Lektsii_po_biofizike_Baskakov_Kapilevich

поляризуемостью ( ), то за счёт создаваемого диполем во второй молекуле 2

	электрического поля напряжённостью Е1,, которое равноЕ	2М1	, наводится
		R3
	диполь:

W	1		M 2
ind		2 0		r6 .

3. Дисперсионные (поляризационные) взаимодействия

Обе молекулы не обладают постоянными дипольными моментами, но обладают поляризуемостью ( 1 и 2) и наведенным потенциалами ионизации (I1 и

I2).

Взаимодействие обусловлено внешними, наиболее слабо связанными электронами. Природа их носит квантово-механический характер и является результатом появления так называемых «мгновенных диполей» при движении электронов:

Wdis		3		I1 I2		1 2
				I1 I2		r6 .
	2

II. Водородные связи (заряд-дипольные взаимодействия)

Это взаимодействия между атомом Н одной молекулы и N, O, S, F, Cl – другой.

Основной вклад в энергию вносит электростатическое притяжение. Но также по уравнению Ван–дер–Ваальсова сила и энергия деполяризации двух электронов связи О–Н.

Для воды:

В разных точках протон испытывает различные воздействия со стороны электроотрицательных атомов – имеется 2 минимума.

III. Гидрофобные взаимодействия с энергией 4-8,5 к Дж/моль.

Основано на силах отталкивания воды гидрофобными (неполярными) молекулами. Более корректно их можно определить, основываясь на

термодинамике.

Вода представляет собой довольно сложную структуру, асимметрична и имеет большой дипольный момент (~1,82 дебая – Д).

Тетраэдрическая структура полностью координированной воды

61

Молекулы воды ассоциированны с координаторным числом 4, то есть атомы кислорода четырёх молекул образуют тетраэдр, в центре которого атом

кислорода пятой молекулы (рис. 9). Структура жидкой

Рис.9. Тетраэдрическая структура воды. воды до конца не ясна.

Существуют две группы гипотез:

1. Модель непрерывной структуры воды

Вода представляет собой непрерывную структуру, связанную водородными связями, и при изменении температуры, давления и других факторов они лишь растягиваются и деформируются. Но по расчётам, тогда при t=25 С =1,8 г/см3 (а не 1,0).

2. Модели мерцающих кластеров (Франк, Уэн, 1957)

Водородные связи формируют короткоживущие (10-10-10-11 сек) кластеры, размер которых зависит от температуры. При t=20 С в кластеры входит 29,5% молекул воды.

Вода как полярная молекула может конкурировать с другими полярными молекулами за места образования водородных связей. Но неполярное вещество, попав в водную среду, будет подчиняться другим закономерностям, описанным Каузманом.

Свободная энергия Гиббса G= H-T S.

При растворении неполярных веществ в воде G увеличится, но Н почти не изменится, следовательно, S<0.

Понижение энтропии связано с изменением структуры воды. Вблизи неполярных участков снижается конкуренция за водородные связи, следовательно, повышается вероятность формирования упорядоченных кластеров.

Согласно второму началу термодинамики, в неравновесной области система стремится увеличить энтропию. Для этого есть один путь – неполярным молекулам в растворе «установить контакты», вытеснив воду, и тем самым разрушить кластеры и снизить упорядоченность системы.

Исходя из этого, была количественно оценена гидрофобность аминокислот в белках. Мерой гидрофобности служит G при переносе их из 100% этанола в воду:

Try G=14 к Дж/моль, Phe G=10,5 к Дж/моль, Ala G=2,1 к Дж/моль, Ser G=1,25 к Дж/моль.

Ala и Ser – гидрофильные остатки.

Пространственная структура белка

Первичная структура белка – последовательность аминокислот (АК). Пептидная связь между аминокислотами (Рис. 10) отличается от обычной ковалентной связи перераспределением электронной плотности, и потому

62

является жёсткой и вокруг неё вращение затруднено. Расстояния в ней соответствуют:

C –N-0,132 нм N – C -0,147 нм С – С -0,153 нм

Рис. 10. Пептидная связь между аминокислотами.

