Файл: Дашевский, В. Г. Конформации органических молекул.pdf

спектроскопических деформационных постоянных вместе с потен­ циалами невалентных взаимодействий необоснованно. В работе [37] были указаны значения упругих постоянных, необходимые для расчетов конформаций пептидов: для тетраэдрического угле­ рода 30, для тригонального углерода 70 и для азота 50 ккал-

•моль-1-рад-2. Расчеты с включением энергии деформаций ва­ лентных углов позволили Гибсону и Шерага [47], а также По­ пову идр. [37, 47] обнаружить некоторые интересные закономер­ ности.

Энергия гидрофобных взаимодействий

Хорошо известно, что именно эти взаимодействия в основном и определяют пространственную структуру белков [48]. Нативный белок существует в водной среде, поэтому полярные группы R аминокислотных остатков располагаются на поверхности глобулы и взаимодействуют с водой, а неполярные R спрятаны внутрь гло­ булы и контактируют между собой. Аналогичная ситуация может возникнуть и в модельных полипептидах: если растворитель по­ лярный (вода), то полярные группировки R аминокислотных ос­ татков стремятся оказаться снаружи, в неполярных растворите­ лях следует ожидать противоположного — неполярные группи­ ровки R аминокислотных остатков будут стремиться оказаться на поверхности.

Каков же физический смысл гидрофобных взаимодействий? Рассмотрим куб, в котором находятся 1000 молекул воды и две молекулы метана (объем куба таков, что средняя плотность близка к 1 г/см3). Вероятно, можно показать, основываясь только на атоматом потенциалах, что минимуму свободной энергии такой систе­ мы будут отвечать конфигурации, в которых две молекулы метана находятся в контакте друг с другом, а не в разных областях ку­ ба*. Действительно, термодинамические измерения показывают, что растворение метана в воде стоит нескольких ккал/моль. Оче­ видно, для двух молекул потеря свободной энергии растворения будет меньше, если эти молекулы будут находиться в контакте и, следовательно, занимать меньший объем. Гидрофобные остатки в белках, такие, как аланин (R=CH3), валин [R=CH(CH3)21и т. д., подобны метану и потому для них тоже справедливо аналогичное рассуждение.

Разумеется, энергию гидрофобных взаимодействий нельзя рас­ сматривать наравне с другими членами потенциальных функций, поскольку она является вкладом в свободную энергию системы пептид — растворитель. Однако, если нас интересует конформа­ ция полипептида, можно попытаться подобрать выражения, до­

* Расчеты такого рода проведены недавно Г. Н. Саркисовым и В. Г. Да* шевским [140]. Стратегия поиска минимума свободной энергии базируется на методе Монте-Карло и в принципе совпадает со стратегией, примененной для расчетов термодинамических функций жидкой воды (см. раздел 2 гл. 2).

полняющие потенциальную функцию пептида, с тем, чтобы гру­ бо учесть стремление неполярных групп R находиться в контакте друг с другом в водной среде. Такого рода попытки были предпри­ няты Шерага и сотр. [15, 49, 501. Не останавливаясь на деталях, имеющихся в оригинальных работах, отметим, что расчеты кон­ формаций олигопептидов — окситоцина, вазопрессина и цикли­ ческого октапептида из рибонуклеазы [151 — продемонстрирова­ ли значительный вклад гидрофобных взаимодействий в полную энергию, однако поиск минимума без учета этой компоненты при­ вел к той же оптимальной структуре. По-видимому, это обстоя­ тельство показывает, что рассмотренные молекулы еще не при­ надлежат к системам, в которых могли сформироваться внешние и внутренние участки, и гидрофобные взаимодействия в них не играют решающей роли, как в глобулярных белках.

2. КОНФОРМАЦИИ ДИПЕПТИДНЫХ ФРАГМЕНТОВ

Элементарной единицей белка, проявляющей конформационные свойства, является фрагмент, состоящий из двух аминокислотных звеньев (см. стр. 361). Если заданы конформации каждого из та­ ких фрагментов, т. е. известны углы вращения ф и ф, то тем са­ мым конформацию макромолекулы белка можно считать опре­ деленной однозначно. N-Ацилированные метиламиды аминокислот могут служить моделями дипептидов и соответствующих фрагмен­ тов в белках.

