молек. биофизика укр.презент
.pdf
Стабілізація просторової структури
Ван-дер-Ваальсові взаємодії
Загальна енергія взаємодії атомів називається енергією
Ван-дер-Ваальсових взаємодій і у загальному вигляді описується формулою:
U (r) = Uвідшт.(r) – U прит.(r) = E0 [(r0/r)12 - 2(r0/r)6]
Енергія
відстань
Енергетичний профіль взаємодії двох атомів
Стабілізація просторової структури
Вандер-Ваальсові взаємодії
1. Дисперсійні взаємодії – це взаємодії між нейтральними
атомами або молекулами та їх фрагментами, які не мають постійного дипольного моменту.
Це найбільш поширений вид взаємодії.
Енергія дисперсійних взаємодій записується як:
Wdisp = |
3 |
|
I1I 2 |
α1α 2 |
|
|
I1 + I 2 |
r 6 |
|
2 |
|
|||
де I – потенціали іонізації; α – поляризовність, r – відстань.
Енергія дисперсійних взаємодій складає 4 - 40 кДж/моль.
Стабілізація просторової структури
Природа дисперсійних взаємодій має квантовий характер і є
результатом появи “ миттєвих” диполів, які виникають внаслідок руху електрону в атомах и молекулах, які не мають постійного диполю.
Адитивність – важлива особливість дисперсійнних взаємодій. При одночасної взаємодії декількох атомів або молекул кожен з них індукує на всіх інших миттєві координовані диполі. Якщо фази коливань електронної густини диполів корелюють, то диполі притягуються один до одного. Якщо фази коливань “ миттєвих” диполів не співпадають, вони значно слабше взаємодіють.
Поява дипольного моменту в одному атомі або молекулі призведе до появи електричного поля, яке буде наводити дипольні моменти в атомах і молекулах найближчого оточення.
Інтегрування цих взаємодій по всьому об'єму буде призводити до конденсації речовини.
Стабілізація просторової структури
Стекінг-взаємодії – окремий вид Ван-дер-Ваальсових взаємодій
Стекінг-взаємодії – особливий вид Ван-дер-Ваальсових взаємодій між π – орбіталями циклічних молекулярних структур, який відіграє важливу роль у стабілізації структури нуклеїнових кислот.
Стабілізація просторової структури
2. Диполь-дипольні взаємодії – це орієнтаційні взаємодії між полярними молекулами, які мають постійний дипольний момент.
Полярні молекули у своєму складі мають незаряджені хімічні групи:
- ОН, - NH-, -СO-, -SH та інші.
Енергія диполь-дипольних взаємодій записується як:
|
Wdd = |
1 |
|
μ 2 |
μ 2 |
|
|
|
1 |
2 |
|
|
6πε κ T |
εr6 |
|||
|
|
0 |
0 |
|
|
де |
Т – температура; к0 – |
постійна |
Больцмана, r – відстань, |
||
ε – |
діелектрична проникність, ε0 |
– |
діелектрична проникність у |
||
вакуумі, µ1 і µ2 – дипольні моменти диполів, які взаємодіють.
Енергія диполь-дипольних взаємодій складає 0,4 - 4 кДж/моль.
Стабілізація просторової структури
Електронна структура гліцину
Атом |
Заряд |
+0,046 |
- 0,135 |
|
H |
+0,201 |
|
Hz |
O |
N |
-0,353 |
- 0,353 |
½ |
// |
C |
+0,207 |
¾ N ¾ Ca ¾ C ¾ |
||
O |
-0,135 |
/ |
½ + 0,207 |
|
Hz |
+0,046 |
+0,201 H |
H |
|
Електронна структура найпростішого амінокислотного залишку гліцину демонструє можливість диполь-дипольних взаємодій.
Стабілізація просторової структури
3. Диполь-індуковані взаємодії – це орієнтаційні взаємодії між
полярними і неполярними молекулами.
Полярна молекула, яка має дипольний момент, наводить (індукує ) дипольний момент в іншій молекулі, яка має достатню поляризовність.
Енергія диполь-індукованих взаємодій записується як:
|
1 |
αμ 2 |
|||
|
Wdi = |
|
|
|
|
|
2πε0 |
εr 6 |
|||
де |
|
|
|
|
|
r – |
відстань, |
|
|
|
|
ε0 – |
діелектрична проникність у вакуумі, |
||||
µ – |
дипольний момент молекули індуктора, |
||||
α – |
поляризовність нейтральної молекули. |
||||
Енергія диполь-індукованих взаємодій складає 0,4 - 4 кДж/моль.
Стабілізація просторової структури
Водневі зв'язки
Водневі зв'язки утворюються між такими полярними групами, як – ОН, –NH –, –NH 2, –SH і такими електронегативними атомами,
як О, N, S.
Водневі зв'язки мають чітко направлений характер і на схемах позначаються крапками: 
C
O
H N
Енергія водневих зв'язків становить від 4 до 30 кДж/моль.
Основний внесок в енергію водневих зв'язків дають дисперсійні взаємодії атомів.
Водневі зв'язки експериментально виявляють за допомогою інфрачервоної спектроскопії та протонного магнітного резонансу у вигляді значного розширення спектральних смуг, які відповідають поглинанню ОН-зв'язків .
Стабілізація просторової структури
Водневі зв'язки відіграють важливу роль у стабілізації вторинної структури білків і нуклеїнових кислот.
Стабілізація просторової структури
Гідрофобні взаємодії
З термодинамічної точки зору утворення впорядкованої структури води призводить до зменшення ентропії ( S<0), що призводить до підвищення вільної енергії системи ( G = H – T S). Однак це підвищення компенсується утворенням 3-4 водневих зв'язків, що призводить до зниження вільної енергії системи за рахунок ентальпії ( H < 0). При цьому | H|>|T S| ; G = H – T S < 0. Це зумовлює енергетичну вигідність спонтанного утворення впорядкованої структури води.