Vodikova vez je vključena v tvorbo sekundarne strukture. Značilnosti, b-struktura, b-krivina

Pogovorimo se o vlogi šibkih interakcij v bioloških makromolekulah. Čeprav so šibki, njihov vpliv na žive organizme nikakor ni zanemarljiv. Skromen nabor vrst šibkih vezi v biopolimerih določa celotno paleto bioloških procesov, ki na prvi pogled med seboj nikakor niso povezani: prenos dednih informacij, encimska kataliza, zagotavljanje celovitosti telesa, delo naravnih molekularnih strojev. In definicija "šibkega" ne bi smela biti zavajajoča - vloga teh interakcij je ogromna.

Delo je objavljeno v okviru natečaja za poljudnoznanstvene članke na konferenci Biologija - znanost 21. stoletja v letu 2015.

Zakaj je članek tako imenovan? Kajti do relativno nedavnega se je šibkim interakcijam v kemiji (zlasti tudi v biokemiji) posvečalo očitno premalo pozornosti. Raziskovalci so razmišljali približno takole: »Kovalentna vez je močna, zato so lastnosti katere koli snovi določene predvsem z naravo kovalentnih interakcij med atomi. In šibke interakcije - vodikove, ionske, elektrostatične vezi- zato so šibki, ker je njihova vloga pri nastajanju lastnosti snovi sekundarna.” Šele z razvojem takšnih neklasičnih smeri v kemiji, kot sta supramolekularna in koordinacijska kemija, se je pojavilo ustrezno zanimanje za šibke interakcije. Poleg tega se je izkazalo, da imajo šibke interakcije med atomi in molekulami pogosto pomembno vlogo pri delovanju žive celice.

Dejstvo je, da poleg vidne slabosti, ki izhaja iz same definicije "šibkega" (vodikova vez je npr. 15–20-krat manj močna od "močne" kovalentne vezi), interakcije, ki nas zanimajo, tudi imajo prednost - veliko lažje nastanejo in počijo. Tvorba ali prekinitev kovalentnih vezi zahteva kemično reakcijo, ki zahteva energijo, traja impresivno časovno obdobje, zahteva katalizo in tako naprej. In za nastanek šibkih interakcij zadostuje sprememba konformacije molekule*. In če omenjeno živo celico obravnavamo kot kompleksen molekularni stroj, potem se šibke interakcije izkažejo za najbolj občutljiv nadzorni vzvod v njej, ki se občutljivo in, kar je najpomembneje, hitro odziva na kakršne koli spremembe v zunanjem okolju.

* - Nepozornost na tovrstne interakcije drago stane biologe, farmacevte in celo bolnike - pogosto se prav na področju konformacijske dinamike biomolekul skriva ključ do selektivnosti zdravil in zahrbtnih evolucijskih načrtov za razvoj odpornosti: “ » . - Ed.

Povezani z eno verigo

Slika 1. Predpostavke o strukturi beljakovin v dvajsetih in tridesetih letih dvajsetega stoletja.

Vendar pa še pred nekaj desetletji nihče ni vedel za to vlogo šibkih interakcij v živih sistemih. Emil Fischer je na primer konec 19. stoletja dokazal, da so beljakovine linearni poliamid ki sestoji iz α-aminokislinskih ostankov. Danes je ta ideja postala aksiom. Dandanes se malokdo spomni, da so v prvi četrtini dvajsetega stoletja najuglednejši znanstveniki dvomili o Fischerjevi pravilnosti in izrazili številne svoje domneve o strukturi proteina - precej izvirne, čeprav trenutno zgolj zgodovinskega pomena (slika 1) . Potek njihovega razmišljanja je bil približno takšen. Če je beljakovina po Fischerju linearen polimer, potem bi morala biti nitasta molekula, ki se zloži v naključno kroglo. Kako taka molekula opravlja biološke funkcije? Dodati je treba, da so se takrat že pojavile ideje o globularnih proteinih. Na prvi pogled je bila kompaktna kroglasta oblika proteinske molekule v nasprotju z zamislimi nemškega kemika.