Почти все интересные и наиболее важные черты пространствен­ ной структуры полипептидов и белков, зависящие от взаимного расположения отдельных атомов [но не многоатомных массивов, таких, как а-спирали или (3-спирали (|3-структурыЩ можно вы­ явить, анализируя, во-первых, конформации дипептидов и, во-вто­ рых, взаимодействие соседних аминокислотных остатков в дипептидных фрагментах (между собой и с пептидной цепью). Именно поэтому мы остановимся наиболее подробно на расчетах конфор­ маций дипептидов и некоторых фрагментов, в которых проявляют­ ся интересующие нас взаимодействия.

Знание конформаций дипептидов необходимо для понимания структуры глобулярных и фибриллярных белков. Если какиелибо области (ф, ф) запрещены в дипептидах, то они будут запре­ щены и в полипептидах. Формы ям и относительные стабильности также сохраняют свое значение при переходе от дипептидов к большим молекулам, и потому закономерности, найденные для дипептидов, имеют общее значение.

Конформации дипептидов определяются природой бокового радикала R. Имеет смысл детально исследовать только четыре слу­ чая: глицин (R = Н), аланин (R = СН3)*, валин [R = СН(СН3)21

* Если нет специальных указаний, то обычно имеются в виду /.-амино­ кислоты, т. е. те, которые встречаются в природных объектах.

370

и пролин, в котором этот радикал входит в циклическ ую группировку

-СООН

Глицин оставляет пептидную цепь симметричной, и, как для полимеров с симметричными R (см. гл. 7), конформационная кар­ та глицинового дипептида (или молекулы метиламида N-ацетил-

щая атом О3, и этот атом углерода в радикале R единственный. Конформационная карта аланина не должна иметь элементов сим­ метрии, а конформационная свобода соответствующего дипептида благодаря введению группы СН3 вместо водорода существенно ограничена по сравнению с глициновым аналогом. Конформацион­ ная свобода уменьшается с увеличением объема группы R и, ве­ роятно, должна быть наименьшей для массивного радикала вали­ на. Другие обычные аминокислоты в этом смысле занимают про­ межуточное положение, напоминая скорее аланин, и только изо­ лейцин является аналогом валина. Наконец, пролин, а также оксипролин, благодаря встраиванию в пептидную цепь цикли­ ческой группировки, занимают особое положение — их конфор­ мации характеризуются только одним углом вращения — углом ф.

В дипептидах могут возникать как развернутые (без водород­ ных связей), так и свернутые формы. Одна из свернутых форм — форма Мидзусима (УИ) соответствует образованию водородной свя­ зи N—Н --02=С2 [индексы (2) означают, что эти атомы принадле­ жат второму пептидному звену, считая с N-конца] и характери­ зуется углами ф = —60°, ф == 60°. Другая свернутая форма — форма Хаггинса (Я) имеет ту же водородную связь, но углы +60° и —60°. Свернутые формы обычно выгоднее по энтальпии (особен­ но в органических растворителях), но проигрывают в энтропии (область, допустимая для образования водородных связей, весь­ ма мала), и, как показывает опыт, в неполярных растворителях они чаще всего находятся в равновесии с развернутыми формами (в полярных растворителях доля их ничтожна, поскольку водо­ родные связи в этом случае ослабляются). Конформации, соответ­ ствующие свернутым формам дипептидов, встречаются в поли­ пептидах и белках крайне редко, и, следовательно, основное вни­ мание надо обратить на развернутые формы.

Производные глицина

На рис. 8.2 приведена конформационная карта метиламида N-ацетилглицина, построенная с использованием допустимых меж­ атомных контактов Рамачандрана (см. стр. 108) и параметров По­ линга — Кори (см. стр. 361). Полностью разрешенные области охватывают 45% всего пространства карты, в экстремальные пре-

делы попадает 61%. Почти все точки, соответствующие остаткам глицина в составе пептидов, как мы видим, хорошо ложатся в эти области (особенно в экстремальную область).

% ерид

На рис. 8.3 приведена конформационная карта метиламида N- ацетилглицина [47], рассчитанная с использованием атом-атом по­ тенциалов. При построении этой карты вместо параметров Полин­

но, вполне допустима (на карте Рамачандрана эта область запре­ щена, однако в ней находятся некоторые экспериментальные точ­ ки). Пространство, ограниченное контуром в 1 ккал/моль, зани­ мает 60% карты, тогда как область, заключенная в экстремаль­ ных границах, охватывает 61% всего пространства (ср, ф). Наи­ меньшую энергию имеют свернутые формы, которые для данного

372