Типы связей, участвующие в формировании

пространственной структуры белка

Тип связи	Характеристика связи	Энергоемкость
Ковалентная	Осуществляется двумя электронами, находящимися в общем владении двух атомов, образующих связь. Если атомы равно заряжены, то связь называется полярной.	140-400кДж•моль-1
дисульфидная (разновидность ковалентной связи)	Возникает между двумя молекулами цистеина, находящимися на различных участках цепи за счет отрыва водорода от сульфгидрильных групп
водородная	Осуществляется при участии атома водорода с электроотрицательными атомами (Н…О,N,F)	15-40 кДж• моль-1
ионная (солевые мостики)	По природе подобна водород- ной; образуется при сильном сближении (0,3нм) двух атомов с разноименными зарядами.В бел- ковой молекуле группа –СОО- одного радикала и группа – NH3+ другого радикала, взаимодейст- вуют подобно ионам соли, образуя солевой мостик.	4кДж• моль-1
вандерваальсовы силы	Силы межмолекулярного взаимо- действия, имеющие электри- ческую природу; образуются электронным облаком и ядром каждого атома.	1кДж• моль-1
гидрофобные	Образуются между неполярными радикалами вследствие выте сне- ния их из водной среды при образовании глобулы	1-6 кДж• моль-1

Гидрофобные взаимодействия возникают в водной среде при укладке полипептидной цепи в пространственную структуру глобулы; при этом полипептид стремится принять наиболее энергетически выгодную форму, характеризующуюся минимумом энергии. Поэтому гидрофобные (нерастворимые в воде) неполярные группы (например, радикалы аминокислот) вытесняются из сферы влияния воды, стремятся вглубь глобулы и контактируют друг с другом. Энергия гидрофобных связей не велика (1-6кДЖ· мольˉ¹), но учитывая то, что неполярные группы состав- ляют от трети до половины в макромолекуле, вклад их в формировании макромолекул достаточно высок.

При значительном сближении двух атомов возникает притяжение, которое называется вандерваальсовым взаимодействием. Оно возникает между колеблющимися электрическими диполями двух атомов (диполь-совокупность двух разных по величине разноименных зарядов расположенных на некотором расстоянии – электронным облаком одного атома и положительным ядром другого). Эти связи короткоживущие и слабые (0,21-1,8 кДЖ· мольˉ¹).

Ионные связи (солевые мостики) более дальнодействующие и образуются при сильном сближении двух разноименно заряженных атомов и следовательно, являются электростатическими. Энергия ионных связей составляет 40 кДЖ· мольˉ¹, но может ослабляться в водной среде из-за взаимодействия с диполями воды. Они возникают между ионногенными радикалами аминокислот: карбоксильными группами кислых аминокислот и аминогруппами основных; между катионами металлов и отрицательно заряженными группами макромолекул.

Многие органические соединения и малые молекулы и макромолекулы ассиметричны, то есть, имеют одинаковое строение, но пространственно различаются (как правая и левая руки). Имеются правые и левые молекулы, являющиеся зеркальными отражением друг друга. Так, у аминокислот к центральному атому углерода (α-углерод) присоединяются четыре разные группы, которые могут располагаться двумя способами, что дает две конфигурации (рис.2): L- аминокислота (левая) и D-аминокис- лота (правая).

COOH COOH

│ │

H₂N- C_α – H H - C_α – NH₂

│ │

CH₃ СН₃

L-аланин D-аланин

Рис. 2. Графические формулы L- и Д-аланина.

Форма конфигурации имеет значение, так как ферменты оказывают действие лишь в том случае, если молекула находится в определенной конфигурации. Такая специфичность определяет то, что белки обычно целиком состоят из L- аминокислот.

Все малые молекулы имеют свойства, обеспечивающие их способность к полимеризации: они содержат не менее двух химических групп, способных реагировать друг с другом с образованием ковалентной связи.

Основную массу клетки (за исключением воды) составляют крупные углеродсодержащие молекулы, или макромолекулы, число атомов в которых в 25-30 раз больше, чем в малых молекулах.

Все макромолекулы являются биополимерами и образуются путем соединения более мелких молекул – мономеров в линейные структуры прочными ковалентными связями. Синтез сопровождается выделением молекул воды (дегидратацией), но этот процесс является сложным, идущим в присутствии ферментов и не сводится к простому отщеплению воды.

К биополимерам относятся белки, нуклеиновые кислоты и некоторые полисахариды. Мономерами биополимеров являются разные химические группировки: аминокислоты – в белках, нуклеотиды – в нуклеиновых кислотах и моносахара – в полисахаридах. Линейная струк-

тура полимеров представляют собой макромолекулу, построенную из повторяющихся одинаковых мономеров в, так называемый, остов молекулы. Мономеры, соединяются: в белках – пептидной связью, в нуклеиновых кислотах - 3'-5'- фосфодиэфирной связью, в полисахаридах – 1,4- гликозидной связью.

Полимеры могут быть регулярными или нерегулярными. Регулярные полимеры содержат один (редко два) типа мономеров (полисахариды). Нерегулярные полимеры содержат 4 типа мономеров (нуклеиновые кислоты) или 20 типов (белки), кроме того, порядок расположения мономеров в нерегулярных полимерах сильно различается у разных молекул.

Синтез нерегулярных полимеров носит матричный характер и требует участия специального механизма, обеспечивающего выбор и размещение мономеров в полимере.