Водородные связи

Несмотря на то, что многие субстраты не имеют заряда, они связываются с ферментами с высокой степенью специфичности и сродства. Основной вид взаимодействия таких субстратов, а также большинства заряженных субстратов с ферментами – это образование водородных связей. В водород­ной связи атом водорода связан сразу с двумя другими атомами. Тот атом, с которым водород связан более прочно, называют донором водорода, тогда как второй атом – акцептором водорода. По существу водородную связь можно рассматривать как промежуточное взаимодействие, возникающее при переносе протона от кислоты к основанию. Атом-акцептор должен иметь частичный отрицательный заряд, который и притягивает водород.

При образовании водородных связей в биологических системах атомами-донорами служат атомы азота или кислорода, ковалентно связанные с атомом водорода. Роль атомов-акцепторов выполняют кислород или азот. Типы водородных связей и их длины приведены в табл. 3.1.2. Энергия связей колеблется от примерно 3 до 7 ккал/моль.

Таблица 3.1.2

Типичные размеры водородных связей

Связь	Длина, нм
О – Н …О	0,270нм
О – Н …О─	0,263нм
О – Н … N	0,288нм
N – H … O	0,304нм
N+ – H … O	0,293нм
N – H … N	0,310нм

Водородные связи прочнее, чем связи, обусловленные вандерваальсовыми взаимодействиями, но значительно слабее, чем ковалентные связи. Важная особенность водородных связей состоит в том, что их энергия зависит от геометрии. Водородная связь оказывается наиболее сильной, если донор, водород и акцептор лежат на одной прямой. Если же атом-акцептор расположен под углом по отношению к линии, соединяющей атом-донор и водород, то связь будет тем слабее, чем больше этот угол:

Роль водородных связей во взаимодействии субстрата с ферментом хорошо видна на примере связывания уридинсодержащей части субстрата с панкреатической рибонуклеазой – ферментом, расщепляющим рибонуклеиновую кислоту (рис. 3.1.1).

Рис. 3.1.1. Образование водородных связей при связывании субстрата рибонуклеазой

В этом случае образуются три водородные связи:

1. Одна из С=О-групп уридинового кольца соединена водородной связью с N-Н-группой пептидной цепи;

2. N–Н-группа уридинового кольца соединена водородной связью с

–ОН-группой остатка треонина;

3. Другая С=О-группа уридинового кольца соединена водородной связью с –ОН-группой остатка серина.

Вандерваальсовы взаимодействия

Если два каких-либо атома находятся на расстоянии 0,3-0,4 нм друг от друга, то между ними возникает неспецифическое притяжение. Такое притяжение, называемое вандерваальсовым взаимодействием, менее специфично и значительно слабее, чем электростатические взаимодействия или водородные связи, однако оно имеет не менее важное значение в биологических системах. В основе возникновения вандерваальсовых взаимодействий лежит тот факт, что распределение электронного заряда вокруг атома меняется во времени. В любой взятый момент времени распределение заряда не является полностью симметричным. Эта преходящая асимметрия электронного заряда одного атома вызывает изменение распределения электронов вокруг соседних атомов. По мере сближения двух атомов до так называемого расстояния вандерваальсова контакта сила притяжения между ними возрастает (рис. 3.1.2).

Рис. 3.1.2. Энергия связей, обусловленных вандерваальсовыми взаимодействиями, как функция расстояния между двумя атомами

На расстоянии, более коротком, чем контактное, начинают преобладать очень большие силы отталкивания, поскольку происходит перекрывание двух внешних электронных облаков. Контактное расстояние между атомами кислорода и углерода, например, составляет 0,34 нм, то есть сумму контактных радиусов атома О (0,14 нм) и С (0,2 нм).

Энергия связи двух атомов, обусловленной вандерваальсовыми взаимодействиями значительно меньше энергии водородных связей, а также связи, возникающей под влиянием электростатических сил.

Нужно отметить, что одно отдельно взятое вандерваальсово взаимодействие имеет очень небольшое значение: сила возникающей связи едва превышает среднюю тепловую энергию молекул при комнатной температуре. Вандерваальсовы взаимодействия приобретают большое значение только при одновременном сближении множества атомов субстрата с множеством атомов фермента. Эффективное вандерваальсово взаимодействие между субстратом и ферментом возможно лишь при наличии стерической комплементарности. Следовательно, хотякаждое отдельно взятое вандерваальсово взаимодействие неспецифично, специфичность возникает при одновременном образовании большого числа вандерваальсовых связей. Нужно отметить, что отталкивание, возникающее при сближении двух атомов на расстояние меньше вандерваальсова кон­тактного, столь же необходимо для создания специфичности взаимодействия, как и притяжение.