Вечканов Внуков Биофизика биополимеров


Чтобы посмотреть этот PDF файл с форматированием и разметкой, скачайте его и откройте на своем компьютере.
МИНИСТЕРСТВО
ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РФ


ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРС
ТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬ
НОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО П
РОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБР
АЗОВАНИЯ

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ У
НИВЕРСИТЕТ»






Е. М. ВЕЧКАНОВ
, В. В. ВНУКОВ

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Биофизика биополимеров








Ростов
-
на
-
Дону

2010

2


УДК 577.3

Реце
нзент
:

д.б.н., профессор
кафедры биохимии и микробиологии биолого
-
почвенного факультета ЮФУ


Лукаш А. И
.

Печатается по постановлению редакционно
й

комиссии

по биологическим наукам

биолого
-
почвенно
го факультета ЮФУ.
Протокол Р 1

от
26

апреля

2010 г.



ст. преп. каф. биохимии и микробиологии ЮФУ, к.б.н.
Вечканов Е.М

зав
. каф. биохимии и микробиологии ЮФУ, д.б.н., профессор Внуков. В. В.

Биофизика биополимеров
: Учеб
-
метод, пособие для вузов / Е.М. Вечканов
, В. В.
Внуков.



Ростов
-
на
-
Дону: Изд
-
во ЮФУ, 2010
.


40

с.



Издание подготовлено при финансовой поддержке Министерства науки и
образования РФ (грант «Развитие научного потенциала высшей школы (2009
-
2010
годы)» Р 2.1.1/5628).



Уче
бное пособие предназначено для
самостоятельной подготовки студентов по
общему

кур
су биофизики
, теме «
Биофизика биополимеров
». Для студентов
дневной, очно
-
заочной и заочной форм обучения специальности биология и
биоэкология.








3


ОГЛАВЛЕНИЕ

1.


Характеристика основных биополимеров
----
----
---------
---
---------------------

4

2.


Особенности цепной структуры биополимеров.

------------
---
-----------------

4

3.


Сочетание статистического и механического поведения элементов
биополимеров
.

-----------------------------------------------------------------
-------
----------

4

4.


Характеристика термодинамической гибкости полимерной цепи.

-
-
-

5

5.


Различия между клубком и глобулой.

------------
----
------------------------------

6

6.


Объѐмные
взаимодействия.

--------------------------------------------------------------

7

7.


В
одородные связи.

--------
--------------------------------------
------------------------------

7

8.


Свойства воды. Клатратная структура воды.
----------
---
-----------------------

9

9.


Гидрофобные
взаимодействия
.
-------------
------
---------------------------------------

11

10.


Электростатические силы.
-----------------------
------
------------------------------------

13

11.


Силы Ван
-
дер
-
Ваальса
.
-------------------
------------------------------------------------

14

12.


Поворотная изомерия и стерические ограничения
.

--------------------------

15

13.


Особенности

пептидных групп.

--------------------------------------------------------

16

14.


Конформационная энергия

полипептидной цепи и особенности еѐ
строения
.

-
--------------------------------------------------------------
---------------------------

17

15.


Стерические карты
.

--------------------------------------------------------------------------

18

16.


Особенности
организации вторичной структуры белков.
------------
-
-----

19

17.


Самоорганизация полипептидных цепей, еѐ последовательные
стадии
.

----------------------------------------------------------------------------------------------

22

18.


Классификация белковых
структур
.
-
-
------------------------------------------------

24

19.


Предсказание и моделирование

пространственной организации
белков по их первичной структуре.

---------------------------------------------------

25

20.


Взаимодействие белков с водой

и формы связанной воды
.

---------------

26

21.


Методы исследования внутримолекулярной динамики белков.

------

27

22.


Электронно
-
конформационные взаимодействия на примере
связывания гемоглобина с кислородом.

-------------------------------------------

28

23.


Туннельный перенос электрона в биоструктурах
.

--------------------------

32

24.


Особенности пространственной организации нуклеиновых кислот
.
-

33

В
опросы и задания по
курсу
-
------
-----------------
---------
------------------------------------

38

Список
литературы
---------------------------------------------
----
-------------
--------------
------

39



4


§ 1
.

Характеристика основных биополимеров

Биополиме
ры

это

класс полимеров, встречающихс
я в природе в
естественном виде и

входящие в сос
тав живых организмов. К биополимерам
относятся

белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды. Биополимеры состоят из
одинаковых (или разных
) звеньев

-

мономеров
. Мономеры белков

-

аминокислоты
, нуклеиновых кислот

-

нуклеотиды
, в полисахаридах

-

моносахариды
.

Выделяют два типа биополимеров



регулярные

(некоторые
полисахариды) и
нерегулярные

(белки, нуклеиновые кислоты, некоторые
полисахариды).


§
2.

Особенности цепной структуры биополимеров

Биополимеры обладают рядом особенностей:

1.

Состоят из большого числа
атомов

2.

Имеют большое число функциональных групп

3.

Значительное число степеней свободы

Биополимеры имеют цепное строение, причѐм большинство из них имеют
линейную структуру. Количество разветвлѐнных биополимеров не так велико, в
качестве примера можно привест
и молекулу
гликогена
.

Цепи биополимеров могут быть построены из одинаковых мономеров
(
гомополимеры
) или разных (
гетерополимеры

/

сополимеры
).
Информационной ѐмкостью

обладают только гетерополимеры.

У биополимеров
большое число степеней свободы, но свобода
не бесконечна.
Биополимеры ограничены в своѐм вращении дальними связями (
дальние
взаимодействия
), которые реализуются в результате свѐртывания белков.


§ 3.
Сочетание статистического и механического
поведения элементов биополимеров

Подвижность полимеров может иметь
стати
сти
ческий

и
детерминированный
(механический) характер.
Стати
сти
ческая
подвижность биополимера

это варианты отдельных элементов структуры,
повороты вокруг одинарных связей. Форма и размеры молекулы зависит от
стати
сти
ч
еской подвижности биополимера.
Детерминированный характер

5


движения обуславливает функциональные изменения в молекуле. Оба типа
движений свойственны всем биополимерам и могут идти одновременно.

Если молекула биополимера имеет
N

звеньев с длиной цепи
l
, то
расстояние
между концами биополимера рассчитывается по формуле (1):

h

=
N

l


(1)

П
олимерная цепь состоит из ряда прямолинейных сегментов, каждый из
которых включает определенное число отдельных звеньев. Внутри каждого
сегмента сохраняется абсолютная
корреляция в ориентации звеньев, но зато
между сегментами эта корреляция полностью от
сутствует. Начало и конец
модельной цепи совпадают, конечно, с таковыми для реальной цепи. Такая
модельная цепь, состоящая из отдельных сегментов, взаимно независимых в
о
тношении своей ориентации в про
странстве, называется свободно
-
сочлененной

(
Рисунок

1).



Рисунок

1

Свободно
-
сочленѐнная цепь


(по В. Н. Цветкову, В. Е. Эскину, С. Я. Френкелю, 1964).


Реальная длинная цепная молекула принимает огромное количество
конфигу
раций
.

h

принимает значения

в диапазоне от
h

= 0 (концы цепи совпали)
до
h

= N1
(
I

= |1| вытянутая цепь).
В

клубке эти разные значения
h

принимаются
с разной вероятностью.


