Топология кольцевых замкнутых

Топоизомеразы,     класс ферментов , меняющих топологию кольцевой замкнутой ДНК.
Чтобы мы могли     сконцентрировать все внимание на обшей топологии ДНК, представим обычную двойную спираль в В-форме в виде плоской ленты, один край которой образован линией, прохо-дяшей через каждый десятый фосфат одной цепи, а другой край — линией, проходяшей через каждый десятый фосфат другой цепи (рис. А). Края ленты помечены стрелками или отличаются друг от друга цьетом, чтобы обозначить взаимно противоположную направленность двух цепей ДНК. Тогда кольцевая замкнутая ДНК, цепи которой образуют  на всем протяжении спираль в В-форме, в отсутствие сверхспирализации моделируется замкнутой лентой, изображенной на рис. Б.[c.391]
Анализ этих     экспериментальных данных с учетом результатов расчета на ЭВМ топологии замкнутых кольцевых ДНК (для которой принималась модель закрученной вокруг оси и замкнутой в кольцо полоски) позволил [11] оценить торсионную жесткость (жесткость относительно закручивания вокруг оси) двойной спиралью ДНК и найти, какая доля суперспирализа-ции реализуется в виде кручения вокруг оси, а какая - в виде регулярного изгибания оси в пространстве (так называемого райзинга). Согласно работе [И] примерно половина супервитков должна быть реализована в виде райзинга, а половина - в виде изменения осевого кручения. Торсионная жесткость  g, определяемая соотношением

26. ФИЗИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ДИНАМИЧЕСКОЙ ПОДВИЖНОСТИ  БЕЛКОВ
     Отличительной чертой этапа исследований динамики белков является привлечение новейших методов (в первую очередь ЯМР, рентгеноструктурного анализа, динамических спектральных методов и физических меток) для получения детальной информации о подвижности конкретных функциональных групп в белках и сопоставления кинетических и динамических характеристик ферментативных процессов, а также использование  теоретических расчетов.
Физические модели динамической подвижности  белков.
    Главная трудность при построении молекулярной теории "мембранного транспорта и рецепции состоит в анализе динамического взаимодействия белков и липидов. Мембранные рецепторы— по-видимому, белки (родопсин в фоторецепторах),— связавшись с лигандом, меняют свою конформацию, что приводит к изменению глубины погружения и подвижности белков в липидном море . Причина кооперативности может лежать во взаимодействии плавающих белков при их столкновениях. Динамическая мозаичная модель может послужить основой молекулярной  физики мембран.
При переходе от молекулярных систем к надмолекулярным структурам живых клеток и организмов мы встречаемся со специфическими проблемами физики конденсированных сред. Биологические мембраны, сократительные системы, любые клеточные структуры имеют высоко специализированное гетерогенное строение. Во всех функциональных надмолекулярных структурах определяющую роль играют белки, взаимодействующие с другими органическими молекулами (например, с липидами в мембранах) и с различными ионами, начиная с малых ионов щелочных и щелочноземельных металлов. В гетерогенных надмолекулярных системах реализуется специальное динамическое поведение, ответственное в конечном счете за важнейшие явления жизнедеятельности. Это поведение определяется особым состоянием биологических надмолекулярных систем. Мембраны имеют жидкое или жидкокристаллическое строение, белки плавают в липидном море . Сократительные белковые системы, ответственные за превращение химической энергии (запасенной преимущественно в АТФ) в механическую работу, т. е. системы механохимические, построены из различных фибриллярных белков, взаимодействующих друг с другом. Естественно, что внутримолекулярная и молекулярная подвижность, т. е. конформационные движения, играют главную роль в динамике надмолекулярных структур. В конечном счете электронно-конформационные или ионно-конформационные взаимодействия лежат в основе всей  клеточной динамики.
Д.     Конденсация воды над наиболее слабо взаимодействующими участками поверхности (неполярными областями) приводит к образованию многослойного покрытия при степени гидратации 0,4 г воды/г белка. На поверхности белка вода должна располагаться особым локальным образом для достижения высокого значения степени покрытия в расчете на одну молекулу адсорбированной воды. Конденсация является главным этапом процесса гидратации. Это видно из результатов измерения теплоемкости, т. е. статических измерений, и является тем пунктом, с которого начинается изменение динамических свойств (диэлектрической релаксации, времени корреляции для спиновой метки, ферментативной активности). Подвижность системы  белок — вода резко увеличивается после завершения формирования монослоя.
