Молекулярная биофизика
 Скачать 74.5 Kb.
| Образовательный портал Как узнать результаты егэ Стихи про летний лагерь 3агадки для детей |
| Лекция 3. МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОФИЗИКА Макромолекула - основа организации и функционирования биологических систем Основу структурной организации живой материи составляют специфические биополимеры - макромолекулы, в первую очередь, белки и нуклеиновые кислоты. Макромолекулы характеризуются большой молекулярной массой (м.м.). Различные молекулы белков и нуклеиновых кислот значительно различаются по размерам и молекулярной массе, которая изменяется от 103 до 1010 Да. Специфика больших полимерных молекул определяется большим числом однотипных звеньев - мономеров, связанных в линейную цепь. Так, молекула белка с м.м. 106 Да состоит примерно из 105 ковалентно соединенных атомных групп. Тепловое движение атомов и атомных групп, входящих в состав макромолекулы, повороты и вращения их вокруг единичных связей, обуславливают и большое число степеней свободы. Это позволяет рассматривать макромолекулу как макроскопическую систему, статистический характер поведения которой проявляется в наличии средних значений таких параметров, как размеры, форма, степень свернутости полимерной цепи. Вместе с тем, существующие между атомами химические связи и взаимодействия ближнего и дальнего порядка накладывают определенные ограничения на число возможных конформаций макромолекулы. Изменения конформации биомолекул в процессе их функционирования также носят вполне конкретный характер и отражают внутримолекулярную динамическую организацию биополимеров. В основе функционирования макромолекул лежат электронно-конформационные взаимодействия, которые проявляются во всех процессах, где участвуют макромолекулярные комплексы. Во многих случаях, функционирование макромолекул обуславливается протеканием сложных процессов трансформации энергии, включающих миграцию электронного возбуждения и транспорт электронов. Сложность строения на атомном и молекулярном уровнях предьявляет свои требования и имеет особенности при изучении биологических молекул. Информацию о пространственной структуре макромолекул можно получить, используя комплекс различных методов, таких как рентгено-структурный анализ, ЭПР, ЯМР-спектроскопия, дисперсия оптического вращения и т.д. Основная проблема заключается в раскрытии механизмов взаимодействия атомных групп, определяющих конформационные особенности и внутреннюю динамику макромолекул и на этой основе понять механизмы функционирования биополимеров в живых системах. Разнообразие функций макромолекул определяется в значительной мере их пространственной организацией. Вращения вокруг одинарных ковалентных связей вызывают образование различных поворотных изомеров и конформаций полимерной цепи. Конформация макромолекулы - это расположение полимерной цепи в пространстве за счет образования большого количества слабых связей, в результате чего создается наиболее термодинамически выгодная и стабильная пространственная структура биополимера. Условно выделяют несколько уровней структурной организации биомолекул. Самым первым уровнем молекулярной организации является первичная структура макромолекулы - последовательность мономеров в полимерной цепи, связанных ковалентными связями. Ковалентные связи достаточно устойчивые. Свободная энергия их образования составляет 200 - 800 кДж мол-1. Вторичной структурой макромолекулы называют локальное упорядочивание отдельных участков полимерной цепи. Третьичная структура - пространственная укладка всей полимерной цепи в пространстве. Пространственную укладку нескольких компактно организованных полимерных цепей с образованием надмолекулярного комплекса называют четвертичной структурой. На уровне вторичной, третьичной и четвертичной организации макромолекул важную роль играют нековалентные, слабые связи (взаймодействия) , за счет которых преимущественно осуществляется стабилизация прстранственной структуры биополимеров. Известен только один тип ковалентной связи ( S - S- связь), участвующий в стабилизации высших структур белковых молекул. Статистический характер организации полимерных молекул Каждое состояние полимерной молекулы характеризуется определенными значениями параметров и может быть реализовано большим