подвижности молекул воды вклад в понижение энтропии системы дает ограничение подвижности углеводородных цепей растворенных молекул неэлектролитов. [c.233] Стабилизсщия биоструктур. Гидрофобные взаимодействия играют существенную роль в формировании биоструктур, представляя собой один из основных факторов их стабилизации. В самом деле, эффект взаимодействия полярных групп белка с полярными молекулами воды связан с преобладанием полярных аминокислотных остатков на поверхности белковой глобулы. Однако наряду с этим возможно и взаимодействие посредством водородных связей полярных пептидных связей (NH---O ), принадлежащих разным участкам цепи внутри глобулы. Так как энергия водородных связей между пептидными связями в белке и между ними и водой примерно одинакова, это должно было бы приводить к рыхлой структуре макромолекулы в водном растворе. Однако реально существующая структура упорядочена и компактна и, как можно заключить, в основном определяется именно гидрофобными взаимодействиями. Отдельные аминокислотные остатки различаются по своим гидрофобным свойствам и могут вести себя как полярные или неполярные соединения. Термодинамическую оценку степени гидрофобности делают по величине изменения AG, приходящегося на боковую группу аминокислоты при ее переносе из этанола в воду (К.Танфорд). [c.233] Когда число гидрофильных остатков достаточно для покрытия всей глобулы, последняя принимает сферическую форму (Ь = Ьд). [c.234] В реальных условиях, однако, наблюдаются отклонения величины Ь измеренной экспериментально, от теоретических значений Ье для сферической глобулы. При Ь Ье число гидрофобных остатков превышает минимальное их число, необходимое для защиты от воды внутреннего гидрофобного ядра, и глобула становится эллипсоидальной. Наоборот, при Ь незащищенные гидрофобные участки на поверхности глобул приводят к их слипанию. Эта картина, конечно, дает лишь грубое представление о реальной действительности. [c.234] Детальные расчеты (Д. Ф. Брандте), выполненные с учетом статистического характера распределения гидрофобных, гидрофильных и нейтральных групп в пределах макромолекулы и значений свободной энергии переноса группы на поверхность или внутрь глобулы, показали, что около 10 - 25% гидрофобных групп может располагаться на поверхности глобулы. Эксперименты выявили, что в ряде случаев число неполярных групп на поверхности даже превышает число их внутри белка (в молекуле лизоцима их числа соответственно 32 и 16). Очевидно, гидрофобные силы имеют решающее значение в определении общего характера топографии белковой глобулы, но истинная картина взаимодействий в пределах макромолекулы значительно сложнее. [c.234] Каковы данные по состоянию воды в гидратной оболочке белка Основной вклад в энергию гидратации дают водородные связи между водой и полярными группами молекулы белка. Для образования гидратной оболочки глобулярных белков имеет значение пространственная доступность протон-донорных и протон-акцепторных центров для взаимодействия с молекулами воды. Оказалось, что гетероатомы нерегулярно расположены на поверхности глобулы, которая не может служить матрицей для кристаллизации воды. Так как число и размеры гидрофобных участков на поверхности также невелики, то шуба из уплотненных молекул воды вокруг глобулы не образуется, количество гидратационной воды, определенное различными методами, составляет 0,3-0,4 г НгО/г сухого белка, а обш ее содержание воды в кристаллах глобулярных белков не превышает, как правило, 0,45-0,60 г НгО/г сухого белка. Следовательно, количество свободной воды в белке невелико. Она, в частности, может заполнять внутренние полости , свободные от белкового веш ества, содержание воды в этих полостях также невелико (в лизоциме — 2, трипсине —12 молекул). Она может обмениваться с поверхностными водными слоями вследствие флуктуационных открытий внутренних полостей. [c.235] Реальная поверхность белковой глобулы составляет несколько сотен квадратных нанометров. Так, для инсулина 5 = 34 нм , лизоцима — 65 нм . Количества связанной воды может хватать для покрытия не более 60-70% поверхности белковой глобулы и явно недостаточно для образования на поверхности глобулы сплошного монослоя воды. [c.235] Измерение изотерм сорбции и десорбции воды позволило оценить число молекул воды в более прочно удерживаемом первом слое на поверхности белка. Оно