§4.
Характеристика термодинамической гибкости
полимерной цепи

С помощью результир
ующего вектора
h
2

характеризуется
термодинамическая гибкость биополимера
.

h
2

=
N

l
2


(
2
)

6



Сворачивание гибкой цепи в клуб
ок определяется ее термо
динамической
гибкостью: чем больше гибкость, тем меньше

h
2

при заданных

N

и
L
.

В растворе
наиболее вероятная конформация полимера


свернутый клубок
, в котором
энтропия системы максимальна
. При растяжении полимера происходит
развертывание клубка и уменьшение числа возможных конформаций, что
сопрово
ждается уменьшением энтропии
.


§ 5
.

Различия между клубком и глобулой

Сворачивание
биополимера в пространстве приводит к образованию клубка
или глобулы.

Глобула


вид пространственной структуры полимера, с компактной
пространственной структурой, с малыми флуктуациями плотности, с однородной
сердцевиной и постоянной концентрацией звеньев
n
0
.

Клубок
-

вид пространственной структуры полимера, при котором

взаимодейств
уют только соседние

звенья, с большим количеством
конформаций и

отсутствует внутренняя структура

(
Рисунок

2
).




Рисунок

2

Строение клубка и глобулы

θ


температура, при

которой отталкивание мономеров полностью

компенсируется их

взаимным притяжением,

объѐмные взаимодействия

отсутствуют и макромолекула

представляет собой клубок

с размерами
R

=
l

N
1/2


7


С увеличением

температуры происходит увеличение сил отталкивания и
уменьшение сил притяжения.


§ 6
.

Объѐмные взаимодействия

Все взаимодействия
между атомами независимо от их конкретной
физической природы при формировании различных макромолекулярных структур
и пере
ходов между ними можно разделить на два типа:
взаимодействия
ближнего порядка

между атомами соседних звеньев и
дальние
взаимодействия

или
объемные эффекты

между атомами, которые хотя и
отстоят по цепи далеко друг от друга, но случайно сблизились в пространстве в
результате изгибания цепи.

В стабилизации молекулы
биополимера принимают участие следующие
объѐмные взаимодействия:

1.

Водородные
связи

2.

Электростатические силы

3.

Ван
-
дер
-
Ваальсовы взаимодействия

4.

Гидрофобные взаимодействия


§
7
.

Водородная связь

Водородная связь
-

разновидность
донорно
-
акцепторной связи
, невалентное
взаи
модействие между атомом
водорода

H,
ковалентно

связанным с атомом A
группы A
-
H молекулы RA
-
H и
электроотрицательным

атомом B другой молекулы
(или функциональной группы той же молекулы) BR'. Результатом таких
взаимодействий являются комплексы RA
-
H•••BR' различной степени
стабильности, в которых атом в
одорода выступает в роли «моста», связывающего
фрагменты RA и BR'.

Особенностями водородной связи, по которым ее выделяют в
отдельный вид, является
:

1.

Не очень высокая прочность.

2.

Высокая распространенность и важность
в органических соединениях
.

3.

Малые размеры

4.

Отсутствие

допол
нительных электронов у водорода

Возникновение водородной связи можно в первом приближении объяснить
действием электростатических сил. Атом с большой электроотрицательностью,
например, фтор в молекуле HF смещает на себя электронное облако,
приобретая
8


значительный эффективный отрицательный заряд, а ядро атома водорода
(протон) почти лишается электронного облака и приобретает эффективный
положительный заряд. Между протоном атома водорода и отрицательно
заряженным атомом фтора соседней молекулы

возникает электростатическое
притяжение, что и приводит к образованию водородной связи.


Энергия водородной связи значительно меньше энергии обычной
ковалентной связи (не превышает 40 кДж/моль). Однако этой энергии достаточно,
чтобы вызвать ассоциацию мол
екул, то есть их объединение в
димеры

или
полимеры
. Именно ассоци
ация молекул служит причиной аномально высоких
температур плавления и кипения таких веществ, как
фтороводород
,
вода
,
аммиак
.

Водородная связь в значительной мере определяет свойства и таких
биологически важных веществ, как
белки

(
Рисунок

3а),

нуклеиновые кислоты

(
Рисунок

3б) и полисахариды (
Рисунок

3в)
.

(
а)
(б)

(в)

Рисунок

3

Водородная связь между молекулами
белка (а),
азотистыми основаниями ДНК (б) и
целлюлозы

(в)
.

9


Прочность водородной связи (
энтальпия

образования комплекса) зависит от
полярности комплекса и колеблется от ~ 6 кДж/моль для комплексов молекул
галогеноводородов с инертными газами до 160 кДж/моль для ион
-
молекулярных
комплексов (AHB).
Связь этого типа, хотя и
слабее
ионной

и
ковалентной

связей,
тем не менее играет очень важную роль во внутри
-

и межмолекулярных
взаимодействиях. В частности, элементы
вторичной структуры

(например,
α
-
спирали
,
β
-
складки
) в молекулах
белков

стабилизированы водородными связями.
Водородные связи во многом обусловливают физические свойства воды и многих

органических жидкостей (спирты, карбоновые кислоты, амиды карбонов
ых кислот,
сложные эфиры).


§ 8
.

Свойства воды.

Клатратная структура воды.

Молекула воды представляет собой маленький диполь, содержащий
положительный и отрицательный заряды на полюсах. Так как масса и заряд ядра
кислорода больше чем у ядер водорода, то
электронное облако стягивается в
сторону кислородного ядра. При этом ядра водорода ―оголяются‖. Таким образом,
электронное облако имеет неоднородную плотность. Около ядер водорода имеется
недостаток электронной плотности, а на противоположной стороне молек
улы,
около ядра кислорода, наблюдается избыток электронной плотности. Именно
такая структура и определяет полярность молекулы воды

(рис 4
)
.



Рис
унок

4


Полярность молекулы воды

10


Если соединить прямыми линиями эпицентры положительных и
отрицательных
зарядов получится объемная геометрическая фигура
-

правильный тетраэдр. Благодаря наличию водородных связей каждая молекула
воды образует водородную связь с 4
-
мя соседними молекулами, образуя ажурный
сетчатый каркас в молекуле льда. Однако, в жидком состоя
нии вода


неупорядоченная жидкость; эти водородные связи
-

спонтанные, короткоживущие,
быстро рвутся и образуются вновь

(
Рисунок

5
)
.

Всѐ это приводит к неоднородности
в структуре воды.


Рисунок

5

Водородная связь между молекулами
воды
.

Водородная связь обозначена чѐрными линиями. Красные линии обозначают
ковалентную связь
, которая удерживает вместе атомы кислоро
да (красный) и водорода
(серый)

Первую модель клатратного типа в

1946

году предложил О.

Я.

Самойлов:
в

воде сохраняется подобная гексагона
льному льду сетка водородных связей,
полости которой частично заполнены мономерными молекулами. Л.

Полинг
в

1959

году создал другой вариант, предположив, что основой структуры может
служить сетка связей, присущая некоторым кристаллогидратам.

В 1999 г.
росс
ийским

исследователем

воды С.В. Зенин
ым была предложена
и доказана

на
основе методов
рефрактометрии
,

высокоэффективной жидкостной хроматографии
и протонного магнитного резонанса
,

геометрическая модель основного
стабильного структурного образования из молекул воды (структурированная вода)

(
Рисунок

6
).



