30. Роль гидрофобных взаимодействий в формировании структуры белков. Переход спираль-клубок. Переход глобула-клубок.

Все аминокислотные остатки, входящие в состав полипептидной цепи условно разделяются на две группы:

-неполярные (гидрофобные)

-полярные (гидрофильные)

Степень гидрофобности остатка определяют по разности свободных энергий растворения аминокислоты в слабополярном растворителе и воде (обычно используют этиловый спирт).

Полученные таким образом величины разностей свободных энергий, приходящихся на белковую группу аминокислоты при переносе из спирта в воду, приведены в таблице:   

Степень гидрофобности аминокислотных остатков
Гидрофобные F кДж/моль	Три	Иле	Тир	Фен	Про
	12.50	12.40	12.00	11.10	10.85
Гидрофобные F кДж/моль	Лей	Вал	Лиз	Гис	Нет
	10.10	7.06	6.27	5.85	5.45
Гидрофильные F кДж/моль	Ала	Арг	Цис	Глу	Асп
	3.05	3.05	2.71	2.50	2.26
Гидрофильные F кДж/моль	Тре	Сер	Гли	Асн	Глн
	1.84	0.17	0.00	-0.04	-0.42

Названия остатков: глицил, аланил, валил, лейцил, изолейцил (иле), фенилаланил (фен), пролил, тритофонил (три), серил (сер), треонил (тре), метионил (мет), аспарагинил (асп), глутаминил (глн), цистинил, аспаргил, глутамил (глу), тирозил, гистидил (гис), лизил (лиз), аргинил (арг).

Гипотеза об определяющей роли гидрофобных взаимодействий была доказана в 1944 году. Идея состояла в том, что гибкая молекула белка в воде сворачивается в глобулу (поскольку полярные остатки белка стремятся к максимальному контакту с водным окружением, а неполярные - к минимальному контакту). Из геометрии известно, что минимальной поверхностью при заданном объеме обладает шар. Стремление неполярных остатков образовать внутри белковой части некое подобие шарообразной капли, а полярных - сосредоточиться на ее поверхности, и приводит к образованию компактного тела - глобулы с гидрофобным ядром и гидрофильной поверхностью.

1 - гидрофобное ядро

2 - гидрофильная оболочка

В 1964 году Фишер установил, что, зная общее число аминокислотных остатков в ядре и отношение полярных остатков к неполярным, можно предсказать форму глобулы. Для простоты будем считать, что все остатки имеют одинаковые объемы. Найдем отношение числа полярных остатков к неполярным, которое обозначим b_s. Будем считать , что радиус глобулы r₀, и глобула покрыта мономолекулярным слоем полярных остатков толщиной d (Фишер считал, что d~4-5A). При сделанных допущениях отношение числа полярных и неполярных остатков равно отношению объемов сферического слоя и центрального ядра:

Следовательно, чем меньше r_0, тем больше должна быть относительная гидрофильность белка. На рисунке приведена теоретическая кривая (кривая Фишера) значений параметра b от объема глобулы (V=4/3r₀³), а также экспериментальные значения.

Глобула может быть сферической, строго говоря, лишь при b=b_s (соответствует кривой Фишера на графике). Если b>b_s, то есть число полярных остатков в белке больше, чем необходимо для того, чтобы покрыть гидрофобное ядро гидрофильным слоем, то глобула вытягивается в виде эллипсоида и имеет большую поверхность, чем в случае сферы.

b>>b_sвозникают фибриллярные структуры ( обозначено x на графике)

b<b_sгидрофильные остатки не полностью закрывают гидрофобное ядро и гидрофобное взаимодействие между такими открытыми участками приводит к агрегации белков и возникновению надмолекулярных структур (обозначено на графике).

Таким образом, белки, для которых значения b лежат выше кривой Фишера, представляют собой эллипсоиды и фибриллы, значения лежат на кривой представляют собой глобулы. Под кривой располагаются белки, образующие надмолекулярную структуру. Формирование гидрофобного ядра в глобулярных белках имеет принципиальное значение для их функционирования. Белки при их огромной молекулярной массе обладают сравнительно компактной структурой прежде всего, благодаря гидрофобным взаимодействиям.

линейные молекулы (нуклеиновые кислоты, полипептиды), претерпевающие переход спираль — клубок, разбиваются на чередующиеся спиральные и клубкообразные участки (рис. 3).

  Переход спираль — клубок в ДНК наблюдается при повышении температуры, добавлении в раствор кислоты или щёлочи, а также под влиянием других денатурирующих агентов. Этот переход в гомополинуклеотидах происходит при нагревании в интервале десятых долей °С, в фаговых и бактериальных ДНК — в интервале 3—5°С (рис. 3), в ДНК высших организмов — в интервале 10—15 °С. Чем выше гетерогенность ДНК, тем шире интервал перехода и меньше способность молекул ДНК к ренатурации. Переход спираль — клубок в различных видах РНК носит менее кооперативный характер (рис. 4) и происходит в более широком интервале температурных или других денатурирующих воздействий.

Рис. 3. Схема перехода спираль — клубок для ДНК: 1 — нативное состояние (вместо двойной спирали для простоты изображена «верёвочная лестница»); 2 — состояние ДНК в области перехода; 3 — денатурированное состояние (однонитевые клубки).