книги из ГПНТБ / Дашевский, В. Г. Конформации органических молекул

и пролин, в котором этот радикал входит в циклическ ую группировку

-СООН

Глицин оставляет пептидную цепь симметричной, и, как для полимеров с симметричными R (см. гл. 7), конформационная кар­ та глицинового дипептида (или молекулы метиламида N-ацетил-

щая атом О3, и этот атом углерода в радикале R единственный. Конформационная карта аланина не должна иметь элементов сим­ метрии, а конформационная свобода соответствующего дипептида благодаря введению группы СН3 вместо водорода существенно ограничена по сравнению с глициновым аналогом. Конформацион­ ная свобода уменьшается с увеличением объема группы R и, ве­ роятно, должна быть наименьшей для массивного радикала вали­ на. Другие обычные аминокислоты в этом смысле занимают про­ межуточное положение, напоминая скорее аланин, и только изо­ лейцин является аналогом валина. Наконец, пролин, а также оксипролин, благодаря встраиванию в пептидную цепь цикли­ ческой группировки, занимают особое положение — их конфор­ мации характеризуются только одним углом вращения — углом ф.

В дипептидах могут возникать как развернутые (без водород­ ных связей), так и свернутые формы. Одна из свернутых форм — форма Мидзусима (УИ) соответствует образованию водородной свя­ зи N—Н --02=С2 [индексы (2) означают, что эти атомы принадле­ жат второму пептидному звену, считая с N-конца] и характери­ зуется углами ф = —60°, ф == 60°. Другая свернутая форма — форма Хаггинса (Я) имеет ту же водородную связь, но углы +60° и —60°. Свернутые формы обычно выгоднее по энтальпии (особен­ но в органических растворителях), но проигрывают в энтропии (область, допустимая для образования водородных связей, весь­ ма мала), и, как показывает опыт, в неполярных растворителях они чаще всего находятся в равновесии с развернутыми формами (в полярных растворителях доля их ничтожна, поскольку водо­ родные связи в этом случае ослабляются). Конформации, соответ­ ствующие свернутым формам дипептидов, встречаются в поли­ пептидах и белках крайне редко, и, следовательно, основное вни­ мание надо обратить на развернутые формы.

Производные глицина

На рис. 8.2 приведена конформационная карта метиламида N-ацетилглицина, построенная с использованием допустимых меж­ атомных контактов Рамачандрана (см. стр. 108) и параметров По­ линга — Кори (см. стр. 361). Полностью разрешенные области охватывают 45% всего пространства карты, в экстремальные пре-

делы попадает 61%. Почти все точки, соответствующие остаткам глицина в составе пептидов, как мы видим, хорошо ложатся в эти области (особенно в экстремальную область).

% ерид

На рис. 8.3 приведена конформационная карта метиламида N- ацетилглицина [47], рассчитанная с использованием атом-атом по­ тенциалов. При построении этой карты вместо параметров Полин­

но, вполне допустима (на карте Рамачандрана эта область запре­ щена, однако в ней находятся некоторые экспериментальные точ­ ки). Пространство, ограниченное контуром в 1 ккал/моль, зани­ мает 60% карты, тогда как область, заключенная в экстремаль­ ных границах, охватывает 61% всего пространства (ср, ф). Наи­ меньшую энергию имеют свернутые формы, которые для данного

372

производного глицина симметричны. Разумеется, если бы водо­ родная связь не учитывалась в расчете, не было бы и минимумов, соответствующих свернутым формам.

Производные аланина

Рассмотрим конформационную карту метиламида 1М-ацетил-/.-ала- нина. На рис. 8.4 показаны нормальные и экстремальные границы Рамачандрана и контуры потенциальной энергии, проведенные

тура коллагена. Наконец, частично разрешенной оказывается и область л с е о й а-спирали L. Именно благодаря асимметрии ами­ нокислотных остатков, как видно из рис. 8.4, правая а-спираль оказывается выгоднее левой, что подтверждается многочисленны­ ми экспериментальными данными. Разумеется, для D-аминокис- лотных остатков (во всяком случае, содержащих неполярные группы R, как аланин) левые спирали были бы выгоднее.