11



Рисунок

6

Простейшие кластерные структуры воды

В

молекуле воды создают благоприятные возможности для образования
особых с
труктур
-
ассоциатов (кластеров).

Структурной единицей воды является
кластер, состоящий из клатратов
, природа которых обусловлена дальними
кулоновскими силами. В водных кластерах за счѐт взаимодействия между
ковалентными и водородными связями между атомами кислорода и атомами
водорода может происходить миграция протона (Н+) по эстафетному механизму,
прив
одящие к делокализации протона в пределах кластера.

Вода, состоящая из
множества кластеров различных типов, образует иерархическую
пространственную жидкокристаллическую структуру
.

§ 9
.

Гидрофобные
взаимодействия

Вода является хорошим растворителем как для

солей, легко диссоциирующих
на ионы, так и для многих соединений с полярными связями. Такие вещества
обычно называют
полярными

или
гидрофильными

("водолюбивыми"). В то же
время углеводороды растворяются в воде плохо. Такие вещества называют
неполярными

или
гидрофобными
.

Растворимость в воде органических
соединений определяется соотношением полярных или неполярных групп. Это
положение хорошо иллюстрируется на примере жирных кислот. Карбоксильная
группа жирных кислот ионизирована и способна образовывать в
одородные связи.
Однако по мере увеличения длины углеводородной цепи растворимость жирных
кислот заметно снижается. Жирные кислоты, содержащие в цепи более 10
углеродных атомов, практически нерастворимы в воде.

12


Гидрофобные взаимодействия
имеют в своей осн
ове исключительно
термодинамическую природу
. Гидрофобные взаимодействия
свойственны
белкам и нуклеиновым кислотам.

Согласно второму закону термодинамики

(8)

энергия Гиббса (δ
G
)
только
падает

(
δ
G



)

или не изменяется

(
δ
G

=
const
)
.

δ
G

= δН


Т δ
S

(8)


При попадании гидрофобного радикала
R

аминокислоты белка в
кластерную структуру воды происходит
разрушение

клатратной структуры

воды,
что приводит к по
вышению энтропии
(
δ
S � 0)

и, следовательно, к уменьшению
свободной энергии системы

(
δ
G


)
.
Однако
разрушение структуры воды нарушает
систему водородных связей между молекулами воды. Вместо водородных связей
углеводоро
ды способны образовывать только более слабые ван
-
дер
-
ваальсовы
связи с водой. Это приводит к увеличению значений
δ
G

� 0
, которые по абсо
-
лютной величине превышают отрицательный энтропийный вклад в из
менение
δ
G
, т. е.
δ
Н



|
Т δ
S
|
. Поэтому в целом
δ
G

повышается, что энергетически
невыгодно, и приводит к выталкиванию
гидрофобных радикалов
аминокислот или у
глеводородов из водной фазы.

Гидрофобные
взаимодействия в целом стабилизируют макромолекулы, хотя детальная картина
взаимодействий с водой в пре
делах макромолекулы значительно сложнее.

Гидрофобные взаимодействия обеспечивают пространственную ориентацию
молекулы биополимера. Фишер р
ассмотрел теоретическое соотношение между
гидрофильными и гидрофобными частями молекулы. В белковой глобуле он
выделил следующие объѐмы:

V
e



объѐм гидрофильной части
,
V
i



объѐм
гидрофобной части
,
V
t



объѐм всей глобулы

(рисунок 7)


Рисунок

7

Строение глобулы по Фишеру.

B

=
V
e

/
V
i

V

= 4/3
r
3

Тогда

гидрофобный

объѐм

V
i

=
V
t



V
e

=
4/3
(
R
-
r
)
3


13


Гидрофильный объѐм
V
e

= 4/3π
r
3



4/3 (
r
-
d
)
3

= 4/3
π
[
r
3



(
r
-
d
)
3
]

B

=
V
e

/
V
i

=
R

3

/(
R
-
r
)
3

-

1

Фишер
рассмотрел

зависимость В от
V
t
, которая
графически представлена на

рисунке 8
.

Соотношение для идеальной сферы укладывается в кривую.


Рисунок

8

Диаграмма зависимости В от
V
t

На диаграмме представлена кривая зависимости В от
V
t

для идеальной
сферы.
Согл
асно

рентгеноструктурного анализа,
было рассчитано, что некоторые
белки попадают на эту кривую, а остальные располагаются выше или ниже
кривой для идеальной сферы.

Выше кривой находятся белки с большим объѐмом
гидрофильной части и их форма стремится к эллипсо
иду.
Выше всех на
диаграмме находятся фибриллярные белки, где почти нет гидрофобных участков.
Контакт с водой усилен

у белков, лежащих

ниже кривой. Там находятся те белки,
у которых гидрофильного покрытия нехватает на все гидрофобные участки

и
поэтому он
и образуют агрегаты.

§ 10
.

Электростатические силы

Электростатические взаимодействия образуются за счѐт взаимодействия
электростатически
-
заряженных групп в молекуле биополимера. В молекулах
белков роль электростатически
-
заряженных

центров играют положительно
(аргинин, лизин, гистидин) и отрицательно заряженные (глутаминовая и
аспарагиновая кислота) радикалы аминокислот. В молекуле ДНК
электростатически
-
заряжены остатки фосфорной кислоты. Энергия
электростатических взаимодействий

(
U
эл.стат
)

составляет от 40 до 400 кДж.
моль и
вычисляется по формуле (9
).

Агрегаты

Элипсоиды

14



(
9
)

где
q
i


и
q
k



заряды

на атомах
(
i

и
k
)
, е


диэлектрическая постоянная

(
для
белков 3,5)
,
r
ik



расстояние между
атомами
.


В растворе биополимеры ведут себя как типичные
полиамфолиты
. В
молекулах нуклеиновых кислот преобладает отрицательный заряд, заряд белка
зависит от ионной силы раствора и от
pH



среды.


§ 11
.

Силы Ван
-
дер
-
Вальса

Силы Ван
-
дер
-
Вальса

имеют электро
магнитную природу и связаны с
взаимодействием
электрических дипо
лей в соседних молекулах.
В зависимости от
того, обладают ли взаимодействующие

молекулы постоянными электрическими
дипольными

моментами или последние

возникают вследствие поляризуемости
электронных оболочек, существуют

различные типы сил

Ван
-
дер
-
Ваальса
:

1.

Дисперсионные взаимодействия.

2.

Ориентационные взаимодействия

3.

Индукционные взаимодействия

Дисперсионные взаимодействия
.

Наиболее распространены дисперсионные взаимодействия между
молекулами, которые не обладают постоянными дипольными моментами.
Природа этих сил носит квантовомеханически
й

характер. Движение электрона
как квантовой частицы не может быть описано то
чной механич
еской траекторией,
и

имеет "размытый" харак
тер. Электрон не может обладать одновременно строго
определенными значениями координаты (х) и импульса (р)
.

Это значит, что и в
основном невозбужденном состоянии сущест
вуют быстрые смещения заряда
электрона от п
оложения равновесия, а следовательно, в молекуле в состоянии
покоя появляются "мгновенные" дипольные моменты. Появление такого момента
в одной молекуле инду
цирует появление его в соседней молекуле. Возникает
взаимодействие двух быстроменяющихся дипольных
моментов, которые, таким
образом, становятся связанными и притягиваются друг к другу. Энергия притяже
-
ния двух мгновенных диполей, или энергия дисперсионного взаимодей
ствия,
быстро убывает с расстоянием

15


Ориентационные взаимодействия.

