Водородные связи в биологически активных молекулах

Одним из наиболее важных типов слабых связей между биологически активными молекулами является водородная связь (гл. 2, разд. А.7). Мы уже говорили о том, какова роль диполь-дипольного взаимодействия этого типа для формирования структуры белков, углеводов и нуклеиновых кислот. Рассмотрим теперь значение водородных связей для биологического растворителя — воды. [c.246]

Все клетки, даже самые простые, имеют мембраны. Мембраны отделяют внутреннее содержимое клетки от окружающей среды, поэтому нарушение целостности мембраны приводит к гибели клетки. Мембраны не только сохраняют молекулы веществ, входящих в ее состав, но и реализуют специфику химического состава клеточной цитоплазмы. С помощью специальных устройств мембрана избирательно выбрасывает из клетки ненужные вещества и поглощает из окружающей среды необходимые. Главные компоненты биологических мембран живых организмов — это сложные липиды. Следует обратить внимание на то, что все сложные липиды, описанные в разд. 9, имеют характерное строение для поверхностно-активных веществ, т. е. две большие неполярные углеводородные группы и полярную часть, способную к образованию водородных связей. Таким образом, эти молекулы способны самопроизвольно агрегировать, образуя в воде бислойные структуры, составляющие основу мембраны. В состав мембранного бислоя входят и молекулы белков, и свободные жирные кислоты. Последние встраиваются в бислой так, что их жирные хвосты погружены внутрь, а полярные группы во внешнюю среду и контактируют с ионами натрия с внешней, а с ионами калия с внутренней стороны бислоя (см. рис. 73). Биологические мембраны не только регулируют обмен веществ в клетке, но и воспринимают химическую информацию из внешней среды с помощью специальных рецепторов. Биологические мембраны обеспечивают иммунитет клетки, нейтрализуя чужие и свои вредные вещества. Они также способны передавать информацию соседним клеткам о своем состоянии. Наконец, совсем недавно было обнаружено, что многие белки-ферменты могут работать только внутри мембраны, запрещая, разрешая или сопрягая ферментативные процессы. [c.407]

В соответствии с терминологией, предложенной Линдер-стрём-Лангом [ ], можно сказать, что молекулы обычных полимеров в растворе не обладают вторичной структурой, тогда как молекулы биологически активных полимеров и их синтетических аналогов могут ее иметь. При этом первичной структурой макромолекулы называется число и расположение химических связей в молекуле, а вторичной — регулярная пространственная спиральная структура с определенной периодичностью, стабилизуемая водородными связями. Исследованию вторичных структур биологически активных макромолекул посвящено громадное количество работ, в которых были определены параметры спиральных конформаций для большого числа синтетических полипептидов и полинуклеотидов, а также для природных нуклеиновых кислот и белков. В последнем случае, наряду с вторичной структурой, большую роль играет также третичная структура молекул, т. е. взаимное расположение спиральных и неспиральных участков, обусловленное взаимодействием боковых групп цепи, в частности, связями 5—8. Наиболее известные примеры вторичных сгруктур представляют собой а-спираль Полинга — Кори [2> ] для полипептидов и двойная спираль Крика — Уотсона [ ] для дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Эти структуры [c.291]

Наиболее важный класс глобулярных белков образуют биологические катализаторы, ферменты. Они характеризуются каталитическим механизмом, позволяющим им ускорять достижение конкретной реакцией состояния термодинамического равновесия, а также специфичность к субстрату, благодаря которой они способны делать выбор между потенциальными молекулами субстратов, воздействуя на одни из них и отказываясь воздействовать на другие. Участок поверхности фермента, на котором происходит катализ, называется активным центром. Механизм катализа может осуществляться при помощи заряженных групп, доноров и акцепторов электрона или протона, а также при помощи атомов металла в активном центре фермента. Избирательность ферментов обусловливается формой их поверхности и характером взаимодействия с субстратом, например водородной связью, электростатическим взаимодействием или гидрофобным притяжением. Фермент и его субстрат соответствуют друг другу по форме и размеру, как ключ и замок. [c.339]

