Введение в физику белка (стр. 4 )

  Итак, колебания валентных связей вовсе не вносят вклада в гибкость белковой цепи, а колебания валентных углов вносят весьма скромный вклад. На самом деле гибкость белковой цепи, а значит —  и ее способность складываться и в a спирали, и в глобулы обеспечивается вращением (хотя и не вполне свободным вращением, см. ниже) вокруг валентных связей. Поэтому и структура цепи в целом часто описывается просто в терминах углов вращения вокруг валентных связей  —  тогда она называется "конформацией". Впрочем, очень часто термины "структура" и "конформация" употребляются просто как синонимы.

  Основные сведения о вращении атомных группировок вокруг валентных связей тоже поставляет ИК-спектроскопия; как и раньше, я остановлюсь только на результатах.
  Взаимное расположение атомных группировок, связанных валентной связью, описывается двугранным углом (двугранным  —  так как это угол между двумя плоскостями  —  "гранями"). Рисунки 2-2, 2-3 иллюстрируют отсчет этого угла. Отсчет  —  такой же, как в школьной тригонометрии, если рассматривать ближнюю к нам валентную связь как "вращающуюся стрелку", дальнюю от нас  —  как "координатную ось", а центральную валентную связь  —  как "ось вращения". То есть вращение "стрелки" против хода часов увеличивает угол поворота, а по ходу  —  уменьшает.
 

 
 

  Рис.2-3. Отсчет величины двугранного угла (угла поворота): вид поперек (слева) и вдоль (справа) оси вращения. Дальняя от нас валентная связь 0''— c  —  "ось координатного круга", центральная связь 0'— 0''  —  "ось вращения", ближняя к нам связь 0'— a  —  "стрелка на координатном круге".
 
 

  Рисунок 2-4 показывает характерное поведение энергии при вращении вокруг связи, соединяющей два sp3-гибридизованных атома (на примере Н3С-СН3 и СН2С-СН2С связей). Такие связи характерны для алифатических боковых групп. Углы вращения боковых групп называются углами w, "хи" (см. Рис.2-2). Максимумы такого трехкратного (соответственно симметрии sp3-sp3 связи) потенциала (т. е. потенциала, имеющего три максимума и три минимума при повороте на 360o) соответствуют трем "затененным" конформациям (0о, +120о и -120о), приводящим к сближению (и отталкиванию) электронных облаков. Эти облака отталкиваются, так как образующие их электроны уже задействованы в ковалентных связях. Величина возникающих при этом потенциальных барьеров вращения вокруг Н3С-СН3 связи  —  около 3 ккал/моль, а характерный размах тепловых флуктуаций вокруг этих минимумов (т. е. те отклонения от них, при которых энергия возрастает на kT)  —  15-20о.
 
 
 

  Рис.2-4. Характерный потенциал вращения вокруг одинарной связи между двумя sp3-гибридизованными атомами: вокруг Н3С-СН3 связи (красная кривая) и вокруг (С-СН2)-(СН2-С) связи (синяя кривая). Главный энергетический эффект дает отталкивание электронных облаков: оно максимально в "затененной" конформации (при 0, 120, 240о) и минимально в "скрещенной" (при 60, 180, 300о). Отталкивание маленьких Н-атомов несущественно. Однако отталкивание тяжелых, окруженных большими электронными облаками С-атомов в окрестности 0о создает добавочный энергетический эффект, отличающий поворот вокруг (С-СН2)-(СН2-С)связи от поворота вокруг (Н3С)-(СН3) связи. Для сравнения, стрелкой  отмечена величина kT.
 
 

  Когда некоторые из валентностей при sp3 гибридизованных атомах заняты не водородами, а более массивными атомами  —  их отталкивание повышает соответствующую слишком тесному сближению этих массивных атомов часть барьера. Это показано на Рис.2-4 на примере вращения вокруг центральной связи в (С-СН2)-(СН2-С).
  Рисунок 2-5 показывает характерное поведение энергии при вращении вокруг пептидной связи, соединяющей два sp2-гибридизованных атома (С' и N). Угол вращения вокруг этой связи называется углом w (Рис.2-2). Потенциал двукратен (т. е. имеет два максимума и два минимума при повороте на 360o), соответственно симметрии sp2-sp2 связи. Потенциальные барьеры велики из-за участия в пептидной связи p-электронов (как о том говорилось в начале лекции), минимумы потенциала приходятся на 0o и 180o (где p-орбиты, стягивающие С'- и N-атомы, наиболее сближены), а его максимумы  —  на 90o и 270o (где эти стягивающие p-орбиты наименее сближены и, следовательно, хуже всего связаны друг с другом). Из-за высоких барьеров характерный размах тепловых флуктуаций угла вращения вокруг таких связей невелик  —  около 10о.
 