В случае ориентации

д
вух диполей согласно рисунку 9

между ними
возникают ориентационные взаимодействия


Рисунок

9

Взаимодействие двух диполей, расположенных вдоль прямой

Дипольные моменты Р
1

и Р
2

равны соответственно P
1

= el
1
, P
2

= e
l
2
, где е


заряд электрона,
l
1
и
l
2

расстояние между противоположными зарядами.

Энергия ориентационных взаимоде
йствий вычисляется по формуле (10
):

U
ор

=
-

2 Р
1
2
Р
2
2

/ 3
kTR
6

(10
)

Индукционные взаимодействия.

Индукционные взаимодействия

возникают между постоянным дипольным
моментом в одной молекуле и наведенным им диполем в соседней поляризуемой
молекуле.

В случае, к
огда одна молекула имеет постоянный дипольный момент Р
1
,
она
может навести диполь Р
2

в другой молекуле, если последняя обладает определенной
поляризуемостью α
:

Р
2

= α Е
1

(11
)

где Р
2



наведенный диполь;
а


коэффициент поляризуемости второй молекулы; E
1

локальная

напряженность электрического поля в центре поляризуемой молекулы,
создаваемая постоянным диполем P
1

первой молекулы. Поле

E
1
диполя P
1

на расстоянии
R
от постоянного диполя равно E
1
=2P
1
/
R
3
, если

P
1

и
R
расположены параллельно.

U
инд
=
-
2αР
2

/

R
6


(12
)

Суммарное ван
-
дер
-
ваальсово взаимодействие двух


молекул зависит от
вклада всех типов дипольных взаимодействий и составляет по величине от 1,0 до
нескольких десятков ккал/моль. Для многих биологических макромолекул
глубина энергетического минимума, создаваемого за счет ван
-
дер
-
ваальсового
притяжения, со
ставляет 1
-
3 ккал/моль
.


§ 12
.

Поворотная изомерия и стерические ограничения.

Сворачивание полипептидной цепи (как и любой другой полимерной
молекулы) есть статистическая и механическая форма поведения, зависящая от
16


возникновения
ротамеров
, которые
возникают за счѐт вращения атомов вокруг
одинарных связей.

Вращение вокруг одинарных связей не всегда свободно, так как между
соседними атомами возникает
тормозный потенциал внутреннего
вращения
, который зависит от угла поворота и от электронных орбиталей
соседних атомов.

Энергия вращения атомных групп вокруг единичных связей даѐт
основной вклад в общую
конформационную энергию

полимерной цепи.

Возможно рассмотреть конформационную энергию н
а примере молекулы
этана (
Рисунок

10
).


Рисунок

10

График зависимости потенциальной энергии внутренне
-
го вращения в этане от угла поворота.

Значения углов 0°, 120° и т. д. соответствуют транс
-

а 60°, 180° и т.д. цис
-
конформациям
.

Энергетический барьер, или тормозящий потенциал, для перехода одной

транс
-
конформации в другую через цис
-
форму при повороте вокруг С
-
С связи на
120° равен

-

3 ккал/моль. Зависимость потенциала внутреннего вращения от угла
поворота
φ

задается выражением

(13):

U
(
φ
)=
U
0

/2 (1
-

cos
3
φ
) (13)

где
Uo

-

высота барьера.

Обшая
конформационная энергия полимера зависит от взаимных углов
поворотов звеньев вокруг единичных связей. Подобная система, где энергия
составляющих элементов зависит от их взаимодействия друг с другом, называется
кооперативной.




17


§ 13
.

Особенности пептидных
групп

Двойной характер пептидной связи препятствует вращению атомов углерода
и азота друг относительно друга

(
Рисунок

11
)
. Отсюда вытекает ряд свойств,
характерных для пептидной связи.


Рисунок

11

Пептидная связь

1.

Компланарность



все атомы, входящие в
пептидную группу, находятся в
одной плоскости.


2.

Способность к существованию в двух резонансных формах:
(кето
-

или
енольная)


3.

Транс
-
положение

заместителей по отношению к С
-
N
-
связи.


4.

Способность к образованию водородных связей.


§ 14
.

Конформационная
энергия

полипептидной цепи

и
особенности еѐ строения.

Конформационная энергия полипептидной цепи

определяется всеми видами
взаимодействий и зависит от энергии внутрен
него вращения аминокислотных
остатков вокруг единич
ных связей. Общее строение полипептидной цепи
представлено на
Рисунок

9.

В силу двойного характера пептидной связи С=
N

вращение вокруг неѐ

затруднено и учитывается только вращение вокруг связей
N



C
α

(
угол
φ
) и
C
α

-

C

(
угол
ψ
).

Для каждого конкретного аминокислотного
остатка ввиду стерических ограничений разрешены только определѐнные
комбинации углов вращения

φ

и
ψ

(рисунок 12)
.

18



Рисунок

12

Конформа
ционные углы полипептидной цепи

Последовательность углов
φ

и
ψ

для всех остатков

белка определяет
конформацию белковой цепи. Принцип, согласно которому два атома не могут
занимать одно и тоже место в пространстве, ограничивает набор возможных
значений конформационных углов
.

Общее значение для конформационной
энергии
имеет вид (14):

(
14)

где:
U
i
,
k

(φ и ψ)
-

полный потенциал взаимодействия

с

расстояни
ем

r
i
,
k

между
взаимодействующими

атомами
, зависящим от углов φ и ψ
,
U
эл.стат



энергия
электростатических взаимодействий, задаваемая согласно формуле (9),


§ 1
5
.

Стерические карты


График (карта), показывающая разрешѐнные значения углов
φ

и
ψ

на
плоскости, называется
стерической
картой Сасисекхаран
-
Рамакришнан
-
Рамачандран
, обычно в сокращѐнном вариан
те:
«карта Рамачандрана»

(
Рисунок

13
).

19



Рисунок

13

Стерическая к
арта Рамачандрана

[2]

Зелѐная область на ней ограничивает энергетически предпочтительные области
значений
φ

и
ψ
, красная область


стерически неразрешѐнные зоны.

Конформации большинства аминокислотных остатков попадают либо в
α
R
, либо в
β
-
зону. Глицин может быть и в других конформациях. В частности, он может
формировать левозакрученную спираль
α
L
.

Разрешенные области на карте Рамачандрана соответствуют стандартным
конформациям. Чередование остатков в
α
-
ко
нформации (обычно 6
-
20 в натив
ном

состоянии глобулярного белка) приводит к образованию
α
R

-
спирали. Чере
дование
остатков в
β
-
конформации приводит к образованию
β
-
тяжа. Два или более

β

-
тяжа могут взаимодействовать в плоскости с образованием

β

-
листа
. Спирали и
листы являются стандартны
ми «за
готовками», структурными компонентами,
которые образуют пространствен
ную структуру большинства белков. Их
стабилизируют относительно слабые взаимодействия


водородные связи

между
атомами основной цепи
. В фибриллярных белках все остатки принадлежат

к
какому
-
то одному типу: шерсть содержит
α
-
спирали, а шелк


β
-
листы.
Типичные
глобулярные белки содержат несколько
α
-
спиральных участков

или

β
-
листов,
связанных друг с другом

поворотами
.