Весьма важным примером полиэлектролитов могут служить растворы биологически активных полимеров — белков и нуклеиновых кислот [249—251]. Однако наличие жестких внутримолекулярных структур, стабилизованных водородными связями, характерное для макромолекул этих веществ, обусловливает сравнительно слабую зависимость формы и размеров их молекул в растворе от степени ионизации и ионной силы раствора. Сказанное в значительной мере относится как к нативным белкам, так и к нативной дезоксирибонуклеиновой кислоте (ДНК) (см. раздел Б, в частности 4, гл. VHI и рис. 8.9)и иод-тверждается их динамическими свойствами. [c.701]

Значение водородной связи. Водородные связи играют важную роль в определении таких свойств, как растворимость, температура плавления и температура кипения, и влияют на форму и устойчивость кристаллической решетки. Они имеют чрезвычайно важное биологическое значение. Например, вода настолько широко распространена в живой материи, что она должна оказывать влияние на химическое поведение многих биологически активных молекул, большинство из которых может образовывать водородные связи. Вода может присоединяться с помощью водородных связей, либо предоставляя протон для связи, как в [c.474]

Исследования межмолекулярной водородной связи связаны с определенными экспериментальными трудностями. Полосы часто оказываются широкими и слабыми значительно влияние изменения фазового состояния и температуры во многих случаях необходимы дополнительные исследования спектров комбинационного рассеяния. Можно считать, что в спектрах комплексов значения частот приближенно описывают потенциальную функцию равновесной конфигурации, а величины интенсивностей дают представление о миграции заряда при отклонении от равновесного состояния. Поскольку водородная связь играет важную роль в биологически активных молекулах, исследования в дальней инфракрасной области представляют исключительный интерес. В частности, низкочастотные колебания вносят большой вклад в энтропию водородной связи они также необходимы в расчетах констант равновесия. Более подробное обсуждение этого вопроса проведено в гл. 5. [c.24]

Во всех ионах, перечисленных в табл. 7.8, атом водорода связан одновременно с двумя другими атомами. Когда атом водорода расположен таким образом, то говорят, что образуется водородная связь. Такое название введено для того, чтобы отличить связи, приведенные в табл. 7.8, от нормальных связей, которые образует атом водорода, как, например, в На или в НР. Большое значение иона НРг и обусловлено тем, что он может служить прототипом водородных связей. Водородные связи играют огромную, часто решающую роль в строении и химических свойствах большинства биологически активных молекул. [c.227]

Одним из наиболее хорошо изученных примеров взаимодействия между биологически активными молекулами может служить образование связанных водородными связями пар пуриновых и пиримидиновых остатков в двойных спиралях ДНК. Водородные связи образуются также между различными поли-пептидными цепями, как это имеет место, например, в случае коллагена и шелка. Поскольку возникновение водородных связей сопровождается изменением инфракрасного спектра, метод [c.513]

В пространстве закрученная в спираль полипептидная цепь образует третичную структуру белка (рис. 3). Она поддерживается взаимодействием разных функциональных групп полипептидной цепи. Так, например, между атомами серы часто образуется дисульфидный мостик (—5—8—), между карбоксильной группой и гидроксильной группой имеется сложноэфирный мостик, а между карбоксильной группой и аминогруппой может возникнуть солевой мостик. Для этой структуры характерны и водородные связи. Третичная структура белка во многом обусловливает специфическую биологическую активность белковой молекулы. [c.19]

На биологическое действие влияет как величина молекул, так и ван-дер-ваальсовские силы, равно как и электростатическое притяжение н водородные связи . Активность вещества связана и с его отношением к происходящим в организме биохимическим процессам. На многих примерах выявлено, что активными соединениями часто являются синтетические вещества, сходные по структуре с метаболитами. [c.103]

