2.5. Различные типы взаимодействия в макромолекулах.

Первичная структура или основная последовательность биополимеров определяется химическими или валентными взаимодействиями. Помимо этого между молекулами действуют слабые невалентные силы, которые приводят к притяжению на больших расстояниях и отталкиванию на малых. Типичная зависимость потенциальной энергии взаимодействия U(r)двух частиц молекулярной природы можно представить в виде:

При малых расстояниях преобладает сила отталкивания, и F_отталк >0, при большихrпреобладает сила притяжения. Общую энергию можно представить в виде:

U(r)=U_отт(r)-U_притяж(r).

Минимум на графике соответствует равновесию.

2.6. Ван-дер-ваальсовые (вв) силы.

ВВ силы играют важнейшую роль в образовании конденсированных жидких и твёрдых состояний. Ими определяются взаимодействия газов и возникающие отклонения законов идеальных газов. Эти отклонения подчиняются уравнению Ван-дер-Ваальса для газов:

,

где a, b- константы притяжения и отталкивания;V-объем.

Биомакромолекулы можно рассматривать как своего рода конденсируемые системы, состояния которых определяются относительно слабых невалентных взаимодействий. Именно такие взаимодействия дают основной вклад к стабилизации конденсации состояния биополимеров и его изменения в процессе функционирования. Значения энергии при ВВ взаимодействиях лежат в интервале 4-8 кДж/моль и выше. Энергия при комнатной (температуре) составляет 2,5 кДж/моль, а энергия коллективных ионных связей составляет 150 -600 кДж/моль.

Силы ВВ имеют электромагнитную природу и определяются взаимодействием электрических диполей молекул. В зависимости от того, обладает ли взаимодействие молекулы электрическим дипольным моментом, или последнее возникает вследствие поляризации оболочек, существуют различные типы сил ВВ.

- коэффициент ионизации раствора макромолекул,

I - ионная сила раствора

2.7. Ориентационное взаимодействие.

Рассмотрим энергию взаимодействия диполей, расположенных простейшим образом. При этом расстояние между диполями R много больше их размеров.

Найдем энергию их взаимодействия:

,

Энергия взаимодействия двух диполей является функцией квадратичных, а не линейных членов, следовательно:

.

Разложим в ряд Тейлора:

.

Имеем:

.

Если диполи свободны и совершают тепловое движение, то в среднем они будут принимать ориентации, соответствующие притяжению (так как в этом случае энергия их взаимодействия понижается). Вероятность взаимного расположения диполей зависит от их энергий, и в равновесии описывается законом Больцмана.

Расчет дает:

где телесный угол.

2.8. Индукционное взаимодействие.

Когда одна из молекул имеет постоянный дипольный момент, она наводит (индуцирует) дипольный момент Р₂другой молекуле, причем эта индукция не зависит от того, имеет ли молекула постоянный момент. Из электродинамики известно, чтоP2=E1(E1- напряженность поля, создаваемое первой молекулой в точке второй молекулы;- поляризуемость). Расчеты показывают, что в этом случае энергия индукционного взаимодействия определяется формулой:

.

В жидких и твердых телах поляризуемая молекула испытывает симметричное влияние большого количества соседних молекул, при этом результат их действия сильно компенсирует индукционное взаимодействие. Это приводит к тому, что реальное индукционное взаимодействие:

.