Модели динамической подвижности белков

Можно выделить три физические модели для описания динамической подвижности белков:

модель ограниченной диффузии (см. с. 481–487),

модель дискретных состояний и фазовых переходов (см. с.487–490),

модель белковой машины (см., например, работу АТФ-синтазы, с.552–564)

Модель ограниченной диффузии (модель Шайтана К.В.) основана на том, что боковые фрагменты макромолекулы, находящиеся в тепловом равновесии со средой, испытывают случайные тепловые воздействия со стороны молекул среды, то есть могут рассматриваться как броуновские частицы, диффузия которых ограничена связями с другими частями макромолекулы.

В модели дискретных состояний (модели Г. Фрауэнфельдера) конформационный переход рассматривается как преодоление барьера (как энергетического, так и энтропийного) между квазиравновесными конформационными состояниями, которым соответствуют минимумы энергии. Причем каждая квазиравновесная конформация включает в себя много микросостояний (конформационных подсостояний).

В модели белковой машины конформационные переходы описываются как механический квазинепрерывный процесс изменения взаимной ориентации фрагментов вторичной структуры.

3.8.3. Кинетика конформационных переходов

Характерные времена внутримолекулярных превращений, в том числе и ферментативных процессов в биоструктурах варьируются в широких пределах: от для локальных смещений атомов и отдельных атомных групп до (1–10²) с для молекулярных цепей. Распространение локальных смещений на всю структуру макромолекулы приводит к изменению конформации макромолекулы.

Характерные времена отдельных видов движений в биологических молекулах приведены в табл. III–8. С наиболее высокой частотой флуктуируют боковые группы полипептидной цепи. Характерные времена релаксации для различных участков полипептидной цепи колебательных и локальных конформационных перестроек составляют (10^–8 – 10^–9) с. Времена развертывания отдельных участков -спирали – (10^–6 – 10^–8) с. Времена конформационных перестроек белковых молекул варьируются в пределах от 10^–2  до 10⁺² с. Развертывание и свертывание белковых глобул происходит за (10^–1 – 10²) с.

Таблица III–8. Характерные времена отдельных видов движений в биологических молекулах

Структура	Вид движения	Характерное время в сек.
Белки	Локальная динамика атомов и малых групп
	Электронно-колебательная релаксация
	Локальная динамика боковых групп и сегментов цепи
	Движение доменов и субъединиц
	Релаксация участка полипептидной цепи (из клубка в глобулу)
	Перенос протона ионизируемых групп
	Освобождение молекул лигандов
	Развертывание участка α-спирали
	Сворачивание и разворачивание цепи
Нуклеиновые кислоты	Колебания двойной спирали ДНК
	Локальные движения основных пар
	Распаривание пар оснований
	Диссоциация и образование двойной спирали
Био мембраны	Релаксация фосфолипидных головок
	Транслокация ионов через каналы
	Фазовые переходы в фосфолипидных бислоях
	Флип-флоп переходы
Вода	Колебания около положений равновесия
	Самодиффузия
	Валентные колебания связи О–Н
	Время жизни молекул связанной воды
	Время жизни слабосвязанных молекул воды в гидратной оболочке