ния.

ГЛАВА 3

ПРОСТРАНСТВЕННАЯ СТРУКТУРА БИОПОЛИМЕРОВ И ЕЕ РОЛЬ В ОБЕСПЕЧЕНИИ СПЕЦИФИЧНОСТИ БИОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НЕКОВАЛЕПТПЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

3.1. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ НЕКОВАЛЕНТНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ В ЖИВОЙ ПРИРОДЕ

В организации и функционировании живой материи исключительно важну-роль играют нековалентные взаимодействия. Роль их в формировании клеток клеточных органелл, в выполнении белками и нуклеиновыми кислотами их паи более тонких функций неизмеримо важнее и многограннее, чем в поведении ирг комолекулярных соединений в растворе и твердой фазе и обычных высокомол кулярных соединений, построенных из регулярно чередующихся однотипны мономерных единиц.

Прежде всего эта роль определяется значением нековалентных взаимодействи в формировании пространственной структуры белков и нуклеиновых кислот, полипептидной цепи каждый хпральный атом углерода связан простыми ?-связя ми с группами С=0 и ??, что означает возможность заторможенного вращения низким активационным барьером вокруг этих связей. Вращение вокруг соб ственно-пептидной связи затруднено, поскольку вследствие р,;г-сопряжения эта связь не является строго одинарной. Таким образом, в полипептидной цепи длиной jV аминокислотных остатков возможно заторможенное вращение вокруг 2N связей. Если принять, естественно с некоторой степенью условности, что каждой из таких связей соответствуют три значения торсионных углов, соответствующих минимумам потенциальной энергии вращения (по аналогии с классической картинкой для вращения вокруг связи С—С в дихлорэтане), то число различных конформации, которое может принимать полипептидная цепь, составит 32/v я 10^. Считая, опять-таки с большим элементом условности, что время отдельного поворота вокруг (т-связи имеет порядок 10"10с и вращение вокруг всех связей может происходить независимо друг от друга, число поворотов и секунду можно оценить как 2??·1010, что для небольшого белка, состоящего всего из 100 аминокислотных остатков, составит 2-1012. Если бы молекула белка представляла собой статистический клубок, непрерывно случайным образом изменяющий свою конформацию, то некоторую биологически значимую конформацию, необходимую для функционирования белковой молекулы, она принимала бы один раз за 10аас, что абсурдно велико не только по сравнению с временем, реально необходимым для выполнения той или иной функции, но и с временем существования Вселенной вообще. Аналогичная оценка, проведенная для такой достаточно сложной органической молекулы, как NAD, где основная цепочка атомов содержит 14 таких <7-свлзей, показывает, что время, необходимое для достижения некоторой определенной конформации, существенной для функционирования этой молекулы в химических превращениях и в биохимических системах, составит величину пооллка 0(17 г

т.е. в течение одной секунды любая, в том числе нужная для данного процесса, конформация будет неоднократно достигаться. Из этих оценок видно, что отсутствие предопределенной пространственной структуры у сложной органической молекулы может лишь повлиять па скорость процесса, протекающего с участием этой молекулы, в то время как для белковых молекул отсутствие такой необходимой структуры делает в принципе невозможным протекание соответствующего процесса ни в каком разумном масштабе времени. Это же в равной мере относится я к нуклеиновым кислотам.

В то же время очевидно, что белок может оказаться зафиксированным в определенной пространственной организации, только если в пределах его молекулы и ее окружения будут действовать силы, стабилизирующие эту организацию. Таковыми являются силы нековалеитиого взаимодействия между различными, в том числе и достаточно далеко расположенными друг от друга вдоль полипептидной цепи, аминокислотными остатками и пептидными группами. Б дополнение к ним, как уже говорилось в § 2.1 на примере инсулина, отдельные части одной и той же или двух разных цепей могут быть скреплены дисульфидными мостиками, однако это имеет место далеко не у всех белков и далее там, где такие мостики существуют, роль нековалентных взаимодействий всегда приоритетна.

В большом числе случаев белки в клетках не существуют поодиночке, а образуют сложные надмолекулярные агрегаты определенного строения, состоящие из нескольких белков или из белков и нуклеиновых кислот. Последние называют нуклеопротеидами. Примером пуклеопротенда являются рибосомы, на которых идет синтез новых белковых молекул (см. § 1.1). Они состоят из нескольких молекул РНК и нескольких десятков белков. При выполнении условия комплементарное™ нуклеотпдпых последовательностей две цепи нуклеиновой кислоты образуют единый комплекс, называемый двойной спиралью. Во всех этих случаях сложные молекулы удерживаются в единой структуре в результате нековалентных взаимодейctbi?й .

Наконец, в § 2.1 уже обращалось внимание на то, что в основе всех наиболее тонких функций белков лежит их способность к опознаванию определенных партнеров (лигандов), что означает образование особенно прочных комплексов именно с этими партнерами. Эти комплексы опять-таки образуются в результате нековалентных взаимодействий белка с опознаваемым лигапдом.

