ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы ФИЗИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ДИНАМИЧЕСКОЙ ПОДВИЖНОСТИ БЕЖОВ из "Лекции по биофизике Учебное пособие" Макромолекула - основная структурная единица живого - включает большое количество атомов и атомных групп. Их тепловое движение, повороты и вращения вокруг единичных связей обусловливают большое число внутримолекулярных степеней свободы, что придает макромолекуле статистические свойства. Одновременно в той же макромолекуле между атомами существуют химические связи, ближние и дальние взаимодействия которых придают вполне определенный детерминистский характер ее конформационным перестройкам. Таким образом, биологическая макромолекула обладает своеобразными свойствами, в основе которых лежит тесное взаимодействие статистических и детерминистских (механических) степеней свободы. В простых химических процессах в растворах продукт реакции появляется вследствие активных соударений молекул реагентов. В отличие от этого результат функционирования макромолекулы в биохимических процессах достигается прежде всего вследствие взаимодействия частей единого активного макромолекулярного комплекса. В химии растворов рост температуры вызывает увеличение доли активных кинетических соударений молекул, а в макромолекулярных комплексах этот же фактор может повлиять на их структурную организацию и тем самым на механизм и эффективность внутримолекулярных взаимодействий. Для таких систем, строго говоря, неприменимо понятие химического потенциала как движущей силы процесса, зависящей от исходного числа реагентов. В случае макромолекулярных комплексов реакция определяется не их числом как таковым, а внутримолекулярными взаимодействиями в каждом из них. Это хорошо видно на примере ферментативного катализа. [c.87] Основная задача молекулярной биофизики состоит в том, чтобы, исходя из характера взаимодействия атомных групп, определяющих информацию макромолекулы, раскрыть природу ее внутримолекулярной динамики. На этой основе мы перейдем к рассмотрению электронных свойств и физических принципов функционирования макромолекул (белков) в биохимических процессах. [c.87] В биомакромолекулах наиболее подробно эти процессы изучены в белках. [c.88] Внутреннее вращение и поворотная изомерия имеют важное значение в конформационной структуре макромолекулы. Энергия ближних взаимодействий атомных групп зависит от расстояний между ними, которые в свою очередь меняются при вращении этих групп вокруг единичных связей. При близком расположении валентно не связанные атомы начинают отталкиваться, и возникает тормозящий энергетический потенциал, препятствующий вращению атомных групп. Энергия вращения атомных групп вокруг единичных связей дает основной вклад в общую конформационную энергию полимерной цепи. [c.90] Общая конформационная энергия полимера зависит от взаимных углов поворотов звеньев вокруг единичных связей. Подобная система, где энергия составляющих элементов зависит от их взаимодействия друг с другом, называется кооперативной. [c.91] Конформационная энергия белка, включающего многие сотни остатков, не может быть найдена таким путем из-за больпшх математических трудностей. В этом случае уже нельзя непосредственно рассчитать вторичную и тем более третичную структуру больпшх участков белка, зная первичную последовательность. Для решения этой проблемы сейчас пользуются эмпирическим методом, который основан на многочисленных экспериментальных данных по корреляции между вторичной структурой участка белка и его первичной аминокислотной последовательностью. На основании этих корреляций сформулированы эвристические принципы пространственного строения белка и правила сворачивания пептидной цепи с образованием вторичной и третичной структур. [c.93] Выгодные низкоэнергетические состояния появляются сразу на ранних этапах сворачивания в небольших участках цепи, включающих два - три остатка, а средние и дальние взаимодействия их не только не портят , но стабилизируют. Эти представления можно использовать для того, чтобы упростить метод расчета низкоэнергетической конформации белка. Вместо того чтобы пытаться сразу найти минимальную по энергии конформацию для всей цепи, находят вначале низкоэнергетические состояния дипептидов. Низкоэнергетические формы трипептидов представляют собой комбинации низкоэнергетических форм смежных дипептидов, что является результатом согласованности три - и дипептидных взаимодействий. Конформационный анализ более сложных олигопептидов проводится методом последовательного увеличения цепи на один остаток. Важно, что новые взаимодействия, возникающие при удлинении цепи, стабилизируют фрагмент и не нарушают уже сложившихся взаимодействий и низкоэнергетических форм. В настоящее время такой полуэмпирический метод расчета дает возможность определить пространственную структуру достаточно сложных полипептидов, включающих до сотни остатков. Например, была рассчитана структура молекулы бычьего панкреатического трипсинового ингибитора, включающей 58 аминокислотных остатков с заданной первичной последовательностью. Однако расчеты более сложных полипептидов потребуют привлечения уже независимых стерических предположений о возможной структуре белка. [c.95] Однако разрушение структуры воды нарушает систему водородных связей между молекулами воды. Вместо водородных связей углеводороды способны образовывать только более слабые ван-дер-ваальсовы связи с водой. Это приводит к увеличению значений AU О, которые по абсолютной величине превышают отрицательный энтропийный вклад в изменение AF, т. е. AU ГАб . Поэтому в целом AF повышается, что энергетически невыгодно, и приводит к выталкиванию углеводородов из водной фазы. Гидрофобные взаимодействия в целом стабилизируют макромолекулы, хотя детальная картина взаимодействий с водой в пределах макромолекулы значительно сложнее. Сами молекулы воды распределены в глобуле неоднородно. Снаружи глобулы имеются локальные полярные центры гидратации, где молекулы воды сильнее связаны по сравнению с тонкой гидратной оболочкой на поверхности глобулы. В целом около