Тіманюк В.О., Животова О.М. Біофізика

Подождите немного. Документ загружается.

80, у той час як для більшості інших речовин менше 10.

Більшість вищеописаних анормальностей можна пояснити, при-

пустивши у воді наявність зв’язків, що скріплюють між собою окремі

молекули. Такими зв’язками є водневі зв’язки. Для того щоб зрозуміти,

яким способом вода утворює розгалужену систему водневих зв’язків,

розглянемо будову її молекули.

У молекулі води атоми розташовані нелінійно. Кут, утворений

зв’язками О–Н один з одним, складає 104,5°. Атом кисню має на зовніш-

ній оболонці чотири електрони, два з яких утворюють ковалентні зв’язки

з двома атомами водню. Електрони водню виявляються зміщеними убік

атома кисню. Неподілена пара електронів кисню, у свою чергу, прагне

віддалитися від електронів водню. Тому електронні орбіталі неподіленої

пари сильно витягнуті в протилежний від водню бік, причому для того,

щоб віддалитися на гранично максимальну відстань, площини орбіталей

цих електронів розташовуються перпендикулярно площині Н–О–Н. У

результаті атом кисню виявляється розташованим у центрі тетраедра, у

двох вершинах якого знаходяться атоми водню. У напрямку до двох ін-

ших вершин тетраедра розташовуються орбіталі неподіленої електронної

пари кисню. Ці електрони створюють локальний негативний заряд, у той

час як атоми водню — позитивний. Завдяки такій будові молекула води

є диполем із досить великим дипольним моментом

(6·10

–30

Кл·м).

Електронна структура води визначає її здатність виступати одночас-

но і донором, і акцептором при утворенні водневого зв’язку: два атоми

водню однієї молекули зв’язуються з атомами кисню сусідніх молекул,

а атом кисню даної молекули — із двома атомами водню інших моле-

кул. Таким чином, кожна молекула води зв’язана водневими зв’язками

з чотирма сусідніми молекулами (рис. 3.1), тобто координаційне число

води у твердій фазі дорівнює 4. Комплекси тетраедрів утворюють гек-

сагональну кристалічну решітку льоду. Так як при цьому між молеку-

лами залишається великий вільний простір, то лід має відносно низьку

густину.

Що стосується структури рідкої води, то по цьому питанню немає

єдиної думки. Під час плавлення кристаліч на решітка частково руй-

нується і частина води виявляється незв’язаною. Однак, як показали

дані рентгенографічного аналізу, у воді зберігаються ознаки упорядко-

ваної структури.

Утворення упорядкованої структури води викликає зменшення ент-

ропії системи (∆S < 0), що термодинамічно невигідно. Однак це явище

Високе значення дипольного моменту молекул води пояснює велику діелектричну проникність

цієї рідини. У рідкій воді диполі орієнтовані хаотично, і результатуюче електричне поле,

створюване ними дорівнює нулю. В зовнішньому електричному полі диполі шикуються таким

чином, щоб їхнє власне поле послабляло зовнішнє. Завдяки високому дипольному моменту

молекул води зовнішнє поле послабляється в 80 разів.

супроводжується утворенням

чотирьох водневих зв’язків,

що приводить до зменшення

ентальпії (∆H < 0), причому

|∆H | > |T∆S |. Таким чином,

повна зміна термодинамічного

потенціалу Гіббса негативна:

∆G = ∆H – T∆S < 0,

тобто даний процес є енерге-

тично вигідним.

Наявність водневих зв’язків

у структурі льоду пояснює ви-

соке значення питомої теплоти

плавлення, а їхня присутність

у рідкій воді — її високі теп-

лоємність і теплоту пароутворення, тому що руйнація водневих зв’язків,

що відбувається під час плавлення льоду або нагрівання води, вимагає

високих витрат енергії.

Відповідно до однієї з моделей, моделі мерехтливих кластерів, у воді є

упорядковані області, подібні до структури льоду (кластери) і неупоряд-

ковані області, що представляють собою не зв’язані водневими зв’язками

молекули (рис. 3.2). Кластери і неструктуровані області постійно обмі-

нюються молекулами. Відповідно до розрахунків Г. Неметі і Х. Шерага,

при температурі 20 °С частка молекул, об’єднаних у кластери, складає

70%, а вільних молекул — 30%. З підвищенням температури усе більше

молекул переходить у незв’язаний стан, а середній розмір кластерів і їхня

кількість зменшуються.