Зато вращение возможно вокруг связей С – С (угол ) и N – C (угол ), за счёт чего и возникают конформации белковых молекул. Число возможных конформаций ограничено, так как, согласно расчётам Рамачандрана, и могут принимать лишь определённые значения. Конформации стабилизируются слабыми взаимодействиями между пептидными группами (вторичная структура) и боковыми остатками АК (третичная структура).

Вторичная структура – упорядоченное расположение полипептидной цепи, стабилизированное водородными связями между пептидными группами.

Чаще всего встречается и наиболее термодинамически выгодна правая-спираль, постулированная Поллингом и Кори (Рис. 11).

1.На один шаг спирали – 3,6 остатка.

2.Шаг спирали d = 0,54 нм.

3.Трансляция на 1 остаток вдоль спирали d = 0,15 нм.

4.Радиус спирали r = 0,23 нм.

5.Водородные связи параллельны оси спирали и образуются между 1– 4 аминокислотными остатками.

6.t= -57 , = -47 .

Но возможны и другие виды спиралей. Она обнаруживается в отдельных участках белка, r = 0,19 нм, то есть она более скручена. На 1 шаг 3 АК, водородные связи между 1–10 АК. Это -спираль. Она теоретически рассчитана, но пока не обнаружена в белках, r = 0,28 нм, длина шага 4,4 АМК.

63

Рис. 11. Вторичная структура белка.

Слева и снизу α- спирали.

Справа β-складчатая структура.

Другой тип вторичных структур: - складчатые структуры.

Водородные связи расположены параллельно оси спирали. Они могут быть параллельными – = +1130 , = -119 и антипараллельными – = +113 , = -119 , имеют фиксированные значения и , включают до 6 белковых цепей, состоящих из 6 остатков, размеры -складчатого листа 2 2,5 нм. Они могут быть скручены перпендикулярно цепям.

В некоторых случаях выделяют сверхвторичные структуры – суперспирали (например, миозин – 2 -спирали и фибриноген

– 3 -спирали), скрученные относительно друг друга. К третичным структурам их отнести нельзя, так как связи опять же между пептидными группами. Сюда же относятся структуры типа или .

Третичная структура белка – конформации, стабилизированные слабыми связями между боковыми остатками АК. В основном это Ван–дер– Ваальсовы и электростатические взаимодействия. Переход в растворе от неупорядоченного клубка в наиболее удобную упаковку третичной структуры происходит от 10-6 до 10 сек у разных белков. Сегменты белка образуют - спирали и -структуры, которые затем укладываются в глобулы-домены. Домены относительно автономны, могут самостоятельно раскручиваться и, как правило, являются носителями определённых функций.

64

Четвертичная структура белка

Рис.12. Четвертичная структура белка.

Наиболее сложные белки, особенно ферменты, имеют ещё более высокую структурную организацию, включающую несколько белковых глобул, объединённых гидрофобными взаимодействиями (рис. 12).

Согласно модели Бреслера–Тилмуда (рис.13):

вS

3d

r0 d , где

в – отношение числа полярных остатков к неполярным остаткам, если в вs, то глобула в растворе будет сферической формы, если в вs, то глобула в растворе будет эллипсоидной формы.

если в вs, то неполярные структуры не могут быть полностью закрыты полярными и тогда и образуются олигомерные структуры, стабилизированные гидрофобными взаимодействиями.

Рис. 13. Виды четвертичной структуры белка согласно отношению числа полярных остатков (Rп) к неполярным остаткам (Rн).

Тест-задания

1.Предметом исследования молекулярной биофизики является:

A.Молекулярный состав биомакромолекул

B.Пространственная организация биомакромолекул

C.Химические реакции с участием биомакромолекул

2.К сильным взаимодействиям относятся:

A.Ковалентные связи

B.Водородные связи

C.Ван-дер-Ваальсовы взаимодействия

D.Гидрофобные взаимодействия

3.К слабым взаимодействиям относятся:

A.Ковалентные связи

B.Водородные связи

65

C.Ван-дер-Ваальсовы взаимодействия

D.Гидрофобные взаимодействия

4.Ориентационные взаимодействия возможны в том случае, если:

A.Обе молекулы обладают постоянным дипольным моментом

B.Одна из молекул обладает постоянным дипольным моментом

C.Ни одна из молекул не обладает постоянным дипольным моментом

5.Индукционные взаимодействия возможны в том случае, если:

