1.2.Конформация биополимеров

1.2.1.Уровни пространственной организации биополимеров

Обычно при рассмотрении пространственной организации биополимеров (белки, нуклеиновые кислоты) выделяют четыре уровня: первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуру. Хотя такое разделение в значительной мере условно, оно весьма полезно для систематизации наших знаний о строении биополимеров.

Первичной структурой (первичной последовательностью) называют порядок, в котором мономерные единицы связаны между собой ковалентными связями.

Вторичная структура. Часто в полимерных цепях содержатся участки, мономерные остатки которых образуют локально упорядоченные трехмерные структуры. Совокупность таких упорядоченных структур называют вторичной структурой биополимера.

Третичная структура биополимера — это полная трехмерная структура одной неделимой структурной единицы.

Четвертичная структура. Многие биополимеры имеют и четвертичную структуру, в которой отдельные структурные единицы, называемые субъединицами, объединены за счет электростатического притяжения, водородных связей и гидрофобных взаимодействий в олигомер. Субъединицы четвертичной структуры могут быть как одинаковыми, так и различными, а расположение их в четвертичной структуре как симметричным, так и асимметричным.

Первичная последовательность (структура) не несет непосредственной информации о пространственном строении (конформации) биополимеров (хотя очевидно, что конформация биополимеров в значительной степени определяется конформационными возможностями составляющих их мономерных единиц). О ней уже было сказано в предыдущем разделе. Ниже мы остановимся только на вторичной, третичной и четвертичной структурах.

Но прежде, чем перейти к рассмотрению пространственного строения биополимеров следует познакомиться с силами, стабилизирующими пространственную структуру биополимеров.

1.2.2.Силы, стабилизирующие пространственную структуру биополимеров

Конформационные возможности биополимеров несравненно богаче конформационных возможностей небольших молекул. Так, нуклеозиды могут существовать в виде 12 конформеров (см. Раздел Error: Reference source not found), так что даже если считать, что все конформеры обладают одинаковой энергией, доля активного конформера, выполняющего некую биологическую функцию, будет не меньше 8% (на самом деле значительно больше, поскольку биологически активным является, как правило, самый стабильный конформер). Таким образом, наличие конформационного равновесия не может помешать небольшой молекуле выполнять ее биологическую функцию. Иначе обстоит дело с биополимерами. В полипептидной цепи вращение возможно вокруг двух связей каждого аминокислотного остатка — связи между карбоксильным углеродом и углеродом (C^к–C^) и между ‑углеродом и аминым азотом (C^–N). Как было показано выше (см. Раздел 1.1.1) вращение вокруг пептидной связи сильно затруднено, а сама пептидная группа существует в анти-конформации. Количество конформаций полипептидной цепи будет равно 3^2N  10^N, где N — число аминокислотных остатков. Даже для относительно небольшого белка из 100 аминокислотных остатков число возможных конформаций пептидного остова равно приблизительно 10¹⁰⁰. Число это невообразимо велико. Оно не только больше числа всех молекул в отдельной клетке или в отдельном организме. Оно невообразимо больше числа всех молекул в земной биосфере. Другими словами, если бы все эти конформации обладали одинаковой энергией, то во всей биосфере в какой-то момент времени могло не оказаться ни одной молекулы белка, обладающей биологически активной конформацией. Таким образом, если отсутствие определенной структуры даже у сложной мономерной молекулы не препятствует ее биологической функции, то в случае биополимеров отсутствие определенной структуры делает в принципе невозможным выполнение ими биологической функции.

Какие же силы «организуют» пространственную структуру биополимеров и удерживают ее в стабильном состоянии? Как ни странно, это очень слабые взаимодействия, энергия которых на два–три порядка меньше энергии ковалентных связей. Они действуют между отдельными атомами или небольшими группами атомов. Огромное число атомов в молекуле биополимера приводит к тому, что суммарная энергия этих слабых взаимодействий становится сравнимой с энергией ковалентного связывания.

Рис. 3.8. Схематическая зависимость энергии ван-дер-ваальсовых взаимодействий от расстояния между центрами несвязанных атомов.

Рассмотрим основные виды нековалентных взаимодействий.

