ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Полипептиды, полимерные мыла, белки, нуклеиновые кислоты из "Химия полимеров" В предыдущем разделе было рассмотрено влияние электростатических сил на поведение гибких макроионов или макромолекул полиэлектролитов. В растворе таких макроионов или макромолекул между всеми возможными конформациями существует динамическое равновесие, и любое изменение электростатических сил немедленно производит соответствующее действие, заключающееся в сдвиге равновесия в пользу конформаций, имеющих более низкую свободную энергию. [c.576] В этом разделе мы будем рассматривать влияние электростатических сил на поведение тех макроионов или макромолекул полиэлектролитов, которые в отсутствие таких сил имели бы одну специфическую предпочтительную конформацию. (Большинство макромолекул, отнесенных в разделе 7 к этому классу, т. е. белки, нуклеиновые кислоты и вирусы в действительности являются полиамфолитами.) Когда такие молекулы приобретают заряд, то, как и в случае гибких макроионов полиэлектролитов, развернутая конформация, в которой заряды расположены дальше друг от друга, будет отвечать меньшему значению электростатической свободной энергии, чем конформация компактно свернутой цепи, в которой заряды находятся близко друг от друга. (Такое возможное уменьшение величины можно проиллюстрировать, например, сравнивая значения приведенные в табл. 30 для компактного белкового иона, со значениями, приведенными в табл. 31 для иона того же молекулярного веса с тем же зарядом, имеющего развернутую конформацию и вдвое больший радиус.) Единственным исключением из этого общего правила являются полиамфолиты, находящиеся в изоэлектрическом состоянии или вблизи него, когда наличие равного-количества положительных и отрицательных зарядов, конечно, способствует принятию компактной конформации точно так же, как и в случае гибких макроионов полиамфолитов, которые в этих условиях стремятся сократиться, а не развернуться. [c.576] Для расчета соответствующей величины которую будет иметь этот макроион в конформации хаотического клубка, воспользуемся уравнением Германса—Овербика [уравнение (26-56)] напомним, что это уравнение можно рассматривать только как грубое приближение. Предположим, что 7 в этом уравнении эквивалентно Яд, и вычислим последнюю величину по характеристической вязкости (35 см 1г), которую имеет полиион в гибкой форме (см. рис. 151). Пользуясь уравнением (23-5), мы находим, что 0=67,5 А и, следовательно, ,- =26 ООО кал моль. [c.579] Вполне вероятно, что изменение свободной энергии, приходящееся на пептидную группу, в этой реакции составляет приблизительно 500 тл. Эго возможно, в частности, потому что растворителем в данном случае является смесь диоксана с водой, в которой АР реакции будет несколько выше, чем просто в воде. [c.580] Изменение свободной энергии порядка 500 тл на связь, конечно, отображает сложное кооперативное явление, в котором участвует вся спираль. Изменение свободной энергии определяется относительными величинами энергий различных водородных связей, разностью энтропий жесткой и гибкой полипептидной цепи и уменьшением энтропии молекул воды, присоединяющихся к СО- или МН-группам. Ряд теоретических и экспериментальных методов подхода к этой проблеме указывает, что для всех (кроме очень коротких) полипептидных цепей составляет примерно нескольких сотен калорий на мономерное звено и не зависит от полной длины цепи. [c.580] Наконец, следует подчеркнуть, что приведенные выше расчеты надо рассматривать как грубое приближение. Например, не принималось во внимание явление частичной нейтрализации заряда противоионами. Однако уравнения (26-43) и (26-56) сами по себе настолько приближенные, что повышение качества расчетов не может быть оправдано. [c.580] Эти соединения являются сильными электролитами, и они были приготовлены в форме бромистых солей. [c.581] Полимерные мыла интересны тем, что их макромолекулы в водных растворах должны стремиться к образованию внутримолекулярных гидрофобных связей, как это рассмотрено на стр. 154. Связи