Крайний случай конформационно о изменения — денатурация белков, которая может быть вызвана нагреванием или обработкой различными реагентами, например сильными кислотами и основаниями, мочевиной, гуанидингидрохлоридом и додецилсульфатом натрия. Денатурация приводит к развертыванию молекулы белка, и он переходит в более или менее разупорядоченное состояние (здесь уже почти нет ни спиралей, ни (3-слоев, ни любых других типов регулярной укладки цепи). В денатурированном состоянии амидные группы пептидной цепи образуют водородные связи с окружающими их молекулами воды таких водородных связей значительно больше, чем внутримолекулярных. Специфическая биологическая активность белка при денатурации теряется, изменяются и физические свойства, например меняется константа седиментации, вязкость и поглощение света. Легкость, с которой происходит денатурация белка, и тот факт, что денатурация в принципе обратима, свидетельствуют о том, что различия в энергии между свернутыми конформациями и открытой конформацией статистического клубка невелики. [c.105]

Внешние проявления денатурации сводятся к потере растворимости, особенно в изоэлектрической точке, повышению вязкости белковых растворов, увеличению количества свободных функциональных 8Н-групп и изменению характера рассеивания рентгеновских лучей. Наиболее характерным признаком денатурации является резкое снижение или полная потеря белком его биологической активности (каталитической, антигенной или гормональной). При денатурации белка, вызванной 8М мочевиной или другим агентом, разрушаются в основном нековалентные связи (в частности, гидрофобные взаимодействия и водородные связи). Дисульфидные связи в присутствии восстанавливающего агента меркаптоэтанола разрываются, в то время как пептидные связи самого остова полипептидной цепи не затрагиваются. В этих условиях развертываются глобулы нативных белковых молекул и образуются случайные и беспорядочные структуры (рис. 1.12). [c.47]

Вторичная структура белка — форма полипептидной цепи в пространстве. Солевые мостики, дисульфидные и водородные связи стабилизируют белковую конфигурацию. Дезориентация белковой молекулы денатурирующими агентами обычно приводит к потере биологической активности. [c.360]

Стереоспецифичность, несомненно, является одним из основных факторов в биологических реакциях — в ферментативных реакциях вообще и в специальном случае репликации ДНК путем спаривания дополнительных оснований из-за образования водородных связей. Но стереоспецифичность сама по себе не объясняет, почему АТФ так часто принимает участие в реакциях, где не очевидно какое-либо специальное участие самого аденина. Такой вид адсорбции сам по себе также не обязательно приводит к возникновению большой химической активности. Хорошо известна легкость, с которой реагирует хемосорбированный водород. Она обусловлена главным образом образованием атомов Н на поверхности. Но, по-видимому, нет очевидной причины, по которой дополнительные основания, удерживаемые на нуклеиновой кислоте водородными связями, должны особенно легко участвовать в реакциях поликонденсации. Однако если молекулы удерживаются в благоприятных положениях до тех пор, пока их соответствующие части не станут активными в результате перемещения свободных валентностей, которые, как мы видели, могли бы непрерывно распространяться по макромолекулярному остову клетки, то можно ожидать, что реакция и эффективная полимеризация будут происходить довольно легко. [c.524]

Равновесие 2К5Н- - /гОг = — ЗН + НгО сильно сдвинуто вправо, если раствор нейтрален или содержит неболь-щие количества щелочей в кислых растворах, наоборот, устойчивы сульфгидрильные группы 5Н. Связи — 5 —5 — могут быть внутримолекулярными или связывать мономерные единицы белка (например, сывороточный альбумин) в одну крупную частицу. В стабилизации формы молекулы играют роль и гидрофобные связи. Гидрофобные связи возникают за счет сил взаимодействия между углеводородными частями молекул белка. Углеводородные группы белковых частиц, находящихся в водной среде, ориентированы во внутренние зоны частицы, а гидрофильные группы (ОН, СООН) находятся на внещней стороне, которая обращена к воде. Вследствие этого внутри молекулы белка возникает углеводородное ядро, причем для того, чтобы его разрушить и перевести углеводородные группы в водную среду, надо затратить работу. Это и означает, что между углеводородными частями молекулы действуют силы притяжения. Кроме водородных, дисуль-фидных и гидрофобных связей, в поддержании формы молекулы белка принимают участие и другие факторы имеет значение возникновение солевых мостиков, действие сил Ван-дер-Ваальса особенно большое влияние оказывают молекулы воды. Сохранение определенной формы молекулы важно с биологической точки зрения. Оно обеспечивает, в частности, такое взаимное расположение групп атомов на поверхности молекулы, которое необходимо для проявления каталитической активности белка, его гормональных функций и т. д. Поэтому устойчивость глобул, так же как и многие особенности структур биологически активных молекул, не случайное свойство, а одно из средств стабилизации организма. [c.57]

