Биологический каталог




Биологическая химия

Автор Д.Г.Кнорре, С.Д.Мызина

-

нина преобладают по сравнению с остатками аспартата и глутамата, в нейтральной среде заряжены положительно и называются основными белками.

При изменении рН среды заряд белковой молекулы уменьшается, переходя от положительных значений при достаточно низких значениях рН к отрицательным при достаточно высоких рН. Естественно, что этот переход является плавным и существует значение рН, при котором средний заряд молекулы белка равен нулю. Это значение называют изоэлектрической точкой белка (pi). Очевидно, что кислые белки характеризуются значениями изоэлектрической точки ниже 7, а основные — выше 7 (табл. 3.2).

Таблица 3.2. Значения р! некоторых белков

Белок Pi Белок pi

Цитохром с 10,0 Коллаген 6,6-6,8

Рибонуклеаза 7,8 Карбокснпептидаза 6,0

Миоглобин 7,0 Катачаза 5,6

Гемоглобин: Инсулин 5,35

лошади 6,92 Родопсин 4,47-4,57

человека 7,07 Пепсин 1,0

^Глобулин 6.4-7,2

Нуклеиновые кислоты являются полианионами, поскольку значения рК межну-| клеотидных диэфирных фосфатов лежат в пределах 2-3. Гетероциклы при нейтральных рН не несут электрического заряда, и, по-видимому, заряженные формы этих гетероциклов биологической роли не играют. Исключение составляют некоторые минорные нуклеотиды, например NT-метил гуанозин или Nl-метиладенозин. которые могут входить в состав рибонуклеиновых кислот:

СН3

HCs 0 1*

OH OH ??2

? 7-метилгуаноэин ? I- метиладенозин

При отклонении рН на несколько единиц от нейтрального значения происходят ионизация групп ?—? в слабощелочной среде и протоиирование атомов азота пиридинового типа в кислой среде. В табл. 3.3. приведены значения рК для важнейших нуклеозидов. Однако надо иметь в виду, что в составе нуклеиновых кислот эти значения могут заметно отличаться от рК для свободных нуклеозидов. Следует подчеркнуть, что наиболее основными и нуклеофильными центрами в гетероциклах, как это следует из спектральных характеристик ионизованных форм этих гетероциклов и из квантово-химических расчетов, являются именно атомы азота пиридинового типа в составе цикла, а не экзоциклические аминогруппы, неподеленная пара электронов которых сопряжена с системой двойных связей кольца и групп С=0. В биологически значимом диапазоне рН уридин и тимидин не присоединяют протонов и не являются основаниями. В связи с этим широко используемый для гетероциклов, входящих в состав нуклеиновых кислот, собирательный термин Соснования», строго говоря, является некорректным.

Полимерными носителями электрических зарядов являются также мукополи сахариды. Кроме того, носителями зарядов являются многочисленные низкомолед кулярные участники обмена веществ. Например, обмен моносахаридов — их обр; зование при фотосинтезе, их деструкция, в том числе окислительная, — проходи

Таблица 3.3. Значения рК нуклеозидов

и-

?

1

Нуклеозид Ионизированный или прото-нированный атом N ??

Тимидин ?(3)-? ^ N(3)" 9,68

Уридин ?(3)-? ?=± N(3)" 9,25

Гуанозин N(i)-H^=±.N(l)- 9,22

Цитидин N(3) ^ N(3)-iI* 4,2

Аденозин N(1) ?=± N(l)-Ir 3,6

Гуанозин N(7) ?=± ?(7)-]? 2,20

на уровне соответствующих эфиров фосфорной кислоты. Так, деструкция глюкозы начинается в форме глюкозо-6-фосфата, причем остаток фосфорной кислоты сохраняется на всех промежуточных стадиях процесса до момента образования пирувата (соли пировиноградной кислоты) С113С0С00", который в нейтральной среде несет отрицательный заряд (см. § 8.2). Это характерно и для большого числа других систем биохимических процессов, рассматриваемых в данном курсе.

Атомы N и 0, склонные к образованию водородных связей, относятся вместе с атомами С и ? к числу важнейших биогенных элементов, а образование водородных связей играет исключительно важную роль в общем балансе нековалентных взаимодействий в биохимических системах. Особое значение водородные связи имеют в связи с тем, что все биохимические процессы, за исключением протекающих внутри фосфолипидных бислоев, проходят в воде, которая является одновременно и донором протонов и донором неподелеиных пар электронов. Поэтому группы, способные участвовать в образовании водородных связей, могут взаимодействовать с молекулами воды. Такие группы получили название гидрофильных групп. К гидрофильным группам следует также отнести заряженные фрагменты молекул, взаимодействующие с водой по ион-диполыюму механизму с образованием прочных гидратных оболочек.

В белках гидрофильными фрагментами являются прежде всего остатки аспар-тата, глутамата, аргинина и лизина как в заряженной, так и в электронейтральной формах. Гидрофильной является пептидная группа —??—СП , у которой амидный фрагмент может выступать как донор протона, а карбонильная группа — как донор электронной пары. По этой же причине гидрофильны остатки аспа-рагина и глутамина, содержащие фрагмент —СО—N111. Гидрофильными являются гидроксигруппы остатков серина, треонина и тирозина и импдазоль.пое кольцо гистидина. Значительно менее гидрофилен боковой радикал цистеина, так как способность к образованию водородной связи у группы SI1 существенно ниже, чем У ОН.

