Внутримолекулярная динамика макромолекул

Внутримолекулярное движение в макромолекулах, находящихся в равновесном состоянии с окружающей средой при заданных внешних условиях (температуре, давлении, рН, составе раствора и др.), обусловлено только тепловой энергией. Тепловые флуктуации больше у поверхностных групп белка (их средняя амплитуда ~0,5Å) и в несколько раз меньше у групп, входящих в ядро белка. Аминокислотные остатки в петлях колеблются сильнее, чем во вторичных структурах. Особенно сильны колебания длинных поверхностных боковых групп. Поэтому внутренность белка близка к твердому состоянию, а поверхностный слой подобен вязкой жидкости.

Характер внутримолекулярной динамики определяется соотношением энергии теплового движения атомов ~k_BT и энергии слабых связей (не ковалентных) в макромолекуле. Возможны два случая.

В первом случае тепловые флуктуации не приводят к разрыву слабых связей между фрагментами и не меняют межплоскостные расстояния между основаниями. Такая ситуация реализуется у молекул ДНК и РНК. В функциональной области температур их структура более устойчива и стабильна, чем структура белков. В этом случае число возможных конформаций определятся ограниченным числом вращательных степеней свободы вокруг единичных химических связей в цепи макромолекул.

Во втором случае, характерном для белков, энергия тепловых колебаний превышает энергию слабых связей, что приводит к разрыву связей, изменению объемных взаимодействий, в частности может привести к переходу глобула – клубок (см. 323–329). В отличие от ДНК и РНК молекулы белка более лабильны (от лат. labilitis – неустойчивый).

Динамическая подвижность белков различна в разных конформационных состояниях. Например, при отрыве гема от гемоглобина или при диссоциации его на отдельные субъединицы динамическая подвижность возрастает.

Конформационные перестройки

При изменении конформации, перемещения фрагментов имеют самосогласованный характер, так как смещение одного фрагмента зависит от смещения соседних. Таким образом, локальные перемещения фрагментов, в определенной степени, детерминированы силами взаимодействия с ближайшим окружением и наличием определенных степеней свободы у системы в целом. Поэтому конформационная перестройка макромолекул белка осуществляется по определенной программе и представляет собой совокупность взаимосвязанных, самосогласованных перемещений отдельных фрагментов. Примером может служить каскад последовательных взаимообусловленных конформационных движений внутри молекулы гемоглобина. Первичным толчком для серии конформационных изменений служит присоединение О₂ к Fe и последующее смещение атома железа в полость гемовой группы (см. с.291–293). Термодинамически переход из одной конформации в другую можно рассматривать как переход из одного равновесного состояния в другое через последовательность неравновесных состояний.

Амплитуда смещений отдельных фрагментов при конформационных изменениях значительно превосходит амплитуды колебаний отдельных атомов (0,01 – 0,1) Å в конденсированных средах, несмотря на то, что плотность белка в глобулярном состоянии близка к плотности жидкости и молекулярных кристаллов.