его энергетическая устойчивость зависит от прочности внутримолекулярных связей боковых групп. Изменение этих связей ведет к конформационным изменениям в цепи. В живых системах все конформационные изменения пептидов обратимы, так как возможность конформационных переходов обеспечивается устойчивостью (прочностью) основной цепи пептида.

Остов полипептидной цепи представляет собой ряд жестких плоскостей с подвижным шарнирным сочленением в позиции асимметрических атомов углерода. При этом ди-польные моменты пептидных связей располагаются колли-неарно в направлении от N- к С-концу, их векторы складываются, а структура основной цепи полипептида с гидрофобными боковыми группами становится регулярной. При изменении внешнего электрического поля такой полипептид меняет свою пространственную ориентацию в соот-

44

ветствии с величиной собственного дипольного момента, сохраняя конформацию цепи (Бирштейн, 1975). Обратимые изменения коиформации основной цепи происходят, как правило, в полипептидах, имеющих боковые ионогенные гуппы, под влиянием изменения степени ионизации этих групп. В частности, возникновение ос-спиральных структур в сополимерах глутаминовои кислоты и лизина зависит от рН внешнего раствора. Расчеты показали, что для этих синтетических сополимеров характерно весьма упорядоченное строение цепи с чередованием типа КЕКЕКЕКЕ или ККЕ-ЕККЕЕККЕЕ (Волькенштейн, Фишман, 1967). Первый вариант структуры можно было бы назвать поливилоном.

Удлинение пептида с заряженными боковыми группами увеличивает диапазон его межмолекулярных взаимодействий за счет расширения диапазона ионизации его боковых групп. Это легко увидеть на примере снижения рКа аминогрупп лизина при переходе от димера к пентамеру (Stewart et al., 1962):

Пептид рКа

Лизин 8.95

Дилизин 7.56

Трилизин 7.26

Тетрализин 7.15

Пентализин 7.07

Аналогичная зависимость наблюдается и у полипептидов с карбоксильными боковыми группами. Иначе говоря, одинаково заряженные соседние ионогенные боковые группы полипептида, как и любого полиэлектролита, имеют повышенное среднее значение рКа (т. е. пониженную среднюю кислотность) и расширенный диапазон степеней ионизации.

Учитывая тот факт, что изменение степени ионизации боковой группы полипептида всегда связано с изменением его локальной гидратации и коиформации, можно ожидать, что такой полипептид способен выполнять одновременно и роль молекулярного рН-датчика об окружающей среде, и функцию исполнительного устройства, которое реагирует на изменение рН, изменяя свою гидратацию. Примером такого чувствительного рН-датчика и регулятора гидратации является композиционный сополимер гидрогеля и полипептида, влияющий на скорость поступления лекарственного вещества в клетку (Akaia et al., 1998). Живые системы регулируют транспорт метаболитов с не меньшей эффективностью. Ниже (см. раздел 2.2) мы увидим, что мембранный белок, от-

45

вечающий за транспорт воды в клетку, работает по тому же принципу.

Существует огромный объем литературы, посвященной принципам структурной организации природных пептидов и белков. Эти работы выполняются методами конформационного анализа, при котором из всего набора доступных конформации выделяется несколько наиболее доступных и энергетически выгодных. Подробный анализ таких работ представлен Е. М. Поповым (1997). Обобщая результаты литературных данных и собственных оригинальных работ, автор пришел к определенным выводам относительно закономерностей, в соответствии с которыми происходят конформационные изменения в полипептидных цепях. В физиологических условиях пространственное строение природного олигопептида описывается ограниченным набором низкоэнергетических компактных структур, стабильность которых обусловлена согласованностью всех внутримолекулярных невалентных взаимодействий. При изменении внешних условий (растворителя, температуры, кислотности, расстояния до соседней молекулы-рецептора) природный пептид адаптируется к ним смещением своего конформационного состояния. Смещение равновесия между предпочтительными структурами пептида происходит через последовательную смену конформации с низкими энергиями в форме волны внутримолекулярного возбуждения. Иначе говоря, эта последовательность конформационных изменений также упорядочена, как и аминокислотная последовательность пептидной цепи. Новая конформация характеризуется новым спектром частот собственных колебаний и соответствующим изменением теплоемкости пептидной цепи (Попов, 1997).

Результаты теоретических расчетов для конкретных природных пептидов позволяют выделить в структуре каждого из них структурно жесткие участки, конформация которых меняется с большими энергетическими затратами, и структурно гибкие (лабильные) участки, которые обладают высокой торсионной подвижностью в области физиологических температур. В табл. 3 представлены структуры нескольких регуляторных пептидов, для которых рассчитана жесткость цепей (Попов, 1997). Отметим, что жесткие участки состоят из 4 или из 7 аминокислотных остатков, т. е. кратны числу остатков, приходящихся на один виток а-спирали. Расположение гидрофильных и гидрофобных остатков вдоль цепи также влияет на жесткость этих участков, так как а-спираль

46

Таблица 3

Жесткость цепей регуляторных пептидов (по: Попов, 1997. С. 404)

Наименование Аминокислотная последовательность*

Энкефалин Y-G-G-F-L

Тимопентин R-K-D-V-Y

Вазотоцин C-Y-I-O-N-C-P-R-E-N Н?

Пептид W—A—G—G—D—A—S—G—Е

дельта-сна

Ангиотен- D-R-V-Y-I-H-P-F

зин II

а-Меланотро- S—Y—S—M—Е—Н—F—R—W—G—L—F—V

пин

а-Эндорфин Y-G-G-F-M-T-S-E-K-S-O-W-P-L-V-T

Секретин H-S-D-G-T-F-T-S-E-L-S-R-L-R-E-

G-A-R-L-0-R-L-L-O-G-L-V

* Жесткие участки цепи подчеркнуты. позволяет гидрофобным аминокислотным остаткам осуществлять внутримолекулярные связи. Все формулы пептидов, представленные в этой таблице и далее в тексте, соответствуют данным биохимического справочника (Oxford Dictionary..., 1997).

Рассматривая взаимосвязь структуры и биологических функций полипептидов, нельзя забывать, что всякая их функция основана на высокой подвижности компонентов живых клеток, а эта подвижность обеспечивается присутствием воды — одного из основных метаболитов. Несмотря на то что рибосомы и макромолекулы белков и нуклеиновых кислот очень плотно упакованы в цитоплазме между органеллами и эндоплазматическим ретикулумом (ЭР), благодаря присутствию воды они совершают конформационные переходы и разнообразные движения, для которых вода является не столько «окружением», сколько лабрикантом. Гидрофобное микроокружение (например, присутствие соседних гидрофобных поверхностей ЭР или липопротеииовых комплексов) также повышает молекулярную подвижность гидрати-рованного полипептида.

Можно различить три вида внутриклеточных молекулярных движений: 1) вращения макромолекул; 2) перемещения из одной позиции в другую (трансляционные движения); 3) быстрые колебания (вибрации) атомов, составляющих молекулу. Все эти движения важны для того, чтобы моле-

47

кулярные поверхности приш