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

производного глицина симметричны. Разумеется, если бы водо­ родная связь не учитывалась в расчете, не было бы и минимумов, соответствующих свернутым формам.

Производные аланина

Рассмотрим конформационную карту метиламида 1М-ацетил-/.-ала- нина. На рис. 8.4 показаны нормальные и экстремальные границы Рамачандрана и контуры потенциальной энергии, проведенные

тура коллагена. Наконец, частично разрешенной оказывается и область л с е о й а-спирали L. Именно благодаря асимметрии ами­ нокислотных остатков, как видно из рис. 8.4, правая а-спираль оказывается выгоднее левой, что подтверждается многочисленны­ ми экспериментальными данными. Разумеется, для D-аминокис- лотных остатков (во всяком случае, содержащих неполярные группы R, как аланин) левые спирали были бы выгоднее.

На рис. 8.5 приведена конформационная карта метиламида Ы-ацетил-А-аланина, построенная с потенциалами Дашевского и по­ тенциалом Морзе для водородной связи (с глубиной потенциальной ямы 4 ккал/моль). Наряду с рассмотренными тремя областями мы видим две свернутые формы, одна из которых (М ) находится на границе области В, другая (Я) попадает в абсолютно запрещен­ ную область. Благодаря деформациям валентных углов и образо­ ванию водородной связи в неполярных растворителях, эта кон­

373

формация становится все же возможной; ее наличие подтверждает­ ся экспериментом [51].

Карта, приведенная на рис. 8.5, показывает, что форма R име­ ет чуть меньшую энергию, чем форма В (глобальный минимум по­ мечен крестиком). Поскольку площадь области В больше, то эти две формы можно полагать равновероятными. Становится понят­ ным, почему они с примерно одинаковой частотой встречаются в полипептидах и белках.

Аналогичную карту для того же соединения построили Флори и сотр. [52; 53, р. 339], используя свои потенциалы (см. раздел 3 гл. 2),— на их карте глобальному минимуму также соответствует

трех растворителей: СС1^, СНС1Я и Н20. Такая процедура, ко­ нечно, не имеет ясного физического смысла, поскольку атомы растворителя не учитываются непосредственно, однако она по­ лезна для объяснения и предсказания ряда опытных данных.

Производные валина

Остатки валина и изолейцина в большей степени, чем остатки ка­ ких-либо других аминокислот, ограничивают свободу вращения пептидной цепи, поскольку разветвление бокового радикала на­ чинается уже у атома С£ (в этом смысле их интересно сравнить с изотактическими полимерами, у которых ветвление начинается с первого атома боковой цепи, и в результате пространственных

374

затруднений макромолекула приобретает в кристалле конформа­

цию со спиралью типа 4Х).

В работе [9] были найдены разрешенные и запрещенные обла­ сти конформационной карты метиламидов различных N-ацетил- аминокислот, в том числе и валина (рис. 8.6). Пространство, зани­ маемое на этой карте валином (или изолейцином), совсем мало. Все остальные остатки находятся в промежуточном положении по. отношению к аланину и валину, однако, как видно из рис. 8.6, они гораздо больше напоминают аланин: причина очевидна — отсутствие разветвления у атома Ср.

не заштрихованы запрещенные области; конформации в областях от / до 4 разрешены для остатков глицина, в областях от 2 до 4 — для остат­ ков аланина, в областях 3 и 4 разрешены конформации остатков дру­

гих аминокислот, содержащих атом С^, и в области 4 — разрешены

конформации остатков валина и изолейцина. Кружками отмечены области Я и L, соответствующие стандартным а-спиралям [55].

На рис. 8.7 приведена конформационная карта метиламида ]Ч-ацетил-/,-валина, рассчитанная с потенциалами Дашевского без учета электростатической составляющей. Отметим, как и преж­ де, пять конформаций: R, В, L, М и Н. Интересно, что как здесь, так и в метиламиде Ы-ацетил-/.-аланина форма В не имеет своего минимума — из любой точки, принадлежащей области В, поиск минимума приводит в точку, соответствующую конформации М. Энергии форм R и В примерно равны, а учет электростатических взаимодействий мог бы привести к понижению энергии формы В.