У кластерах не завжди зберігається правильна кристалічна ре шітка,

властива льоду. Відповідно до моделі Самойлова, плавлення льоду,

що супроводжується частковою руйнацією кристалічної решітки,

приводить до того, що частина молекул, які втратили водневі зв’язки,

розташовується в порожнинах тетраедрів, які формують кристалічну

решітку. Розмір тетраедрів такий, що в їхніх порожнинах може розмісти-

тися одна молекула води, не руйнуючи і не зачіпаючи водневих зв’язків,

які формують цей тетраедр. Це пояснює підвищення густини води при

плавленні льоду. Однак із підвищенням температури зростає теплова

енергія молекул, і отже, збільшується амплітуда їхніх коливань, що

зменшує густину води. При температурі нижче 4 °С переважає перший

фактор (заповнення порожнин решітки), а при більш високих темпера-

турах — другий (збільшення амплітуди коливань), тобто максимальна

густина води досягається при температурі 4 °С.

Рис. 3.1. Тетраедрична структура води.

Відстані дані в пікометрах.

При порушеннях правильної гексагональної структури води

збільшується число навколишніх сусідів даної молекули. Тому ко-

ординаційне число води в рідкій фазі вище, чим у кристалічної,

і дорівнює 4,4.

Молекули води, знаходячись у вузлах кристалічної решітки або

створюючи упорядковану структуру в рідкій воді, роблять коливання

навколо положення рівноваги з періодом τ

кол

≈ 2·10

–13

с і обертання

(τ

об

≈ 10

–5

с для льоду і 10

–11

с для води). Якщо час спостереження

τ набагато менше часу коливальної дифузії, то виникає миттєва

або МFструктура, за умови τ

кіл

<< τ << τ

вр

— коливальноFусереднена

або КFструктура, при τ >> τ

вр

— дифузійноFусереднена або

ДFструктура (рис. 3.3). Молекули здатні робити і трансляційні переходи,

але в кристалі їхня частота дуже мала, а в рідкому стані вже значна, тому

ДFструктура рідкої води розмита.

Навколо розчинених у воді макромолекул і іонів утворюється так зва-

на сольватна, або гідратна оболонка. Властивості води, яка утворює цю

оболонку, відрізняються від властивостей звичайної води. Так, середній

час осілого життя молекули збільшується в декілька разів.

У залежності від ступеню розчинності у воді, розрізняють гідрофільні

Рис. 3.2. Модель мерехтливих кластерів для рідкої води.

і гідрофобні сполуки. Для кількісного опису гідрофільності або гідро-

фобності сполуки використовують величину зміни термодинамічного

потенціалу Гіббса ∆G при переносі сполуки з неполярного розчинника

в полярний, наприклад, з етанолу у воду. Чим менша величина ∆G, тим

краща розчинність сполуки. Гідрофільними, як правило, є полярні

сполуки, а гідрофобними — неполярні. Однак є деякі винятки. Напри-

клад, полярна амінокислота аргінін і неполярна аланін мають однакове

значення ∆G (3070 Дж/моль), за рахунок того, що до складу аргініну

входить великий вуглеводневий залишок.

Якісна картина взаємодії розчинених речовин із водою полягає

в наступному. Навколо розчиненої сполуки середній час осіло-

го життя молекул води збільшується, частка молекул, що утворює

упорядковані області зростає в порівнянні з їх долею в решті роз-

чину. У результаті ентропія системи зменшується (∆S < 0). Утво-

рення більшого числа водневих зв’язків знижує ентальпію системи

(∆Н < 0), але у випадку розчинення неполярних сполук у воді

|∆H |<|T∆S |, тобто

∆G = ∆H – T∆S > 0,

що і визначає енергетичну невигідність цього процесу.

Неполярні сполуки виштовхуються з водяного оточення й асо-

ціюються одна з одною (рис. 3.4). Такі взаємодії називаються гідрофоб-

ними. З вищесказаного випливає, що ці взаємодії виникають не в силу

якихось специфічних сил притягання між неполярними сполуками, а

цілком визначаються властивостями води.

§ 16. Структура і властивості біополімерів

аб в

Рис. 3.3. Структура води: а) миттєва; б) коливально[усереднена; в)

дифузійно[усереднена.

