§3.8. Конформация и конформационная подвижность макромолекул

3.8.1. Конформация

Макромолекулы в нативном состоянии обладают характерной пространственной структурой, конформацией (т.1, с.186). Белки в зависимости от конформации можно разделить на два основных типа: фибриллярные и глобулярные (см. с. 417). Более детальное описание конформации включает в себя вторичную и третичную структуру (см. с. 421–432).

Различные конформации в органических молекулах могут возникать, благодаря свободному вращению вокруг одинарных C-C связей. При вращении определенные конфигурации (конформеры) являются энергетически более выгодными (например, конформации колец в структуре стероидов (рис.3–14, с.385, рис.7–22, 7–23, с.661) аналогичны конформациям ванны, кресла в циклогексане т.1, с. 187). В нормальных условиях полипептидные связи, из-за наличия системы сопряженных связей и других ограничений, налагаемых структурой (состав и последовательность аминокислотных остатков, S-S сшивки) и специфическими размерами (см., например, рис. 3–47, с. 421 α-спирали или фибриллярной структуры рис. 3–52, с. 424), обладают по крайней мере одной стабильной и прочной конформацией, имеющей наименьшую свободную энергию, и называемую нативной конформацией.

Стабильность, например, α-спирального участка цепи зависит от состава и последовательности аминокислотных остатков в цепи. Отдельные точки цепи обладают локальной неустойчивостью. В этих точках спираль может изгибаться под действием, как внешних воздействий (рН, температуры, ионного состава), так и гидрофобных сил, действующих в водном растворе и стремящихся максимально защитить гидрофобные R-группы цепи от контакта с водой. Поэтому конформация полипептидной цепи в водной среде определяется водородными связями (внутри и межцепочечными), размером, формой, полярностью R-групп и таким расположением молекул воды, которые обеспечивали бы максимальное значение энтропии для всей системы. Таким образом, нативная структура устанавливается в результате действия энергетических и энтропийных факторов.

Очевидно, что коррелированность движения отдельных звеньев цепи наиболее сильно проявляется между соседними звеньями и ослабляется с увеличением расстояния между ними. Такое движение носит название конформационных флуктуаций. Они являются важным элементом в процессе функционирования белков. При конформационных флуктуациях нативная структура может периодически изменять объем, как бы «дышать».

Максимальной стабильностью белки обладают при определенной характерной температуре. При температурах выше (40–50)°С большинство белков утрачивают стабильность (см. с.711–718).

Функциональная активность биомолекул непосредственно связана с их конформационными изменениями (см. например, с.291–293). Однако, в настоящее время строгая физическая теория, связывающая структуру биополимера и его биохимическую активность, отсутствует.

3.8.2. Динамика макромолекул в растворах Состояние макромолекул в растворах

Полипептидные цепи обладают относительно большим числом ионизируемых R-групп разных аминокислотных остатков, степень ионизации которых может изменяться в зависимости от природы соседних групп и рН раствора (см. кислотно-основное равновесие, с.262–269).

При образовании глобулы полярные группы располагаются, в основном, на ее поверхности, а неполярные – внутри глобулы, составляя гидрофобное ядро. Наличие полярных групп на поверхности глобул приводит к образованию гидратной (в общем случае, сольватной) оболочки.

Молекулярные глобулы совершают в растворах броуновское движение, а молекулы воды, адсорбированные на их поверхности, участвуют в двух видах движения: в броуновском вместе с глобулой и в поверхностном, характерном для молекул, находящихся в адсорбционном слое. При этом молекулы воды в адсорбционном слое непрерывно обмениваются местами с молекулами воды из объема раствора. Таким образом, все виды молекулярного движения в растворах связаны между собой и оказывают взаимное влияние друг на друга.