Таким образом, нековалентные взаимодействия в пределах каждой молекулы биополимеров обеспечивают необходимую для. ее функционирования пространственную структуру, обеспечивают надмолекулярную организацию биополимеров и важнейший этап в их функционировании — узнавание ими своих партнеров.

В биохимических системах важную роль играют все три главных типа нековалентных взаимодействий:

1) электростатическое притяжение разноименно заряженных групп;

2) образование водородных связен (водородных мостиков) между полярными группами (?—?) и донорами неподелепной пары электронов (:Y): Х-II· · · V, где X и ? в подавляющем большинстве случаев элементы второго периода периодической системы элементов, т.е. ?, 0 или F;

3) ван-дер-ваальсовы' взаимодействия, обусловленные притяжением постоянных, наведенных или виртуальных диполей.

Отрицательный заряд н определенных точках сложных органических молекул,

В TOVf иМГЛР VfnniSfc-??? пач' Lictf" 1111.1 \- nnniTnriininnni» «m 1111 и яг»т ОГПП ОНИ СОЛерЖаТ

электронейтральные группы, способные отдавать протон окружающим молекулаЛ воды, т.е. группы, обладающие свойством кислоты. Положительный заряд вознив кает на группах, способных отнимать протон у молекул воды, т.е. на группахЯ обладающих достаточно высокой основностью. При этом для биохимический процессов имеют значения только заряды тех групп, которые в заметной степени™ ионизуются или соответственно протонируются в диапазоне значений рН 1-12. Значения рН вне этого диапазона, как правило, биологически нефункциональны. Ионизация или присоединение протона вне этого диапазона могут иметь значение лишь для протекания химических превращений, чаще всего связанных с деструкцией этих молекул и поэтому смертельно опасных для живых организмов. Так, пептидная группа —N11—СО— в составе биологически активной молекулы белка может быть только электронейтралыюй, поскольку в заметной степен* может протонироваться лишь при отрицательных значениях функции кислотное' ти среды*. При этом она становится высокоэлектрофилыюй и довольно легк{ атакуется молекулами воды, что приводит к ее гидролизу (см. § 7.3.).

Группы, ионизация или протонирование которых дает определенный вклад 1 заряд белковых молекул, приведены в табл. 3.1. Для ориентировки в таблиц! приведены значения рА' этих групп в составе соответствующих аминокислот, 1 для концевой аминогруппы и концевой карбоксильной группы — в составе днпеп; тида глицилглицина. Эти величины для аминокислот в-составе белковых молеку] могут существенно варьироваться в зависимости от того, в каком окружении они находятся, т.е. в зависимости от первичной и пространственной структуры белка. Как правило, эти вариации лежат в пределах одной единицы логарифмической шкалы в ту и другую сторону, однако в некоторых спецналыилх случаях значе-* ния рА" соответствующего радикала могут отличаться от приведенного в таблиц! на несколько единиц. В соответствии с основным уравнением кислотно-основное равновесия — уравнением Гендерсона 1

рН = рК + lg( ав/аВц*) или рН = рА' + ^(ал'/анл).

где В — основание; НА — кислота; а,- — соответствующие активности; в равповЙ сии резко преобладает кислая форма, если рН среды па единицу и более ниж значения рА", и основная форма, если рН среды на единицу и более превышает эт значение. При значениях рН, близких к значению рА" соответствующей группы, равновесии в соизмеримых количествах присутствуют обе формы.

В соответствии со сказанным при нейтральном pll носителями отрицательное заряда белковой молекулы являются карбоксильные группы аспартата и глутам^ та, а также С-концевая карбоксильная группа, которая может принадлежат* любой аминокислоте. Аналогично, носителями положительного заряда в nei тральной среде в первую очередь являются остатки лизина и аргинина, амии* группа ?-концевой аминокислоты и в некоторой степени остатки гистиднна. Бел™ ки, у которых число карбоксильных групп существенно превышает число остатков аргинина и лизина в нейтральной среде, имеют отрицательный заряд и относятся к числу кислых белков. Наоборот, белки, у которых остатки лизина и аргп-

*Функция кислотности среды является эквивалентом величины pll для достаточ! концентрированных растворов кислот, в которых концентрация понов водорода переста

Таблица 3.1. Ионизируемые и протопи руеиые группы в белках и значения рКэтнх групп в составе соответствующих аминокислот и пептидов *

Кислая и основная формы группы Аминокислота или пептид рА"

«-СООН s=t -С00~ /з-СООНа=ь -С00" 7-С00Н =е -С00~ -SH =t Глнцилглицин Аспартат Глутамат Цистеин 3,1 3,9 4,25 8,3

Тирозин 10,1

/.—NH .r-NH -?\ «-?? NHJ N=J Гистидин 6,0

«-NH3 =s o?-NHj Глнцилглицин 8.1

i-NH3 « e-NH2 Лизин 10,5

-NH-C^NH2*a —NH—C—NH2 Nr? NH Аргинин 12,5

'Здесь и далее речь идет о рА" = -lgA'a, гае Л'а — константа ионизации^ кислоты в сопряженной паре НА/А" или ВН*/В