V luči idej 20-30-ih let prejšnjega stoletja je beljakovinska globula zamrežen polimer, sestavljen iz stabilnih šestčlenskih obročev, povezanih seveda z močnimi kovalentnimi vezmi. Po zamislih ruskega kemika (in ustvarjalca plinske maske za premog) N.D. Zelinsky, na primer, je protein sestavljen iz diketopiperazinskih obročev, ki so notranji amidi aminokislin. Številni drugi kemiki so proteinsko globulo predstavljali kot kondenziran poliaromatski sistem, vključno z dušikovimi heterocikli, prisotnost aminokislin v proteinskih hidrolizatih pa je po njihovem mnenju artefakt, ki je posledica odpiranja heterociklov med hidrolizo.

Šele od štiridesetih let dvajsetega stoletja se je s prizadevanji tako izjemnih znanstvenikov, kot so Linus Pauling, Rosalind Franklin, James Watson, Francis Crick in Maurice Wilkins, pokazala možnost oblikovanja stabilnih struktur biopolimerov zaradi šibkih interakcij. J. Watson, F. Crick in M. Wilkins so leta 1962 prejeli Nobelovo nagrado za fiziologijo ali medicino za »odkritja na področju molekularne strukture nukleinskih kislin in njihovega pomena za prenos genetskih informacij«. R. Franklin na žalost ni dočakal zaslužene nagrade (toda L. Polling je dvakrat postal Nobelov nagrajenec). V tistih letih je postalo jasno, da če bi bila beljakovinska globula zamrežen policikel, bi bila seveda zelo stabilna, vendar ne bi mogla opravljati bioloških funkcij, saj se ne bi mogla odzivati ​​na zunanje vplivi. To bi bila "mrtva" molekula.

Na tej točki morate biti pozorni na zanimivo dejstvo. Kljub dejstvu, da teorija Zelinskega ni bila potrjena, je služila kot spodbuda za nastanek kemije diketopiperazinov - smer, ki je privedla do ustvarjanja številnih zdravil. Sekundarne presnovke diketopiperazinske narave, tudi tiste z zdravilnim delovanjem, so našli tudi v živi naravi, vendar ne kot del beljakovin. Tako je prvotno napačna hipoteza prinesla uporaben praktični rezultat – pojav, ki se v znanosti pogosto pojavlja.

Bond. Vodikova vez

Slika 2. Vodikove vezi v proteinih.

Ena najpogostejših vrst šibkih interakcij je vodikove vezi, ki nastanejo v prisotnosti polarnih skupin v molekulah - hidroksili, amino skupine, karbonili itd. V makromolekulah biopolimerov so polarne skupine praviloma široko zastopane (mogoče z izjemo naravnega kavčuka). Posebnost vodikove vezi je v tem njegova moč ni odvisna samo od razdalje med skupinami, ampak tudi od njihove prostorske razporeditve(slika 2). Najmočnejša vez nastane, ko se vsi trije atomi, ki sodelujejo pri njenem nastanku, nahajajo na isti ravni črti, dolgi približno 3 Å. Odstopanje 20–30 ° se šteje za kritično: nadaljnje povečanje kota vodi do katastrofalnega zmanjšanja moči do popolnega izginotja vezi. In to je energetsko neugodno. Zato vodikove vezi služijo kot stabilizatorji biopolimernih struktur in jim dajejo togost. Na primer, odkril L. Pauling α-vijačnica- ena od vrst sekundarne strukture beljakovin - stabilizirana z vodikovimi vezmi, ki nastanejo med vodikovimi atomi dušika in karbonilnimi skupinami peptidnih vezi na sosednjih obratih vijačnice. Leta 1954 je Pauling prejel svojo prvo Nobelovo nagrado – za kemijo – za svojo študijo narave kemijske vezi in njeno uporabo pri razlagi strukture kompleksnih molekul. Drugo (prav tako »edino«) nagrado za mir je prejel leta 1962, a za povsem drugo dejavnost.

