Природа связей стабилизирующих конформацию макромолекул

Первичная структура макромолекул определяется, главным образом, химическими (ковалентными) взаимодействиями. В образовании и стабилизации пространственной структуры биополимеров ( вторичной, третьичной и четвертичной структур) основную роль играют невалентные силы, т.н. слабые взаймодействия. Различные виды слабых взаймодействий, стабилизирующих конформацию макромолекул, можно отнести к одному из 4 типов: электростатические взаимодействия, Ван-дер -Ваальсовы силы, водородная связь, гидрофобные взаимодействия. Рассмотрим природу этих взаимодействий и их вклад в стабилизацию структуры компонентов клетки.

Электростатические взаимодействия в молекулах полимеров возникают между атомами или атомными группами, несущими положительный или отрицательный заряд. Энергия взаимодействия между заряженными группами вычисляется по формуле

U_{эл-стат} = q₁q₂/4pe₀er

где, q_1, q₂ - электрические заряды взаимодействующих групп,

e₀ - электрическая постоянная,

e- диаэлектрическая проницаемость среды.

В белковых молекулах электростатические взаймодействия возникают между ионизированными боковыми группами аминокислот. Так, при нейтральных значениях рН отрицательно зараяжены аспарагиновая и глутаминовая кислоты, а также все С-концевые аминокислотные остатки. Положительный заряд при нейтральных значениях рН имеют боковые группы лизина, аргинина, гистидина и N - концевые аминокислоты. Энергия электростатических взаимодействий в белковой глобуле зависит и от микроокружения заряженных групп. Так, на поверхности белковой молекулы, где e » 80 , значение этой энергии ниже, чем внутри белковой молекулы, где e » 2 - 5. Абсолютные значения энергий электростатических взаймодействий в макромолекулах составляют 40 - 400 кДж моль^-1.

Ван-дер-Ваальсовы силы имеют электромагнитную природу и определяются взаймодействием электрических диполей. В отличие от электростатических взаймодействий, Ван-дер-Ваальсовы силы являются близкодействующими и возникают преимущественно между в соседними участками молекул(ы). В зависимости от того, обладают ли взаймодействующие группы постоянными электрическими дипольными моментами или последние возникают вследствие поляризуемости электронных оболочек, существуют различные типы сил Ван-дер-Ваальса.

Дисперсионные взаймодействия наблюдаются между молекулами, не обладающими постоянными дипольными моментами. Основная часть таких взаймодействий обусловлена внешними электронами. Природа дисперсионных взаймодействий имеет квантово - механический характер и является результатом появления “мгновенных” диполей, возникающих при движении электронов в молекулах, не обладающих постоянными дипольными моментами. Энергию дисперсионных взаимодействий рассчитывают по формуле

U_дис = - 3I₁I₂ a₁a₂ / 2(I₁ + I₂) r⁶

где I₁ , I₂ - ионизационные потенциалы групп,

a₁ , a₂ - поляризуемость групп,

r - расстояние между группами.

Ориентационные взаимодействия возникают между двумя полярными группами с постоянными дипольными моментами (Рис 5.). Энергия этих взаймодействий будет прямо пропорцианально зависеть от произведения дипольных моментов и обратно пропорцианально расстоянию между диполями

U_ор = 2P₁P₂/ 3k₀TR⁶

где, P_{1 ,} P₂ - дипольные моменты полярных групп,

k_{0 -} постоянная Больцмана,

Т - температура, г -расстояние между дипольными группами.

Индукционные взаимодействия имеют место в случае, когда молекула с постоянным дипольным моментом P₁ индуцирует дипольный момент P₂ в соседней неполярной группе, если последняя обладает определенной поляризуемостью a. Вследствие этого возникают взаимодействия типа диполь - индуцированный диполь с энергией, которую можно вычислить по следующей формуле

U_инд = - 2a P₁/ r⁶

Смещение электронов в одну сторону при поляризации молекулы постоянным диполем компенсируется их смещением в противоположную сторонуза счет действия такого постоянного диполя по другую сторону молекулы. Если поляризуемая молекула испытывает симметричное влияние большого количества соседних молекул, их результирующее действие в значительной степени компенсируется.

Суммарная энергия Ван-дер-Ваальсового взаимодействия двух молекул (атомных групп) определяется суммой U_дис + U_ор + U_инд и составляет 4 - 40 кДж моль^-1. Относительный вклад разных видов Ван-дер-Ваальсовых сил для некоторых групп приведен в таблице 3.

Таблица 3 .

Ван-дер-Ваальсовы силы участвуют в формировании многих биологических структур, в частности, двуспиральных молекул нуклеиновых кислот. Упаковка плоских молекул азотистых оснований в вертикальные пачки обеспечивается стэкинг-взаимодействиями, в основном за счет дисперсионных взаймодействий. Так, для стэкинг-взаимодействий пар цитозин -гуанин U_дис = -39,1 кДж моль^-1. Ван-дер-Ваальсовы взаимодействия имеют место и между комплементарными азотистыми основаниями в двойной спирали. Здесь их значение значительно меньше и они играют меньшую роль. Основной вклад в образование горизантальных связей вносит водородная связь. Так, для пары аденин-тимин U_дис = -7,18 кДж моль^-1, U_вод = 19,32 кДж моль^-1.

Водородная связь.

Водородная связь образуется между донором А-Н и акцептором А электрона атома водорода. Эта связь осуществляется между полярными группами, содержащими атом водорода (O-H, N-H, F-H, Cl-H) и электроотрицательными атомами ( O, N, F, Cl), принадлежащими, как правило, другой молекуле. Основной вклад в природу водородной связи U_водор вносят электростатические взаимодействия U_{эл-стат}, возникающие из-за наличия частичного положительного заряда на атоме водорода и частичного отрицательного заряда на атомах кислорода,азота, фтора или хлора. Кроме этого, в энергию водородной связи вносят вклад Ван-дер-Ваальсовское притяжение и отталкивание , а также энергия делокализации U_делок двух электронов связи А-Н и неподеленной пары электронов электроотрицательного атома А. Например, для связи О-Н^---- О U_водор = U_{эл-стат} + U_дисп + U_делок + U_отт, что дает соответственно ú -25,2 -12,6 - 33,6 +35,8 ú = - 36,12 кДж моль^-1. Как правило, значение энергии водородной связи в биоструктурах лежат в пределах 10 -30 кДж моль^-1. Водородные связи играют основную роль в стабилизации вторичной структуры белковых молекул (связь между пептидными группами), в организации двойной спирали в молекулах нуклеиновых кислот (связь между комплементарными азотистыми основаниями).