книги из ГПНТБ / Замятнин, А. А. Дилатометрия растворов белков

растворителя [21]. В случае водных растворов электролитов электрострпкция представляет собой результат иои-дипольного взаимо­ действия ионов растворенного вещества с диполями воды. Электрострпкщія — один из видов макроскопического проявления меж­ молекулярных взаимодействий.

Д л я иллюстрации рассмотрим к а ж у щ и е с я мольные объемы веществ, имеющих одинаковый химический состав, но различную структуру . Т а к о й парой веществ являются, например, амид гли - колевой кислоты и глицин:

т р а л ь н о й и ионизированной форм и является в данном случае

20

к о т о р ый проиллюстрирован на рис. 3. Уменьшение объема систе­ мы при растворении малых количеств сульфата магния обуслов­ лено сильным иои-дипольным взаимодействием ионов электролита и п о л я р н ы х молекул воды.

По существу явление электрострикцин тесно связано с другим явлением — гидратацией, которое состоит в связывании диполей воды с ионами или ионными группами, с диполями или полярными группами . Часто рассматривают гидратацию сухих веществ, в том

В случае раствора связанные молекулы воды имеют возможность

которые по-разному взаимодействуют с водой. Очевидно, что

Т а к и м образом, замерзание воды связано с возрастанием мольного

Важность такого распространенного вещества, как вода, ее незаменимость во многих физико-химических процессах и в боль­

21

основанием для создания многочисленных моделей ее с т р у к т у р ы [ 2 2 - 2 9 ] .

Современное рассмотрение структуры воды невозможно безпредставления о водородных с в я з я х , осуществляющих в воде меж ­ молекулярные взаимодействия. Водородной связью называютвзаимодействие атома водорода, присоединенного к электроотри­ цательному атому какой-либо молекулы, с другой молекулой, также содержащей электроотрицательную группу, либо с электро ­ отрицательной группой той же самой молекулы [29—31]. Т а к и м образом, водородная связь может характеризовать не только меж-

положения, и переходы протона из одного положения в другоемогут рассматриваться к а к переориентация молекул и образова­ ние ионных п а р [28].

Основное отличие структуры жидкой воды от структуры льда= заключается в разрыве части водородных связей под действием^ усиленных тепловых колебаний решетки и, к а к результат этого, в более размытом положении атомов, образовании дефектов, увеличении среднего координационного числа, возникновении, областей с плотной упаковкой [28].

В настоящее время, по-видимому, наиболее разработанной является модель структуры воды, рассмотренная впервые Франком, и Вэном [24] и в дальнейшем развитая Немети и Шерага [26]. Однако и эта модель не лишена недостатков [28, 29]. СогласноНемети и Шерага, молекулы в воде можно поделить на. пять к л а с -

22.

•сов, различающихся энергией и внутренней свободой. Молекулы воды, связанные, как во льду, с соседями четырьмя водородными связями, относятся к классу с минимальным (нулевым) энерге­ тическим уровнем. Энергетический же уровень молекул, у которых разорваны все связи, будет соответствовать энергии четырех водо­ родных связей. Между этими уровнями распределяются уровни промежуточных состояний. Используя предположение о различ­ ной связности молекул воды, авторы модели пришли к выводу •о том, что вода состоит из упорядоченных ассоциатов разной вели­ чины. Эти ассоциаты молекул воды получили название «мерца­ ющих кластеров». Локальные флуктуации энергии обусловливают

к у л ы в о д ы должны соприкасаться с различными видами групп, рас­

Р и с . 8. Схема расположеішя молекул поды вблішн полярной (а) и исполярноГі (6) поверхности [29, 32]

•Стрелками изображены отдельные молекулы воды. Целые и незавершенные пятиуголь­ ники условно обозначают наличие некоторых структурных форм воды (без учета даль­ нодействия)

23

распространяется на несколько близлежащих слоев молекул' воды. Вблизи полярной поверхности отмечены три характерныезоны, средняя из которых содержит молекулы воды, обладающие повышенной разупорядочениостыо, а д а л ь н я я зона характеризует

торых структурных форм (например, кластеров). В промежуточ­ ной области молекулы воды расположены неупорядоченно в отду­ того, что они находятся под влиянием двух конкурирующих в о з ­ действий: поле от полярной поверхности стремится выстроить и х в порядке, характерном для близлежащей области, a молекульг воды дальней зоны — в порядке, характеризующем чистую воду [33J.

Возможная модель поведения молекулы воды вблизи неполяр ­ ной поверхности схематически изображена на рис. 8, б [29, 32]. Этот рисунок иллюстрирует предположение о том, что неполярная поверхность вызывает большую стабилизацию структурных форм воды. В отличие от рис. 8, а средняя зона, содержащая р а з у п о р я - доченные молекулы воды, существенно меньше.

В случае полярных и ионизированных групп белка поведение вокруг них молекул воды может быть описано в рамках представ­ лений о гидратации и электрострикцші, т. е. привести к обсуж­ дению достаточно сильных дпполь-дипольиых и ион-дипольных взаимодействий. В случае же неполярных групп белка взаимо­ действие с ними молекул воды осуществляется слабыми ван-дер-

ее к структуре льда, а, следовательно, объем этой структуры дол­ жен быть больше, чем объем обычной воды (чистой фазы).