На рис. 8.5 приведена конформационная карта метиламида Ы-ацетил-А-аланина, построенная с потенциалами Дашевского и по­ тенциалом Морзе для водородной связи (с глубиной потенциальной ямы 4 ккал/моль). Наряду с рассмотренными тремя областями мы видим две свернутые формы, одна из которых (М ) находится на границе области В, другая (Я) попадает в абсолютно запрещен­ ную область. Благодаря деформациям валентных углов и образо­ ванию водородной связи в неполярных растворителях, эта кон­

373

формация становится все же возможной; ее наличие подтверждает­ ся экспериментом [51].

Карта, приведенная на рис. 8.5, показывает, что форма R име­ ет чуть меньшую энергию, чем форма В (глобальный минимум по­ мечен крестиком). Поскольку площадь области В больше, то эти две формы можно полагать равновероятными. Становится понят­ ным, почему они с примерно одинаковой частотой встречаются в полипептидах и белках.

Аналогичную карту для того же соединения построили Флори и сотр. [52; 53, р. 339], используя свои потенциалы (см. раздел 3 гл. 2),— на их карте глобальному минимуму также соответствует

трех растворителей: СС1^, СНС1Я и Н20. Такая процедура, ко­ нечно, не имеет ясного физического смысла, поскольку атомы растворителя не учитываются непосредственно, однако она по­ лезна для объяснения и предсказания ряда опытных данных.

Производные валина

Остатки валина и изолейцина в большей степени, чем остатки ка­ ких-либо других аминокислот, ограничивают свободу вращения пептидной цепи, поскольку разветвление бокового радикала на­ чинается уже у атома С£ (в этом смысле их интересно сравнить с изотактическими полимерами, у которых ветвление начинается с первого атома боковой цепи, и в результате пространственных

374

затруднений макромолекула приобретает в кристалле конформа­

цию со спиралью типа 4Х).

В работе [9] были найдены разрешенные и запрещенные обла­ сти конформационной карты метиламидов различных N-ацетил- аминокислот, в том числе и валина (рис. 8.6). Пространство, зани­ маемое на этой карте валином (или изолейцином), совсем мало. Все остальные остатки находятся в промежуточном положении по. отношению к аланину и валину, однако, как видно из рис. 8.6, они гораздо больше напоминают аланин: причина очевидна — отсутствие разветвления у атома Ср.

не заштрихованы запрещенные области; конформации в областях от / до 4 разрешены для остатков глицина, в областях от 2 до 4 — для остат­ ков аланина, в областях 3 и 4 разрешены конформации остатков дру­

гих аминокислот, содержащих атом С^, и в области 4 — разрешены

конформации остатков валина и изолейцина. Кружками отмечены области Я и L, соответствующие стандартным а-спиралям [55].

На рис. 8.7 приведена конформационная карта метиламида ]Ч-ацетил-/,-валина, рассчитанная с потенциалами Дашевского без учета электростатической составляющей. Отметим, как и преж­ де, пять конформаций: R, В, L, М и Н. Интересно, что как здесь, так и в метиламиде Ы-ацетил-/.-аланина форма В не имеет своего минимума — из любой точки, принадлежащей области В, поиск минимума приводит в точку, соответствующую конформации М. Энергии форм R и В примерно равны, а учет электростатических взаимодействий мог бы привести к понижению энергии формы В.

Важно отметить, что не только электростатическая энергия, но и свобода движения боковых радикалов влияет на относитель­ ную стабильность различных конформаций. Большая свобода дви­ жений группы R соответствует большей энтропии, а следователь­ но, выигрышу свободной энергии. С. Г. Галактионов, рассчитав свободную энергию бокового радикала валина (по формуле — RTlnZ, где Z — статистическая сумма) при всех значениях (ф, ф)

375

конформационной карты, на­ шел, что свобода движений в конформации R ограниче­ на, тогда как в конформации В она велика, и это дает выигрыш свободной энергии формы В около 0,5 ккал/моль [19]. Ктакому же выводу, хо­ тя и несколько другим путем, пришли Шерага и сотр. [12], рассматривавшие полипептид поли-Б-валин. Большая ста­ бильность формы В позволя­ ет понять, почему поли-L- валин существует в растя­ нутой конформации. Однако в белках, благодаря неболь­ шой разнице энергий форм R и В, валиновый остаток мо­ жет легко встраиваться в спираль.