20



§ 16
.

Особенности организации

в
торичной структуры белков
.

Наиболее распространенным элементом вторичной структуры является
правая α
-
спираль

R
). Пептидная цепь здесь изгибается винтообразно. Ha
каждый виток приходится 3,6 аминокислотного остатка,
шаг винта
(т.е.
минимальное расстояние между двумя эквивалентными
точками) составляет 0,54
нм. α
-
Спираль стабилизирована почти линейными
водородными связями
(красный пунктир) между NH
-
группой и СО
-
группой четвертого по счету
аминокислотного остатка. Таким образом, в протяженных спиральных участках
каждый аминокислотный о
статок принимает участие в формировании двух
водородных связей. Неполярные или амфифильные α
-
спирали с 5
-
6 витками
часто обеспечивают заякоривание белков в биологических мембранах

(
Рисунок

1
4
)
.


Рисунок

14

Правая α
-
спираль

R
).

Другая форма спирали присутствует в коллагене, важнейшем компоненте
соединительных тканей. Это
левая спираль коллагена
с шагом 0,96 нм и 3,3
остатка в каждом витке, более пологая по сравнению с α
-
спиралью

(
Рисунок

1
5
).

В
отличие от α
-
спирали образование во
дородных мостиков здесь невозможно.
Структура стабилизирована за счет скручивания трех пептидных цепей в
правую тройную спираль
.


21



Рисунок

1
5

Левая α
-
спираль

L
)

На рисунке 1
6

представлены
β



складчатые структуры
. B складчатых
структурах

образуются
поперечные межцепочечные

водородные связи. Если цепи
ориентированы в противоположных направлениях (
Рисунок

1
6
а
), структура
называется
антипараллельным складчатым листом
(
β
α
), а если цепи
ориентированы в одном направлении (
Рисунок

1
6
б
), структура

называется
параллельным складчатым листом
(
β
n
). В складчатых структурах α
-
С
-
атомы
располагаются на перегибах, а боковые цепи ориентированы почти
перпендикулярно средней плоскости листа, п
опеременно вверх и вниз
.
Энергетически более предпочтительной оказыва
ется
β
α
-
складчатая структура
с
почти
линейными
H
-
мостиками. В растянутых складчатых листах отдельные
цепи чаще всего не параллельны, а несколько изогнуты относительно друг друга.



1
6
а

1
6
б

Рисунок

1
6

β



складчатые структуры

22


В тех участках, где пептидная цепь изгибается достаточно круто, часто
находится β
-
петля

(
Рисунок

1
7
)
. Это короткий фрагмент, в котором 4
аминокислотных

остатка расположены таким образом, что цепь делает
реверсивный поворот (на 180
о
). Оба приведенных на схеме варианта петли (типы
I и II) встречаются довольно часто. Обе структуры стабилизированы водородным
мостиком между 1 и 4 остатками.



Рисунок

1
7

β

-

Петля

§ 17

Самоорганизация полипептидных цепей, еѐ
последовательные стадии.

Уникальность каждо
го белка заключается в уникаль
ной последовательности
аминокислот (их боковых радикалов). Поэтому
взаимодействия

между боковыми
остатками и определяют конформацию
основной цепи.

Объяснением принципов
самоорганизации полипептидных цепей в частности занимается
молекулярная
биофизика.

Моле
кулярная биофизика призвана ответить на ряд вопросов:

1.

В природе существует порядка
10
5

последовательностей аминокислот
. В
случае рассмотрения белка всего в 200 аминокислот возможное число
вариантов составит 20
200

, что существенно больше существующего
числа.
Почему

в эволюции
было отобрано столь незначительная часть
аминокислотных последовательностей?

2.

Всегда ли конформация высших структур белка опосредуется первичной
структурой?

3.

Как происходит процесс самоорганиза
ции полипептидной цепи?

При прохождении процесса трансляции полипептидная цепь
организуется в
вышележащие структуры. Понятно, что полипептидная цепь будет
самоорганизовываться таким образом, чтобы конформационная энергия
достигала минимальных значений (2 з
акон термодинамики). Такая ситуация
будет реализовываться в случае достижения строго определѐнных значений углов
φ и ψ. Математические расчѐты показывают, что случайным перебором всех
23


возможных значений углов для достижения минимума конформационной
энергии

невозможно достичь за время всего существования жизни на
планете Земля!

На настоящий момент актуальна гипотеза, что упаковка полипептидной
цепи протекает по так называемому
блочному механизму
.

Существует
определѐнная аминокислотная последовательность, при укладке которой в
пространстве достигается
определѐнная геометрическая структура с
минимумом конформационной энергии
.

Такой блок аминокислот уже не
проверяется на наименьшее значение конформац
ионной энергии и значений
торсионных углов.

В настоящее время принята следующая иерархия структуры белка и
последователность его сворачивания:


1.

Уровень вторичных структур
.

Достигается определѐнным набором альфа
-
спиралей, бета
-
складчатых

структур и бесструктурных участков

2.

Уровень элементарных комплексов
.

Образование шпилек из соседствующих вторичных структур.
Энергетически процесс невыгоден, но энергия компенсируется за счѐт
образования более высоко
-
лежащих структур.

3.

Доменный уровень
.

Про
исходит взаимодествие в пространстве элементов 2 уровня
(шпилек) с образованием доменов.

4.

Уровень глобулы
.

Полноценной глобуле предшествует
так называемая
расплавленная
глобула
, которая затем конформирует в полноценную глобулу.

5.

Уровень модульных белков.

Такая и
ерархия
процессов самосборки, когда предыдущий уровень без
существенных изменений включается в последующие, значительно сокращает
число вариантов конформаций полипептидной цепи (рис 1
8
).

24



Рисунок

1
8
. Иерархия структуры белка и последовательность
его
сворачивания.

§ 18.

Классификация белковых структур

Наиболее общая классификация семейств белковых структур основана на
вторичной и третичной структуре белка. В таблице 1 приведена краткая
характеристика белковых структур.

Таб
л
ица

1

Классификация
белковых структур

Класс

Характеристика

α
-

спираль

Вторичная структура почти исключительно содержит α
-

спираль

β
-

структура

Вторичная структура почти исключительно содержит β
-

листы

α + β

α
-

спирали и β
-

листы находятся в разных частях молекулы,
отсутствие супервторичной β


α


β


супервторичной
структуры

α/β

Спирали и листы собраны из β


α


β


структурных
единиц

α/β, линейный

Линия, проходящая через центры тяжей (
strands
)

листов,
-

почти прямая

Неструктурирована

Мало или нет элементов вторичной структуры


25


Среди белков со сходной укладкой представлены семейства, имеющие
достаточно большое количество деталей структур, последовательностей и
функций, обусловленное эволюционн
ыми взаимоотношениями.

Классификация белковых структур занимает одно из центральных мест,
перекидывая мост между аминокислотной последовательностью и функцией
белка. Ниже на рисунке

19

представлены некоторые белковые структуры.


А

Б

В

Рисунок

1
9

Н
екоторые белковые структуры.

А. Кристаллическая структура
Cu/Zn

супероксиддисмутазы.

Б. человеческий сывороточный
альбумин. В.
Тримерная структура коллагена

§ 19.

П
редсказание и моделирование

пространственной
организации белков по их первичной структуре.

