9.6.2. Полиморфизм

Если у полипептидной цепи не одна, а две структуры отделены от прочих состояний энергетической щелью, и обе стабильны по сравнению с клубком F_клубок, то первой свернется та структура, к которой ведет путь сворачивания с меньшим энергетическим барьером. Однако, если она менее стабильна, чем другая, то затем последует медленный переход в более стабильную структуру.

Переходы такого типа похожи на полиморфные переходы в кристаллах. Интересной аналогией является низкотемпературный фазовый переход белого β-олова в серое α-олово, рассмотренный выше (см. с. 76–79). При медленной кристаллизации оловянного расплава сначала образуется γ-модификация, которая при температуре 173°С переходит в β-модификацию (белое олово). При понижении температуры ниже 13,1°С термодинамическая выгодность α-фазы олова увеличивается, соответственно увеличивается стабильность α-фазы, энергетическое расстояние между минимумами энергии α-фазы и β-фазы уменьшается и уменьшается высота потенциального барьера между фазами. В результате скорость фазового перехода β-Sn → α-Sn возрастает. Однако при понижении температуры уменьшается энергия теплового движения атомов, что тормозит скорость перехода. Конкуренция этих процессов приводит к тому, что при понижении температуры сначала скорость перехода возрастает, проходит через максимум, а затем уменьшается, обращаясь в нуль при Т → 0°К. Скорость фазового перехода β-Sn → α-Sn максимальна при температуре –33°С.

На скорость перехода, как указывалось выше (с. 78), сильное влияние оказывает наличие зародышей новой фазы в матрице старой (см. т.1, стр.176). Образование стабильных зародышей новой фазы всегда требует затрат энергии больше, чем их дальнейший рост. Появление зародышей β-фазы (пылинок серого олова) на белом α-Sn (оловянная чума) ускоряет процесс фазового перехода β-Sn → α-Sn, при котором олово рассыпается в серый порошок, и изделия из олова разрушаются.

В отличие от металлов появление зародышей новой фазы в белках приводит к агрегации (слипанию) белковых молекул. Возникший зародыш новой формы агрегированного белка переводит в новую форму и втягивает в агрегат все остальные белковые молекулы, как при «оловянной чуме». В результате перестройка структуры белка замедляется и нарушается функционирование его нативной фазы.

Переход такого типа происходит в водорастворимом аминокислотном полимере полилизине в пробирке при рН > 10 и температуре (20÷50)°С. Сначала за миллисекунды полилизин переходит из клубка в α-спираль, а затем очень медленно из α-спирали в β-структуру. Замедление связано с агрегацией белковых β-молекул, которая приводит к снижению стабильности β-структуры. В результате скорость перехода α → β экспоненциально замедляется. Поэтому переход из α- в β-структуру может длиться часы, недели и более.

Аналогичные полиморфные переходы происходят в белках прионах в клетках мозга животных, приводя к заболеванию «коровьим бешенством» и, после большого инкубационного периода, – к летальному исходу.

Возможно, медленная полиморфная перестройка белковых структур мозга, приводящая к нарушению их нормального функционирования, может являться причиной, так называемого, старческого маразма.