1.3. СИЛЫ, СТАБИЛИЗИРУЮЩИЕ СТРУКТУРНЫЕ УРОВНИ МОЛЕКУЛ БИОПОЛИМЕРОВ

Первичная структура фиксирована прочными ковалентными связями между мономерными звеньями. В белках это пептидные связи, в нуклеиновых кислотах - фосфодиэфирные связи. Прочность этих связей такова, что тепловые колебания, имеющие среднюю энергию примерно 0.6 ккал/моль, не могут разорвать эти связи. Поэтому первичная структура молекулы биополимера остается неизменной на протяжении всего времени жизни данной молекулы. Если по какой-либо причине первичная структура будет нарушена, то соответствующая молекула, обычно, подвергается деградации на мономеры.

Некоторые теории старения организмов основаны на предположении о том, что определенная доля “испорченных” молекул белков не деградирует, и поэтому с течением жизни в клетке накапливаются аберрантные белки, что в конечном итоге приводит к снижению функций. Поддержание неизменной первичной структуры нуклеиновых кислот на протяжении онтогенеза является необходимым условием нормального функционирования организма. Поэтому существуют специальные ферментные системы, которые проверяют нативность структуры ДНК и репарируют поврежденные участки. В последнее время появились работы, в которых сообщается о существовании ферментов, репарирующих некоторые нарушения первичной структуры белков. Известно, что функционирование молекулярных устройств сопряжено с движением различных частей макромолекулы друг относительно друга (как и в макроскопических машинах). Поэтому вторичная и третичная структуры биополимеров должны быть подвижными.

Вторичная, третичная и четвертичная структуры макромолекул стабилизированы слабыми силами. Сюда относятся нехимические межмолекулярные взаимодействия различного вида: электростатические взаимодействия, дисперсионные силы, водородная связь. Энергия этих взаимодействий лишь в несколько раз превосходит среднюю кинетическую энергию тепловых колебаний. Это значит, что тепловое движение молекул может разрывать слабые связи. Поэтому структуры, стабилизированные слабыми связями, сохраняют определенную подвижность. Именно в этом и состоит смысл выбора, осуществленного Природой при формировании высших уровней организации молекул биополимеров: множеством слабых взаимодействий с одной стороны, сделать структуру достаточно стабильной, и в то же время сохранить определенную подвижность, необходимую для функционирования.

Хотя энергия слабых различных связей примерно одинакова, физические механизмы взаимодействий, лежащих в основе этих связей, отличны. Поэтому изменения различных физико-химических факторов (температуры, рН, ионной силы, диэлектрической проницаемости и т.д.) по-разному влияют на энергию этих взаимодействий. Отсюда следует, что анализ механизмов функционирования молекулярных устройств невозможен без изучения баланса слабых различных сил, определяющих стабильность структуры биополимера.

Изменение физико-химических условий влияет на баланс этих сил, а это уже вызывает перемещение частей молекулы друг относительно друга к новому соотношению сил.

Макромолекулы имеют сотни различных атомных группировок, свойства которых различны. Сложная мозаика слабых сил, действующих в молекуле биополимера (и между молекулами) обусловлена этим разнообразием атомных группировок.

Рассмотрим основные типы слабых межмолекулярных взаимодействий.

Электростатические взаимодействия. В состав молекул биополимеров входят различные ионогенные группировки: аминогруппы, карбоксильные, фосфатные, гуанидиниевые, имидазольные, спиртовые, амидные. При рН близких к нейтральному многие из них ионизуются, и поэтому в месте локализации этих группировок молекула биополимера несёт соответствующий электрический заряд. Эти фиксированные на молекуле заряды взаимодействуют друг с другом по законам электростатики: одноименные заряды отталкиваются, разноименные - притягиваются. Например, в двойной спирали ДНК сахаро - фосфатный остов полинуклеотидных цепей содержит остатки фосфорной кислоты, которые при диссоциации приобретают отрицательный заряд. Это ведет к отталкиванию двух полинуклеотидных цепей друг от друга, что дестабилизирует структуру двойной спирали.

Электростатические взаимодействия ослабляются в среде с большой диэлектрической проницаемостью или при высокой ионной силе. Поэтому электростатические взаимодействия усиливаются при переходе из водной среды в липидную фазу мембран.

Локальное уменьшение диэлектрической проницаемости может значительно увеличить электростатическое взаимодействие. И это может быть использовано в механизмах функционирования молекул биополимеров. Взаимодействие молекулы биополимера с каким-либо лигандом, то есть, с низкомолекулярным соединением, может вызвать локальное изменение диэлектрической проницаемости в области расположения взаимодействующих зарядов, а это приведет к изменению соотношения действующих в этом участке сил, и структура молекулы может локально измениться.