Каждый белок спонтанно сворачивается в уникальную трѐхмерную нативную
конформацию. Доказательством полноты и правильности понимания принципов
сворачивания явилась бы компьютерная программа, сп
особная предсказать
структуру белка по его аминокислотной последовательности.

С вычислительной точки зрения проблема предсказания структуры белка
сводится
к поиску глобального минимума конформационной энергии
. Этот
подход до сих пор не привѐл к успеху всле
дствие того, что методы минимизации
находят локальные минимумы энергии.

Альтернативный подход заключается в
компоновке структуры исследуемой последовательности с помощью
сходства с известными структурами
.
Этот подход был объявлен как цель
проекта
структурной геномики
.

Выделяют следующие методы предсказания структуры белков по
аминокислотной последовательности:

26


1.

Предсказание вторичной структуры белка

без укладки еѐ в
пространственную структуру
. В результате получается список
сегментов, для которых пр
едсказано, что они формируют α
-
спирали или тяжи
β
-
листов.

2.

Распознавание

фолдов

(
Фолд



способ укладки полипептидной цепи).
Дана библиотека известных структур и их аминокислотных
последовательностей с известной структурой. Задача сводится к нахождению
в библиотеке трѐхмерных конфигураций структуры, которая с наибольшей
вероятностью имеет

способ укладки, сходный с укладкой неизвестного белка.

3.

Моделирование по гомологи
: предсказание трѐхмерной структуры белка
на основе известной структуры одного или нескольких гомологичных белков.
В результате получается полный список всех координат
,

всех
атомов как
главной цепи, так и боковых радикалов.

Считается, что, если
последовательности двух родственных белков имеют 50% или более
идентичных остатков в выравнивании, то они, вероятно, обладают
аналогичнойконформацией пространственной структуры с вероят
ностью не
менее, чем 50%.

Оценка методов для предсказания белковых структур требует специальных
тестов. С этой целю
J
.
Moult

предложил программу критической оценки
структурного прогноза (
CASP
)
.
Кристаллографы и специалисты по ЯМР
спектроскопии участвуют в
определении пространственной структуры белка,
благодаря чему: (1) аминокислотная последовательность может быть
опубликована на несколько месяцев раньше ожидаемой даты завершения экс
-
перимента и (2) результаты могут не сообщаться до согласованной даты. Учен
ые,
предсказывающие пространственную структуру, представляют свои модели до
последнего срока опубликования экспериментальной структуры. Затем про
гнозы и
эксперименты сравниваются
.


§ 2
0
.

Взаимодействие белков с водой

и формы связанной воды
.

Сами молекулы
воды рас
пределены в глобуле неоднородно. Снаружи
глобулы имеются
локальные полярные центры гидратации
, где молекулы
воды сильнее связаны по сравнению с тонкой
гидратной оболочкой



лабильно
-
связанная фракция

(время полужизни 10
-
10



10
-
11
с)
на поверхност
и
глобулы. В целом около поверхности белка может удерживаться до 2
-

3 слоев
27


воды. Кроме того, имеется
фракция прочно связанной воды

(время полужизни
10
-
13



10
-
6
с)
, которая фиксиру
ется на соответствующих малоподвижных элементах
белковой структу
ры

(рису
нок 20
)
.

Связанная вода выполняет роль смазывающей
жидкости в местах поворотов участков полипептидной цепи, разрыхляет и
стабилизирует гидрофобные взаимодействия.


Рисунок

20

Формы связанной воды

Влияние воды на конформационную энергию пептидов существен
но не
изменяет положения энергети
ческих минимумов на конформаци
онной карте.
Вода может оказывать сильное влияние на стабильность отдельных
конформационных участков и тем самым на внутримолеку
лярную подвижность
белка. Известно, что при увеличении степени г
ид
ратации высушенных
препаратов ферментов увеличение их активности происходит резко в узком
диапазоне увеличения числа молекул воды (10
-

20) на одну молекулу белка. В
эт
ой области происходит расторма
живание определенных внутримолекулярных
степеней свобод
ы, нужных для обеспечения ферментативной активности. Можно
рассматривать систему белок
-

вода как единую кооперативную систему, где
изменения в состоянии
,

как растворителя, так и белка носят взаимосвязанный
харак
тер.

Элементы структуры белков совершают сп
онтанные движения с разной по
величине амплитудой, частотой и временем релаксации.

Спонтанные движения
белковых структур происходят аналогично ограниченной диффузии в вязкой
среде. Наиболее быстрые поступательные движения совершают радикалы
аминокислот, вх
одящих в состав полипептидной цепи.

С меньшей скоростью
колеблются α
-
спирали и β
-
структуры. α
-
спираль выступает в роли упругого
28


стержня, а β
-
структура


упругой пластины. Их спонтанные смещения составляют
порядка нескольких ангстрем


§ 21.
Методы
исследования внутримолекулярной динамики
белков.

И
зучение быстрых внутренних движений в моле
куле белка
осуществляется с
помощью

современных физичес
ких
методов
:

1.

Люминесцентные методы
.

2.

Радиоспектроскопия электронного парамагнитного резонанса

(ЭПР)
.

3.

Радиоспе
ктроскопия ядерного

магнит
ного

резонанс
а

(ЯМР)
.

4.

Радиоспектроскопия ядерного гамма
-
резонанса

(ЯГР)
.

Основной подход состоит в том, чтобы, изучая определенные физические
параметры (люминесцентные, парамагнит
ные) специально внедренных во внутрь
белка

низкомолекулярных со
единений, получить характеристику подвижности
окружающей их среды, т. е. характеристику внутримолекулярной подвижности
белка.


Люминесцентные методы

позволяют измерять внутримолекулярную
подвижность белка, изучая, как зависит от темпе
ратуры положение мак
симума
люминесценции введенной в белок метки либо соб
ственной люминесценции
триптофана белка.

Электронный Парамагнитный Резонанс

(
ЭПР
)



спектроскопический

метод изучения вещества, открытый
Завойским Евгением Константиновичем
) в
Казанском государственном университете

в
1944 году
. Суть явления электронного
парамагнитного резонанса заключается в резонансном поглощении
электро
магнитного излучения неспаренными электронами.

С помощью метода
ЭПР можно охарактеризовать

кристалл соединения
,

в т. ч. белка, определить
особенности

распределения
электронной

плотности

и т. д.
В этом случае
парамагнитный центр является своеобразным
зондом
, дающим
спектроскопические и структурные характеристики своего микроокружения. Это
свойство используется в т.

н. методе
спиновых меток

и зондов, основанном на
введении стабильного парамагнитного центра в исследуемую систему.

Ядерный

М
агни
тный Р
езона
нс

(
ЯМР
)



резонансное поглощение
электромагнитной энергии веществом, содержащим
ядра

с ненулевым
спином

во
внешнем
магнитном поле
, обусловленное переориентацией
магнитных моментов

29


ядер. Явление магнитного резонанса было открыто в
1945

1946

гг. двумя
независимыми группами ученых. Вдохновителями этого были
Ф.

Блох

и
Э.

Пѐрселл
. Одни и те же ядра атомов в различных окружениях в молекуле
показывают различные сигналы ЯМР. Отличие тако
го сигнала ЯМР от сигнала
стандартного вещества позволяет определить так называемый химический сдвиг,
который обусловлен химическим строением изучаемого вещества. В методиках
ЯМР есть много возможностей
определять химическое строение веществ
,
конформации

молекул
,
эффекты взаимного влияния
,
внутримолекулярные превращения
.