Изобразим кривые, приведенные на рис. 2 и 3, на одном графи ­ ке и добавим к ним гипотетическую зависимость объема системы,

Существует целый ряд работ [35—38], согласно которым сле ­ дует полагать, что плотность воды, соседствующей с неполярными группами растворенных веществ, близка к плотности обычногольда. Эти данные позволили К л о т ц у [33, 38] предположить, что б л и з л е ж а щ а я к белку вода способна образовывать льдоподобную решетку (рис. 10), которая может разрушиться при изменении бел­ ковой структуры .

К а к мы у ж е отмечали, в настоящее время, по-видимому, не­ существует ни одной модели структуры воды, которая бы не обла^

24

25

в результате специфического сворачивания молекулы белка в ком­ пактную структуру в ней окажутся полости, недоступные д л я мо­ лекул воды, и наличие этих «пустот» скажется на величине к а ж у ­ щегося объема белка.

Переход из одной конформации в другую может сопровождать­ ся изменением соотношения внутри- и межмолекулярных взаимо­ действий и изменением вида этих взаимодействий. Кроме того, в результате такого перехода могут заполниться водой участкипространства, ранее для нее недоступные, или, наоборот, могут образоваться новые безводные полости.

к проявлению объемного эффекта может привести т а к ж е и взаимо­ действие белковых молекул между собой (например, при агрегации, или при золь-гель переходе).

л я р н ы х аминокислотных остатков миоглобпна действительно спря ­ тано внутри, а большинство полярных выставлено н а р у ж у . Ещеранее Во [42, 43] предложил считать объем молекулы белка со­ стоящим из двух частей — внешнего, полярного и внутреннего, неполярного . Эти представления были развиты Фишером [44], который создал теорию зависимости отношения полярной части объема белка к неполярной от полного объема. В результате им бы­ ло показано, что при уменьшении объема молекулы белка содержа­ ние в нем неполярных аминокислотных остатков должно умень­

Фишера служит то, что те белки, которые обладают повышеннымсодержанием неполярных аминокислотных остатков, проявляют тенденцию к агрегации. Этим достигается возможность скрыть неполярные участки за счет межмолекулярных взаимодействий белка. Исследование белков, входящих в состав нуклеопротеидов (вирусов, фагов, рибосом и т. д.), привело к результатам, такжеподтверждающим теорию Фишера [45].

26

СОСТАВНЫЕ ЧАСТЯ ОБЪЕМА РАСТВОРА БЕЛКА

О б ъ ем раствора белка, согласно уравнению (14), составлен из объема растворителя, взятого равным его объему в чистой фазе, я кажущегося объема белка. Введение такого определения пред ­ полагает, что все объемные эффекты в растворах белков необхо­ димо относить за счет белка, что и выражено уравнением (21).

В свою очередь, объем белка т а к ж е может-быть составлен из различных частей. Согласно Козману [40], полный объем белка •определяется несколькими факторами:

1)конститутивным объемом, т. е. объемом всех составляющих молекулу белка атомов;

2)наличием полостей в структуре вследствие неидеальной упаковки атомов;

«читать неполярными [44]. Согласно рис. 11, эти аминокислотные

27

дает точку зрения о том, что плотность воды, соседствующей: с неполярными группами, меньше, чем у воды в чистой фазе [38].

Это, очевидно, легко объяснить гетерогенностью белков, по ­ скольку в природе соединений типа поли-асп или поли-лей, по - видимому, не существует.

Наличие полостей в структуре белка (фактор 2) определяется, тем специфическим типом упаковки, который в данных условиях наиболее энергетически выгоден. Эта упаковка осуществляется в результате образования определенной системы внутримолеку ­ лярных полостей, незанятых растворителем.

Однако структура макромолекулы в растворе стабилизуется; не только внутримолекулярными взаимодействиями, но и взаимо ­ действиями белковых групп с молекулами растворителя, если эти группы не участвуют во внутримолекулярных взаимодействиях. Таким образом, существенную роль в стабилизации играют меж­ молекулярные взаимодействия [49, 50]. Факторы Козмана 3 и 4 как раз и отражают влияние на к а ж у щ и й с я объем белка межмоле­

растворителя. Пр и этом знак соответствующего суммарного объ­ емного эффекта в результате действия этих двух факторов зависитот соотношения числа гидрофильных и гидрофобных групп, обра­ щенных к растворителю.

Следовательно, можно предположить, что объем белка состоит, из двух принципиально разных частей. П е р в а я из них характери ­ зуется постоянной величиной (фактор 1), поскольку дл я ее изме­ нения необходимо изменить состав белка. Вторая (факторы 2—4)ѵ значительно меньшая, чем первая, определяется внутри- и м е ж -

28

<Рг.сн3/г

1

0,30 -

9 9

OSO •

Р и с . И . Величины кажущихся удельных объемов амітокнслотных остатков, располо­ женные в порядке возрастания их мольных весов

1 — аминокислотные" остатки, принимаемые за полярные; г •— неполярные аминокислот­ ные остатки

29