Введение в физику белка (стр. 16 )

U = [q1q2/eэффr] x exp(-r/D) .

(6.7)

  Третье. Электростатическое взаимодействие  —  яркий пример не парного взаимодействия частиц (в отличие от, например, Вандерваальсового). Оно зависит не только от расстояния r между зарядами q1 и q2, но и от свойств среды (меняющих и e, и D), и в частности  —  от расстояний от зарядов до других тел и от формы этих тел (все это влияет на eэфф).

  И еще одно добавление. До сих пор я обычно говорил "энергия электростатических взаимодействий". Это говорилось только для простоты слога  —  как я уже говорил в начале лекции, строго говоря, надо было говорить "свободная энергия".
  Более того. Исследуя температурную зависимость электростатических эффектов в водном окружении, можно показать, что энтропийная составляющая в них доминирует, а собственно энергетическая (энтальпийная) составляющая близка к нулю. Это видно из того, что диэлектрическая проницаемость воды меняется от 88 до 55 (т. е. электростатические взаимодействия растут примерно на 40%) при росте абсолютной температуры Т от 273 до 373оК (тоже примерно на 35%). А у взаимодействия, растущего пропорционально абсолютной температуре, есть только энтропийная, но нет энтальпийной части. Значит, в воде весь электростатический эффект связан не с энергией, а с упорядочением воды вокруг зарядов и с изменением этого упорядочения при сближении или отдалении зарядов друг от друга.
  Значит, как ни парадоксально, а электростатика в воде имеет энтропийную, а не энергетическую природу,  —  впрочем, так же, как и гидрофобные взаимодействия или как и образование водородных связей в водном окружении.

  Заключая раздел "Элементарные взаимодействия в белках и вокруг", я хочу еще упомянуть о дисульфидных связях и о координационных связях. Не столь массовые, как, например, водородные связи,  —  эти связи, однако, часто играют важную роль в белках.

  Дисульфидные (или SS) связи образуются цистеиновыми (Cys) аминокислотными остатками (боковая группа цистеина: - CbH2-SH). Непосредственное, с выделением водорода (по схеме - CH2-SH + HS-CH2- ® - CH2-S-S-CH2- + H2) окисление цистеинов в белках не идет  —  оно происходит слишком медленно при комнатной температуре. Однако образование SS связей в белках может быстро происходить при помощи тиол-дисульфидного обмена. Полагают, что в клетке это происходит при участии глутатиона, существующего и в мономерной тиольной (GSH), и в димерной дисульфидной (GSSG) формах,  —  и происходит по схеме

  Как разрыв, так и образование SS связей в клетках катализируется (т. е. ускоряется, но не направляется) специальным ферментом  —  дисульфидизомеразой.
  Образование S-S связей в клетке обратимо, так как энергетический баланс этой реакции  —  тиол - дисульфидного обмена  —  близок к нулю (было две ковалентные SH связи и одна SS связь, и столько же осталось; не правда ли, это очень походе на энергетический баланс образования внутрибелковых водородных связей в водном окружении?). Более того, имеющаяся  —  относительно высокая  —  концентрация GSH в клетке сдвигает равновесие в сторону разрыва тех связей, которые могли бы образоваться при "случайном" сближении цистеинов. Поэтому здесь способны образоваться и выжить SS связи только между "и без того" (т. е.   —  другими взаимодействиями) сближенными цистеинами.
  Особенно важны SS связи для белков, которым придется жить и работать вне клетки. С одной стороны, там нет дисульфидизомераз и глутатиона, так что уже завязавшиеся (внутри клетки или на выходе из нее) связи "замораживаются"  —  они уже не порвутся и на перестроятся. С другой  —  белок вне клетки попадает в разные условия, и дополнительный запас прочности, даваемый стабильными замороженными SS связями, ему не помешает. Поэтому SS связи гораздо более типичны для секретированных белков, чем для внутриклеточных. Обычно в секретированных белках все имеющиеся цистеины (кроме одного, если их число нечетно) вовлечены в SS связи.

  Координационные связи образуются N, O и S атомами белка (а также О атомами воды) с двух—  и трехвалентными ионами металлов: Fe, Zn, Со, Ca, Mg и т. д.
  У ионов этих металлов есть незаполненные, но низко лежащие орбитали. Каждая из них способна связать электронную пару. А у О, N, S атомов ("доноров электронов") есть электронные пары, которые могут перетечь на свободные орбитали ионов. Образующаяся при этом связь ничем не отличается от обычной химической связи  —  кроме того, что для обычной связи электроны поставляются обоими входящими в связь атомами, а для координационной  —  только одним из них.
  При образовании координационных связей ион металла связывается с несколькими донорами электронов. При этом крупные (с радиусом ~1.5) атомы-доноры со всех сторон окружают маленький (с радиусом ~0.7) двух—  или трехвалентный ион. Наиболее часто шесть атомов-доноров окружают (координируют) ион металла, располагаясь по вершинам правильного октаэдра (Рис.6-16).
 