Slava dvojni vijačnici

Elegantna dvojna vijačnica DNK, prikazana na sliki 3, je takoj prepoznavna. Danes morda nobena hollywoodska produkcija ne more brez podobe te molekule, ki ji naravoslovno nepismeni filmski producenti pripisujejo resnično mističen pomen. Pravzaprav je naravna DNK sestavljena iz dveh zrcalnih (komplementarnih) makromolekul, povezanih z vodikovimi vezmi kot zadrga. Nukleotidi, ki sestavljajo makromolekule, vsebujejo štiri dušikove baze, od katerih sta dve derivati purina(adenin in gvanin), ostala dva pa sta derivata pirimidin(timin in citozin). Posebnost teh snovi je sposobnost selektivnega tvorjenja vodikovih vezi med seboj. Adenin zlahka tvori dvojno vodikovo vez s timinom ali uracilom, vendar je kompleks s citozinom veliko manj stabilen. Gvanin pa se nagiba k tvorbi trojne vezi s citozinom. Z drugimi besedami, baze se "prepoznajo". Poleg tega je ta afiniteta tako velika, da kompleksa adenin-timin (A-T) in gvanin-citozin (G-C) kristalizirata kot neodvisni snovi.

Slika 3. gor: Vodikove vezi med dušikovimi bazami, ki stabilizirajo strukturo DNA. Dol: model enega obrata DNK v B-obliki, ustvarjen na podlagi podatkov rentgenske difrakcije. Barva atomov: kisik - rdeča, ogljik - siva, vodik - bela, dušik - modra, fosfor - rumena. Slika iz www.visual-science.com.

Seveda se enako obnašajo kot del polinukleotidov. Vodikove vezi med pari A–T in G–C povezujejo obe verigi DNK skupaj in tvorijo znamenito dvojno vijačnico. Ta ista bazna afiniteta omogoča konstrukcijo komplementarne polinukleotidne verige na obstoječi predlogi. Nukleinske kisline so edine znanosti znane molekule, ki se lahko razmnožujejo (podvajajo). Ta lastnost jim je omogočila, da so postali nosilci dednih informacij.

Očitno je, da je trojna vodikova vez v paru G–C močnejša od dvojne v A–T. Očitno je to, tako kot fizikalno-kemijska afiniteta med primarnimi aminokislinami in nekaterimi nukleotidi, igralo pomembno vlogo pri nastanku genetski kod. DNK, bogata z G–C pari, se termično denaturira (v strokovnem jeziku molekularnih biologov se »stopi«, čeprav se denaturacija DNK ne nanaša na proces taljenja v ožjem pomenu besede) pri višji temperaturi. Na primer, DNK termofilnih bakterij denaturira pri temperaturah, ki se približujejo 100 °C, umetna DNK, ki jo sestavljajo samo pari A–T, pa se denaturira pri samo 65 °C. "Taljenje" DNK se posredno kaže skozi hiperkromni učinek- povečana absorpcija ultravijolične svetlobe z valovno dolžino 280 nm s strani dušikovih baz, ki so v naravni molekuli DNA zapakirane znotraj vijačnice in slabo absorbirajo.

Izkazalo se je, da je temelj življenja - dednost - tvorba vodikovih vezi. Toda dednost je le eden od mnogih primerov. Vsa molekularna biologija temelji na medmolekularno prepoznavanje, in po drugi strani temelji na šibkih interakcijah. To so vsi genetski encimi, ribosomi, tRNA, interferenca RNA itd. To je imuniteta. To so številne različice interakcij med receptorjem in ligandom. Konec koncev – življenje samo!

Seveda je narava, ki je ustvarila popoln mehanizem za prenos dednih informacij, poskrbela tudi za to, kako se bo ta razgradil. Mimetiki pirimidinske baze 5-halogenuracili (5-fluorouracil, 5-bromuracil itd.) Spadajo v razred supermutagenov - v njihovi prisotnosti se pogostnost genskih mutacij poveča za več vrst velikosti. Verjetno je ta lastnost 5-halogenuracilov povezana z njihovim obstojem v dveh tavtomernih oblikah: v normalni keto obliki tvorijo dvojno vodikovo vez z adeninom, ki se »predstavlja« kot timin, v redki enolni obliki pa postanejo analogi citozina in tvorijo trojno vez z gvaninom (slika .4). Ta "dvojnost" 5-halogenuracilov vodi do kršitve strogosti replikacije in možne konsolidacije mutacije, če se jim uspe integrirati v nukleotid.

Slika 4. Mehanizem mutagenega učinka 5-halogenouracilov (na primeru 5-bromouracila).

