Введение в физику белка (стр. 6 )

  Если бы дело ограничивалось только этими С и N атомами, карта запрещенных , напряженных и разрешенных  конформаций выглядела бы так, как на Рис.3-2. При этом вращения по углам f и y не были бы взаимосвязаны.
  Однако при атоме C' есть О и Ca атомы, а при N  —  есть H и C' атомы (причем в воде к Н-атому жестко приторочена водородной связью молекула Н2О, см. ниже). Так что в результате карта Рамачандрана  —  карта запрещенных и разрешенных  конформаций самого маленького аминокислотного остатка, глицина (боковой радикал - Н)  —  выглядит, на как Рис.3-3.
 
 
 

  Рис.3-3. Карта запрещенных и разрешенных  конформаций глицина (Gly) при вращении по углам f, y в белковой цепи.
 
 

  У глицина нет массивного бокового радикала. У всех остальных аминокислотных остатков он есть, и столкновение этого радикала (точнее, его ближайшего к главной цепи Сb-атома) с C'-атомом вырубает запрещенную область по углу f, а с N-атомом  —  запрещенную область по углу y (Рис.3-4).
 
 
 

  Рис.3-4. Карта разрешенных  конформаций аланина (Ala) при вращении по углам f, y в белковой цепи;   —  области, разрешенные лишь для глицина;   —  области, запрещенные для всех остатков взаимодействиями в главной цепи.
 
 

  Нарисованная на Рис.3-4 карта относится к аланину, боковой радикал которого мал: СbН3-группа. У всех остальных аминокислотных остатков радикал крупнее  —  с одним или двумя тяжелыми g атомами при Сb-атоме. Однако от главной цепи эти "новые" g (и еще более далекие d, e и т. д. атомы) находятся далеко, и потому мало влияют на карту Рамачандрана. Точнее: в небольшой (оставленной белой на Рис.3-5) области столкновений этих g-атомов с главной цепью нет вообще, а в других разрешенных для аланина конформациях они могут быть  —  при некоторых конформациях радикала - и потому здесь разрешены не все конформации радикала; эти области я слегка заштриховал  на Рис.3-5.
 
 
 

  Рис.3-5. Карта запрещенных и разрешенных  конформаций более крупных остатков при вращении по углам f, y в белковой цепи. В области  разрешены все конформации боковой группы по углу c1, в области  часть углов c1 запрещена.
 
 

  Столкновения g атомов с главной цепью особенно существенны для валина, изолейцина и треонина, имеющих по два крупных g атома.
  В заключение рассмотрим карту Рамачандрана для иминокислоты пролина. У него угол f практически фиксирован при  —70о кольцом, образуемым боковой группой Pro при участии N-атома его главной цепи, а вращение по углу y  —  такое же, как у аланина. Так что его разрешенные конформации выглядят, как белая область на карте, Рис.3-6.
 
 
 

  Рис.3-6. Карта разрешенных для пролина конформаций на фоне конформаций, разрешенных для аланина ;   —  конформации, запрещенные для них обоих.
 
 

  Кольцо пролина сужает и область разрешенных конформаций остатка, лежащего перед ним в цепи (Рис.3-7).
 
 
 

  Рис.3-7. Область разрешенных конформаций остатка аланина, лежащего перед пролином в белковой цепи. Область  была бы разрешена, если бы не пролин.
 
 

  Наконец  —  посмотрим, как все эти теоретические выкладки (суммируемые Рис.3-3 для Gly и Рис.3-4 для прочих аминокислот) согласуются с наблюдаемыми (рентгеном) в белках конформациями аминокислотных остатков (на Рис.3-8 они отмечены точками, для Gly и для прочих аминокислотных остатков в отдельности). Как видим, согласие это весьма хорошее.
 
 
 

  Рис.3-8. Наблюдаемые в белках конформации аминокислотных остатков (точки) для глицина (справа) и для всех остальных остатков (слева). Контур очерчивает стерически разрешенные области. Картинка взята из [5] и адаптирована.
 
 

  Мы видим, что подавляющее большинство экспериментальных точек попадает в "стерически разрешенные" области. Однако некоторые точки лежат в "стерически запрещенных" областях. Последнее не удивительно, так как мы назвали "стерически запрещенными" те области, где энергия просто высока  —  не бесконечно велика, что, конечно, привело бы к полному запрету,  —  а скажем, на пару ккал/моль больше, чем в конформации с минимальной энергией. То есть белку надо затратить энергию, чтобы загнать аминокислотный остаток в такую область, но он вполне может это сделать. Может сделать, но делает редко.
  По ходу лекций мы убедимся, что это  —  общее правило: напряженные, высокоэнергетичные элеметы в белках встречаются редко  —  но все же встречаются. Что не удивительно: раз белок стабилен, он должен состоять,  —  в массе, но не обязательно целиком,  —  из стабильных деталей.

Лекция 4

  До сих пор мы не учитывали водного окружения белков. Пора восполнить этот пробел.

  Вода  —  весьма своеобразный растворитель. Прежде всего  —  она кипит и затвердевает при аномально высоких, для ее малого молекулярного веса, температурах. Действительно, вода  —  Н2О  —  кипит при 373оК, а твердеет при 273оК, в то время как О2 кипит при 90оК и твердеет при 54оК; Н2 кипит при всего 20оК и плавится при 4 оК; СН4 кипит при 114оК, и т. д. То, что структуры воды и льда с трудом разрушаются теплом, показывает, что молекулы воды чем-то очень сильно связаны между собой.
  Это "что-то"  —  связь между О и Н атомами молекул Н2О (именно между О и Н, так как и О2, и Н2 в отдельности легко кипят и плавятся). Эта связь называется водородной связью.
  Водородные связи наблюдаются не только в воде. Они наблюдаются всегда, когда водород химически связан с одним электроотрицательным (т. е. притягивающим электрон) атомом и при этом приближается к другому электроотрицательному атому. Примеры: O—H : : : O, N—H : : : O, N—H : : : N. Но С-H группа, например, водородных связей не образует: атом С  —  недостаточно электроотрицательный атом.
  Основные особенности воды как растворителя связаны с наличием в ней мощных водородных связей.

  Водородная связь молекул воды носит электрическую природу. То, что она связана именно с электронами и зарядами, а не с ядрами водородных атомов, прямо следует из того, что температуры и теплоты кипения и плавления легкой (Н2О) и тяжелой (D2О) воды практически совпадают,  —  несмотря на двукратное различие в массах ядер D и Н.
  Молекула воды полярна. Это значит, что на ее атомах есть небольшие ("парциальные") электрические заряды: на электроотрицательном О  —  отрицательный, на Н  —  положительный. Распределение зарядов и электронных облаков на этих атомах выглядит так:
 

  Здесь плотность электронного облака показана плотностью точек, а цифры показывают парциальный заряд атомов этой полярной молекулы. Заряд этот выражен в долях от протонного заряда. У протона, в этих единицах, заряд, естественно, равен +1, а у электрона -1. В целом молекула воды имеет заряд 0.
  Заряды на полярных атомах появляются в результате того, что электроотрицательные атомы O оттягивают электронные облака от соседних Н атомов. В результате на последних возникают небольшие положительные заряды, а на O  —  отрицательный заряд.