Энергия электростатических взаимодействий обратнопропорциональна расстоянию между взаимодействующими зарядами.

Электростатические взаимодействия относительно дальнодействующие. Например, два электрона взаимодействуют на расстоянии 20А° в среде с относительной диэлектрической проницаемостью 80 с энергией 1.73 кдж/моль (для сравнения, средняя энергия тепловых колебаний составляет при комнатной температуре примерно 2.5 кдж/моль). На таком расстоянии дисперсионные силы между двумя атомами водорода практически равны нулю.

Энергия взаимодействия статических диполей на малых расстояниях может быть вычислена как сумма энергий взаимодействия зарядов, образующих диполи. На расстояниях значительно превышающих размерам самих диполей, энергия диполь-дипольных взаимодействий обратнопропорциональна квадрату расстояния между диполями.

Дисперсионные взаимодействия. Эти взаимодействия возникают между атомами вследствие флуктуации электронной плотности вокруг ядра, что приводит к появлению мгновенного дипольного момента у атомов и взаимодействию соответствующих диполей. Дисперсионное взаимодействие имеет место между любыми атомными группировками, но оно больше в тех случаях, когда поляризуемость атомов выше.

При повышении температуры флуктуации электронной плотности возрастают, поэтому и дисперсионные взаимодействия усиливаются. При низких температурах эти взаимодействия ослабевают.

Гидрофобные участки макромолекул притягиваются друг к другу, главным образом, за счет дисперсионных сил. Эти силы слабо зависят от рН, ионной силы. Поэтому изменение этих параметров сильнее будет влиять на электростатические взаимодействия и в меньшей степени изменять дисперсионные силы.

В белках дисперсионные силы играют важную роль во взаимодействии аминокислотных остатков, имеющих гидрофобные (неполярные) боковые радикалы, таких как, например, валин, лейцин, триптофан, фенилаланин, тирозин. В нуклеиновых кислотах дисперсионные взаимодействия возникают между азотистыми основаниями нуклеотидов, расположенных друг над другом в полинуклеотидной цепи (стэкинг - взаимодействие).

Энергия дисперсионных взаимодействий обратнопропорциональна шестой степени расстояния между взаимодействующими атомами. Это значит, что дисперсионные силы играют существенную роль лишь на очень коротких расстояниях.

Водородная связь. Водородная связь возникает между двумя электроотрицательными атомами, притягивающими к себе атом водорода, находящийся между ними.

В белках и нуклеиновых кислотах водородные связи устанавливаются чаще всего между атомами кислорода и азота. Спиральные участки вторичной структуры белков, как известно, стабилизированы водородными связями между атомами азота и кислорода амидных группировок полипептидного остова. Комплиментарные взаимодействия нуклеотидов в нуклеиновых кислотах обусловлены спариванием азотистых оснований посредством водородных связей.

Энергия, необходимая для разрыва водородной связи, невелика (5 - 10 ккал/моль), поэтому тепловое движение легко разрывает одиночные водородные связи.

Важное значение имеет тот факт, что молекулы воды тоже способны образовывать водородные связи. Поскольку многие белки находятся в водной фазе, их атомные группировки могут образовывать водородные связи с молекулами воды. Если амидные группировки пептидных связей будут образовывать водородные связи с водой а не друг с другом, то спиральная конформация полипептидного остова дестабилизируется и разрушится. Ясно, что вещества, способные конкурировать за образование водородных связей с гетероатомами молекул биополимеров, будут дестабилизировать структуры, скрепленные водородными связями.

Длина водородной связи составляет приблизительно 2.5 А⁰. Следовательно, водородные связи действуют на очень коротких расстояниях между атомными группировками.

Следует отметить, что все слабые одиночные связи не могут противостоять тепловым столкновениям. Поэтому для стабилизации вторичной, третичной и четвертичной структуры необходимо много слабых связей. Именно это и имеет место в действительности.

В процессе адаптации к различным условиям внешней среды в клетке могут использоваться различные виды межмолекулярных взаимодействий. Например, связывание субстрата в активном центре фермента может осуществляться за счет различных сил. При низких температурах дисперсионные силы становятся не эффективными, и им на смену могут придти электростатические взаимодействия. Механизм адаптации в этом случае состоит в замене гидрофобных аминокислотных остатков, формирующих якорный участок активного центра фермента, на ионогенные.