количеством микросостояний (конформаций). Тепловое движение атомов и вращение их вокруг единичных связей, приводят к свернутости цепи и образованию клубка. Такой клубок характеризуется большим числом конформаций, которые полимерная цепь может принимать в процессе микроброуновского движения составляющих ее частей. Будем считать, что полимерная цепь состоит из ряда прямолинейных сегментов, каждый из которых включает определенное число отдельных звеньев. Внутри каждого сегмента сохраняется абсолютная корреляция в ориентации звеньев, но между сегментами такая корреляция отсутствует. Такая модельная цепь, состоящая из отдельных сегментов, взаимно независимых в отношении своей ориентации в пространстве, называется свободно-сочлененной. Для обеспечения независимой ориентации сегментов в пространстве, число звеньев m, входящих в состав сегмента в цепи, должно быть достаточно большим . Число сегментов N (N = n/m, где n -полное число звеньев в цепи) также не должно быть мало (N 10), иначе невозможно статистическое рассмотрение поведения свободно-сочленной цепи. Статистическим параметром такой цепи является среднее расстояние h между концами цепи (рис. 1 ). Для абсолютно вытянутой цепи, состоящей из сегментов с вектором Ii (i = 1,2, ...., N ), радиус-вектор h между концами цепи равен h = Ii Реальная длинная цепная молекула может принимать огромное количество конфигураций, и вектор h может иметь любые значения в диапазоне от h = 0 (концы цепи совпали) до h = NI (прямая вытянутая цепь). Рис.1. Свободно-сочлененная цепь В клубке разные значения h принимаются с разной вероятностью. Вероятность того, что определенный сегмент находится в определенном положении относительно другого сегмента, может быть выражена через функцию распределения Wa вектора расстояния между сегментами цепи. Для очень длинной цепи функция распределения расстояния между концами цепи является Гауссовой. Длина вектора h равна h = (x2 +y2 + z2)1/2 , где x, y, z - проекции h на оси координат (рис. 5.2). Рис. 5.2. Распределение величин вектора для свободно-сочлененной цепи В полимерной цепи при N 1, где все валентные углы фиксированы и одинаковы, вокруг всех одинарных связей разрешено свободное вращение (рис.) h2 = Nl2 (1+cos /1-cos) Сворачивание полимерной цепи в клубок определяется ее термодинамической гибкостью: чем больше гибкость, тем меньше h2 при заданных N и l. Наиболее вероятной конформацией, которую принимают полимерные молекулы в расворенном состоянии, является свернутый клубок. В этом состоянии энтропия системы максимальна. При растяжении полимера происходит развертывание клубка и уменьшение числа возможных конформаций, что сопровождается уменьшением энтропии. Энтропия молекулы (S) определенной конформации вычисляется по формуле S = l - 3k0h2 /2Nl2 Сила, необходимая для расчленения полимерной цепи, равна f = 3k0 Th /Nl2 Возникновение упругой силы в клубке носит энтропийный характер и ее значение пропорционально абсолютной температуре. Набухание отдельной молекулы в растворе в результате проникновения растворителя внутрь клубка, также переводит ее в менее вероятную конформацию. Возникающая при этом упругая сила энтропийной природы препятствует набуханию и набухание прекращается. Описанное явление лежит в основе эластичности полимеров, например каучука. Высокая эластичность каучука обеспечивается в основном, силами энтропийной природы. Изменение свободной энергии dF = dU - TdS при растяжении каучука приводит к возникновению упругой силы f и требует работы, пропорциональной величине растяжения dL, и следовательно, равной dF = fdL. Следовательно, F = dF /fDL - T(dS/dL) Переходы клубок-глобула в полмерных молекулах Различные типы взаймодействий между атомами, участвующих в формировании макромолекулярных структур, независмо от их конкретной физической природы, можно разделить на два типа. К первому типу относятся взаимодействия ближнего порядка между атомами соседних звеньев. К вторму типу относят дальние взаймодействия между атомами (объемные эффекты), которые хоть и отстоят далеко друг от друга по цепи, но случайно сблизились в пространстве в результате изгибания цепи. Рассмотрим однородную последовательность одинаковых звеньев вдоль единой цепи (гомополимер). Зададим геометрические размеры полимера через среднеквадратичное расстояние h2 между концами цепи, внутреннюю пространственную структуру - через пространственное распределение плотности звеньев n (x). Вследствие объемных взаимодействий плотность звеньев в пространстве, занятом молекулой может изменяться от точки к точке. В полимерной нити следствие взаимосвязи звеньев изменение плотности в одной точке пространства связано с изменением плотности в другой точке пространства, т.