2.3.1. Зв’язки в білках.

В молекулі білка існують ковалентні (пептидні, дисульфідні зв’язки) і нековалентні (наприклад, водневі, гідрофобні, іонні зв'язки і ін.) зв’язки.

• Ковалентні (міцні) зв’язки:

• пептидні –СО–NH–,

• дисульфідні –СН₂–S–S–СН₂– ,

• ефірні –СО–О–,

• Нековалентні (слабкі) зв’язки:

• гідрофобні –СН₃ … СН₃– ; –СН₃ … СН₃–СН₂–,

• іонні –COO^– … –NH₃⁺,

• водневі –H … O– ; –H … N–.

Ковалентні зв’язки в білках.

[1]. Велике значення для створення третинної структури має ковалентний дисульфідний зв'язок, що утворюється між залишками цистеїну одній і тій же або різних білкових ланцюгів.

Дисульфідний зв'язок міститься в дуже багатьох пептидах і білках (окситоцин, вазопресин, інсулін, лізоцим і ін.). Кератин (білок волосся і шерсті) містить особливо багато цистеїнових ланок, здатних при окисленні утворювати дисульфідні зв'язки.

[3]. Ефірні зв’язки виникають в результаті хімічної взаємодії вуглецю (–С) вільної карбоксильної групи дикарбонової амінокислоти з киснем (–О) гідроксильної групи оксиамінокислоти, наприклад, між аспарагіном та тирозином);

Нековалентні зв’язки в білках.

Пространственная структура белков и пептидов в основном определяется нековалентными взаимодействиями между различными атомами. К их числу относятся ван-дер-ваальсовы, электростатические, или ионные, ион-дипольные и диполь-дипольные, гидрофобные, торсионные взаимодействия и водородные связи.

Просторова структура білків і пептидів в основному визначається нековалентними взаємодіями між різними атомами. До їх числа відносяться ван-дер-ваальсові, електростатичні, або іонні, гідрофобні взаємодії та водневі зв'язки.

[1]. Водневий зв'язок є слабкою електростатичною взаємодією між одним електронегативним атомом (наприклад, киснем або азотом) і водневим атомом, ковалентно зв’язаним з іншим електронегативним атомом.

За сучасним уявленням, водневий зв'язок включає не тільки електростатичні сили тяжіння між полярними групами (взаємодія атомів водню з електронегативними елементами: киснем, азотом, хлором), але і електронні зв'язки такого ж типу, як у ряді комплексних сполук.

Водневі зв'язки, будучи нековалентними, відрізняються малою міцністю. Так, якщо для розриву хімічних міжатомних зв'язків необхідно витратити від 84 до 8400 кДж, то для розриву одного водневого зв'язку потрібно витратити всього лише 6,3 кДж на 1 моль.

У неполярному оточенні енергія водневого зв'язку СО...HN складає близько 16,7 кДж/моль, а підвищення полярності середовища знижує цю енергію.

Оскільки в білковій молекулі число водневих зв'язків дуже велике (в утворення водневих зв'язків залучені всі пептидні групи), вони в сумі забезпечують скручування поліпептидного ланцюга в спіральну структуру, надаючи їй компактність і стабільність.

Механізм виникнення водневих зв'язків в елементарній формі може бути представлений на прикладі взаємодії двох молекул води (диполей). У диполі води, як відомо, надлишок позитивних зарядів приходиться на атоми водню, а надлишок негативних - на атоми кисню.

Завдяки особливостям будови атома водню при достатньому зближенні двох молекул води виникає електростатична взаємодія між атомом кисню однієї молекули і атомом водню іншої молекули води. Наслідком цього є ослаблення зв'язку між атомами водню і кисню в кожній молекулі води і відповідно виникнення нового, неміцного зв'язку (відмічена пунктиром) між атомом водню першої молекули і атомом кисню іншої молекули води. Цей неміцний зв'язок прийнято позначати водневим зв'язком.

У білковій молекулі найбільш важливі водневі зв'язки утворюються між ковалентний зв'язаним атомом водню, що несе частковий позитивний заряд, і негативно зарядженим ковалентно зв'язаним атомом кисню (між пептидними групами).

Крім вказаних, можливі водневі зв'язки за участю функціональних груп бічних ланцюгів, наприклад:

a) Між сульфгідрильною групою цистеїну та ОН-групою серину:

b ) Між двома гідроксильними групами:

c ) Між іонізованою СООН-групою та ОН-групой тирозину:

d) Між ОН-групою серину та пептидним зв’язком:

e) Між карбоксильними групами:

f) Між аміногрупою та ОН-групою тирозину:

Залежно від хімічної природи атома-акцептора водневі зв'язки відрізняються один від одного ступенем міцності. Про кількість водневих зв'язків в білковій молекулі судять за даними ізотопного методу, зокрема за часом обміну атомів водню, що беруть участь в утворенні водневого зв'язку, на дейтерій (при обробці білка важкою водою D₂O, в якій замість звичайного водню міститься його важкий ізотоп дейтерій).

[2]. Гідрофобна взаємодія обумовлена силами ван-дер-ваальса між неполярними радикалами амінокислотних залишків.

Гідрофобні зв’язки утворюються внаслідок міжмолекулярної взаємодії (сил Ван-дер-Ваальса) між гідрофобними (неполярними) радикалами (СН₃–, С₂Н₅–, бензольні кільця) амінокислотних залишків.

Гідрофобні атомні групи амінокислот валіну, лейцину, ізолейцину, фенілаланіну намагаючись уникнути контакту з полярними групами води, орієнтуються всередину молекули, тоді як гідрофільні радикали знаходяться на поверхні молекули. При цьому виникає термодинамічно найвигідніша конформація молекули, яка є досить стабільною;

Ван-дер-ваальсові взаємодії, що описуються потенціалом Ленард-Джонса (рис. 2.2), складаються з дисперсійних сил тяжіння атомів і сил взаємного відштовхування їх електронних оболонок. Як видно з рис. 2.2, найбільш вигідним є відстань R_m, що дорівнює або близьке сумі ефективних радіусів взаємодіючих атомів. Енергетичний внесок кожного контакту невеликий (<0,42 кДж / моль), але зважаючи на їх велику кількість ван-дер-ваальсові взаємодії дають основний внесок у сумарну енергію внутрішньомолекулярних невалентних взаємодій.

Рис. 2.2. Потенціал Ленард-Джонса

(мінімуму потенціала відповідає відстань R_m та енергія тяжіння Е_m).

[3]. Іонні (електростатичні) взаємодії можуть виникати в результаті електростатичної взаємодії між зарядженими групами іоногенних радикалів амінокислотних залишків. До їх числа насамперед належать амінокислоти, що мають у радикалі додаткові карбоксильні групи (аспарагінова, глутамінова кислоти) і аміногрупи (лізин, аргінін).

При цьому, як відомо, однойменно заряджені групи відштовхуються, а різнойменно заряджені притягуються. До них відносяться, зокрема, взаємодії іоногенних груп, що утворюють сольові зв'язки.

Енергія сольових зв'язків у гідрофобному оточенні може досягати 41,9 кДж / моль, але їх число в білках порівняно невелике. Підвищення діелектричної постійної середовища знижує енергію сольових зв'язків.