такого типа образуются вследствие того, что боковые цепи, подобные С гИзз в мономерном звене В, могут разместиться в водной среде только за счет значительного увеличения свободной энергии системы, вызываемого разрушением структуры растворителя и образованием поверхности раздела фаз между углеводородом и водой. Таким образом, образование внутримолекулярной мицеллы, из которой исключен растворитель, является предпочтительным. [c.581] Положительно заряженные четвертичные атомы азота остаются снаружи, в соприкосновении с растворителем, или, если они нейтрализованы путем образования ионной пары Вг , могут включаться в мицеллу. Часть их, достаточная для того, чтобы покрыть внешнюю поверхность, всегда будет находиться снаружи. [c.581] состоящие полностью из мономера А, ведут себя, как типич-ице полиэлектролиты, т. е. обладают высокой характеристической вязкостью, которая понижается при увеличении ионной силы, (На рисунке приведены данные только для одного значения ионной силы.) В этом случае не проводились опыты с растворами, имеющими достаточно высокую ионную силу и приближающимися к идеальным, но предельная минимальная идеальная характеристическая вязкость была оценена на основании данных, полученных для подобных полимеров она оказалась равной 112 сж /г, в случае же раствора с ионной силой 0,0226 эта величина составляет 500 ог /г. При замене мономерных звеньев типа А мономерными звеньями типа В происходит очень сильное уменьшение вязкости, и когда количество звеньев типа В составляет 28,5%, характеристическая вязкость достигает своего минимального значения, равного 4 см г. При сравнении табл. 21 и 27 видно, что это значение [г)] имеет тот же порядок величины, что и соответствующие значения, наблюдаемые для глобулярных белков и кристаллических вирусов. Растворенные макроионы должны быть чрезвычайно компактными, причем внутри их клубков должно быть очень мало растворителя. [c.582] В связи с этим интересно, что минимально допустимые размеры компактного макроиона полимерного мыла, основанные на значениях [т)], независимо от выбора модели—эллипсоидальной или сферической, должны быть больше, чем длина двух полностью вытянутых С аНод-групп . Поэтому Ы -заряды должны находиться внутри мицеллы, и так как заряды обязательно должны быть нейтрализованы, то это обусловливает дальнейшие ограничения возможного количества свободных зарядов. [c.583] Принимая в качестве максимального количества свободных зарядов значение 2=6000, мы получим для полииона, содержащего 28,5% мономера типа В, молекулярный вес, равный 4-10 , включая сюда вес 12 000 ионов Вг . Радиус соответствующей сферы [уравнение (23-3)] равен 140 А. Считая, что сфера непроницаема, мы можем с помощью уравнения (26-30) рассчитать причем при ионной силе 0,0226 117 , получается равной 7,6-10 кал]моль. [c.583] ВЯЗКОСТИ, равном 500 M jz. Пользуясь этим значением для R . в уравнении (26-56), мы получаем = кал1м.оль вычисленная величина пренебрежимо мала по сравнению с электростатической свободной энергией компактного иона. Отсюда следует вывод,, что при разворачивании иона можно выиграть 7,6-10 кал/моль, хотя нужно напомнить, что эта величина является максимальной. [c.584] Молекулы глобулярных белков при исследовании их в водных растворах вблизи изоэлектрических точек имеют компактные конформации, непроницаемые для молекул воды. В разделе 7 было указано, что в образовании такой конформации могут принимать участие различные силы, в число которых включаются также и силы, приводящие к образованию гидрофобных и водородных связей, уже рассмотренных при описании поведением полипептидов и полимерных мыл. Вероятно, сочетание такого рода сил и величина свободной энергии, требуемой для разрушения первоначальной нативной структуры, изменяются при переходе от одного белка к другому. Аналогичным образом изменяется и способность нативной структуры противостоять действию электростатических зарядов, что на самом деле подтверждается экспериментальными данными. [c.584] Важный аспект устойчивости компактной конформации рибонуклеазы, несущей максимальный