Структура макромолекул має кілька рівнів організації. Первинною

структурою називають послідовність мономерів, що утворюють полі-

мерний ланцюг, у білках це — послідовність амінокислот, у нуклеїнових

кислотах — нуклеотидів. Первинна структура стабілізована ковален-

тними зв’язками, у той час як всі інші рівні організації — в основному

слабкими взаємодіями (водневими, гідрофобними, електростатичними

й ін.). Під вторинною структурою розуміють регулярне розташування

в просторі елементів ланцюга, наприклад, вторинна структура нуклеї-

нових кислот являє собою спіраль. Третинною структурою називають

взаємне розташування в просторі регулярних і нерегулярних елементів

ланцюга, хоча насправді різниця між вторинною і третинною структурою

є умовною. Деякі макромолекули складаються із кількох ланцюгів, на-

зиваних субодиницями. Взаємне розташування субодиниць називається

четвертинною структурою біополімеру.

Для полімерів, синтезованих у живому організмі характерна влас-

тивість хіральності. Більшість складних органічних молекул асимет-

ричні, тобто не мають ні площини, ні центру симетрії. Такі молекули

існують у двох формах — правої і лівої, і є дзеркальним відбитком одна

одної. Термін “хіральність” походить від давньогрецького слова “хейр”

— рука, тому що наші долоні також є дзеркальноFсиметричними. Ліву і

праву форми однієї молекули, що звичайно називають стереоізомера-

ми, не можна сполучити одну з одною ніяким поворотом системи як

цілого в просторі (так, наприклад, праву рукавичку не можна надягти

на ліву руку).

У природі звичайно приходиться зустрічатися з асиметричним ато-

мом вуглецю (у хімічних формулах він позначається зірочкою). Такий

атом зв’язаний із чотирма різними групами (С*XYZV). Якщо хоча б дві

групи з чотирьох є однаковими, то така молекула має площину симетрії,

тобто не є хіральною. Так у молекулі СХ

YZ такою площиною є площина

СYZ. Хіральними є всі амінокислоти (крім гліцину), вуглеводи, нуклеї-

Рис. 3.4. Схематичне зображення виникнення гідрофобних взаємодій.

1, 2 – молекули з неполярними ділянками 3; 4 – упорядкована ділянка води.

нові кислоти. Однак азотисті основи такою властивістю не володіють,

тому хіральність нуклеїнових кислот визначається вуглеводною ком-

понентою.

Фізичною стороною хіральності є здатність розчину одного стере-

оізомера обертати площину поляризації плоскополяризованого світ-

ла. Одні стереоізомери обертають площину поляризації вліво (проти

годинникової стрілки), вони називаються лівообертовими і перед

ними ставлять знак “–“, інші обертають площину поляризації вправо

і називаються правообертовими “+“. Розчин, що складається з одного

стереоізомера хіральної сполуки, є оптично активним, тобто здатним

обертати площину поляризації. Суміш двох стереоізомерів оптичною

активністю не володіє.

Звичайно стереоізомери розрізняють не за напрямком обертання

площини поляризації, а, порівнюючи з деяким еталоном, яким є глі-

церальдегід (рис. 3.5).

У лабораторних умовах неможливо одержати речовину, що скла-

дається з одного стереоізомера. Отриманий розчин буде містити 50%

лівого ізомера і 50% правого, тобто буде рацемічною сумішшю. Таке

співвідношення відповідає максимальній ентропії. Стереоізомери

мають однакову хімічну активність, однак у живій природі хіральні

сполуки існують звичайно в якійсь одній формі. Організм розрізняє

LF і DFізомери при поглинанні ззовні (так деякі сполуки є отруйними

в одній конфігурації і нешкідливими в іншій; фармпрепарат фенамін

у LFформі надає у 25 разів більший вплив на рухову активність мишей,

ніж у DFформі) і синтезує сполуки в одній стереоконфігурації. У клітині

амінокислоти присутні в LFформі, а вуглеводи в DFформі.

Навколо одинарних атомних зв’язків у молекулі можливе обертання.