поверхности белка может удерживаться до 2 - 3 слоев воды. Кроме того, имеется фракция прочно связанной воды, которая фиксируется на соответствующих малоподвижных элементах белковой структуры. [c.96] Влияние воды на конформационную энергию пептидов существенно не изменяет положения энергетических минимумов на конформационной карте. Вода может оказывать сильное влияние на стабильность отдельных конформационных участков и тем самым на внутримолекулярную подвижность белка. Известно, что при увеличении степени гидратации высушенных препаратов ферментов увеличение их активности происходит резко в узком диапазоне увеличения числа молекул воды (10 - 20) на одну молекулу белка. В этой области происходит расторма-живание определенных внутримолекулярных степеней свободы, нужных для обеспечения ферментативной активности. Можно рассматривать систему белок - вода как единую кооперативную систему, где изменения в состоянии как растворителя, так и белка носят взаимосвязанный характер. [c.96] Известно, что белки, выполняющие одинаковые функции в разных организмах, отличаются по своей первичной последовательности (например, цитохромы). Однако третичные структуры у них сходны. Но есть белки, обладающие сходными третичными структурами, но выполняющие различные функции. Оказалось также, что способностью формировать а - и р - участки с непрерывными гидрофобными поверхностями обладают не только природные, но и случайные аминокислотные последовательности полярных и неполярных групп. Таким образом, для получения плотной упаковки белка нет необходимости абсолютно однозначно задавать его первичную последовательность, хотя функциональные свойства белка определяются сравнительно небольпшм числом активных групп. И здесь уже ситуация совершенно иная. В активном центре белка (фермента), где имеются, как правило, 5-6 остатков, нельзя заменить ни одного из них без нарушения функциональных свойств. Поэтому комбинация незаменимых остатков в активном центре белка должна воспроизводиться совершенно однозначно при обязательном сохранении лишь общих топографических черт глобулярной пространственной структуры. [c.97] Это значит, что создание емкой информационной системы белка не могло произойти в один акт, а осуществляется постепенно с обязательным закреплением синтезированных элементов структуры в процессах воспроизведения. [c.98] Особенности нространственной организации нуклеиновых кислот. В отличие от белков структура ДНК более стабильна. Тепловые флуктуации не приводят к разрыву водородных связей и не меняют меж-плоскостные расстояния между основаниями. В моделях жесткость служит основным параметром. Двойная спираль ДНК обладает общей жесткостью по длине спирали и одновременно ограниченным числом вращательных степеней свободы вокруг единичных химических связей. Все конформации ДНК относятся либо кА-, либо к - формам. В случае В - форм ось спирали проходит через пары оснований вблизи их центра тяжести, а в - форме в центре остается отверстие около 4 Е, а основания оттеснены к периферии молекулы. Основная трудность полного описания энергетически разрешенных конформаций двойных спиралей состоит в чрезвычайно большом наборе всех структурных вариантов. [c.98] В последние годы получены данные о существовании так называемой 2 - формы ДНК, в которой спираль с антипараллельными нитями закручена влево, а повторяющаяся единица содержит не один, а два нуклеотида. [c.99] Зависимость функциональных свойств белков от их конформационного состояния давно известна в биохимии. Однако остается неясным, под влиянием каких сил и механизмов изменяется это состояние и какую роль оно играет в обеспечении их активности. В современной молекулярной биофизике центральное место занимает проблема механизма и функциональной роли внутримолекулярной подвижности биополимеров, прежде всего белков. [c.100] При величине внепшего поля = 10 Гс резонансная частота для свободного электрона равна Уе = 2,8-10 с а для протонного ядерного резонанса она намного меньше Уя= 2,26-10 с На рис. 9.3 изображены линия поглощения переменного поля и ее первая производная (сигнал ЭПР) в зависимости от величины постоянного магнитного поля Но. Обычно устанавливают постоянную частоту V переменного поля, а затем плавно меняют внешнее постоянное поле до достижения тех. значений Но, при которых наблюдается резонансное поглощение (9.3). [c.104] Как видно из рис. 9.3, сигнал ЭПР обладает не узкой линией, а полосой поглощения с определенной шириной. Это значит, что на самом деле сами энергетические уровни спинового состояния несколько размыты, т. е. обладают определенной шириной Г. Основная причина этого состоит в том, что взаимодействие с внешними магнитными полями не является единственным процессом обмена энергией в системе ориентированных спинов. [c.104] Она не изолирована, а взаимодействует также и с окружающей средой, передавая свою энергию со средним временем Ти Этот процесс препятствует выравниванию заселенностей N1 и N2 под действием переменного поля. [c.104] Метод ЯМР. Изучение динамики белковых структур методом ЯМР основано на измерении времени релаксации Т, и Тг по ширине линии резонанса. На основе этих данных удается найти значения Тс для ядер, на которых наблюдается резонанс. [c.106] На рис. 9.4 приведен спектр протонного резонанса ацетальдегида СНз-СНО. Видны две группы линий от трех протонов метильной и от одного протона альдегидной химических групп в молекуле. Эти две группы разделены химическим сдвигом. Кроме того, видно расщепление каждой из групп на отдельные линии вследствие влияния друг на друга магнитных моментов соседних ядер. Следует заметить, что подобная распшфровка спектров ЯМР от белковых молекул затрудняется их сложным характером и перекрыванием основной массы резонансных линий от протонов. Сейчас пшроко используются данные по резонансу на Р, а также на С, линии которого находятся в стороне от основной массы перекрывающихся линий. [c.107] Более сложные виды кооперативных релаксационных процессов в белке мы рассмотрим позднее в связи с механизмами ферментативного катализа. [c.114] Вернуться к основной статье