1.5. СТАТИСТИЧЕСКАЯ ПРИРОДА КОНФОРМАЦИИ БИОПОЛИМЕРОВ

Для понимания процесса формирования третичной структуры белков рассмотрим простейшую модель полимерной цепи. Эта модель называется свободно-сочлененной цепью. Предполагается, что имеется полимерная цепь из мономерных звеньев, каждое длиной 1. Таким образом, в полностью вытянутом состоянии (конформации) такая цепь имеет длину1 . Далее в модели предполагается, что допустимы вращения вокруг связей, соединяющих звенья, на любые углы, и при этом не приходится преодолевать значительных энергетических барьеров. Вандерваальсовыми взаимодействиями между мономерными звеньями пренебрегают.

В такой полимерной цепи, находящейся в окружении молекул растворителя, будет происходить броуновское вращение вокруг всех связей. В результате чего пространственное расположение различных частей молекулы друг относительно друга будет постоянно изменяться.

Если характеризовать конформацию полимерной цепи такой, например, величиной, как расстояние между ее началом и концом, то эта величина будет случайным образом изменяться во времени в соответствии с тем, как цепь будет скручиваться или выпрямляться под влиянием броуновской бомбардировки молекулами растворителя.

Теория вероятности позволяет вычислить среднее расстояние между концами свободно-сочлененной цепи. Оно оказывается равным 1.Это значит, что в среднем свободно-сочлененная цепь имеет скрученную конформацию. Эта конформация была названа клубком.

Реальные молекулы, конечно, во многом отличаются от этой модели. Не любые вращения допустимы, так как мономерные звенья имеют определенный объем и два звена не могут одновременно находиться в одной и той же части пространства. Кроме того, вращения вокруг химических связей сопряжены с преодолением энергетических барьеров, высота которых зачастую превосходит среднюю энергию тепловых столкновений. И, наконец, между атомными группировками мономерных звеньев при их сближения возникают вандерваальсовы взаимодействия, что также влияет на динамику вращения вокруг связей.

Однако при достаточно высокой температуре и большом числе мономерных звеньев полимерная цепь ведет себя подобно свободно-сочлененной, то есть находится в конформации клубка. При низкой температуре тепловые столкновения уже не могут разорвать вандерваальсовых контактов, клубок уплотняется, и в конечном итоге молекула приобретает конформацию плотной глобулы.

В глобуле подвижность мономерных звеньев значительно ограничена. За счет различных вандерваальсовых взаимодействий внутренняя часть глобулы приобретает свойства твердого тела. Исследование сжимаемости белков в растворе показало, что коэффициент сжимаемости для белка составляет величину порядка . Это значение меньше, чем значения для жидкостей , но больше, чем для металлов .

Мы видим, что изменения температуры могут вызывать переходы клубок глобула. Исследования таких переходов в белках показало, что они похожи на фазовые переходы.

Рассмотрим фазовые переходы в биополимерах.