Обратимые молекулярные взаимодействия в биологических системах обусловлены возникновением водородных связей, а также электростатических и вандерваальсовых взаимодействий. Сильнейшее влияние на эти взаимодействия оказывает вода благодаря таким своим свойствам, как полярность, когезионная сила и способность к образованию водородных связей в качестве и донора, и акцептора водорода. В присутствии воды ослабевают электростатические взаимодействия и водородные связи между другими молекулами и ионами. С другой стороны, в присутствии воды усиливается взаимодействие неполярных молекул. Так, при связывании субстрата с активным центром, лежащим в щели на ферменте, происходит исключение воды из [c.129]

Для проявления биологической активности некоторые белки должны сначала образовать макрокомплекс, состоящий из нескольких третичных структур белковых субъединиц, которые связаны вторичными валентными силами (ионное притяжение, водородные связи). Подобные способы пространственной организации нескольких полипептидных субъединиц - это четвертичная структура белка, которая определяет степень ассоциации третичных структур в биологически активном материале. Например, белком с четвертичной структурой является гемоглобин, который состоит из четырех субъединиц (клубков) миогло-бина - дэух молекул а-гемоглобина, каждая из которых содержит гем. [c.272]

Хотя одна водородная связь понижает энергию системы на несколько кДж/моль, коллективное действие огромного числа водородных связей между молекулами полиамидов, полипептидов и других синтетических полимеров обусловливает прочность волокон и другие ценные свойства. Волокнистые белки живых тканей также обязаны своей структурой водородным связям между молекулами полипептидов. Водородные связи между молекулами органических веществ, содержащих ОН-, КН- и СО-группы, играют большую роль в жизни растений и животных. Небольшая энергия Н-связей приводит к тому, что в живом организме они легко возникают и разрушаются, давая начало образованию множества биологически активных к<5мпонентов важных биохимических процессов. [c.275]

Глобулярные белки растворимы в воде и разбавленных солевых растворах и обладают шарообразной формой молекулы (эллипсоид вращения). Компактная структура возникает прн определенном сворачивании полипептидной цепи в основе такой структуры, по существу, лежит гидрофобное взаимодействие неполярных боковых цепей аминокислот. Помимо этого во взаимодействии отдельных участков цепн играют роль водородные связи и в некоторой степени ионные связи. Хорошая растворимость глобулярных белков объясняется локализацией иа поверхностн глобулы заряженных аминокислотных остатков, которые, окружая себя гидратной оболочкой, обеспечивают хороший контакт с растворителем. К глобулярным белкам относятся все ферменты и, за исключением структурных, большинство других биологически активных белков. [c.344]

Однако при определенных условиях полипептиды могут образовывать определенные пространственные (трехмерные) структуры. Эти структуры образуются вследствие внутримолекулярного взаимодействия друг с другом и с растворителем различных групп мономерных звеньев полимерной молекулы. Например, в 1951 г. Лайнус Полинг и Роберт Кори теоретически предсказали, что полипептиды могут образовывать спиральную структуру вследствие наличия водородных связей между карбонильным атомом кислорода г-го фрагмента и амидным атомом водорода (г + 4) го фрагмента, что в дальнейшем нашло подтверждение на большом экспериментальном материале. Каждый белок с определенной нерегулярной последовательностью аминокислот может образовать уникальную пространственную структуру. Следует отметить, что любая тонкая биологическая функция, выполняемая белком, реализуется только при наличии такой структуры. Любое ее нарушение нагреванием или изменением pH среды (денатурация), не сопровождающееся расщеплением ковалентных связей, приводит к полной потере функциональной активности белка. Лишь небольшие белки могут легко претерпеть обратное превращение в исходное состояние. Обратное превращение денатурированного высокомолекулярного белка в исходную биологически активную структуру (ренатураци.ч) возможно, только если использовать специальную процедуру, т.е. в том случае, если ни мономерные компоненты, ни полимерные цепи не были повреждены в процессе денатурации. [c.15]