 
 

  Рис.2-5. Характерный потенциал вращения вокруг кратной связи, соединяющей два sp2-гибридизованных атома (С' и N) в пептидной связи. Справа показана связь электронных p-орбит при угле, равном 0o (или 180o). Для всех (за исключением пред-пролиновых) пептидных связей энергия (красная кривая) при 0о выше, чем при 180о, из-за отталкивания массивных Ca-атомов. Эта разность энергий мала для пептидной связи, находящейся перед Pro (синяя кривая), имеющим не один, а два С-атома при N-атоме. См. текст и рисунок, где приведена структурая формула пролина.
 
 

  Стоит отметить, что отталкивание массивных Ca атомов делает cis конформацию (w=0о) энергетически довольно невыгодной; поэтому почти все пептидные группы в белках находятся в trans конформации (w=180о).
 

  Исключение составляет пептидная связь, предшествующая пролину (имино-, а не аминокислоте): в Pro  —  два почти симметричных массивных радикала при N атоме (-СaНС2 и - СН2С, см. Рис.2-1), так что для этой связи trans конформация лишь ненамного лучше, чем cis.
 

  И в глобулярных белках, и в развернутых (т. е. флуктуирующих, не имеющих фиксированной структуры) пептидах наблюдается около 90% trans и 10% cis пролинов. Хочу обратить ваше внимание на эту закономерность  —  что выгодно само по себе, то чаще встречается и в глобулярных белках. Мы столкнемся с ней еще не раз.

  Наконец, рассмотрим потенциал вращения вокруг связи, соединяющей sp3 гибридизованный и sp2 гибридизованный атомы. Углы вращения вокруг такой связи называются углами f (вращение вокруг N-Ca связи) и y (вращение вокруг Ca-С' связи) (Рис.2-2). При вращении по каждому из них возникает шестикратный (6 минимумов и 6 максимумов при повороте на 360o) потенциал с довольно низкими барьерами (Рис.2-6): их высота, »1 ккал/моль  —  порядка энергии тепловых колебаний (составляющей, как мы помним, 0.6 ккал/моль при комнатной температуре). Именно почти свободное вращение по углам f и y вокруг такого рода связей (между N и Сa и между Ca и C') в главной цепи полипептида и обеспечивает основную гибкость белковой цепи.
 
 
 

  Рис.2-6. Характерный потенциал вращения вокруг одинарной связи между sp3- и sp2-гибридизованными атомами (на примере вращения вокруг Н3С-С5Н6 связи).
 

Лекция 3

  Рассмотрим теперь элементарные взаимодействия атомов, не связанных ковалентно друг с другом.

  Но сначала вспомним, что основная причина образования химических связей  —  делокализация электронов, их "переход" с атома на атом и обратно  —  или, как говорят, пребывание электронов на совместной, "обобществленной" орбите, охватывающей два атома. При этом, согласно запрету Паули, в одном месте, на одной орбите может находиться не более двух электронов,  —  причем тогда их "спины" (т. е. моменты вращения электронов) должны быть противоположно направлены (или, как говорят, "спарены"). Спаривание двух электронов на одной совместной орбите (когда один электрон пришел от одного атома, а второй  —  от другого) ведет к прочной ковалентной связи.
  Если же у сближающихся атомов и так на каждой орбите  —  по два спаренных электрона, то эти атомы не могут образовать ковалентную связь. Иначе на каждой обобществленной орбите электронов было бы слишком много  —  четыре. А, согласно запрету Паули, одна орбита может вынести не более двух! Значит, уже насыщенные, заполненные электронной парой орбиты не могут далее обобществляться. И потому несущие такие "насыщенные" орбиты атомы отталкиваются на малых расстояниях, когда их электронные облака начинают перекрываться. Такие атомы непроницаемы друг для друга при обычных (не космических) температурах.
  То же происходит, если в сближающихся молекулах все их валентности уже насыщены: они отталкиваются, когда их атомы сближаются до 2-3 .

  Однако на больших расстояниях (когда нет перекрывания электронных облаков) все атомы и молекулы притягиваются  —  если только у них нет электрического заряда, о чем мы поговорим позже. Притяжение это имеет чисто квантовую основу. Оно связано с коррелированными, т. е. согласованными колебаниями электронов в обоих атомах. Дело в том, что энергия пары атомов, где электроны смещены (поляризованы) одинаковым образом,  —  чуть меньше, чем энергия пары неполяризованных атомов. Это ясно из следующей схемы (здесь два атома, "1" и "2", и у каждого  —  электрон "-" и ядро "+")