За допомогою фізичних методів дослідження (зокрема, спектроскопії і

ЯМР) було встановлено, що не всі значення кутів повороту рівноімовір-

ні. Так у молекулі етану найбільше ймовірні значення кутів повороту

однієї групи СН

щодо другої, кратні 120°. У цьому випадку молекула

знаходиться в трансFконформації (рис. 3.6,а). Кути, що відповідають

цисFконформації (60°, 180° і 300°, рис. 3.6,б), найменш імовірні. Залеж-

ність енергії етану та інших молекул, що мають осьову симетрію С

приблизно визначається в такий спосіб:

Рис. 3.5. Різні конфігурації гліцеральдегіду й аланіну: а) D[гліцеральдегід;

б) L[гліцеральдегід; в) D[аланін; г) L[аланін.

а б в г

U = 1/2U

(1 – cos 3ϕ), (3.4)

де U

— висота потенційного бар’єра між двома трансFконформаці ями

(для етану U

= 12,5 кДж/моль). Графічно залежність U(ϕ) приведена на

рисунку 3.7.

Причини, по яких трансFконформація є більш вигідною, ніж цисF,

мають квантовомеханічну природу і полягають в відштовхуванні близько

розташованих валентно не зв’язаних атомів (у даному випадку атомів

водню однієї групи СН

від атомів

водню другої групи СН

), а також

у взаємодіях зв’язків, що примика-

ють до осі обертання (так званий

ефект орієнтації зв’язків).

Енергія взаємодії залежить

від відстані r між атомами і ви-

значається співвідношенням сил

відштовхування і притягання.

Як випливає з (3.1), (3.2) і (3.3),

енергія притягання, обумовлена

орієнтаційними, індукційними

і дисперсійними взаємодіями,

обернено пропорційна r

. На близьких відстанях стає значною енер-

гія відштовхування, обернено пропорційна r

. Тому повну енергію

ванFдерFваальсових взаємодій можна представити у вигляді:

де U(r) — потенціал “6–12” ЛеннардFДжонса; А і В — константи, певні

для зв’язків між різними атомами. На рисун ку 3.8 приведений вигляд

відповідної кривої.

Продиференціювавши вираз U(r), можна одержати значення відстані

, на якій енергія взаємодії мінімальна, тобто система знаходиться в

рівновазі

= (2А/В)

1/6

тоді мінімальна енергія складає

Для молекул, що не мають

коаксіальну симетрію, залеж-

ність внутрішньої енергії від кута

повороту навколо одинарного

зв’язку приймає більш складний

аб

Рис. 3.6. Молекули етану в транс[ (а) і цис[

(б) конформації (проекції надані на площину,

яка перпендикулярна

С–С[зв’язку).

Рис. 3.7. Залежність потенційної енергії U

від кута повороту

ϕ для етану.

характер, ніж у рівнянні (3.4).

Наприклад, внутрішня енергія для нFбутану (рис. 3.9) в залежності

від кута повороту навколо зв’язку між двома групами С

, також як і для

етану, має три мінімуми (рис. 3.10). Однак ці мінімуми мають неоднакову

глибину. Це пояснюється тим,

що для молекули етану всі три

можливі трансFконформації

однакові, у той час як для бутану

вони відрізняються. На рисун-

ку 3.10 схематично подані три

найбільш вигідні конформа-

ції нFбутану. Найбільш глибо-

кий мінімум енергії відповідає

трансFконформації, а два інших

— так званим згорнутим або

гошFконформаціям.

Вигідні конформації, що ви-

никають при поворотах навколо одинарних зв’язків називають поворотни-

ми ізомерами. Молекула буде переходити з однієї вигідної конформації в

іншу зі швидкістю, що ви значається висотою потенційного бар’єра, який

відокремлює ці конформації. Так, при висоті потенційного бар’єра біля

12,5 кДж/моль, час перетворення одного поворотного ізомера в інший

складає 10

–10

с. Тому суміш поворотних ізомерів не можна розділити.

Макромолекули володіють кількома видами ізомерії. Різні ізомери

тієї самої сполуки, перехід між якими можливий тільки за умови розриву

й утворення нових ковалентних зв’язків, назива-

ються конфігураціями цієї сполуки. Прикладом

конфігурацій служать LF і DFізомери. Якщо ж

перехід з одного ізомера в інший здійснюється за

рахунок повороту навколо одинарних ковалент-

них зв’язків без їхнього розриву, то такі ізомери

називаються конформаціями.