Итак, большинство ами­ нокислотных остатков в со­ ставе пептида в смысле огра­ ничения свободы пептидной цепи (но не по относительной стабильности тех или иных конформаций) подобны остат­ ку аланина. Действительно, детальное исследование кон­ формаций метиламида N-аце- тил-Б-фенилаланина, прове­ денное в работе [56], это наглядно демонстрирует. Карта, приведенная на рис. 8.8, построена таким обра­ зом, что каждой ее точке со­ ответствует оптимальная кон­ формация боковой группы R (из девяти возможных кон­ формаций, отвечающих ло­ кальным минимумам, в каж­

дом случае выбиралась оптимальная). В расчете использова­ ны параметры, предназначенные для водных растворов, т. е. е == = 10 и D = 0,5 ккал/моль. Сходство этой карты с картой, пока­ занной на рис. 8.5 (если в последней не принимать во внимание положения свернутых форм), очевидно. Совершенно аналогичными должны быть карты метиламидов Ы-ацетил-Б-тирозина и, вероят-

376

но, N-ацетилтриптофана. К сожалению, трудно сказать что-либо об относительной стабильности форм R и В различных дипепти­ дов: как уже указывалось, не только параметризация, но и учет свободы движений боковой группы Я здесь играют определенную роль.

Производные пролина

В пролине вращение вокруг связи N—С“ невозможно, и единст­

венным конформационным параметром является угол С“ — С'. График зависимости энергии от ф для метиламида N-ацетил-/.- пролина (рис. 8.9) выявляет две потенциальные ямы, одна из ко­ торых соответствует развернутой форме (ф = —48°), а другая — свернутой форме (ф = + 86°). Двугранный угол ф равен при этом

Рис. 8.9. Зависимость конфор- *= мационной энергии метиламиfc? да 1У-ацетил-/.-пролина от уг­ ла ф [47].

(в обоих случаях) примерно —60°. В данной молекуле свернутая форма выгоднее (разумеется, в неполярных растворителях), но в полипептидах и белках реализуются, конечно, развернутые фор­ мы.

** *

Рассматривая конформации дипептидов, мы детально остано­ вились лишь на производных четырех аминокислот — глицина, аланина, валина и пролина — и, ограничившись конформационной картой метиламида 1М-ацетил-.£.-фенилаланина, попытались заключить, что конформационные возможности других остатков близки к аланину. Хотя, грубо говоря, это действительно так, что­ бы получить надежный «конформационный код» белка, имеет смысл столь же детально изучить конформации других остатков, ибо электростатические взаимодействия и свобода движения боко­ вых радикалов в большой степени зависят от природы самого ра­ дикала. В этом направлении уже немало сделано, в особенности индийскими авторами [57—60] и группой С. Г. Галактионова [61, с. 61], и можно считать, что на сегодня конформации всех остатков обычных аминокислот теоретически исследованы с до­ статочной полнотой. При этом, поскольку различные авторы ра­

377

ботали с разными параметрами потенциальных функций, можно говорить о большей или меньшей объективности тех или иных ре­ зультатов.

Несколько слов следует сказать и о квантово-механических расчетах конформаций модельных соединений дипептидов. Конформационные карты, полученные расширенным методом Хюккеля 162], методом ППДП/2 [63] и методом PCILO [64—68], в основном подтверждают результаты эмпирических расчетов, хотя в неко­ торых случаях имеются большие или меньшие различия. На рис. 8.10 приведена конформационная карта метиламида N-аце- тил-Е-аланина, полученная Мегре, Пюлльманом и Дрейфусом ме­ тодом PCILO [64]. Наиболее глубокие минимумы этой карты со-

Рис. 8.10. Конформационная карта метиламида N-ацетил- L-аланина, рассчитанная методом PCILO (эквипотенциали проведены с интервалом 1 ккал/моль) [69].

Метильная группа при атоме С' находится в скрещенной форме по от­

ношению к связям при атоме С .

ответствуют свернутым формам, близким к М и Н, впервые обна­ руженным теоретически Е. М. Поповым и д'р. [47]. Действительно, такие конформации являются оптимальными, если проводить рас­ четы с эмпирическими потенциалами водородных связей. Полуэмпирический метод PCILO, очевидно, автоматически учитывает воз­ можность образования водородной связи. Менее глубокий мини­ мум (2 ккал/моль) соответствует полностью растянутой форме.