Таблица 3.4. Гидрофильные фрагменты азотсодержащих гетероциклов главных компонентов нуклеиновых кислот

Гетероцикл Доноры протонов Доноры неподелеиных пар электронов Гетероцикл Доноры протонов Доноры неподелеиных пар электронов

Уридин и тимидин Цитидин N(3)-H N(4)-H С(2) = 0, С(4) = 0 С(2) = 0, N(3) Аденозин Гуанозин N(6)-ll N(2)-ll. ?\'( 1 )-H N(1), N(3), N(7) (1(6) = Q, N(3), ?\(7)

Нуклеотидные остатки нуклеиновых кислот буквально насыщены участками, способными к образованию водородных связей. Это и остатки фосфорной кислоты, и атом 0 фуранозного цикла, и 2'-Oil-группы рпбозы в составе РНК. Наибольшее значение для пространственной организации молекул нуклеиновых кислот и их межмолекулярных взаимодействий имеют гидрофильные фрагменты гетероциклов. Эти фрагменты сведены в табл. 3.4. Важной чертой всех приведен-

ных в этой таблице орбнталей неподеленных пар электронов и полярных ?—? групп является то, что все они находятся в плоскости гетероцикла и поэтом способствуют взаимодействию между гетероциклами, находящимися в предел одной плоскости. Среди многочисленных типов взаимодействий между разным комбинациями гетероциклов особенно важное значение для функционировани нуклеиновых кислот имеют взаимодействия между расположенными а одно плоскости парами аденин-тимин (или урацил) и гуанин-цитозин (рис. 9). Под робнее этот вопрос рассматривается в § 3.4 и 3.5.

н

Рис.. 9. Водородные связи между парами гетероциклов аденин-тимин и гуанин-цитозин

Участие в образовании водородных связей свойственно и большинству други: высокомолекулярных и низкомолекулярных компонентов живой природы. Боль шое значение эти связи имеют в структуре полисахаридов. Например, механичес кая прочность целлюлозы и ее нерастворимость в воде обусловлены наличие между соседними полимерными цепями большого числа прочных водородны связей, образованных гидроксигруппами, которых имеется по три на кажд мономерное звено, и атомами кислорода соседних цепей как донорами неподелен. ной пары электронов.

Образование водородных связей с соответствующими белками является одним из основных факторов, обеспечивающих специфическое комплексообразова-ние низкомолекулярных соединений с определенными участками белковых молекул.

Электростатические взаимодействия и образование водородных связей довольно специфические процессы. Первые возникают, если вблизи друг от друг^ оказываются положительно и отрицательно заряженные группы, вторые — есл^ достаточно сближенными оказываются группа 0—II или ?—? и атом 0 или ?, имеющие неподеленную пару электронов.

В отличие от этого способность к ван-дер-ваальсовым взаимодействиям свойственна всем атомам и радикалам, т.е. они мало специфичны. Однако у гидрофильных фрагментов эти взаимодействия играют второстепенную роль по сравнению с более сильными специфическими взаимодействиями. В то же время у электронейтральных атомов или радикалов, не способных к образованию водородных связей, ван-дер-ваальсово притяжение является основным видом нековалептного взаимодействия. Такие группы, лишенные специфического сродства к молекулам воды, получили название гидрофобных. В водных растворах, в которых только и функционируют биохимические системы, наличие гилоосЬобных mvnn пппяппярт-

ся в виде специфического эффекта, получившего название гидрофобных взаимодействий.

Рассуждая упрощенно, можно сказать, что контакт с молекулами воды гидрофобных атомов или радикалов, к числу которых относятся углеводородные радикалы и атомы серы, <невыгоден> молекулам воды, которые предпочитают образовывать водородные связи с гидрофильными молекулами или группами. Поэтому термодинамически более выгодно в водном растворе объединение гидрофобных радикалов в кластеры, что сводит к минимуму их контакты с водой. Именно эта тенденция гидрофобных радикалов в водных растворах избегать контактов с молекулами воды и объединяться в гидрофобные кластеры известна под названием <гидрофобные взаимодействиях Уместно вспомнить, что такие взаимодействия являются движущей силой образования бнслойных фосфолипидных мембран, описанных в § 2.4.

Более углубленное рассмотрение вопроса, учитывающее сложную структуру жидкой воды, показывает, что гидрофобные взаимодействия обусловлены изменением структуры микрокристаллов воды в контакте с гидрофобными атомами или группами. Эта структура более упорядочена, чем та, которая свойственна чистой воде или водным растворам гидрофильных веществ. Поэтому появление в воде гидрофобных центров приводит к уменьшению энтропии воды, а объединение гидрофобных центров в кластеры происходит в результате тенденции к возрастанию энтропии. Поэтому говорят, что гидрофобные взаимодействия имеют энтропийную природу. Независимо от трактовки существенно подчеркнуть, что гидрофобные взаимодействия — это не какой-?? особый тип взаимодействия, а лишь способ оптимизации пространственной структуры сложных систем, содержащих одновременно гидрофобные и гидро

страница 18
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109

Скачать книгу "Биологическая химия" (8.81Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(17.10.2017)