заряд, заключается в том, что такая конформация не сохраняется при температурах намного выше 25° С. Существенное разворачивание происходит при нагревании до 40° С, причем характеристическая вязкость возрастает приблизительно до 7 см 1г . Однако процесс разворачивания макромолекулы полностью обратим, и это означает, что можно быть уверенными в истинной термодинамической устойчивости рибонуклеазы при температуре 25 °С. Такое утверждение не будет справедливым для всех глобулярных белков. Например, яичный альбумин и пепсин —такие две макромолекулы, которые, прежде чем развернуться, могут приобрести значительный заряд. Когда же они разворачиваются, то процесс необратим. Это означает, что кажущаяся устойчивость, наблюдаемая для рассмотренных белков, имеет кинетическую, а не термодинамическую природу. Данные, полученные при изучении разворачивания макромолекул этих белков, не могут быть положены в основу расчета силы внутренних связей, подобно тому, как это было сделано для рибонуклеазы. [c.585] Компактная конформация сывороточного альбумина несколько более устойчива в щелочной области относительно изоэлектрической точки, чем в кислой. Прежде чем молекула развернется, ее заряд в растворе с ионной силой 0,05 может достигнуть —40. Согласно уравнению (26-30), этот случай соответствует величине lFg,=32 ООО кал/моль. Причина большей устойчивости по отношению к действию отрицательных зарядов неизвестна. Возможно это артефакт, являющийся результатом применения уравнения (26-30) для вычисления Wf,. Может быть заряды расположены так, что W быстрее возрастает с ростом заряда в кислой области, чем в щелочной. Другая возможность заключается в том, что процесс разворачивания первоначально связан не со всей макромолекулой, а только с ее частью. В этом случае разворачивание начнется, когда любой такой части цепи превысит энергию внутренних связей, и тогда нет никакой необходимости связывать процесс с величиной 17е1 целой макромолекулы. Наконец, следует иметь в виду, что сама энергия связей, обусловливающих устойчивость компактной структуры, может зависеть от pH. Это будет справедливо, например, если заметный вклад в величину свободной энергии компактной структуры дают водородные связи, в образовании которых принимают участие способные к диссоциации боковые группы. [c.587] Следует отметить, что выводы, сделанные нами на основании вискозиметрических данных, можно подтвердить с помощью ряда других фактов. Например, данные по седиментации и диффузии , приведенные на рис. ПО, подтверждают то же заключение относительно разворачивания молекул сывороточного альбумина в кислом растворе, что и данные рис. 153. Исследуя изменения оптического вращения и деполяризации флюоресценции можно получить другие доказательства. [c.587] И поэтому он больше, чем радиус, который описывал бы макромолекулу гипотетического незаряженного сывороточного альбумина, имеюш,его конформацию хаотического клубка. Однако дополнительное разворачивание молекулы, обусловленное электростатическим отталкиванием, не будет таким сильным, как наблюдаемое для большинства полиэлектролитов, рассмотренных в разделе 27, потому что в полностью заряженной макромолекуле сывороточного альбумина примерно на 600 мономерных звеньев приходится только 100 зарядов, причем остальные звенья неспособны в кислом растворе нести заряд. Мы можем только догадываться о действительной картине влияния электростатических сил. На рис. 140 было показано, что в отсутствие соли при степени диссоциации /в в случае полиметакриловой кислоты Rq изменяется от величины, приблизительно равной 100 А (недиссоциированная кислота), до 300 А, но в данном полимере боковые цепи расположены ближе друг к другу, чем боковые цепи у полипептидной молекулы. Поэтому влияние электростатического отталкивания, вероятно, по крайней мере вдвое больше. Следовательно, гипотетическая незаряженная макромолекула сывороточного альбумина в конформации хаотического клубка будет, вероятно, иметь величину Ra несколько большую 55 А и, конечно, меньшую ПО А. [c.588] Вернуться к основной статье