Следует отметить, что     структурно-динамические характеристики и конформационное состояние цепей, а также изменение подвижности линейных фрагментов в СПЭ оказывают существенное влияние на взаимодействие сетчатых полиэлектролитов с органическими ионами, особенно ионами сложной структуры , в частности с макромолекулами белков.
А в соединении АТФ и     пировиноградной кислоты с ферментным белком достаточно для осуществления реакции. Такое приспособление промежуточных структур к переходному комплексу, очевидно, требует, чтобы и группы активного центра фермента не были закреплены абсолютно жестко. Они, как мы уже упоминали, и рассматриваются как подвижные детали каталитического аппарата (иногда пользуются термином динамические флюктуации ). Макроструктура молекулы фермента , по-видимому, также приспособлена для выполнения функций, связанных с избирательностью.
    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.
    Изучение кинетических кривых изотопного обмена широко используют для оценки динамической подвижности белка в разных конформационных состояниях. Оказалось, например, что отрыв гема от гемоглобина или диссоциация этого белка на субъединицы приводят к небольшому увеличению объема апобелка и возрастанию конформационной подвижности с одновременным исчезновением рН-зависимых изменений внутримолекулярной подвижности. В лигандных формах гемоглобина по сравнению с нелигандной дезоксиформой смещение атома Fe вместе с гистидином к гемовой плоскости увеличивает локальную подвижность. У цитохрома скорость обмена в окисленной менее компактной форме  — феррицитохроме — выше, чем в восстановленной — ферроцитохроме.
Динамическая подвижность белков - свойство белковой молекулы, не зависящее от наличия лиганда. Изменение конформации, индуцируемое лигандом, по-видимому, происходит в рамках тех состояний, которые разрешены и для свободной белковой молекулы. Например, расчеты методом атом-атомных потенциалов [3024] показывают, что боковая цепь остатка Serl95 в а-химотрипсине фиксируется в положении с зз счет водородной связи  с молекулой воды.
    Внеклеточный матрикс, состоящий из гликопротеинов, протеогликанов и глюкозаминогликанов, связывается с мембранными структурами с помощью специальных белков-рецепторов, объединяющих через амфитропные белки цитоскелет, мембрану и внеклеточный матрикс в динамическую, подвижную структуру (рис. 24). Биологический смысл такого объединения заключается, видимо, в том, чтобы облегчать передачу механического сигнала как вдоль по мембране, так и в поперечном направлении. Наличие такого насыщенного углеводными компонентами внеклеточного слоя (его называют также гликокаликсом) играет важную роль в проявлении адгезивных свойств клетки , ее иммунных реакций и т. д.
    Динамическая стереохимия, изучающая конформационные равновесия молекул, влияние пространственного строения молекул на их реакционную способность — актуальная область теоретической органической химии. Конформационные представления имеют большое значение в молекулярной биохимии, молекулярной биологии, молекулярной фармакологии, так как биологическая активность большинства природных соединений (аминокислот, пептидов, белков, ферментов, углеводов, ДНК, РНК, стероидов, алкалоидов), а также лекарственных веществ зависит от их пространственного строения. В связи с этим большой интерес представляет конформационный анализ молекулярных структур, содержащих конформационно подвижную циклогексановую систему. К этим соединениям относятся, в частности, производные циклогексана, содержащие алкильные, винильные, этинильные и кислородсодержащие функциональные фуппы —С=0, —ОН, —СО—СН3, —О—СО—СН3. Большое практическое значение имеют производные циклогексана с эпоксидной функциональной группой — алкициклические эпоксиды, являющиеся исходными соединениями синтеза эпоксидных полимеров с ценными физико-химическими  свойствами.