§2
2
.


Электронно
-
конформационные взаимодействия на
примере связывания гемоглобина с кислородом.

Молекула гемоглобина (
Mr
= 64500
Da
)

содержит четыре полипептидные
цепи и четыре
простетические гемогруппы, в которых атомы железа находятся в
закисной форме
[
Fe

(2)
]
. Белковая часть молекулы


глобин
,

состоит из двух α


цепей и двух β
-
цепей.

Каждая из четырѐх цепей имеет характерную третичную
структуру. Четыре полипептидные цепи улож
ены относительно друг
-
друга в виде
тетраэдра, в результате чего возникает характерная четвертичная структура
гемоглобина. С каждой цепью связана одна гемогруппа. Гемы разных цепей
сравнительно далеко расположены друг от друга и имеют разный угол наклона.

Г
емогруппа, присутствующая в гемоглобине представляет собой сложную
полициклическую структ
уру, наз
ываемую протопорфирином (
Рисунок

21
).


Рисунок

21

Структура гема


Атом железа имеет шесть координационных связей, четыре из которых
участвуют в образовании комплекса железа с плоской молекулой порфирина, а
две другие направлены перпендикулярно порфириновому кольцу. В миоглобине и
30


гемоглобине одна из этих двух связей зан
ята атомом азота, принадлежащим
остатку гистидина. Другая связь свободна и служит для связывания молекулы
кислорода

(рисунок 22
).

В гемоглобине за эту свободную связь помимо молекулы
0
2

может конкурировать молекула окиси углерода (СО), которая образует с
атомом
железа в 200 раз более прочную связь, чем 0
2
.


Рисунок

22

Конформационные взаимодействия в молекуле
гем
а

Оксигенирование гемоглобина сопровождается значительными конформационными
изменениями. Связывание кислорода, сопровождается разрывом соле
вых
связей,
образованных концевыми карбоксиль
ными группами субъединиц (рис
унок

2
3
).


Рисунок

2
3

Солевые связи между субъединицами

в

дезоксиге
моглобине.


При оксигенировании
солевые

нековалентные связи,


обусловленные

электростатическими взаимодействиями, разрушаются.


(
Из

книги

Stryer

L
.:
Biochemistry
,
2
nd

ed
..
Freeman
,
1981, с изменениями.)

31



Это облегчает связывание следующих молекул
О
2
, поскольку при этом
требуется разрыв меньшего числа солевых связей. Указанные изменения заметно
влияют на вторичную, третичную и особенно четвертичную структуру
гемоглобина. При этом одна
α
/
β
-
пара субъединиц поворачивается относительно
другой
α
/
β

-
пары, что приводит к компактизации тетрамера и повышению сродства
гемов к 0
2
.

Четвертичная структура частично оксиге
нирован
ного гемоглобина
описывается как
Т
-
состояние

(от англ.
taut


напряжение
); полностью
оксигенирован
-

ному гемоглобину (НЬ02) отвечает

R
-
состояние

(
re
laxed


релаксированное
) (рис
унок

2
4
).


Рисунок

2
4
. Переход гемоглобина из Т
-

в
R
-
форму.

Переход гемоглобина из

Т
-

в
R
-
форму сопровождается поворотом одной пары жестко связанных
субъединиц (а
2
/
β
2
) на 15 относительно другой такой же пары (
α
1
/
β
1
). Ось вращения эксцентрична,


т. е. одновременно происходит сдвиг димера (
α
2
/
β
2
) ближе к оси тетрамера.


На этом рисунке показан поворот и смещение затененной
α
2

2
-
пары относительно

незатененной
α
1
/
β
1
-
пары (последняя считается неподвижной)

Оксигенирован
ие гемоглобина, как и миоглоби
на, сопровождается
структурными изменениями в окружении гемогруппы. При оксигенировании атом
железа, который в дезоксигемоглобине высту
пал на 0,06 нм из плоскости гемового
кольца, втяги
ва
ется в эту плоскость
. Вслед за атомом железа ближе к гему
перемещается и проксимальный

гистидин
(
F
8)
, а также связанные с ним соседние
остатки (рис
унок

2
5
).

32



Рисунок

2
5

Структурные изменения в составе гемогруппы.

При оксигенировании

диаметр координационной сферы атома железа становится меньше, и он
втягивается в плоскость гема. Вместе с атомом железа смешается ги
стидин
F
8.(

Stryer

L
:
Biochemistry
, 2nd
ed
..
Free
man
,
1981, с некоторыми изменениями.)

§ 23
.


Туннельный перенос электрона в биоструктурах.

Физическая природа
туннельного эффекта

носит чисто
квантово

механический ха
рактер

и не имеет классических аналогов. Согласно квантовым
представлениям частица (электрон, отдель
ные ядра) обладает определенной
вероятностью прохождения сквозь потенциальный барьер, энергия которого больше, чем

энергия самой частицы (рис
унок

2
6
).

Такое "просачивание" сквозь барьер, или
туннелирование
, не требует тепловой активации. В квантовой механике оно связано с
тем, что состоя
ние частицы характеризуется некоторой "
размазанностью
".
Следовательно, существует вероятность найти части
цу в разных точках окружающего ее
пространства, включая и область, находящуюся за потенциальным барьером.


Рисунок

2
6

Туннелирование

электрона через конечный
потенциальный бар
ь
ер.

33


Туннельный механизм

обеспечивает эффективный транспорт электронов
между донорно
-
акцепторными группами, расположенными на расстоянии 10
-
15А.
Именно такой перенос может идти в дыхатель
ной и фотосинтетической цепи, где
простетические группы погружены в белковые глобулы на 5
-

10А и
взаимодействуют друг с другом через белковую матрицу (в цитохромах)

(рис
унок

2
7
)
. Перенос электрона происходит в белке по "электронной тропе".
Было
показано
,
что перенос электрона в фотосинтетической цепи идет эффективно

как при комнатных, так и при низких температурах.
Перенос электрона при
низких температурах, в условиях отсутствия тепловой активации, объясняется
существованием туннельного эффекта.


Ри
сунок

2
7

Транспорт электронов в дыхательной цепи

§ 24
.

Особенности пространственной организации
нуклеиновых кислот
.

ДНК


это полимер, состоящий из четырех разных, но родственных
мономеров. Каждый мономер


нуклеотид


содержит одно из четырех
гетероциклических азотистых оснований: аденин (А), гуанин (G), цитозин (С) или
тимин (Т), связанное с дезоксирибозофосфатом

(рис
унок

2
8
)
.

Б
ольшинство молекул ДНК представляют собой протяженные, гибкие,
нитевидные

структуры. Этими

же методами установлено, что

молекула ДНК
имеет почти постоянный диаметр

и состоит из регулярно расположенных
повторяющихся звеньев, причем ее структура не зависит

от нуклеотидного
состава. Таким образом, в отличие от белков, двух
-

и трехмерная структура
которых обязательно зависит от состава и порядка

расположения аминокислот,
молекула

ДНК в обычных условиях при любом нуклеотидном

составе и порядке
расположения четырех нуклеотидов представляет собой абсолютно регулярную

практически идентичную по всей длин
е структуру

(рис
унок

2
9
)
.