Важно отметить, что не только электростатическая энергия, но и свобода движения боковых радикалов влияет на относитель­ ную стабильность различных конформаций. Большая свобода дви­ жений группы R соответствует большей энтропии, а следователь­ но, выигрышу свободной энергии. С. Г. Галактионов, рассчитав свободную энергию бокового радикала валина (по формуле — RTlnZ, где Z — статистическая сумма) при всех значениях (ф, ф)

375

конформационной карты, на­ шел, что свобода движений в конформации R ограниче­ на, тогда как в конформации В она велика, и это дает выигрыш свободной энергии формы В около 0,5 ккал/моль [19]. Ктакому же выводу, хо­ тя и несколько другим путем, пришли Шерага и сотр. [12], рассматривавшие полипептид поли-Б-валин. Большая ста­ бильность формы В позволя­ ет понять, почему поли-L- валин существует в растя­ нутой конформации. Однако в белках, благодаря неболь­ шой разнице энергий форм R и В, валиновый остаток мо­ жет легко встраиваться в спираль.

Итак, большинство ами­ нокислотных остатков в со­ ставе пептида в смысле огра­ ничения свободы пептидной цепи (но не по относительной стабильности тех или иных конформаций) подобны остат­ ку аланина. Действительно, детальное исследование кон­ формаций метиламида N-аце- тил-Б-фенилаланина, прове­ денное в работе [56], это наглядно демонстрирует. Карта, приведенная на рис. 8.8, построена таким обра­ зом, что каждой ее точке со­ ответствует оптимальная кон­ формация боковой группы R (из девяти возможных кон­ формаций, отвечающих ло­ кальным минимумам, в каж­

дом случае выбиралась оптимальная). В расчете использова­ ны параметры, предназначенные для водных растворов, т. е. е == = 10 и D = 0,5 ккал/моль. Сходство этой карты с картой, пока­ занной на рис. 8.5 (если в последней не принимать во внимание положения свернутых форм), очевидно. Совершенно аналогичными должны быть карты метиламидов Ы-ацетил-Б-тирозина и, вероят-

376

но, N-ацетилтриптофана. К сожалению, трудно сказать что-либо об относительной стабильности форм R и В различных дипепти­ дов: как уже указывалось, не только параметризация, но и учет свободы движений боковой группы Я здесь играют определенную роль.

Производные пролина

В пролине вращение вокруг связи N—С“ невозможно, и единст­

венным конформационным параметром является угол С“ — С'. График зависимости энергии от ф для метиламида N-ацетил-/.- пролина (рис. 8.9) выявляет две потенциальные ямы, одна из ко­ торых соответствует развернутой форме (ф = —48°), а другая — свернутой форме (ф = + 86°). Двугранный угол ф равен при этом

Рис. 8.9. Зависимость конфор- *= мационной энергии метиламиfc? да 1У-ацетил-/.-пролина от уг­ ла ф [47].

(в обоих случаях) примерно —60°. В данной молекуле свернутая форма выгоднее (разумеется, в неполярных растворителях), но в полипептидах и белках реализуются, конечно, развернутые фор­ мы.

** *

Рассматривая конформации дипептидов, мы детально остано­ вились лишь на производных четырех аминокислот — глицина, аланина, валина и пролина — и, ограничившись конформационной картой метиламида 1М-ацетил-.£.-фенилаланина, попытались заключить, что конформационные возможности других остатков близки к аланину. Хотя, грубо говоря, это действительно так, что­ бы получить надежный «конформационный код» белка, имеет смысл столь же детально изучить конформации других остатков, ибо электростатические взаимодействия и свобода движения боко­ вых радикалов в большой степени зависят от природы самого ра­ дикала. В этом направлении уже немало сделано, в особенности индийскими авторами [57—60] и группой С. Г. Галактионова [61, с. 61], и можно считать, что на сегодня конформации всех остатков обычных аминокислот теоретически исследованы с до­ статочной полнотой. При этом, поскольку различные авторы ра­

377