Moč imena van der Waals

Slika 5. Značilni parametri van der Waalsovih interakcijskih potencialov.

Vodikove vezi seveda niso edina vrsta šibkih interakcij. van der Waals interakcije nimajo nič manjše vloge v živi naravi.

Uganka "kača" ali zgodba o torzijskih kotih

Biopolimerne molekule imajo pogosto zelo visoko molekulsko maso - do več sto tisoč in celo milijonov daltonov. Tako masivne molekule vsebujejo nešteto atomskih skupin in so teoretično sposobne prevzeti astronomsko število konformacij. V praksi vsak biopolimer pod standardnimi pogoji teži k temu, da sprejme naravno konformacijo, v kateri obstaja v živem organizmu. Tega paradoksa ni enostavno razložiti takoj. Kaj pravzaprav preprečuje, da bi prožna molekula nenehno spreminjala svojo geometrijo med neprekinjenim toplotnim gibanjem?

Odgovor je v tem, da se sprememba konformacije polipeptidne molekule vedno začne s spremembo kotov med atomskimi skupinami glavne verige polipeptida (v žargonu imenovane “hrbtenica”), t.i. torzijski koti, ki ga označujeta grški črki Φ (za vezi ogljik-dušik) in Ψ (za vezi ogljik-ogljik). Izkazalo se je, da vseh teoretično predvidenih vrednosti torzijskih kotov ni mogoče uresničiti v resnici.

Slavna indijska znanstvenika Ramachandran in Sasisekharan sta proučevala konformacije proteinskih verig, plod njunega truda pa je bil zemljevid konformacij, ki nosi njuno ime (slika 6). Belo polje na karti so prepovedane kotne vrednosti, oranžno obkroženo in zasenčeno je dovoljeno, a neugodno, rdeče obkroženo in gosto zasenčeno območje pa je nativna konformacija proteina. Vidi se, da je skoraj celoten zemljevid pobarvan belo. Tako je nativna konformacija proteina v pogojih živega organizma energijsko najugodnejša in jo protein spontano prevzame. Če bi biopolimeri imeli večjo konformacijsko svobodo, bi postalo dobro delujoče delovanje živega molekularnega stroja nemogoče.

Slika 6. Odvisnost prostorske zgradbe polipeptidov od torzijskih kotov. levo: Ramachandran-Sasisekharanova karta za prepovedane (belo polje) in dovoljene (zasenčeno polje) konformacije velikih aminokislinskih ostankov pri vrtenju vzdolž torzijskih kotov Φ in Ψ v proteinski verigi. (Prav ti koti določajo celotno konformacijsko raznolikost linearnih polipeptidnih verig.) Vrednosti kotov Φ in Ψ od –180° do +180° so narisane vzdolž abscisne in ordinatne osi. V rdeče obkroženem območju so vse konformacije stranskih skupin dovoljene pod kotom χ 1 za α-vijačnice in β-listove; v oranžno obkroženem območju so nekateri koti χ 1 prepovedani. (Koti χ določajo dovoljene položaje za stranske substituente aminokislinskih ostankov v proteinu, ne da bi vplivali na prostorsko vrsto zvijanja kot celote.) desno: Oznake torzijskih kotov Φ in Ψ v polipeptidni molekuli. Prav oni omogočajo beljakovinskim verigam, da kot "kača" uganka sprejmejo ogromno različnih opazovanih vrst zvijanja beljakovinskih molekul.

Sodobna računalniška biofizika stremi k izgradnji realističnega modela biopolimerov, da bi bilo le na podlagi zaporedja molekule (njene primarne strukture) možno napovedati prostorsko strukturo, saj v naravi opažamo, da se dogaja prav to: imenujemo proces spontanega zvijanja proteina v »nativno« konformacijo zlaganje(iz angleščine zložiti- zložiti, zložiti). Razumevanje fizike tega procesa pa je še daleč od idealnega in sodobni računalniški algoritmi, čeprav dajejo spodbudne rezultate, še vedno daleč od končne zmage v konkurenci.

Strah pred vodo in kaj ima s tem zgradba biomolekul?

