ространстве расположению положительного и отрицательного зарядов аминокислоты в воде имеют постоянный дипольный момент.

3. R — боковые группы аминокислот (рис. 1, А) имеют широкий диапазон гидрофильных и гидрофобных свойств

17

соон

соон

'I^н

nh2 r r nh2

L-форма D-форма

соон coo"

U Lh

С г

nh2 ch3 nh3 ch3

H\.Q В Г Д

A

q-. „^-0 h н

,h-

•/°^l,h4 h T" ,h \ ii jo.......h-o.

^......%' V!"

Рис. 1. Пространственные структуры аминокислот и водного окружения.

А — стереоизомеры а-карбоновых аминокислот, где R — боковая группа; Б — цвит-териоиная структура L-аланина в водном растворе при рН 7.0. В—Д — координация молекул воды с помощью водородных связей, определяющая гидратацию гидрофильных и гидрофобных частей аминокислот и белков: в воде (В), в структуре льда (Г) и

в клатратах (Д).

(табл. 1), которые определяют межмолекулярные взаимодействия аминокислот. Боковые группы лизина и аргинина проявляют свойства сильных оснований (значения рКа равны 10.5 и 12.5 соответственно); боковые группы аспараги-новой и глутаминовой кислот проявляют выраженные кислотные свойства (рКа равно 3.6 и 4.2 соответственно).

4. Сочетание в структуре аминокислот протон-донорных и протон-акцепторных групп обеспечивает их участие в водородных связях с другими молекулами, в частности с молекулами растворителя.

Гидрофобность является свойством неполярных молекул и химических групп, она отражает их тенденцию растворяться в неполярных растворителях. В то же время эти неполярные молекулы практически не растворяются в воде и не смешиваются с ней. Среди неорганических веществ гидрофобными считаются благородные газы, среди органиче-

18

ских — углеводороды и их производные. Мерой гидрофобности вешества принято считать его коэффициент распределения между органическим растворителем и водой; Тен-форд использовал в качестве такого органического растворителя этанол, Мак-Грегор — 2-бутанол. Это разделило аминокислотные остатки на три сорта: гидрофильные, гидрофобные и те, которые одинаково распределяются между органической и водной фазами. Наиболее полная систематизация гидрофильно-гидрофобных характеристик принадлежит Ганшу, который применял в качестве неполярного растворителя октанол (Leo et al., 1971). Мы использовали из его обзора данные о коэффициентах распределения аминокислот между октанолом и водой для вычисления свободной энергии переноса ((7) аминокислоты из воды в октанол. При этом самой гидрофильной аминокислотой является глицин — цвиттерион, не имеющий боковой группы, с собственным дипольным моментом 20 Д.3 Для его перемещения из воды в октанол требуется затратить 17.4 кДж/моль. Все остальные аминокислоты более гидрофобны и перемещаются в неполярное окружение с меньшими затратами энергии. Принимая гидрофобность остатка глицина за 0, можно оценить гидрофобность боковых групп других аминокислот. В табл. 1 представлены расчетные значения свободной энергии перемещения боковой группы аминокислоты из воды в октанол, т. е. из полярного растворителя в неполярный. Эта шкала гидрофобности аминокислотных остатков обнаруживает, что все они в той или иной степени гидрофобны, хотя для большинства из них энергия перемещения в неполярное окружение невелика и соизмерима с тепловой энергией: RT — 2.58 кДж/моль при 37 °С (здесь R — газовая постоянная, Т — температура). В дальнейшем мы будем использовать эту шкалу гидрофобности при оценке межмолекулярных взаимодействий пептидов друг с другом и с другими компонентами клетки — фосфолипидами и нуклеиновыми кислотами, хотя при теоретических расчетах оптимальных коиформации белков наиболее часто используется упрощенная шкала Тенфорда.

Аминокислотные остатки существенно различаются по парциальным мольным объемам в гидратированном состоянии (табл. 1). Самые высокие значения мольных объемов принадлежат самым гидрофобным аминокислотам — тиро-

3 Дебай (Д) — несистемная единица молекулярного дипольного момента: 1 Д « 3.3 • ю-зо К - м

19

Таблица 1

Аминокислоты, кодируемые ДНК (по: Leo et al., 1971; Замятнин, 1973)

Наименование Однобуквен-ный символ Молекулярная масса, Да Боковая группа R Гидрофобность боковой группы (—С), кДж/моль Объем аминокислотного остатка в воде. см3/моль

Глицин G 75 -Н 0 36.1

Аланин А 89 -СН, 0.5 53.2

Валин V 117 -снгснз снз 5.3 83.9

Лейцин L 131 -СНгСНГСНз 2 ^СН3 7.5 100.1

Изолейцин I 131 -СН-СНг-СН, сн, 7.5 100.1

Гйстидин Н 155 ~СН2~\ J 1.0 91.9

Пролин Р 143 N 1 н /—1 ~:\ 3.0 73.6

Тирозин Y 181 _СН2\_/~ОН 4.4 116.2

Фенилаланин F 165 -снКЭ 9.1 113.9

Триптофан

W

Серии Треонин

Цистеин

Метионин

Аспарагин

Глутамин

Аспарагиновая кислота Глутаминовая кислота

Лизин Аргинин

S Т

С М n

О

D* Е*

К* R*

* Аминокислоты в протонированной форме.

-сн

N

I

Н

-сн-он

-сн-сн, он

-CHj-SH

-ch-ch2-s-ch3

-CHj-c-nh, 2 II 2

11.3

1.3 5.8

5.9 0.8

—СН^-СНт-С—NH, 2 2 II 2 О

-сн-с-он о

-СНгСНгС-ОН

2 2 II

О

-CH-CH-CH-CHrNH2 —CHt-CHt-CHj-NH—С—NH,

2 2 2 П 2

NH

1.9

4.1 3.9

1.2 2.5

зину, фенилаланину и триптофану, превосходя значения мольных объемов остатков гидрофильных глутаминовой и аспарагиновой кислот, лизина и аргинина, несущих электрические заряды на боковых группах (Замятнин, 1973).

Измерение гидрофобности органических соединений имеет давнюю традицию, так как фармакологи еще в начале XX в. отмечали корреляцию между гидрофобностью и физиологической активностью токсинов, нейролептиков и наркотических веществ. Предполагалось, что липидные структуры клеточных мембран и миелиновые структуры нервных волокон представляют собой неполярную фазу, куда с высокой селективностью распределяются гидрофобные молекулы. Только позднее Л. Полинг предположил, что в осуществлении физиологических межмолекулярных взаимодействий определяющую роль играет структура гидратационной воды (Pauling, 1961).

В настоящее время экспериментально установлено, что вода — неотъемлемый участник всех биологических процессов на Земле. Структура и подвижность воды составляют основу подвижности всех других компонентов живых систем. Среднее весовое содержание воды в клетках млекопитающих составляет 70 %; на долю белков и фосфолипидов приходится 18 и 3 % соответственно. На все остальные компоненты живой клетки приходится только 9 % ее веса.

Молекула воды имеет геометрию практически равнобедренного треугольника. Расстояния между ядром атома кислорода и протонами равно 0.96 А. Кристаллографический диаметр молекулы воды равен 2.8 А. В жидкой воде каждая молекула воды связана с двумя соседними, как это представлено на рис. 1, В—Д. Центральный атом кислорода участвует в четырех водородных связях: в двух из них он донор электронов, в двух других — акцептор. Угол в системе 0--Н—О близок к 180°. Такая структура определяет высокую полярность молекулы воды: ее собственный дипольный момент равен 1.84 Д.

Структура молекулы воды и ее меж