Биологический каталог




Биологическая химия

Автор Д.Г.Кнорре, С.Д.Мызина

фильные фрагменты, присущий именно водным растворам.

В белках к числу наиболее гидрофобных аминокислотных остатков относятся остатки валина, лейцина, изолейцина, фепилалапипа, пролина, метионина, триптофана и тирозина. Два последних, правда, содержат и гидрофильные фрагменты, соответственно ?-? и О-II, однако большой объем гидрофобной части придает им преимущественно гидрофобный характер.

Своеобразный тип гидрофобных взаимодействий наблюдается в нуклеиновых кислотах между гетероциклами. Как уже указывалось, им свойственно образование водородных связей в плоскости колец. В направлен и и, перпендикулярном плоскости, таких взаимодействии не происходит и энергетически выгодным оказывается параллельное расположение циклов в виде системы, напоминающей стопку бумаг. Это является результатом диполь-дипольных взаимодействий, достаточно сильных вследствие полярности гетероциклов. Такие взаимодействия, по основной классификации относящиеся к ван-дер-ваальсовым, часто называют межплоскостнылги или стекииг-озаимодейстоия.ии. Плоская структура гетероциклов допускает сближение до 0,3 им, и так как вап-дер-ваальсовы силы очень резко возрастают с уменьшением расстояния, то стекипг-взаимодействия оказываются важным стабилизирующим фактором в структуре нуклеиновых кислот. Естественно, что в подобных взаимодействиях могут участвовать и другие плоские ароматические системы, в частности радикалы ароматических аминокислот — Фенилаланина, тирозина и триптофана.

3.2. МОЛЕКУЛЯРНОЕ УЗНАВАНИЕ В БИОХИМИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

Уже неоднократно говорилось, что важнейшей для функционирования биополимеров особенностью является их способность с высокой степенью избирательности образовывать комплексы с определенными низко- или высокомолекулярными партнерами или, как принято говорить в биохимии, узнавать этих партнеров. Избирательность означает, что константа ассоциации образования специфического комплекса биополимера с узнаваемым партнером существенно превышает константу для комплексов того же биополимера с другими компонентами системы.

Образование комплексов происходит за счет нековалентных взаимодействий. Некоторая избирательность заложена в самой природе этих взаимодействий, но она не слишком высока. Так, положительно заряженные группы притягиваются именно к отрицательно заряженным. Однако отличия в энергиях электростатического взаимодействия с различными отрицательно заряженными группами и образующихся ионных парах варьируют в не очень широких пределах. То же можно сказать про образование водородных связей между каким-либо атомом — донором протона — и несколькими различными акцепторами протона, т.е. атомами ?, 0 или F, имеющими неподелепную пару электронов, и про образование гидрофобных кластеров между каким-либо неполярным радикалом и другими гидрофобными фрагментами. В этих случаях также имеется вполне определенная и в то же время невысокая избирательность взаимодействия.

Эта избирательность может существенно возрасти, если контакт между взаимодействующими партнерами — молекулами или их фрагментами — становится многоточечным. При этом возрастает число комбинации попарно взаимодействующих атомов или радикалов и, что особенно существенно, число мыслимых взаимных расположений этих атомов и радикалов, которые у двух образующих комплекс участников должны соответствовать друг другу так, чтобы мог реализоваться весь набор контактов. Структуры, удовлетворяющие этому требованию, называют комплементарными. Описанные в § 2.3 комплементарные последовательности нуклеотидов являются частным примером комплементарных структур На рис. 10 приведен пример таких структур без детализации конкретной химической природы отдельных групп. Из рисунка видно, что, например, наличие у одной из молекул положительно и отрицательно заряженных групп требует не просто наличия таких же групп у второй комплементарной молекулы, но и совершенно определенного их взаимного расположения. То же, естественно, касается и всех остальных взаимодействующих участков комплементарных партнеров.

Говоря о взаимном расположении некоторого набора атомов и радикалов в пределах одной молекулы, нужно учитывать, что подавляющее большинство органических молекул, встречающихся в живой природе, являются гибкими, т.е.

могут существовать в виде большого числа конформации. Изменение конформации, не изменяя природы каждого отдельного атома пли радикала, может существенно повлиять на их взаимную ориентацию. Поэтому компле-ментарность присуща, строго говоря, не Рис. 10. Схема комплементарных структур л VM молекулам вообще, а определен-

ным конформациям этих двух молекул. В результате этого по мере совершенствования опознаваемых и опознающих структур действуют две противоположные тенденции. С одной стороны, увеличение числа взаимодействующих точек способствует созданию все более уникальных структур, что приводит к повышению избирательности комплексообразования, т.е. более совершенному опознаванию. В то же время это требует участия более сложных структур, а это приводит к возрастанию числа возможных конформации и, если благоприятная для процесса узнавания конформация не обладает какими-либо значительными преимуществами по сравнению с остальными конформациями той же молекулы, к уменьшению вероятности ее реализации, т.е. к уменьшению заселенности этого конформацион-ного состояния молекулы.