    Динамическая структура белковых макромолекул ферментов, постулированная Р. Ламри, К.Х. Линдерштром-Лангом и Д.Е. Кошландом, проявляется в локальной тепловой подвижности отдельных участков и в способности к индуцированным конформационным переходам. Ограниченная внутримолекулярная подвижность белков играет первостепенную роль в реализации таких функционально важных свойств ферментов, как динамическая адаптация формы фермента к структуре каталитических и субстратных групп, меняющаяся в процессе химической реакции, аллостерическое взаимодействие между пространственно разобщенными центрами, реализация принципа комплементарности свободных энергий  и индуцированного соответствия.
Для     каталитической активности фермента существенное значение имеет пространственная структура, в которой жесткие участки а-спиралей чередуются с гибкими, эластичными линейными отрезками, обеспечивающими динамические изменения белковой молекулы фермента. Этим изменениям придается большое значение в некоторых теориях ферментативного катализа. Так, в противоположность модели Э. Фишера ключ-замок Д. Кощлендом была разработана теория индуцированного соответствия , допускающая высокую конформационную лабильность молекулы белка-фермента и гибкость и подвижность активного центра. Эта теория была основана на весьма убедительных экспериментах, свидетельствующих о том, что субстрат индуцирует конформационные изменения молекулы фермента таким образом, что активный центр принимает необходимую для связывания субстрата пространственную ориентацию. Иными словами, фермент только в присутствии (точнее, в момент присоединения) субстрата будет находиться в активной (напряженной) Т-форме в отличие от неактивной Я-формы. Присоединение субстрата 8 к ферменту Е, вызывая соответствующие изменения конформации активного центра, в одних случаях приводит к образованию активного комплекса, в других—неактивного комплекса вследствие парущения пространственного расположения функциональных групп активного центра в промежуточном комплексе. Получены экспериментальные доказательства нового положения о том, что постулированное Д. Кощлендом индуцированное соответствие субстрата  и фермента создается не обязательно изменениями.
    Биологические мембраны представляют собой динамическую структуру, компоненты которой подвержены быстрому метаболизму. Благодаря этому липидное окружение мембранных белков обладает способностью в соответствии с изменением условий функционирования изменять свои физико-химические свойства упаковку, микровязкость, латеральную подвижность компонентов в бислое и т.д. Подавляющее большинство мембранных белков функционирует в составе олигомерных ансамблей, например в дыхательной цепи митохондрий. Транспортные белки  также организуют ассоциаты в бислое димеры (Са -АТФаза), тетрамеры (Ка /К -АТФаза) или даже более высокоорганизованные надмолекулярные комплексы.
Белки могут быть разбиты на два больших класса в соответствии с формой их молекул и некоторыми физическими свойствами глобулярные и фибриллярные белки . В глобулярных белках одна или большее число полипептидных цепей свернуты в плотную компактную структуру сферической, или глобулярной, формы. Обычно глобулярные белки растворимы в водных системах и легко диффундируют одни из этих белков выполняют функции, обусловленные их подвижностью, а другие функционируют как динамические системы. К глобулярным белкам относятся почти все ферменты, равно как и транспортные белки крови, антитела и пищевые белки. Фибриллярные белки представляют собой нерастворимые в воде длинные нитевидные молекулы, полипептидные цепи которых не имеют глобулярной формы, а вытянуты вдоль одной оси. Большинство фибриллярных белков выполняет структурные или защитные функции. Типичными фибриллярными белками являются а-кератин волос и шерсти, фиброин шелка  и коллаген сухожилий.
Вода играет     важную роль в живых системах и в значительной степени определяет структуру и функции биологических полимеров, таких, как белки. Однако в этом сообщении мы сконцентрируем внимание в первую очередь не на том, как влияет вода на биополимеры, а на влиянии биополимеров на воду, которая с ними взаимодействует. Представляют интерес изменения структурных, энергетических и динамических свойств молекул воды. В результате изучения вращательной подвижности молекул воды на поверхности белков молекулы растворителя были поделены на три группы [1]. Первая группа включает быстро реориентируемые молекулы с временем вращательной релаксации (тг) не более 10 " с. В следующую группу входят частицы, имеющие время вращательной релаксации пример,но 10 с они предположительно идентифицируются как молекулы воды, связанные сильной связью с ионными остатками. Третья группа имеет Тг порядка 10- с эти молекулы растворителя считаются связанными с макромолекулами связями, запрещающими вращение примером могут служить четыре молекулы  воды.