Когда речь идет о наличии у функционально активных биополимеров определенной пространственной структуры, последняя, естественно не представляется абсолютно жесткой. При биологически значимых температурах в результате теплового движения происходят не только поступательное перемещение и вращение незакрепленных молекул биополимера как целого и колебания атомов, но и некоторые повороты вокруг отдельных связей, если они не затрагивают слишком большого числа атомов и атомных групп. Даже если такие повороты происходят на функционально значимы.х участках биополимера, принимающих участие в спеодфическом связывании какого-либо партнера, это может не иметь существенных функциональных последствий. Вращение вокруг четырех связей С—С радикала лейцина СН—СН2 СН(СНз)2, как правило, ие может вывести его за пределы участка, формирующего район узнавания гидрофобной части партнера. Точно так же вращение вокруг связи амидного фрагмента аминокислоты аспарагина не должно драматически повлиять на его тенденцию к образованию водородных связей с соответствующим гидрофильным участком узнаваемой молекулы. Такого рода изменения, являющиеся неотъемлемыми компонентами теплового движения, не рассматриваются как изменения конформации биополимера в целом. [c.114]

В создании четвертичной структуры принимают участие силы взаимодействия между отдельными группами, расположенными на поверхности белковых глобул. Такими силами могут быть водородные связи, электростатическое взаимодействие разноименно заряженные групп, ван-дер-ваальсово взаимодействие боковых радикалов аминокислот. Часто ассоциация субъединиц в сложные комплексы является основой биологической активности последних. Например, для проявления активности щелочной фосфатазы необходимо предварительное объединение двух ее субъединиц. Иногда мы имеем и обратную картину, когда фер-йентативная активность обнаруживается только после разъединения составляющих белковой молекулы (дегидрогеназа фосфо-глицероальдегида). Однако необходимо сразу же подчеркнуть, [c.95]

Возвращаясь к вопросу о факторах, обусловливающих активность антибиотиков полипептидов, нам удалось показать на примере грамицидина С и полимиксина М, что к ним следует отнести не только основность, циклопептидный или циклопептид-пептидный тип строения, но и строго определенную пространственную конфигурацию молекулы, поддерживаемую водородными связями. Разрушение последней, например, под влиянием мочевины, ускоряет процесс инактивации с 3—4 сут до 2 час. В случае циклопептид-пептидного строения молекулы биологическая активность, как показал Фоглер, так же зависит и от соотношения между величиной циклического и линейного фрагментов молекулы, от объемных параметров, ее конформации. Последняя так же в немалой степени связана со стереохимией аминокислот, входящих в состав антибиотика полипептида. [c.397]

В гепарине, как и в других сульфированных полисахаридах, наблюдается ориентирование сульфогрупп на поверхности спирали, и вследствие этого высокий поверхностный заряд молекулы. Ранее предполагали, что сульфогруппы в гепарине частично связаны внутримолекулярными ковалентными связями, образуя эфирные мостики. Однако позднее было установлено, что конфигурация гепарина стабилизируется в основном не ковалентными, а водородными связями между Ы-сульфогруппами и гидроксилами при Сз соседних остатков глюкуро-новой кислоты. Отщепление 33% сульфогрупп меняет конфигурацию молекул и обусловливает потерю биологической активности. [c.87]

Изложенный выше метод применим для изучения влияния этерификации на биологическую активность только тех белков, которые не денатурируются кислотой или спиртом. Недавно он был применен для исследования инсулина и лактогенного гормона передней доли гипофиза. В случае лактогенного гормона был сделан вывод [83], согласно которому карбоксильные группы являются существенно важными для проявления его биологической активности. При этом было, однако, установлено, что. этерифика-ция может привести к изменению физической природы молекулы вследствие разрыва водородных или ионных связей или к изменению суммарного заряда. Изучая метиловый эфир инсулина, Мом-мертс и Нейрат [84] нашли, что при измененных соответствующим образом условиях происходит полная этерификация одних только карбоксильных групп указанного гормона и тем самым подтвердили специфичность этой реакции. Уменьшение [c.297]