составляет от нескольких десятков (лизоцим 45-64) до сотен (а-химотрипсин 72-103) молекул. Основными центрами первичной гидрации белка являются гетероатомы боковых полярных групп аминокислот и пептидные группы. Амидные группы и ионные пары не принимают такого активного участия в удержании гидратационной воды и представляют собой более слабые центры связывания. Среднее число молекул воды составляет в среднем четыре на один центр. [c.235] Обш ая картина гидратации поверхности белка приведена на рис. IX.30. Отдельные центры окружены молекулами воды, которые образуют, кроме того, и водные мостики между гидратационными областями, принадлежаш ими отдельным центрам. В результате образуется сплошная гидратационная кружевоподобная оболочка, соединяюш ая отдельные полярные группы. Гидратная оболочка на поверхности глобулы включает молекулы воды, принадлежаш ие локальным центрам гидратации. Время жизни слабосвязанных молекул воды в такой гидратной оболочке невелико (т 10 10 с), но около центра оно намного больше (т 10-6 с). [c.235] Молекулы воды в первичном прочном слое образуют друг с другом в среднем не менее двух-трех водородных связей. В целом около поверхности белка может удерживаться до двух-трех слоев воды, многослойной шубы кристаллизационной воды при этом не образуется. При сорбции воды отдельные гидрофобные участки на поверхности заполняются водой лишь после ее энергетически более выгодного связывания с соседними полярными группами. Прочно связанная вода составляет около 10% от массы биополимеров и характеризуется большими временами жизни 10-3-10 с. [c.235] ВОДЫ В связанном состоянии заметно больше времени, определяемого движением биополимера в целом или его отдельных участков, что в обш ем выполняется для прочносвязанной воды (т 10 10 с). Кроме того, время жизни молекул воды в растворе (т 10 с) биполимеров может увеличиваться за счет обмена с водой, прочно связанной в подповерхностных медленно движуш ихся (т 10 с) слоях белка. Очевидно, на время жизни воды будут влиять и изменения подвижности макромолекул, например при изменении температуры, образовании межмолекулярных связей и т. д. [c.236] Динамические свойства внутриклеточной воды в значительной степени отражают состояние клеточных структур. Существует также ряд данных, указывающих на непосредственное участие небольших количеств воды в изменении конформации глобулярных белков. В следующей главе будут описаны подробно характеристики и модели динамической подвижности биомакромолекул. Сейчас лишь необходимо отметить, что функционирование белков тесно связано не только с характером их конформации, но, главное, с их конформационной подвижностью, зависящей от присутствия воды. Так, при низкой степени гидратации препаратов а-химотрипсина возникающие дополнительные контакты между поверхностными дегидратированными полярными группами приводят к увеличению жесткости глобулы а-химотрипсина и потере им ферментативной активности в диметилсульфоксиде. В сильно высушенных препаратах, вплоть до некоторого критического значения гидратации, вообще не наблюдается никакой активности. Восстановление последней при увеличении степени гидратации образца происходит резко в узком диапазоне увеличения числа молекул Н2О от 170 до 180 на одну молекулу белка. Очевидно, в этой области происходит растормаживание определенных степеней свободы, функционально важных для ферментативного акта. Существенно, что необходимое для этого процесса количество воды намного меньше, чем было бы нужно для завершения образования гидратной оболочки (Ю. И. Хургин). [c.237] Появление некоторых изменений в структуре фибриллярных и глобулярным белков, полипептидов при их гидратации отмечалось и по результатам ИК-спектроскопии. Наряду с данными о наличии внутри белковых глобул отдельных молекул воды это свидетельствует о неотъемлемой роли воды в формировании молекулы белка. Очевидно, внедрение некоторого количестве воды в качестве структурного элемента в белковую глобулу может облегчить необходимое для обеспечения функциональной активности изменение ее конформации за счет эффекта разрыхления и смазки . Таким образом, роль воды в формировании биоструктур связана, с одной стороны, со стабилизирующими гидрофобными взаимодействиями, а с другой — состоит в облегчении конформационной подвижности макромолекул. [c.237] Вернуться к основной статье