Večino biopolimerov v naravi najdemo v vodnem okolju. Voda pa je močno povezana tekočina, »premrežena« s tridimenzionalno mrežo vodikovih vezi (slika 7). To pojasnjuje nenormalno visoko vrelišče vode: celo tekoča voda je podobna kristalni mreži. Ta struktura H2O je povezana tudi s selektivno topnostjo različnih snovi v njej. Spojine, ki lahko tvorijo vodikove vezi zaradi prisotnosti polarnih skupin (saharoza, etilni alkohol, amoniak), se zlahka vključijo v "kristalno mrežo" vode in so popolnoma topne. Snovi brez polarnih skupin (benzen, ogljikov tetraklorid, elementarno žveplo) ne morejo "prebiti" mreže vodikovih vezi in se mešati z vodo. V skladu s tem se prva skupina snovi imenuje "hidrofilna" (vodoljubna), druga skupina pa "hidrofobna" (vodoodbojna).

Slika 7. Hidrofobne vezi v proteinu. Zgoraj levo: navaden led. Črtkana črta - H-vezi. V odprti strukturi ledu so vidne majhne votline, obdane z molekulami H2O. Zgoraj desno: diagram nepravilnega pakiranja z vodikovo vezjo molekul H2O okoli nepolarne molekule. Dol: vodi dostopna površina proteinske molekule, ki je vgrajena v vodo. Zelene pike prikazujejo središča atomov, ki mejijo na vodo; zelena črta so njihove van der Waalsove školjke. Molekula vode je predstavljena z modro kroglico (polmer 1,4 Å). Vodi dostopna površina (rdeča črta) nastane v središču te krogle, ko se kotali okoli potopljene molekule in se dotika van der Waalsovih površin njenih zunanjih atomov.

Stik vode s hidrofobno površino je energijsko izjemno neugoden. Voda teži k ohranjanju vodikovih vezi, vendar se na vmesniku ne more oblikovati pravilna tridimenzionalna mreža (slika 7). Posledično se tukaj spremeni struktura vode: postane bolj urejena, molekule izgubijo mobilnost, tj. pravzaprav voda zmrzne pri temperaturah nad 0°C! Seveda si voda prizadeva zmanjšati neugodne interakcije na minimum. To na primer pojasnjuje, zakaj se majhne kapljice olja na površini vode ponavadi združijo v eno veliko kapljico: pravzaprav jih potisne skupaj sam vodni medij in s tem poskuša zmanjšati kontaktno površino.

Beljakovine in nukleinske kisline vsebujejo hidrofilne in hidrofobne dele. Zato se beljakovinska molekula, ko je v vodnem okolju, zvije v globulo tako, da se na njeni površini pojavijo hidrofilni aminokislinski ostanki (glutamin, glutaminska kislina, asparagin, asparaginska kislina, serin), ki pridejo v stik z vodo in hidrofobne (fenilalanin, triptofan, valin, levcin, izolevcin) - znotraj globule in v medsebojnem stiku, t.j. med seboj tvorijo hidrofobne stike*. To pomeni, da je proces zvijanja proteina v terciarno strukturo podoben procesu združevanja oljnih kapljic, narava terciarne strukture vsakega proteina pa je določena z relativno razporeditvijo aminokislinskih ostankov. Od tod pravilo - vse nadaljnje (sekundarne, terciarne in celo kvartarne) strukture proteina določa njegova primarna struktura.

* - To povsem velja samo za majhne in vodotopne beljakovine, bolj kompleksne pa so lahko beljakovine, vgrajene v biomembrano ali velike proteinske komplekse. Membranski proteini so na primer organizirani skoraj ravno nasprotno, ker niso v stiku s polarnim topilom, temveč s hidrofobnim okoljem lipidnega dvosloja: “ » . - Ed.

Kot že omenjeno, dvojna vijačnica DNA nastane zaradi vodikovih vezi med bazami. Vendar so znotraj vsake verige sosednje dušikove baze zložene s hidrofobnimi stiki (v tem primeru imenovane "interakcije zlaganja"). Hidrofilno sladkorno-fosfatno ogrodje molekule DNK pa medsebojno deluje z vodo.

Z drugimi besedami, izvorno strukturo večine biopolimerov (z izjemo, na primer, beljakovin, potopljenih v lipidne membrane celic) tvori vodno okolje - naravno okolje v katerem koli živem organizmu. To je povezano s takojšnjo denaturacijo biopolimerov ob stiku z organskimi topili.