34



Рисунок

2
8

Строение и составные части нуклеотида


Рисунок

2
9

Первичная структура молекулы ДНК

Такие в какой
-
то степени парадоксальные химические и физические свойства
ДНК порождаются

особенностями ее структуры.

Молекула ДНК
обычно находится
в форме

двойной спирали, образуемой двумя полинуклеотидными цепями,
обвивающимися одна вокруг другой

(рис
унок 30
)

Два дезоксирибозофосфатных
остова, расположенные по периферии молекулы, имеют антипараллельную
ориентацию
.


В наиболее часто
встречающейся структурной форме

пуриновые и
пиримидиновые основания в каждой

цепи уложены в стопки с интервалом 0,34 нм
35


и направлены внутрь спирали; плоскости колец при
мерно перпендикулярны оси
спирали.


Рисунок

30

Модель двойной спирали ДНК

Спираль
делает полный оборот каждые 3,4 нм, т.е.

через каждые 10
оснований. На наружной ее поверхности имеются два желобка


большой и
малый.

В

АТ
-
паре основания соединены двумя водородными

связями: одна из них
образуется между амино
-

и кето
-
группами, а другая


между двумя атомами

азота
пурина и пиримидина соответственно. В

GC
-
паре имеются три водородные связи:
две из них

образуются между амино
-

и кето
-
группами соответствующих оснований,
а третья


между атомами

азота. Образование пар между двумя пуринами,

двумя
пиримидинами или некомплементарными

основаниями (А + С или G + T)
стерически затруднено, поскольку при этом не могут образовываться

подходящие
водородные связи и, следовательно,

нарушается геометрия спирали.

Дополнительная стабилизация двойной спирали обе
спечивается
межплоскостными взаимодействиями ароматических колец соседних оснований.
Размеры комплементарных пар оснований

практически одинаковы; примерно
одинаковы также

угол и направление связи дезоксирибоза
-
основание. Расстояние
между соседними основани
ями

равно 0,34 нм, а угол, на который они повернуты

друг относительно друга,


36°. Из всех этих данных

следует, что диаметр спирали
постоянен, а число

пар оснований на виток спирали равно

10
.

Точные данные о
расположении, ориентации в

пространстве и размер
ах различных составляющих

ДНК были получены методом рентгеноструктурного анализа волокон ДНК

(рис
унок 31
)
.

36



Рисунок

31

Строение молекулы ДНК

Известны также
другие типы

двойной спирали. Они образуются

благодаря
тому, что валентные углы между основаниями и сахаром могут меняться, а
дезоксирибозное кольцо и сахарофосфатный остов достаточно гибки, чтобы могли
сформироваться альтернативные конфигурации. Редко встречающаяся

А
-
форма,
существующая только при п
ониженной

влажности, отличается от В
-
формы тем,
что плоскости оснований составляют с перпендикуляром

к оси спирали угол 20°.
Поэтому расстояние между парами оснований по вертикали

уменьшается до 0,29
нм, а число пар на виток

увеличивается до 11

12. Какова
биологическая

функция
А
-
формы ДНК


пока неясно. Характерной особенностью В
-
формы ДНК

является
то, что сахарофосфатные остовы обеих

цепей образуют правую спираль.

Однако
при определенных условиях участки ДНК,

для которых характерно чередование
пуриновыхи

пиримидиновых нуклеотидов, принимают форму

левой спирали. При
этом расстояние между соседними парами оснований увеличивается до 0,77 нм,

а
число пар на один виток


до 12. Остов молекулы

ДНК имеет зигзагообразный
вид, поэтому подобная форма получила назва
ние Z
-
ДНК. Вопрос о

том, существует
ли Z
-
ДНК в естественных условиях

и образуется ли она в определенных участках

В
-
спирали под действием специфических белков
,
способных переводить В
-
форму в
Z
-
форму, сейчас

интенсивно исследуется

(рисунок 32)
.

37



Рисунок

32
.

Формы молекулы ДНК.

В зависимости от концентрации ионов и нуклеотидного состава молекулы, двойная спираль ДНК в
живых организмах существует в разных формах. На рисунке представлены формы A, B
, С

и
D


















38


В
опросы и задания по курсу

1.

Какие силы вносят главный вклад в образование первичной структуры
полимерной цепи?

2.

Какие силы вносят главный вклад в образование
вторичной

структуры
полимерной цепи?

3.

К чему приводит д
елокализация электронов между атомами N, C, O
в
пептидной группе?

4.

Что

означает термин «компланарность пептидной связи»?

5.

Напишите формулу зависимость потенциала внутренн
его вращения от угла
поворота φ.

6.

Что понимается под денатурацией биополимера?

7.

Чем определяется растворимость белков в водной среде?

8.

Что понимают под
вторичной структурой белка?

9.

Опишите надвторичную структуры белков.

10.

Охарактеризуйте третичную структуру белков.

11.

От каких факторов внешней среды зависит заряд белка в растворе?

12.

Что подразумевается под
θ


температурой?

13.

Какова энергия одной водородной связи?

14.

Охарактеризовать типичный раствор биополимера.

15.

Что такое изоэлектрическая точка белка?

16.

Какое время занимают конформационные перестройки при электронно
-
конформационных взаимодействиях в белках?

17.

Какая форма ДНК была описана Уотсоном и Криком?

18.

Какая из форм Д
НК имеет «полость» на оси спирали?

19.

Какие силы стабилизируют дуплекс молекулы ДНК в горизонтальном
направлении?

20.

Какие силы стабилизируют дуплекс молекулы ДНК в
вертикальном

направлении?

21.

Какие процессы протекают при денатурации ДНК?

22.

В чѐм заключается особенн
ость
Z


формы молекулы ДНК?

23.

Охарактеризовать туннельный эффект.



39


Список литературы

Основная

1.

Биофизика, книга 1. Учебное пособие для вузов. /под ред. А.Б.Рубина.
-

Москва: "Высшая школа", 1987., 365 с.

2.

Марри Р., Греннер Д., Мейес П., Родуэл

В. Биохимия человека: В 2
-
х томах.
Т. 1. Пер. с англ.:
-
М.: Мир. 1993.
-

384 с., ил.

3.

Ленинджер А. Основы биохимии: В 3
-
х т. Т. 1 пер с англ.
-

М.: Мир, 1985.
-
367
с., ил.

4.

Введение в биоинформатику / А. Леск; пер. с англ.
-

М. : БИНОМ.
Лаборатория знаний, 2009
.
-

318 с. : ил.,
[4]

с. цв. в
кл.

Дополнительная

1.

Волькенштейн М.В. Молекулярная биофизика.
-

Москва: "Наука", 1977 г.,
477 с.

2.

Волькенштейн М.В. Биофизика. Учебное пособие для вузов.
-

Москва:
"Наука", 1989г., 489 с.

3.

Биофизика. Учебное пособие для мед. вузо
в./Ю.А.Владимиров, А.И.Деев,
Д.И.Рощупкин и др./
-

Москва: "Медицина", 1983 г., 272 с.

4.

В.Г.Артюхов, Т.А.Шмелева, В.П.Шмелев. Биофизика.
-

Изд. Воронежского
университета, 1994 г., 336 с.









40






Приложенные файлы

  • pdf 3735694
    Размер файла: 2 MB Загрузок: 0

Добавить комментарий