1. Электростатические взаимодействия. В белках возникновение электростатических взаимодействий обусловлено присутствием аминокислотных остатков, в боковых радикалах которых находятся группы, несущие при рН близких к нейтральным либо положительный (лизин и аргинин), либо отрицательный (аспарагиновая и глутаминовая кислоты) заряд. Среди различных видов нековалентных взаимодействий они обладают наибольшей энергией взаимодействия. На близких расстояниях (несколько Å) энергия кулоновского взаимодействия сравнима с энергией ковалентной связи. Кроме того, электростатические взаимодействия наиболее «дальнодействующие» из всех видов нековалентных взаимодействий (обратно пропорциональны лишь второй степени расстояния между ионами). Тем не менее, их вклад в общую энергию стабилизации пространственной структуры белка, как правило, относительно невелик, что связано с небольшим числом заряженных остатков в молекуле. В нуклеиновых кислота, которые являются полианионом, кулоновское отталкивание отрицательных зарядов повышает энергию структуры. Электростатические взаимодействия ненаправлены и ненасыщаемы.

2. Водородные связи. В противоположность электростатическим взаимодействиям, водородные связи направлены и насыщаемы. Энергия водородных связей на порядок меньше энергии ковалентных (2–10 ккал/моль). Они образуются между атомом водорода, связанным с атомом более электроотрицательным, чем углерод (донор), и атомом, несущим свободную электронную пару (акцептор). В качестве донора и акцептора выступают одни и те же атомы — азот, кислород, галоиды, сера. Расстояние между донором и акцептором составляет 2.8–3.0 Å. Природа водородной связи довольно сложна, упрощенно ее можно представить как нечто среднее между кулоновским взаимодействием и донорно-акцепторной связью:

3. Ван-дер-ваальсовы взаимодействия. Эти взаимодействия возникают за счет притяжения постоянных (ориентационные взаимодействия), наведенных (индукционные взаимодействия) и виртуальных (дисперсионные взаимодействия) диполей. Их характерной чертой является уменьшение энергии взаимодействия пропорционально шестой степени расстояния между взаимодействующими частицами. Энергия ван-дер-ваальсовых взаимодействий на порядок меньше энергии водородного связывания. Зависимость энергии ван-дер-ваальсовых взаимодействий схематически представлена на Рис. 3 .8.

Табл. 3.1. Значения ковалентных и ван-дер-ваальсовых радиусов основных биогенных атомов

Атом	Ковалентный радиус, Å	Ван-дер-ваальсов радиус, Å
H	0.28	1.2
Cl	0.99	1.8
C	0.77	0.17
N	0.73	0.15
O	0.74	0.14
S	1.03	1.8
P	1.1	1.9

Поскольку энергия отталкивания возрастает чрезвычайно резко, атомы разумно рассматривать как упругие сферы с радиусами, сумма которых соответствует r_o (ван-дер-ваальсовых радиусов). Ван-дер-ваальсовы радиусы приблизительно вдвое больше ковалентных. В Табл. 3 .1 приведены значения ковалентных и ван-дер-ваальсовых радиусов некоторых атомов.

4. Гидрофобные взаимодействия. Прежде, чем рассмотреть природу гидрофобных взаимодействий, необходимо ввести понятия гидрофобных (и гидрофильных) функциональных групп и соединений. Сами названия указывают на то, что эти понятия относятся к водным растворам. Группы, которые могут образовывать водородные связи с молекулами воды, называются гидрофильными. Поскольку молекула воды может выступать как в роли донора водорода, так и в роли акцептора водорода, гидрофильными являются группы, имеющие либо «кислый» водород (водород, соединенный с атомом, более электроотрицательным, чем углерод), либо атомы с пеподеленной электронной парой. К таким группам относятся окси- и аминогруппы, карбонильная, карбоксильная, амидная группы и т.п. Молекулы или части молекулы не способные образовывать водородные связи с водой называются гидрофобными. К гидрофобным группам относятся алкильные и арильные (ароматические) радикалы. Как правило, гидрофильные соединения хорошо растворимы в воде, а гидрофобные — либо плохо, либо вовсе нерастворимы.

Экспериментально известно, что гидрофобные молекулы (например, бензол), будучи растворены в воде, «слипаются» в конгломераты. Физические модели, объясняющие этот экспериментальный факт, достаточно сложны и не буду здесь на них останавливаться. Скажу только, что энергия системы вода+гидрофобные молекулы понижается при уменьшении поверхности контакта воды с гидрофобными группами. Это явление принято называть гидрофобным взаимодействием.

Нековалентные взаимодействия, рассмотренные выше, в пределах каждой молекулы биополимера обеспечивают необходимую для ее функционирования пространственную структуру, обеспечивают надмолекулярную организацию биополимеров и важнейший этап их функционирования — «узнавание» ими своих партнеров.

5. Дисульфидные сшивки (S–S-мостики). В случае белков в стабилизации третичной структуры очень важную роль играют дисульфидные сшивки, образующиеся между сближенными в пространстве остатками цистеина:

S–S-Мостики образуются уже при действии растворенного в воде кислорода воздуха; для их восстановления обычно используют меркаптоэтанол, C₂H₅SH.