Факторы стабилизации макромолекул, надмолекулярных структур и биомембран.

Первичная структура макромолекул определяется, главным образом, химическими (ковалентными) взаимодействиями. В образовании и стабилизации пространственной структуры биополимеров (вторичной, третичной и четвертичной структур) основную роль играют невалентные силы, т.н. слабые взаимодействия.

Ковалентная (химическая) связь образуется электронами, общими для двух атомов. Два общих электрона образуют одинарную связь, четыре электрона образуют двойную связь, а шесть электронов - тройную связь. Если же связывающие электроны не симметрично рас­положены между двумя атомами, то ковалентная связь превращается в так называемую полярную ковалентную связь и молекула становится диполем. Такого типа связи образуют элементы с высокой электроотрицательностью, т.е. такие, которые обладают высоким сродством к электронам. Это сродство выражается в условных единицах. Электроотрицательностью, большей чем 3, обладают Сl, около 1 имеют Na, Mg и другие металлы. Между ними лежат значения для О и N. Если разность электроотрицательностей двух элементов, образующих связь, не превышает 1,7, то связь имеет полярный ковалентный характер. При больших значениях этой разности связи становятся ионными. Все связи могут рассматриваться как ковалентные, поскольку неполярные и ионные связи являются лишь крайними случаями полярных. Для органических соединений характерны ковалентные связи; в качестве примера можно привести пептидные связи первичной структуры белков.

Различные виды слабых взаимодействий, стабилизирующих конформацию макромолекул, можно отнести к одному из 4 типов: электростатические взаимодействия, Ван-дер -Ваальсовы силы, водородная связь, гидрофобные взаимодействия. Рассмотрим природу этих взаимодействий и их вклад в стабилизацию структуры компонентов клетки.

Электростатические взаимодействия в молекулах полимеров возникают между атомами или атомными группами, несущими положительный или отрицательный заряд. Энергия взаимодействия между заряженными группами вычисляется по формуле

U_{эл-стат}= q₁q₂/4pe₀er

где, q_1,q₂ - электрические заряды взаимодействующих групп,

e₀ - электрическая постоянная,

e- диаэлектрическая проницаемость среды.

В белковых молекулах электростатические взаймодействия возникают между ионизированными боковыми группами аминокислот. Так, при нейтральных значениях рН отрицательно зараяжены аспарагиновая и глутаминовая кислоты, а также все С-концевые аминокислотные остатки. Положительный заряд при нейтральных значениях рН имеют боковые группы лизина, аргинина, гистидина и N - концевые аминокислоты. Энергия электростатических взаимодействий в белковой глобуле зависит и от микроокружения заряженных групп. Так, на поверхности белковой молекулы, где e» 80, значение этой энергии ниже, чем внутри белковой молекулы, где e» 2 - 5. Абсолютные значения энергий электростатических взаймодействий в макромолекулах составляют 40 - 400 кДж моль^-1.

Ван-дер-Ваальсовы силы имеют электромагнитную природу и определяются взаймодействием электрических диполей. В отличие от электростатических взаймодействий, Ван-дер-Ваальсовы силы являются близкодействующими и возникают преимущественно между в соседними участками молекул(ы). В зависимости от того, обладают ли взаймодействующие группы постоянными электрическими дипольными моментами или последние возникают вследствие поляризуемости электронных оболочек, существуют различные типы сил Ван-дер-Ваальса.

Дисперсионные взаймодействия наблюдаются между молекулами, не обладающими постоянными дипольными моментами. Основная часть таких взаймодействий обусловлена внешними электронами. Природа дисперсионных взаймодействий имеет квантово - механический характер и является результатом появления “мгновенных” диполей, возникающих при движении электронов в молекулах, не обладающих постоянными дипольными моментами. Энергию дисперсионных взаимодействий рассчитывают по формуле

Uдис = - 3I1I2 a1a2 / 2(I1 + I2) r6

где I1, I2 - ионизационные потенциалы групп,

a1, a2 - поляризуемость групп,

r - расстояние между группами.

Ориентационные взаимодействия возникают между двумя полярными группами с постоянными дипольными моментами (Рис 5.). Энергия этих взаймодействий будет прямо пропорцианально зависеть от произведения дипольных моментов и обратно пропорцианально расстоянию между диполями

U_ор= 2P₁P₂/ 3k₀TR⁶

где, P_1,P₂ - дипольные моменты полярных групп,

k_{0 -} постоянная Больцмана,

Т - температура, г -расстояние между дипольными группами.

Индукционные взаимодействия имеют место в случае, когда молекула с постоянным дипольным моментом P₁ индуцирует дипольный момент P₂ в соседней неполярной группе, если последняя обладает определенной поляризуемостью a. Вследствие этого возникают взаимодействия типа диполь - индуцированный диполь с энергией, которую можно вычислить по следующей формуле

U_инд= - 2a P₁/ r⁶

Смещение электронов в одну сторону при поляризации молекулы постоянным диполем компенсируется их смещением в противоположную сторонуза счет действия такого постоянного диполя по другую сторону молекулы. Если поляризуемая молекула испытывает симметричное влияние большого количества соседних молекул, их результирующее действие в значительной степени компенсируется.

Суммарная энергия Ван-дер-Ваальсового взаимодействия двух молекул (атомных групп) определяется суммой U_дис+ U_ор+ U_инд и составляет 4 - 40 кДж моль^-1. Относительный вклад разных видов Ван-дер-Ваальсовых сил для некоторых групп приведен в таблице 3.

Таблица 3.

Ван-дер-Ваальсовы силы участвуют в формировании многих биологических структур, в частности, двуспиральных молекул нуклеиновых кислот. Упаковка плоских молекул азотистых оснований в вертикальные пачки обеспечивается стэкинг-взаимодействиями, в основном за счет дисперсионных взаймодействий. Так, для стэкинг-взаимодействий пар цитозин -гуанин U_дис = -39,1 кДж моль^-1. Ван-дер-Ваальсовы взаимодействия имеют место и между комплементарными азотистыми основаниями в двойной спирали. Здесь их значение значительно меньше и они играют меньшую роль. Основной вклад в образование горизантальных связей вносит водородная связь. Так, для пары аденин-тимин U_дис = -7,18 кДж моль^-1, U_вод = 19,32 кДж моль^-1.

Водородная связь

Водородная связь образуется между донором А-Н и акцептором А электрона атома водорода. Эта связь осуществляется между полярными группами, содержащими атом водорода (O-H, N-H, F-H, Cl-H) и электроотрицательными атомами (O, N, F, Cl), принадлежащими, как правило, другой молекуле. Основной вклад в природу водородной связи U_водор вносят электростатические взаимодействия U_{эл-стат}, возникающие из-за наличия частичного положительного заряда на атоме водорода и частичного отрицательного заряда на атомах кислорода,азота, фтора или хлора. Кроме этого, в энергию водородной связи вносят вклад Ван-дер-Ваальсовское притяжение и отталкивание, а также энергия делокализации U_делокдвух электронов связи А-Н и неподеленной пары электронов электроотрицательного атома А. Например, для связи О-Н^---- О U_водор= U_{эл-стат}+ U_дисп+ U_делок+ U_отт, что дает соответственно ú -25,2 -12,6 - 33,6 +35,8 ú = - 36,12 кДж моль^-1. Как правило, значение энергии водородной связи в биоструктурах лежат в пределах 10 -30 кДж моль^-1. Водородные связи играют основную роль в стабилизации вторичной структуры белковых молекул (связь между пептидными группами), в организации двойной спирали в молекулах нуклеиновых кислот (связь между комплементарными азотистыми основаниями).