Введение в физику белка (стр. 3 )

Рис.1-5. Два разных по форме, но почти идентичных по функции белка (сериновые протеазы): химотрипсин и субтилизин. Несмотря на кардинальное различие в укладке цепи, их каталитические центры состоят из одинаковых и одинаково в пространстве расположенных остатков: Ser195 (оранжевый), His57 (синий) и Asp102 (малиновый) в химотрипсине, и Ser221 (оранжевый), His64 (синий) и Asp32 (малиновый) в субтилизине.
 
 

  Однако общим у этого "всего остального" тела является то, что тело белка  —  твердое: иначе нельзя обеспечить специфичность активного центра.

  В свое время мы подробно рассмотрим структуры белков, их способность к самоорганизации и причину их твердости, обсудим функции и прочие интересные для биолога вопросы,  —  но сначала необходимо рассмотреть аминокислотные остатки и их элементарные взаимодействия между собой и с окружающей средой.
 

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В БЕЛКАХ И ВОКРУГ

Лекция 2

  Аминокислоты, из которых сложена полипептидная цепь (Рис.2-1), могут находиться в двух стерических формах: L и D.
 
 
 

  Рис.2-1. Боковые цепи двадцати стандартных аминокислотных остатков, исходящие из Сa атомов главной цепи. Белыми кружками показаны Сa атомы главной цепи, серыми  —  С атомы боковых групп, светло-серыми  —  H атомы боковых групп, синими  —  N атомы боковых групп, красными  —  O атомы боковых групп, желтыми  —  S атомы боковых групп.
 
 

  Эти формы, L и D, зеркально-симметричны: в них массивный боковой радикал (R) и Н-атом, стоящие при a-углероде (Сa) аминокислоты, меняются местами (стрелки указывают углубление атомов в рисунок):

L и D форм нет только у глицина (Gly), "боковая цепь" которого состоит лишь из Н-атома.
  Белковые цепи сложены только из остатков L-аминокислот. Только они кодируются генами. D-аминокислотные остатки  —  они встречаются в пептидах  —  не кодируются при матричном синтезе белка, а синтезируются специальными ферментами. Рацемизация (L « D переход) спонтанно в белках практически не происходит. Не происходит она и при биосинтезе,  —  хотя часто встречается при чисто химическом синтезе пептидов, где на борьбу с рацемизацией уходит много сил.
  Аминокислоты в белковой цепи связаны между собой пептидными связями C' и N атомов (Рис.2-2).
 
 
 

  Рис.2-2. Полипептид: главная цепь и боковая группа (Ser) на ней. Пептидные группы заштрихованы. Показаны углы внутреннего вращения в главной (f, y, w) и боковой (c) цепях. Стрелки указывают направление вращения, ведущее к росту угла поворота ближней к нам части цепи относительно более отдаленной ее части. Картинка взята из [3] и адаптирована.
 
 

  Важную роль в структуре белка играет как жесткость этих связей, так и плоская форма всей пептидной группировки
 

  И то, и другое обеспечивается так называемой sp2-гибридизацией электронов N и С' атомов. "Гибридизация" электронных орбит  —  это чисто квантовый эффект. Sp2-гибридизация преобразует одну сферическую s-  и две вытянутые p-орбиты электронов атома в три sp2-орбиты. Эти три орбиты вовлекают атом в три ковалентные связи, лежащие в одной плоскости (-·<). Вовлеченные в sp2-гибридизацию электроны ковалентно связанных C' и N атомов создают "делокализованное" электронное облако, охватывающее оба эти атома, и распространяющиеся также  —  через связь С-О  —  на атом О (именно поэтому связи C'N и CO рисуются как равноправные "полуторные", ). Но у C и N атомов есть еще p-электроны кроме тех, что уже задействованных в sp2 орбитах! И так как эти p-орбиты имеют форму "восьмерок", перпендикулярных всем трем sp2-орбитам (-·<), то дополнительная связь этих p-электронов  —  связь, требующая сближения "восьмерочных" орбит и "обобществления" (т. е. переходов с атома на атом) находящихся на них электронов,
 

  —  это обобществление p-электронов препятствует вращению вокруг С'-N связи.

  Хочу напомнить, что делокализация электронов, их переход с атома на атом  —  основная причина образования химических связей. Это следует из принципа неопределенности Гайзенберга:
 

DpDx »

(2.1)

Здесь Dp  —  неопределенность в импульсе частицы, Dx — неопределенность в ее координате, а  º h/2p, где h —  постоянная Планка. Так как направление движения электрона в атоме не может быть известно, то Dp » |p| = mv, где v  —  скорость, а m  —  масса частицы. Следовательно,
 

v » /(mDx) . 

