11.Пространственная организация макромолекул.

Структурную основу живого организма составляют макромолекулы и прежде всего важнейшие полимеры – белки и нуклеиновые кислоты.

Полипептид образуется в результате соединения карбоксильной группы СООН одной аминокислоты с аминогруппой NH₂ другой. Пептид образует вторичную структуру – α-спираль: атомы водорода, имеющие избыточный положительный заряд, образуют водородную связь с отрицательно заряженным атомом кислорода в следующем витке спирали. Могут быть образованы параллельные складки, скрепленные водородной связью – β-структура. Третичная структура – упорядоченная в пространстве укладка спирализированных и неспирализированных участков, свободные группы боковых радикалов взаимодействуют между собой за счет водородных, дисульфидных связей. Четвертичная структура – объединение двух или нескольких субъединиц третичной структуры (рис. 3.1).

Доменная структура белка. Если полипептидная цепь белка содержит более 200 аминокислот, как правило, её пространственная структура сформирована в виде двух или более доменов. Домен - участок полипептидной цепи, который в процессе формирования пространственной структуры приобрёл независимо от других участков той же цепи конформацию глобулярного белка. Так, лёгкая цепь иммуноглобулина G состоит из двух доменов. В некоторых случаях доменами называют отдельные структурные участки полипептидной цепи.

Рис. 3.1. Уровни структуры белков: первичная, вторичная, третичная, четвертичная

Первичная структура, или основная последовательность звеньев полимерной цепи (аминокислоты у белков, нуклеотиды у нуклеиновых кислот), определяется химическими или валентными взаимодействиями. Это сильные связи, определяющие цепное строение макромолекулы, соединение друг с другом соответствующих мономеров (аминокислотных остатков, нуклеотидов, гексоз). Они образуются внешними электронами атомов.

Существование и функционирование клеток и органоидов определяется межмолекулярными взаимодействиями невалентного характера, которые дают возможность осуществлять тонкую регуляцию биохимических реакций, трансформации энергии, транспорта электронов и т.д.

Слабые невалентные взаимодействия в биологических системах.

Взаимодействия, ответственные за передачу и рецепцию химических сигналов в биологических системах, — преимущественно слабые, невалентные взаимодействия. Это связано с рядом факторов. Клетка, организм существуют в мягких условиях физиологической температуры и нормального давления. Биохимические процессы реализуют тонкую перестройку химических связей, зачастую не сопровождаемую значительными изменениями свободной энергии, но суммарный вклад слабых взаимодействий в эти изменения может быть соизмерим с «химическим». Вторичная структура макромолекул зависит от слабых невалентных взаимодействий - силы Ван-дер-Ваальса, электростатические и гидрофобные взаимодействия и водородной связи.

1. Взаимодействия Ван-дер-Ваальса имеют электромагнитную природу и определяются взаимодействием электрических диполей. Если у молекулы центр положительного заряда не совпадает с центром отрицательного, то молекула обладает дипольным моментом. Чем больше разделение центров, тем больше дипольный момент.

Дипольный момент выражает распределение электрических зарядов и равен произведению заряда электрона на расстояние: p = l * е (l – расстояние между зарядами). Значения энергии связей в пределах 4-8 кДж/моль (тепловая энергия при комнатной температуре – 48 Дж/моль.град, ковалентные связи – 170-630 кДж/моль).

В зависимости от того как образуется дипольный момент различают три типа сил Ван-дер-Ваальса: ориентационные, индукционные и дисперсионные взаимодействия.

Ориентационные взаимодействия. Полярные молекулы, в которых центры тяжести положительного и отрицательного зарядов не совпадают, например HCl, H₂O, NH₃, ориентируются таким образом, чтобы рядом находились концы с противоположными зарядами (рис. 3.2). Между ними возникает притяжение.