Zahvaljujoč hidrofilni površini so naravne molekule biopolimera prekrite z voluminozno hidratacijsko lupino (»hidratni plašč«). Kako velik in tesno vezan je ta plašč vodnih molekul, dokazuje dejstvo, da so vsi nastali proteinski kristali sestavljeni iz približno 60 % vezane vode. Hkrati je težko opustiti idejo, da je hidratacijski plašč tako sestavni del proteinske molekule kot sama polipeptidna veriga, čeprav je taka ideja v nasprotju z ustaljenimi predstavami o individualnosti kemičnih snovi. In vendar je očitno, da je hidratacijska lupina sposobna določiti lastnosti biopolimera in njegove funkcije, popularne ideje o strukturiranju vode pa so dandanes napolnjene z novim (znanstvenim) pomenom.

Naboj živahnosti

Slika 8. Elektrostatična interakcija med proteinom in vodnim okoljem. Usmerjenost molekul vode (prikazane kot dipoli) okoli proteina in naboj (prikazan kot pozitiven samo zaradi jasnosti).

Seveda površine biopolimernih molekul ne odlikuje le hidrofilnost. Njihova površina praviloma nosi tudi električni naboj. Beljakovine vsebujejo nabite karboksilne in amino skupine, nukleinske kisline vsebujejo fosfatne skupine, polisaharidi vsebujejo karboksilne, sulfatne in boratne skupine. Zato je druga vrsta šibkih interakcij, ki so lastne biopolimerom, ionske vezi - tako notranje, med radikali same molekule, kot zunanje - s kovinskimi ioni ali s sosednjimi makromolekulami (slika 8).

Pristojna koordinacija

Seveda ne moremo omeniti še ene pomembne vrste šibkih interakcij - koordinacijske sklopke. Slika 9 prikazuje umetni kompleks trivalentnega kobalta s sintetičnim ligandom etilendiamintetraocetno kislino (EDTA). Naravni kompleksi biopolimerov imajo seveda bolj zapleteno strukturo, vendar so na splošno zelo podobni predstavljenim. Kompleksi s polivalentnimi kovinami so značilni za beljakovine in polisaharide. Metaloproteini so širok razred biopolimerov. Sem spadajo proteini nosilci kisika, številni encimi in membranski proteini – členi v transportnih verigah elektronov. Metaloproteini imajo izrazito katalitično aktivnost. In čeprav je neposredni katalizator ion prehodne kovine, polipeptidne verige služijo kot močan ojačevalec katalize, poleg tega pa lahko usmerjajo aktivnost kovine, zavirajo njene stranske katalitične lastnosti in s tem povečajo učinkovitost katalize za naročila. velikosti. Na ta način se doseže popolnost presnovnih procesov in možnost njihove nenavadno fine regulacije.

Slika 9. Koordinacijske povezave. A - Struktura oktaedričnega kompleksa, ki ga tvori atom Co 3+ z EDTA. b - Značilna koordinacija osrednjega iona pri različnih razmerjih med njegovim polmerom in polmeri donorjev elektronov, ki ga obkrožajo. Risanje iz .

Sekundarne strukture

Za beljakovine sta značilni dve vrsti sekundarne strukture. O α-vijačnici smo že večkrat razpravljali zgoraj. Tu lahko samo dodamo, da sta možni dve vrsti α-vijačnic - desnosučna (označena s črko R) in levosučna (označena s črko L). V naravi poznamo samo desnosučne vijačnice – te so veliko bolj stabilne (slika 10). Seveda je tvorba α-vijačnice možna le iz enega optičnega izomera aminokislin.

Druga pogosta proteinska struktura je prepognjen β-list. Če se vodikove vezi v α-vijačnici tvorijo med zavoji, potem se v β-listu tvorijo med sosednjimi prameni in tvorijo veliko zloženo dvodimenzionalno strukturo ("list"). Ta struktura je značilna za številne fibrilarne proteine, na primer za fibroin naravne svile. Kljub dejstvu, da ena vodikova vez ni močna, zahvaljujoč ogromnemu številu in pravilnemu menjavanju takih vezi dosežemo zelo močno navzkrižno povezovanje verig. Zaradi tega je svilena nit fenomenalno natezna trdnost – močnejša od jeklene žice enakega premera.