§ 17. Структура білків

У складі природних білків зустрічаються 20 аміно-

кислот. Всі вони є похідними карбонових кислот, у

яких до атому ву глецю, що знаходиться в

Fположенні

(рис. 3.11), приєднана аміногрупа (–NH

Як видно з загальної формули (рис. 3.11), амінокислоти відрізняються

одна від одної радикалом R, що може містити аліфатичні, ароматичні,

гідроксильні, карбоксильні групи і включати атоми азоту, водню, кис-

Рис. 3.8. Залежність потенційної енергії взає-

модії від міжмолекулярної відстані.

Рис. 3.9. нFбутан.

ню, водню і сірки. Формування

білкового ланцюга з кількох

амінокислот відбувається шля-

хом утворення ковалентного

пептидного зв’язку (рис. 3.12).

Ланцюг із кількох амінокислот

називається поліпептидом. Пев-

на послідовність амінокислот у

ланцюзі складає первинну струк-

туру білка.

При утворенні пептидного

зв’язку зв’язок N–C набуває

частково подвійний характер

(його довжина складає 0,132

нм, що менше довжини одинар-

ного зв’язку і більше довжини

подвійного зв’язку), а зв’язок

С=О — частково одинарний

(при цьому його довжина збіль-

шується від 0,121 нм до 0,124

нм). Внаслідок спряження зв’язків N–C і С=О обертання навколо

N–CFзв’язку неможливо і всі чотири атоми, що беруть участь в утворен-

ні пептидного зв’язку, лежать в одній площині.

Існування безлічі конформацій макромолекул

забезпечується можливістю обертання навко-

ло зв’язків С–С

(на кут ψ) і C

–N (на кут ϕ)

(рис. 3.13).

Не всі значення кутів

припус-

тимі внаслідок можливої стеричної невід-

повідності двох сусідніх амі нокислотних залиш ків. Індійський

уче ний Г. Рамачандран розрахував припустимі значення кутів

(кути відрахову ються від плоскої трансFконформації поліпептидного

ланцюга) і побудував стеричні карти, на яких по осі абсцис відкла даються

значення ку тів

від 0° до 360°, а по осі ординат — значен ня кутів

. На

карті відзначаються цілком дозволені (при звичайних міжатомних від-

станях) і частково дозволені (при мінімальних міжатомних відстанях)

області значень цих кутів (рис. 3.14).

Молекули білків прагнуть знаходитися в стані з мінімальною внут-

рішньою енергією. Це досягається за рахунок стабілізації хімічних груп

у просторі водневими зв’язками. У такий спосіб утворюється деяка

упорядкована система, що називається вторинною структурою білка.

Рис. 3.10. Залежність внутрішньої енергії (U)

від кута повороту (ϕ) для н[бутану і його кон-

формацій, що відповідають мінімуму потенцій-

ної енергії (суцільними лініями позначені зв’язки

найближчої групи С

, штриховими – далекої

групи, чорними кружками позначені групи СН

проекції дані на площину, перпендикулярну

центральному С–С[ зв’язку).

Рис. 3.11. α[Амінокислота.

Як установили Полінг і Корі, поліпептидні ланцюги можуть утворювати

спіральні і складчасті структури.

αFспіралі бувають лівозакрученими (

= 228°,

= 237°) і правозакруче-

ними (

= 132°,

= 123°). Водневі зв’язки, що стабілізують таку структуру,

утворюються між групою С=О i[ї амінокислоти і групою NFH (i+4)Fї

амінокислоти (рис.

3.15). Кожний мономер

повертається навко-

ло осі спіралі на 100° і

переміщається уздовж

осі на 0,15 нм. Таким

чином, на кожний ви-

ток спіралі приходиться

3,6 пептидних одиниці,

а довжина витка складає

0,54 нм. Існують спі-

ральні структури з па-

раметрами, від мінними

від наведених вище,

наприклад, колагенова

спіраль. Деякі спіралі

закручуються одна

навколо іншої, ство-

рюючи суперспіральні

структури, наприклад,

у білках тропоміозин і

Рис. 3.12. Утворення пептидного зв’язку (позначено пунктиром).

Рис. 3.13. Розташування пептидних груп білкової молекули.

Рис. 3.14. Стерична карта для полі[L[аланіну.

Суцільні лінії позначають межі цілком дозволених

областей, пунктирні – частково дозволених. На карті

вказані області значень кутів ϕ і ψ для паралельної (β

) і

антипаралельної (β

) β[форм, спіралі білка колагену (К),

правої (α

) і лівої (α

) α[спіралей.