A.Обе молекулы обладают постоянным дипольным моментом

B.Одна из молекул обладает постоянным дипольным моментом

C.Ни одна из молекул не обладает постоянным дипольным моментом

6.Дисперсионные взаимодействия возможны в том случае, если:

A.Обе молекулы обладают постоянным дипольным моментом

B.Одна из молекул обладает постоянным дипольным моментом

C.Ни одна из молекул не обладает постоянным дипольным моментом

7.Ван-дер-Ваальсовы взаимодействия являются:

A.Взаимодействиями электрических зарядов

B.Взаимодействиями электрических диполей

C.Гидрофобными взаимодействиями

8.Водородные связи имеют природу:

A.Диполь-дипольных взаимодействий

B.Заряд-дипольных взаимодействий

C.Заряд-зарядных взаимодействий

9.Водородные связи образуются между атомом водорода и:

A.Кислорода

B.Азота

C.Углерода

D.Фтора

E.Железа

10.Природа гидрофобных взаимодействий связана:

A.С взаимным притяжением неполярных групп

B.С отталкиванием полярных и неполярных групп

C.С отталкиванием молекул воды неполярными группами

11.Молекула воды является:

A.Неполярным соединением

B.Сильнополярным соединением

C.Амфифильным соединением

12.Молекулы воды связаны друг с другом:

A.Электростатическими взаимодействиями

B.Водородными связями

C.Гидрофобными связями

13.Мерой гидрофобности аминокислот служит:

A.Изменение свободной энергии при переносе из спирта в воду

B.Изменение энтропии при переносе из спирта в воду

C.Изменение свободной энергии при переносе из масла в воду

14.Гидрофобные взаимодействия возможны при следующих условиях:

A.Полярный растворитель

B.Амфифильность растворенных веществ

66

C.Неполярный растворитель

15.Что такое Дебаевский радиус макромолекулы:

A.Радиус глобулы в полярном растворителе

B.Расстояние, на котором заряд уменьшается в 0,37 раза

C.Минимальное расстояние, на которое могут сблизиться молекулы

16.Вискозиметрическим методом можно оценить:

A.Форму макромолекул

B.Размеры макромолекул

C.Заряд макромолекул

17.Метод квазиупругого рассеяния света для исследования макромолекул основан:

A.На изменении длины волны рассеянного света

B.На изменении направления рассеянного света

C.На изменении интенсивности рассеянного света

18.Седиментационный метод позволяет определить:

A.Форму макромолекул

B.Заряд макромолекул

C.Массу макромолекул

19.Метод дифференциальной сканирующей микрокалориметрии позволяет оценить:

A.Кооперативность структурных перестроек в глобуле

B.Размер глобулы

C.Электрический заряд глобулы

20.Метод рентгеноструктурного анализа основан на явлении:

A.Поглощения рентгеновского излучения

B.Дифракции рентгеновских лучей

C.Рассеяния рентгеновских лучей

Правильные варианты ответов:
1.	B	8.	B	15.B
2.	A	9.	A, B, D	16.A, B
3.	B, C, D	10.C		17.A
4.	A	11.B		18.B
5.	B	12.B		19.A
6.	C	13.A		20.B
7.	B	14.A, B

67

V. СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ БИОМЕМБРАН

Введение

Еще в 30-х годах ХХ века наличие дифференцированной мембранной структуры на поверхности клеток представлялось далеко не бесспорным. Прямые морфологические доказательства наличия мембраны были немногочисленны или отсутствовали. Первые указания на свойства клеточной поверхности, лимитирующей диффузию красителя внутрь клетки, сделал в середине XIX века К. В. Нагели. Он также показал, что клетки проявляют осмотические свойства: набухают в разбавленных растворах и сжимаются в концентрированных. Морфологические данные о существовании клеточной мембраны были получены только после разработки методов приготовления ультратонких срезов тканей.

В настоящее время не вызывает сомнений, что биологические мембраны образуют наружную оболочку всех живых клеток, а также участвуют в формировании многочисленных внутриклеточных органелл.

Мембраны выполняют многочисленные функции, обеспечивая целостность клеток и их активность.