Заметно большее снижение антибиотической активности вызывает эпимеризация асимметрических центров 4 и 5а, а также превращение третичной аминогруппы в четвертичную аммониевую группу (соединения № 14, 15, 19, 38, 40, 42—44 и 65). В связи о допустимостью других глубоких изменений в верхней периферии молекул тетрациклинов это явление вряд ли может быть объяснено тем, что данный участок молекулы выполняет специфические рецепторные функции по отношению к протеинам или каким-либо иным субстратам. Представляется более вероятным, что происходяп ая в этих случаях частичная инактивация связана с нарушением характерной для тетрациклинов системы хелат-ных связей в группировках Е и F вследствие изменения конформации и распределения электронной плотности в молекуле, а возможно — и изменения направления енолизации карбонильных групп. Одна из наиболее распространенных в литературе точек зрения заключается в том, что химической сущностью антибиотического действия тетрациклинов является подавление ими бактериального синтеза протеинов путе.м связывания в прочные хелаты многовалентных катионов, нсобход,имых для нормального функционирования некоторых энзиматических систем (см. следующий раздел). Эта гипотеза позволяет понять, почему такие структурные изменения молекул тетрациклинов, как превращение карбоксамидной группы в нитрильную, дегидратация кольца С, сопровождающаяся его ароматизацией, или дегидрирование в положении 5а(Па), несомненно, нарушающие системы внутримолекулярных водородных связей в группировках Е и F, приводят к значительной инактивации или глубокому изменению характера биологического действия веп1,ества (соединения № 1, 52, 58, 67, 68, 71, 72, 76, 78—80, 86—88 и 93) [c.250]

Р с. 1.17. Модель че ертнч ой субъединицы, структуры гемоглобина человека Белки, у которых обнаруживается четвертичная структура, могут быть выделены в виде индивидуальных макромолекулярных комплексов, не распадающихся на субъединицы. Контакты между поверхностями субъединиц возможны только за счет полярных групп аминокислотных остатков, поскольку при формировании третичной структуры отдельных субъединиц неполярные боковые радикалы аминокислот оказываются спрятанными внутрь глобулы. Между полярными группами субъединиц образуются многочисленные ионные, ион-дипольные, водородные, а в некоторых случаях и дисульфидные связи, которые прочно удерживают несколько белковых молекул в виде организованного комплекса. Нужно отметить, что наряду с другими уровнями организации четвертичная структура белков является специфичной, уникальной характеристикой индивидуального белка и в конечном счете определяет его биологическую активность. [c.70]

Четвертый этап. В это время линейная молекула пол1шептид-ной цепи приобретает объемную структуру. Под влиянием возникающих водородных связей полипептидная цепочка скручивается в спираль, и белковая молекула принимает биологически активную конфигурацию. [c.156]

Знание уровней энергии делокализации электронов (разность между наблюдаемой энергаей молекулы и энергией, рассчитанной на основании канонической структурной формулы) необходимо для более глубокого понимания механизма действия коферментов и других биологически активных соединений, обладающих системой сопряженных двойных связей значения энергии делокализации электронов важны, кроме того, для оценки устойчивости водородных связей между комплементарными пуриновыми и пиримидиновыми основаниями, а также существенны при рассмотрении вопроса об установлении равновесия в разнообразных таутомерных превращениях моносахаридов, кетокислот, азотистых оснований и т. п. Данные об энергии высшей заполненной и низшей незаполненной орбиталей прямо взаимосвязаны с электрон-донорными и электрон-акцепторными свойствами молекул соответственно и используются для характеристики оксидоредуктазньк систем клетки. Сведения об энергии возбуждения, т. е. разности энергии электрона до и после перехода на новую орбиту, неоднократно обсуждались в связи с вопросом о полупроводниковых свойствах белков и нуклеиновых кислот. [c.483]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология