6.3.4. Третичная структура белков

Третичная структура белков предопределяет особенности взаимного расположения полипептидных цепей в фибриллах и (или) глобулярных структурах. Для каждого вида белка характерна определенная третичная структура. Третичная структура белков стабилизируется различными видами межмолекулярных контактов: водородных, диполь-дипольных, солевых, дисульфидных, амидных, сложноэфирных связей. Существенное значение в формировании и фиксации третичных структур играют гидрофобные взаимодействия в водно-белковых системах.

Гидрофобные взаимодействия проявляются только в водных средах и обусловливаются способностью неполярных молекул образовывать между собой прочные ассоциаты в процессе мицеллообразования. Этим предопределяются возможность возникновения би- и многослойных биологических мембран, а также реализация конформационных переходов макромолекул белков и др.

Механизм этих взаимодействий определяется не взаимодействием самих гидрофобных групп (алифатических или ароматических) и не отталкиванием молекул воды такими группами. Причина состоит в изменении структуры воды при растворении таких веществ. В жидкой воде существуют мощные межмолекулярные взаимодействия, обусловленные возникновением водородных связей и приводящие к образованию упорядоченных лабильных структур - кластеров. При растворении полярных (гидрофильных) веществ происходит перестройка структуры воды. Однако при растворении неполярных (гидрофобных) веществ такой перестройки не происходит, и процесс растворения оказывается энергетически невыгодным. При этом более энергетически выгодной является ассоциация молекул растворяемого

347

вещества, в то время как структурная сетка воды в основном сохраняет свою равномерность.

Прочность ассоциатов гидрофобных частиц в водной среде (прочность гидрофобных связей) характеризуется изменением стандартной свободной энергии (отнесенной к одному молю) ΔG⁰ при переносе растворенного вещества из растворителя, где молекулы растворенного вещества распределены равномерно (из хорошего растворителя), в растворитель, в котором частицы растворенного вещества ассоциируются (в плохой растворитель). Известно, что химический потенциал растворенного вещества в насыщенном растворе имеет одно и то же значение в любом растворителе:

где С_в - растворимость в воде; С_щ - растворимость в органическом растворителе.

В качестве "среды переноса" для аминокислот чаще всего выбирают этанол или диоксан.

Количественной мерой гидрофобности аминокислотного звена в полипептидной цепи принята величина изменения свободной энергии ΔG⁰, приходящаяся на боковой радикал элементарного звена при переносе 1 моля аминокислоты из этанола или диоксана в воду. Естественно, что абсолютные значения ΔG⁰ при этом несколько различаются. В связи с этим все аминокислоты можно условно разделить на гидрофильные и гидрофобные (см. табл. 6.7).

Задача. Рассчитать гидрофобность фенилаланинового звена (Phe) в макромолекуле белка.

Решение. Растворимость фенилаланина при 298 К в воде составляет 30 г/дм³, а в этаноле 0,52 г/дм³.

В соответствии с уравнением (6.11) имеем

ΔG⁰ = 8,314 · 298 · 30/0,52 = 10400 Дж · моль^-1.

Для Glу ΔG⁰ = 0.

В табл. 6.7 приведены значения ΔG⁰ для основных аминокислот (принимая в качестве "среды переноса" этанол). Поскольку глицин является основным звеном пептидной цепи, обеспечивающим ее конформационные переходы, возникновение конформаций, характерных для данной белковой молекулы, определяется природой боковых заместителей других аминокислотных звеньев, определяющих первичную структуру полипептида.

348

Таким образом, эффекты фиксации третичной структуры макромолекул белка обусловливаются теми же факторами, которые определяют вторичную структуру полипептидной цепи.

349