Рис. 3.2. Ориентационные взаимодействия молекул

Энергия взаимодействия двух диполей (с постоянным дипольным моментом) обратно пропорциональна шестой степени расстояния между ними. Для взаимодействия двух диполей энергия притяжения между ними (энергия Кеезома) выражается соотношением:

E_К = −2 μ₁ μ₂ / 4π ε₀ r³,

где μ₁ и μ₂ - дипольные моменты взаимодействующих диполей, r - расстояние между ними.

Притяжение диполь-диполь может осуществляться только тогда, когда энергия притяжения превышает тепловую энергию молекул; обычно это имеет место в твердых и жидких веществах.

Индукционные взаимодействия: если молекула имеет постоянный дипольный момент, то может навести диполь в другой молекуле свои электрическим полем. Поляризуемость – смещение электронной оболочки под действием электрического поля.

Под действием заряженных концов полярной молекулы электронные облака неполярных молекул смещаются в сторону положительного заряда и подальше от отрицательного (рис. 3.3). Неполярная молекула становится полярной, и молекулы начинают притягиваться друг к другу, только намного слабее, чем две полярные молекулы.

Рис. 3.3. Индуцирование дипольного распределения зарядов в неполярной молекуле

Энергия притяжения между постоянным и наведенным диполем (энергия Дебая) определяется выражением:

E_Д = −2 μ_нав² γ / r⁶,

где μ_нав – магнитный момент наведенного диполя. γ – поляризуемость молекулы?

Притяжение постоянного и наведенного диполей обычно очень слабое, оно действует только на очень малых расстояниях между диполями.

Дисперсионные взаимодействия возникают между молекулами, не обладающими постоянным дипольным моментом. «Мгновенный» диполь получается в результате движения электронов; электроны, которые находятся в постоянном движении, на миг могут оказаться окажется сосредоточенными с одной стороны молекулы, то есть неполярная частица станет полярной. Электрическое поле индуцирует дипольный момент в другой молекуле (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Индуцирование дипольного момента «мгновенным» диполем

Энергия такого взаимодействия (энергия Лондона) дается соотношением:

E_Л = −2 μ_мгн² γ² / r⁶,

где μ_мгн - момент мгновенного диполя. γ – поляризуемость молекулы?

Лондоновские силы весьма короткодействующие. Значения энергии такого притяжения зависят размеров от частиц и числа электронов в наведенных диполях.

Эти связи очень слабые - самые слабые из всех межмолекулярных взаимодействий, однако наиболее универсальные, так как возникают между любыми молекулами.

2. Водородные связи стабилизируют вторичную структуру полипептидной цепи. Осуществляется между атомом водорода, который химически связан с одной молекулой и электроотрицательными атомами (О, N, F, Cl) другой молекулы. Электроотрицательный атом должен иметь необобщенную пару электронов. Водородные связи характерны для молекул воды (рис. 3.5).

Основной вклад в энергию связи вносит электростатическое притяжение положительного протона с необобщенными электронами электроотрицательных атомов. Но не сводится только к электростатическому взаимодействию. Это также энергия делокализации двух электронов связи (А-Н) и неподеленной пары электронов другого электроотрицательного атома. В димере муравьиной кислоты расстояние О—Н в гидроксиле равно 0,1 нм, длина водородной связи составляет 0,167 нм. Теплота димеризации муравьиной кислоты 59,22 кДж/моль; следовательно, на энергию одной Н-связи приходится 29,6 кДж/моль (рис. 3.6).

Рис. 3.6. Образование димера муравьиной кислоты

Вторичная структура белков в виде α-спирали и β-складчатого слоя образуется при участии водородных связей

3. А ряд дипольные взаимодействия (электростатические взаимодействия между заряженными и полярными группами) – взаимодействия частично заряженных атомов.

4. Гидрофобные взаимодействия основаны на специфическом отталкивании между неполярными группами и молекулами воды. Молекулы, имеющие полярные и неполярные группы располагаются так, что полярные группы вступают в контакт с водой, а не полярные удаляются из водного окружения. Среди аминокислотных групп белка есть те и другие, поэтому молекула сворачивается так, чтобы гидрофобные остатки контактировали друг с другом.