  Рис.6-16. (а) Структура октаэдрического комплекса, образованного атомом Со+++ с EDTA. (б) Характерная координация центрального иона при различном соотношении его радиуса с радиусами окружающих его доноров электронов. Картинки взяты из [10] и адаптированы.

 

  Так как ион может связаться и с электронными донорами белка, и с кислородами воды, он (несмотря на большую энергию каждой связи) переходит из воды на белок и обратно без драматического выигрыша или проигрыша энергии. Важнее, пожалуй, другое: если в белке атомы - доноры уже стоят в "правильных" (для образования координационной связи) положениях,  —  ион может связаться с ними, отпустив ранее окружавшие его молекулы воды, а это приведет к прочной связи из-за выигрыша энтропии движения отпущенных молекул воды. В среднем, каждая координационная связь стоит несколько ккал/моль  —  несколько больше, чем водородная связь в воде.
  Такие связи, образуемые несколькими атомами одной молекулы, способными связать один ион, называются хелатными ("клешневидными").
  Роль таких связей в белках, и в частности в их активных центрах, мы рассмотрим позже. Мы увидим также, что хелатные, полностью обволакивающие ион комплексы могут входить в гидрофобное ядро белка. А пока я хочу снова обратить ваше внимание на Рис.6-16, где изображен часто используемый в лабораторной практике реагент ЭДТА (этилендиаминтетраацетат) в хелатной связи с металлом. У ЭДТА эта связь особенно прочна из-за связи отрицательных зарядов СОО- групп ЭДТА с положительно заряженным ионом металла.

Лекция 7

  Разобравшись с элементарными взаимодействиями,  —  рассмотрим сегодня вторичную структуру белков. Прежде всего у нас речь пойдет о регулярных вторичных структурах  —  об a-спиралях и о b-структуре,  —  но не только о них.

  Укладка a и b-структур в глобулу определяет третичную структуру белка (Рис.7-1). Эти вторичные структуры отличаются определенными, периодическими конформациями главной цепи  —  при разнообразии конформаций боковых групп.
 

Рис.7-1. Вторичная структура полипептидной цепи (a-спираль и тяж b-листа) и третичная структура белковой глобулы.
 
 

  Начнем со спиралей. Они могут быть левые и правые (Рис.7-2), у них может быть разный период и шаг. Правые (R) спирали приходят к нам, завиваясь против часовой стрелки (что отвечает положительному отсчету угла в тригонометрии); левые (L)  —  приходят, вращаясь по стрелке.
 
 
 

  Рис.7-2. Правые (R) и левые (L) спирали. Под ними показан отсчет положительного угла в тригонометрии: при этом "близкая к нам" стрелка вращается против хода часов.
 
 

  Важнейшие спирали в полипептидной цепи держатся водородными связями, где С=О группы остова полипептида связаны с лежащими от них в направлении С-конца цепи H-N группами. В принципе, возможны следующие спирали, стянутые Н-связями (Рис.7-3): 27, 310, 413 (обычно именуемая a) и 516 (она же p). Здесь в названии "27"  —  "2" означает связь со 2-м по цепи остатком (см. Рис.7-3), а "7"  —  число атомов в цикле (O......H-N-C'-Ca-N-C'), замыкаемом этой связью. Тот же смысл имеют цифры и в названии других спиралей.
 
 
 

  Рис.7-3. Водородные связи (они показаны стрелками), характерные для разных спиралей.
 
 

  Какие из этих спиральных структур преобладают в белках? a-спирали. Почему? Ответ на этот вопрос дает карта Рамачандрана для типичного аминокислотного остатка  —  аланина (Рис.7- 4), на которой отмечены конформации, периодическое повторение которых приводит к завязыванию изображенных на Рис.7-3 водородных связей.
 
 

  Рис.7-4. Конформации различных вторичных структур на фоне карты разрешенных и запрещенных конформаций аминокислотных остатков. 27R, 27L: правая и левая спираль 27; 310R, 310L: правая и левая спираль 310; aR, aL  —  правая и левая a-спираль; pR, pL  —  правая и левая p-спираль. b  —  b-структура (подробности см. на Рис.7-8б). Р  —  спираль Poly(Pro)II.   —  конформации, разрешенные для аланина (Ala);   —  области, разрешенные лишь для глицина, но не для аланина и других остатков;   —  области, запрещенные для всех остатков. j и y  —  углы внутреннего вращения в белковой цепи.