Количественно это можно описать следующим образом. Образование комплекса между двумя партнерами характеризуется константой их ассоциации Ка:

Ка= [PL]/([P] [L]) = «2.

Эта величина может быть представлена как произведение константы ассоциации Кист (истинная константа ассоциации), характеризующей взаимодействие молекул, находящихся в оптимальных конформациях, на заселенности этих кон-формаций в исходных молекулах ?\ и ?2. Селективное узнавание может иметь место лишь при достаточно высоких значениях Ка. Усложнение опознаваемых структур способствует повышению значения А'ист, но одновременно в общем случае должно приводить к уменьшению величин ш\ и ?>2·

Поэтому для эффективного взаимодействия, обеспечивающего резко предпочтительное образование комплекса именно между данной парой молекул или фрагментов этих молекул, благоприятной является ситуация, при которой по крайней мере одна из взаимодействующих частиц имеет достаточно жесткую пространственную структуру, близкую к оптимальной для рассматриваемого взаимодействия. Это особенно важно в случае биополимеров, поскольку вследствие чрезвычайно высокого числа мыслимых конформации у биополимеров переход из некоторой произвольной конформации в благоприятную для узнавания может потребовать абсурдно большого времени. По этой причине для узнавания биополимерами специфических партнеров необходимо наличие у них определенной пространственной структуры. Поскольку, как уже говорилось, выполнение белками их функций требует обычно в качестве первого этапа такого узнавания, пространственная структура белков имеет решающее значение для их функционирования.

Молекулярное узнавание является одним из наиболее фундаментальных свойств систем, с которыми имеют дело биохимики, и конкретные примеры комплементарных структур будут неоднократно приводиться в первую очередь при описании структуры нуклеиновых кислот и при рассмотрении механизма ферментативного катализа. Поэтому здесь приведен лишь один умозрительный пример структуры организованной для узнавания аминокислоты L-аспарагина. Эта аминокислота имеет несколько групп, которые могут участвовать во взаимодействии с узнающим ее белком,- заряженные амино- и карбоксильную группы и фрагмент C0NH2) способный одной своей частью выступать в качестве донора, а другой — в качестве акцептора протона при образовании водородных мостиков. Поэтому

область узнавания аспарагина должна содержать набор групп во взаимном Расположении, обеспечивающем комплементарность структуры (рис. II) Нетрудно видеть, что приведенная комплементарная структура будет не только

but *?

???,?

I__1J

отличать аспарагин от других аминокислот, но и преимущественно взаимодействовать именно с L-изомором.

1)-11зомер того же аспарагипа, если он образует водородные связи с амидпым фрагментом, не сможет образовать два электростатических контакта с опознающей структурой. Если же эти два контакта образуются, то амидная группа окажется направленной в сторону от участка, настроенного па образование двух водородных связей о амидпым фрагментом. На этом примере видно, что трехточечное узнавание является достаточным для обеспечения стерео селективности взаимодействия, которое является характерной; чертой подавляющего большинства биохимических процессов,, протекающих с участием мол кул, имеющих хиралыше цен ры в районе опоз,наваемог фрагмента молекулы.

Образование комплекса би> полимера со специфически лигапдом формально являете бимолекулярным ? ро цес с о Так как речь идет о некой лептпых взаимодействиях, процесс не должен быть связа с преодолением существенно" энергетического барьера ? рассматриваемый в прнблнж* ниц бимолекулярной реакци является процессом, контролируемым диффузией. Однако такое рассмотрение, часто используемое для описания кинетики узнавания, является весьма упрощенным.

Во-первых, если даже речь идет о самом простом случае — узнавании белком; низкомолекулярного лиганда, взаимодействие является в подавляющем большинстве случаев многоточечным, т.е. в конечном комплексе со стороны обои.Ч участников взаимодействует по нескольку атомов или групп. Участок белковой молекулы, на котором расположены эти атомы и группы, обычно называют ак-

Риг. 11. Схема гипотетического узнавания молекулы аспарагина:

и - взаимодействие с L-изомером; б - взаимодействие амидного фрагмента D-изомера приводит к электростатическому отталкиванию двух других опознающих контактов: в - образование двух электростатических контактов D-изомера с опознающей структурой выводит амидный фрагмент из контакта с группами Н-Х и :Y

тионым центром. Наряду с группами активного центра у белка всегда имеется большое число различных групп вне активного центра, способн

страница 19
< 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
(30.04.2017)