е. существует пространственная корреляция плотности. Если в макромолекуле отсутствуют всякие объемные взаимодействия, то она не имеет достоверной пространственной структуры. В таком состоянии флуктуации плотности - порядка самой плотности. Такое состояние макромолекулы носит название клубка. Радиус корреляции в этом случае такого же порядка, что и размеры самой молекулы R = (h2)1/2 ; R lN1/2. При наличии объемных (дальних) взаимодействий в структуре полимера реализуется конформация, называемая глобулой. В таком состоянии флуктуации плотности малы по сравнению со значением самой плотности. В глобуле радиус корреляции флуктуации плотности значительнно меньше рзмеров макромолекулы: R. Глобула, в отличие от клубка, обладает определенной компактной пространственной структурой. Сердцевина большой глобулы пространственно однородна, т.е. концентрация звеньев макромолекулы в этой области принимает постоянное значение. Существование полимерных молекул в конформации клубка или глобулы определяется природой растворителя и зависит от температуры. Вследствие взаимодействий между атомами, сблизившиеся участки полимерной цепи либо отталкиваются друг от друга, либо притягиваются. Повышение температуры приводит к увелечению отталкивния, понижение - способствует к взаимному притяжению мономеров. Значение температуры, при которой силы отталкивания и силы притяжения между мономерами в молекуле уравновешаны, называют - точкой или - температурой. В макромолекуле при этой температуре объемные взаимодействия отсутствуют и она представляет собой клубок с размерами R lN1/2. При значениях температуры выше - точки, силы отталкивания увеличиваются, и размеры клубка возрастают ( R lN1/2). При Т в макромолекуле превалируют силы притяжения, которые могут привести к образованию плотной слабо флуктирующей глобулы. В реальных условиях существования макромолеку ( при отсутствии внешнего поля), объемные взаймодействия создают самосогласованное поле, стабилизирующее структуру глобулы. В хороших растворителях притяжение атомов полимерной цепи и атомов растворителя болше, чем между атомами цепи. Это равносильно увелечению взаимного отталкивания между атомами макромолекулы. Наоборот, в плохих растворителях взаимное притяжение мономеров в цепи больше, чем их притяжение к молекулам растворителя. Природа связей стабилизирующих конформацию макромолекул Первичная структура макромолекул определяется, главным образом, химическими (ковалентными) взаимодействиями. В образовании и стабилизации пространственной структуры биополимеров ( вторичной, третьичной и четвертичной структур) основную роль играют невалентные силы, т.н. слабые взаймодействия. Различные виды слабых взаймодействий, стабилизирующих конформацию макромолекул, можно отнести к одному из 4 типов: электростатические взаимодействия, Ван-дер -Ваальсовы силы, водородная связь, гидрофобные взаимодействия. Рассмотрим природу этих взаимодействий и их вклад в стабилизацию структуры компонентов клетки. Электростатические взаимодействия в молекулах полимеров возникают между атомами или атомными группами, несущими положительный или отрицательный заряд. Энергия взаимодействия между заряженными группами вычисляется по формуле Uэл-стат = q1q2/40r где, q1, q2 - электрические заряды взаимодействующих групп, 0 - электрическая постоянная, - диаэлектрическая проницаемость среды. В белковых молекулах электростатические взаймодействия возникают между ионизированными боковыми группами аминокислот. Так, при нейтральных значениях рН отрицательно зараяжены аспарагиновая и глутаминовая кислоты, а также все С-концевые аминокислотные остатки. Положительный заряд при нейтральных значениях рН имеют боковые группы лизина, аргинина, гистидина и N - концевые аминокислоты. Энергия электростатических взаимодействий в белковой глобуле зависит и от микроокружения заряженных групп. Так, на поверхности белковой молекулы, где 80 , значение этой энергии ниже, чем внутри белковой молекулы, где 2 - 5. Абсолютные значения энергий электростатических взаймодействий в макромолекулах составляют 40 - 400 кДж моль-1. Ван-дер-Ваальсовы силы имеют электромагнитную природу и определяются взаймодействием электрических диполей. В отличие от электростатических взаймодействий, Ван-дер-Ваальсовы силы являются близкодействующими и возникают преимущественно между в соседними участками молекул(ы). В зависимости от того, обладают ли взаймодействующие группы постоянными электрическими дипольными моментами или последние возникают вследствие поляризуемости электронных оболочек, существуют различные типы сил Ван-дер-Ваальса. Дисперсионные взаймодействия наблюдаются между молекулами, не обладающими постоянными дипольными моментами. Основная часть таких взаймодействий обусловлена внешними электронами. Природа дисперсионных взаймодействий имеет квантово - механический характер и является результатом появления “мгновенных” диполей, возникающих при движении электронов в молекулах, не обладающих постоянными дипольными моментами. Энергию дисперсионных взаимодействий рассчитывают по формуле Uдис = - 3I1I2 12 / 2(I1 + I2) r6 где I1 , I2 - ионизационные потенциалы групп, 1 , 2 - поляризуемость групп, r - расстояние между группами. Ориентационные взаимодействия возникают между двумя полярными группами с постоянными дипольными моментами (Рис 5.). Энергия этих взаймодействий будет прямо пропорцианально зависеть от произведения дипольных моментов и обратно пропорцианально расстоянию между диполями Uор = 2P1P2/ 3k0TR6 где, P1 , P2 - дипольные моменты полярных групп, k0 - постоянная Больцмана, Т - температура, г -расстояние между дипольными группами. Индукционные взаимодействия имеют место в случае, когда молекула с постоянным дипольным моментом P1 индуцирует дипольный момент P2 в соседней неполярной группе, если последняя обладает определенной поляризуемостью . Вследствие этого возникают взаимодействия типа диполь - индуцированный диполь с энергией, которую можно вычислить по следующей формуле Uинд = - 2 P1/ r6 Смещение электронов в одну сторону при поляризации молекулы постоянным диполем компенсируется их смещением в противоположную сторонуза счет действия такого постоянного диполя по другую сторону молекулы. Если поляризуемая молекула испытывает симметричное влияние большого количества соседних молекул, их результирующее действие в значительной степени компенсируется. Суммарная энергия Ван-дер-Ваальсового взаимодействия двух молекул (атомных групп) определяется суммой Uдис + Uор + Uинд и составляет 4 - 40 кДж моль-1. Относительный вклад разных видов Ван-дер-Ваальсовых сил для некоторых групп приведен в таблице 3. Таблица 3 . Ван-дер-Ваальсовы силы участвуют в формировании многих биологических структур, в частности, двуспиральных молекул нуклеиновых кислот. Упаковка плоских молекул азотистых оснований в вертикальные пачки обеспечивается стэкинг-взаимодействиями, в основном за счет дисперсионных взаймодействий. Так, для стэкинг-взаимодействий пар цитозин -гуанин Uдис = -39,1 кДж моль-1. Ван-дер-Ваальсовы взаимодействия имеют место и между комплементарными азотистыми основаниями в двойной спирали. Здесь их значение значительно меньше и они играют меньшую роль. Основной вклад в образование горизантальных связей вносит водородная связь. Так, для пары аденин-тимин Uдис = -7,18 кДж моль-1, Uвод = 19,32 кДж моль-1. Водородная связь. Водородная связь образуется между донором А-Н и акцептором А электрона атома водорода. Эта связь осуществляется между полярными группами, содержащими атом водорода (O-H, N-H, F-H, Cl-H) и электроотрицательными атомами ( O, N, F, Cl), принадлежащими, как правило, другой молекуле. Основной вклад в природу водородной связи Uводор вносят электростатические взаимодействия Uэл-стат, возникающие из-за наличия частичного положительного заряда на атоме водорода и частичного отрицательного заряда на атомах кислорода,азота, фтора или хлора. Кроме этого, в энергию водородной связи вносят вклад Ван-дер-Ваальсовское притяжение и отталкивание , а также энергия делокализации Uделок двух электронов связи А-Н и неподеленной пары электронов электроотрицательного атома А. Например, для связи О-Н---- О Uводор = Uэл-стат + Uдисп + Uделок + Uотт, что дает соответственно -25,2 -12,6 - 33,6 +35,8 = - 36,12 кДж моль-1. Как правило, значение энергии водородной связи в биоструктурах лежат в пределах 10 -30 кДж моль-1. Водородные связи играют основную роль в стабилизации вторичной структуры белковых молекул (связь между пептидными группами), в организации двойной спирали в молекулах нуклеиновых кислот (связь между комплементарными азотистыми основаниями). Структура воды и гидрофобные взаимодействия Вода - наиболее важный компонент живых клеток. Все биологические молекулы могут полностью выполнять свои функции только в водных средах. Вода обладает уникальными свойствами. Так, в отличие от многих жидкостей, для нее характерно увеличение объема при замерзании. При плавлении льда, наоборот, происходит уменьшение объема воды. Минимальной плотностью ( 0,9167 10 кг/ м ) вода обладает при 0 С (273 К), при 4 С (277 К) для нее характерна максимальная плотность (1 10 кг/м). Вода характеризуется высокой теплоемкостью (75,3 Дж моль К) вследствие большой разницы в значениях температуры плавления и кипения ( 0 С и 100 С). Молекула воды имеет ассиметричное строение ( рис. ). Длина связей О - Н составляет 0,096 нм, величина угла 2 равняется 104,52. Вследствие такой ассимитричности, молекула воды обладает значительным дипольным моментом ( М = 1,82, Д 6,08 10 Клм). Каждая молекула воды выступает донором и акцептором водородных связей, в результате чего вода сильно ассоциирована с координационным числом 4. Так, в кристаллической структуре льда, атомы кислорода 4 молекул воды располагаются на вершинах тетраэдера, в центре которой находится атом кислорода еще одной молекулы воды (рис.). Такое расположение молекул способствует образованию трехмерной структуры, стабилизированной сеткой водородных связей. При плавлении льда происходит разрыв водородных связей, что приводит к разрушению кристаллической структуры льда и превращению в жидкую воду. Структура жидкой воды менее изучена и до сих пор остается предметом дисскусий. В настоящее время обсуждаются две модельные структуры жидкой воды. В первой модели (модель непрерывной структуры) жидкая вода рассматривается как единая трехмерная структура, наподобие структуры льда. Согласно этой модели, внешние воздействия (например, температура) приводят не к разрыву водородных связей, а только к их деформации. Водородные связи в жидкой воде характеризуются неодинаковыми значениями углов и длин связей. Так, расстояние между атомами кислорода двух молекул воды Ro-o в жэидкой воде может колебатся от 0.275 до 0,286 нм. Во второй модели, жидкая вода рассматривается как совокупность молекул связанных не постоянными, а временными водородными связями. Наиболее приемлемой, объясняющей многие физические и химические свойства жидкой воды, является модель мерцающих кластеров. Кластерами называют коротко живущие ассоциаты молекул ( t = 10-10 – 10-11 с). Связи между молекулами в кластерах постоянно образуются и распадаются. Подсчитано, что при температуре 293º К в воде 70 % молекул воды находятся в виде кластеров, 30 % - одиночные молекулы. С увеличением Т количество кластеров и их размеры уменьшаются. В растворах молекулы воды влияют на конформацию макромолекул. Например, они могут конкурировать за образование Н связей с полярными группами. Однако, в макромолекулах, особенно в белках, имеется большое количество неполярных боковых групп. Возникает вопрос, как будут вести себя неполярные вещества, которые не растворяются в воде. Для объяснения этих изменений нужно ввести понятие гидрофобное взаимодействие. В данном случае речь идет не о каких-либо связях между неполярными группами и молекулами воды, а о неспецифических взаимодействиях, определяемых изменением структуры воды при введении в нее неполярных групп. Внедрение неполярных групп в воду сопровождается существенным изменением термодинамических величин (рис. ). Изменение энтальпии при этом незначительное, но значительно увеличивается свободная энергия G>0. G=H-TS, т.е. уменьшается энтропия. Это значит, что система переходит в неустойчивое состояние с повышенной свободной энергией. Такой переход энергетически невыгоден.  перейти в каталог файлов | Образовательный портал Как узнать результаты егэ Стихи про летний лагерь 3агадки для детей |