Функции биологических мембран

Основные функции (выполняются всеми без исключения мембранами):

1.Компартментализация – участие мембран в образовании изолированных отсеков (компартментов). Мембраны образуют замкнутые структуры, плазматическая мембрана отделяет клетку от окружающей среды.

2.Барьерная функция – препятствие свободной диффузии различных веществ. В результате мембрана регулирует перенос веществ и их содержание в клеточных и субклеточных компартментах.

3.Рецепторная (сигнальная) функция – связывание мембранными рецепторами внеклеточных эффекторов – биологически (физиологически) активных веществ, что приводит к изменению активности регуляторных белков клетки.

4.Ферментативная функция обеспечивается мембранно-связанными белками-ферментами, которые образуют своеобразные конвейеры.

5.Факультативные функции, присущие не всем мембранам:

Транспорт электронов и фосфорилирование в дыхательной цепи (способны выполнять мембраны митохондрий, хлоропластов).

Преобразование внешних стимулов в электрические импульсы.

Проведение биоэлектрических импульсов (характерны для мембран электровозбудимых клеток: нервной и мышечной ткани).

Высвобождение синаптических нейромедиаторов и пиноцитоз.

68

Химический состав мембран

Исследования показали, что основными химическими компонентами мембран являются липиды ( 30%), белки ( 60%) и углеводы ( 10%). Минорными компонентами мембран являются нуклеиновые кислоты, полиамины, неорганические ионы.

Липиды, входящие в состав мембран, принадлежат к трем классам. Это

фосфолипиды, гликолипиды и стероиды.

Фосфолипиды построены по единому плану, их молекула имеет полярную головку и два неполярных хвоста.

В состав головки фосфолипида обязательно входят: а) остаток спирта (реже аминокислоты); б) остаток фосфорной кислоты; в) по вариантам либо:

-глицерин (глицерофосфолипиды),

-многоатомный спирт сфингозин (сфингофосфолипиды).

Неполярные хвосты всех молекул фосфолипидов образуются жирными кислотами, определяющими разнообразие их представительства.

Глицерофосфолипиды мембран растительных клеток содержат в основном пальмитиновую (С16:1(9)), олеиновую (С18:1(9)), линолевую (С18:2(9,12)) жирные кислоты. Жирные кислоты с количеством атомов углерода более 20–24 в растительных клетках встречаются редко.

Глицерофосфолипиды мембран животных клеток содержат пальмитиновую, олеиновую, стеариновую (С18:0) жирные кислоты, а также кислоты (арахидоновая и др.) с числом атомов углерода, превышающим 20.

Обычно из двух жирных кислот, образующих гидрофобный хвост глицерофосфолипида, одна ненасыщенная. Она образует связь со вторым атомом углерода глицерина и одна из ее двойных связей обязательно находится на уровне 9-го атома углерода, считая от головки.

Остаток спирта (аминокислоты) головки глицерофосфолипида связан сложноэфирной связью с фосфорной кислотой. Глицерофосфолипид, лишенный спирта (аминокислоты), называется фосфатидной кислотой, которая является промежуточным продуктом в биосинтезе фосфолипидов и в свободном виде практически не встречается.

В зависимости от того, какой именно спирт (аминокислота) входит в состав головки молекулы, различают несколько классов глицерофосфолипидов. Самые распространенные:

фосфатидилхолин, содержащий спирт холин;

фосфатидилэтаноламин, содержащий спирт этаноламин;

фосфатидилинозитол, содержащий циклический спирт инозитол;

фосфатидилсерин, содержащий остаток гидроксиаминокислоты, –

серина.

Примерами сфингофосфолипидов могут служить сфингомиелины, которые в составе полярной головки содержат фосфохолин или фосфоэтаноламин. В составе сфингофосфолипидов одна жирная кислота.

69

Роль второго неполярного хвоста выполняют углеродные структуры многоатомного спирта сфингозина.

Таким образом, фосфолипиды содержат группировки двух видов – полярные гидрофильные головки и неполярные гидрофобные хвосты. Вследствие этого фосфолипиды обладают амфипатическими свойствами. При рН=7 остаток фосфорной кислоты в полярной головке заряжен отрицательно.

70