378

Хотя в целом эта карта согласуется с результатами эмпирических расчетов, отсутствие минимума в области R представляется не вполне удовлетворительным. Кроме того, эта карта несколько «жестче», чем карта, показанная на рис. 8.5, и потому большое чис­ ло точек, отвечающих конформациям дипептидных фрагментов в белках (см. раздел 4) оказывается в не вполне благоприятной об­ ласти. В связи с этим проблема параметризации полуэмпирических методов и, в частности, метода PCILO требует дальнейшего изучения.

3. КОНФОРМАЦИИ ОЛИГО- И ПОЛИПЕПТИДОВ

Регулярные полипептиды

С теоретической точки зрения кристаллические регулярные поли­ пептиды представляют собой весьма простые системы. Действи­ тельно, углы ср и ф должны повторяться при переходе от одной пептидной единицы к последующей, и в этом случае мы имеем де­ ло с задачами, обсуждавшимися в разделе 1 гл. 7. В то же время изучение полипептидов полезно в том отношении, что позволяет объяснить геометрию отдельных участков глобулярных белков — участков, состоящих из спиралей или растянутых (3-структур.

Спирали полипептидов детально изучены экспериментально и на моделях, и теперь уже полностью ясны стереохимические усло­ вия образования водородных связей в них [16, 691. Не останавли­ ваясь на обсуждении этих условий, отметим три достоверно уста­ новленных факта. (1). Водородные связиС =0---Н —N могут воз­ никать только в том случае, если группа СО находится ближе к N-концу пептида, чем группа NH (образование связей в противо­ положном направлении невозможно). (2). Если пронумеровать остатки, то водородные связи могут возникать между остатками типа 1 и 3, 1 и 4 и 1 и 5 (спираль с водородными связями 1 и 6 пред­ сказывалась [16J, но не была обнаружена). (3). Структуры поли­ пептидов могут стабилизироваться межмолекулярными водород­ ными связями, в частности (3-структуры и многотяжевые спирали существуют благодаря межмолекулярным взаимодействиям.

Основные черты конформационных карт дипептидов справед­ ливы и для полимеров; разница состоит только в том, что благода­ ря взаимодействию пептидных единиц, находящихся в соседних витках спирали, разрешенные области несколько уменьшаются, а энергетические контуры сужаются. На рис. 8.11 приведена конформационная карта поли-Е-аланина [16]. Сравнение ее с картой метиламида ЛЕацетил-Е-аланина (см. рис. 8.4) показывает, что границы областей резко сузились, в особенности для форм R и Е; более того, полностью разрешенная область R состоит теперь уже из двух частей, и только область В осталась практически не­ изменной. Последнее легко понять, ибо в области В соседние пеп­ тидные единицы максимально удалены. Как и в случае дипептид­

379

ных фрагментов, закономерности, наблюдающиеся на конформационной карте поли-£-аланина, являются общими для всех по­ липептидов с остатками, содержащими атомы Ср.

Самые глубокие минимумы конформационной карты поли-L- аланина соответствуют правой и левой а-спиралям. По оценкам всех авторов, независимо от того, учитывали они водородные свя­ зи или нет, правая а-спираль стабильнее левой, и это подтверж­ дается данными дисперсии оптического вращения. Шерага [34]

V, град

Рис. 8.11. Конформационная карта поли-£-аланина.

Указаны разрешенные (сплошные линии) и частично разрешенные области (пунктирные линии), контуры потенциальной энергии проведе­ ны с интервалами 1 ккал/моль [16].

Другие полипептиды, очевидно, могут существовать в одной из трех конформаций — правой или левой а-спирали или [3-струк- туре. Выбор той или иной структуры определяется в первую оче­ редь природой бокового радикала R, а в некоторых случаях — температурными условиями и природой растворителя. Большую роль в стабилизации структуры играют электростатические взаи­ модействия, особенно тогда, когда взаимодействия несвязанных атомов не обеспечивают превосходства какой-либо структуры и под влиянием внешних условий может происходить перестройка типа спирали. Так, поли-Б-валин существует в виде p-структуры [70], в которой свобода движений бокового радикала максималь­ на, однако при определенных условиях он может переходить в правую а-спираль [71].

380