  В то же время, кинетическая энергия частицы E = mv2/2, т. е.
 

E » 2/(mDx2).

(2.2)

  Следовательно, при делокализации, когда Dx возрастает,  —  энергия частицы падает, и она переходит в более стабильное состояние. Видно, что этот эффект наиболее силен для легких частиц  —  т. е. электронов. Так делокализация электрона приводит к химической связи.

  Длина химической связи близка к Вандерваальсову радиусу атома, т. е. составляет 1  —  2 (точнее: около 1   —  для связи C-H, N-H или O-H, около 1.2  —  1.3   —  для С=О, CO, CN и С=С, 1.5   —  для С-С, и около 1.8   —  для S-S).

  Характерные величины валентных углов составляют около 120о и около 109о. Углы в 120о находятся при sp2-гибридизованных атомах типа - C'<, - N<, где три валентные связи направлены из центра к вершинам плоского треугольника, углы в 109о  —  при sp3-гибридизованных атомах типа >Ca<, где четыре связи направлены из центра к вершинам тетраэдра, а также при завязывающих по две связи O< или S< атомах.

  Остановимся теперь на характерных величинах флуктуаций, т. е. тепловых колебаний валентных связей и углов. Они могут вносить вклад в гибкость белковой цепи.

  Частоты колебаний проявляются в инфракрасных (ИК) спектрах белков. Характерные частоты колебаний таковы:  n ~ 7x1013 сек-1  —  для колебания атома Н,  —  например, в С-Н связи (при этом длина волны l=c/n~5мк); и n ~ 2x1013 сек-1  —  для колебания "тяжелых" групп,  —  например, в СН3-СН3 связи (при этом l=c/n~15мк; здесь c  —  скорость света, 300000 км/сек).

  Возбуждены ли эти колебания теплом при комнатной температуре?

  Для ответа на этот вопрос мы должны сравнить тепловую энергию, приходящуюся на одну степень свободы ("тепловой квант" kT) с энергией колебания. Оценим величину kT при "нормальной" температуре. Здесь T  —  абсолютная температура в градусах Кельвина (Т=300оК при 27оС, т. е. при примерно "комнатной" температуре; К  —  обозначение градуса Кельвина), а k (иногда еще пишут kB) —  постоянная Больцмана [равная 2 (кал/моль)/К, или 0.33x10-23 кал/К в расчете на одну частицу, так как в одном моле  —  6x1023 частиц]. Значит, при комнатной температуре "тепловой квант" kT = 600 кал/моль, или (600кал)/(6x1023 частиц), т. е. 10-21 калорий на частицу.
  Соответствующую такому тепловому кванту частоту nT можно найти из соотношения kT = hnT [где постоянная Планка hº2p=6.6x10-34 Джxсек = 1.6x10-34 калxсек; напомню, что 1 калория (кал) = 4.2 джоуля (Дж)]. Итак, частота nT равна 7x1012 сек-1 при T=300K, т. е. при 27оС.
  "Тепловой квант" не может возбудить более жесткие, более частые, чем он сам, колебания.
  Значит, при комнатной температуре валентные связи "тверды" и не флуктуируют: для этих связей частота колебаний n ~ 2x1013  —  7x1013 сек-1, т. е. она на порядок больше, чем nT = 7x1012 Джxсек-1.
  Однако валентные связи могут раскачиваться падающим инфракрасным светом, и на этом основана ИК-спектроскопия белков. Собственно, именно ИК спектроскопия и дает сведения о колебаниях атомов, валентных связей и валентных углов. Конечно, экспериментально их исследуют на малых молекулах, а затем полученную информацию используют при изучении белков.
  В отличие от колебаний длин связей, тепловые колебания валентных углов, на порядок более мягкие,  —  их частоты лежат в пределах 1012  —  1013 сек-1, т. е. она на порядок больше, чем nT = 7x1012 Джxсек-1.
  Однако валентные связи могут раскачиваться падающим инфракрасным светом, и на этом основана ИК-спектроскопия белков. Собственно, именно ИК спектроскопия и дает сведения о колебаниях атомов, валентных связей и валентных углов. Конечно, экспериментально их исследуют на малых молекулах, а затем полученную информацию используют при изучении белков.
  В отличие от колебаний длин связей, тепловые колебания валентных углов, на порядок более мягкие,  —  их частоты лежат в пределах 1012  —  1013 сек-1,  —  возбуждены при комнатной температуре. Однако их характерная амплитуда невелика  —  около 5о.