Slika 10. Sekundarne strukture beljakovin. Zgoraj levo: desna α-vijačnica. A - Atomska struktura. R - stranske skupine. Modre črte so vodikove vezi. b - Shematski prikaz enega obrata iste vijačnice α (pogled s konca). Puščica prikazuje vrtenje vijačnice (na ostanek), ko se nam približuje (število ostankov se zmanjša). Zgoraj desno: sekundarna struktura polipeptidne verige (α-helix in β-sheet pramen) in terciarna struktura - polipeptidna veriga urejena v globulo. Spodaj levo: desno (R) in levo (L) spiralo. Pod njimi je odštevanje pozitivnega kota v trigonometriji, puščica "blizu nas" pa se vrti proti takt (ustreza R-spirali). Spodaj desno: list β-strukture ima prepognjeno površino. Stranske skupine (majhni procesi) se nahajajo na gubah in so obrnjene v isto smer kot guba, tj. navzdol in navzgor usmerjene stranske skupine se izmenjujejo vzdolž β-verige. Črpanje iz.

Celoten obseg konformacij

Vlogo šibkih interakcij v biopolimerih dokazujejo spektroskopske raziskovalne metode. Slika 11 prikazuje fragmente IR (infrardeči) in CD (cirkularni dikroizem) spektrov sintetičnega polipeptida polilizina, ki je v treh konformacijah - α-vijačnica, β-list in neurejena tuljava. Presenetljivo je, da spektri sploh ne sovpadajo, kot da bi bili vzeti iz treh različnih snovi. To pomeni, da v tem primeru šibke interakcije določajo lastnosti molekule nič manj kot kovalentne vezi.

Slika 11. Primerjava absorpcijskih spektrov treh konformacij polilizina. levo: značilne oblike CD spektrov (v "daleč" UV) za polilizin v α-vijačnici, β-strukturi in neurejeni tuljavi (r) konformaciji. desno: značilne oblike IR transmisijskih spektrov, izmerjenih v težki vodi (D 2 O) za polilizin v enakih konformacijah. V tem primeru so bile meritve izvedene v območju "amida I", ki odraža vibracije C=O vezi. Črpanje iz.

Dvajset na potenco N

Število konformacij beljakovinskih verig se večkrat poveča zaradi obilice aminokislin, vključenih v njihovo sestavo. Proteogeneških aminokislin je dvajset, odlikuje pa jih raznolikost stranskih radikalov. V glicinu je na primer stranski radikal reduciran na en atom vodika, medtem ko je v triptofanu ogromen in strukturno zapleten ostanek skatola. Radikali so hidrofobni in hidrofilni, kisli in bazični, aromatski, heterociklični in žveplo vsebujoči.

Seveda se lastnosti stranskih radikalov aminokislinskih ostankov odražajo v konformacijskih lastnostih polipeptidne verige. Zlasti vplivajo na vrednosti torzijskih kotov in popravljajo zemljevide Ramachandran. Od njih je odvisen tudi naboj proteinske molekule, njen izoelektrična točka- eden najpomembnejših pokazateljev lastnosti beljakovin (slika 12). Na primer, ostanek asparaginske kisline izgubi negativni naboj le v močno kislem okolju, pri pH 3. Bazični aminokislinski ostanek arginin, nasprotno, izgubi svoj pozitivni naboj pri pH 13, v močno alkalnem okolju. V alkalnem okolju se pri pH 11 nabije fenolni hidroksil tirozina, pri pH 10 pa se enako zgodi s sulfhidrilno skupino cisteina. Zelo zanimiv je histidin, katerega radikal vključuje imidazolni obroč: slednji pridobi pozitiven naboj pri pH 6, tj. pod fiziološkimi pogoji. Z drugimi besedami, v telesu nenehno potekajo medsebojne transformacije nabitih in nenabitih oblik ostankov histidina. Ta lahkotnost prehoda določa katalitično aktivnost histidinskih ostankov: zlasti ta aminokislina je del aktivnih centrov številnih encimov, kot so nukleaze.

Slika 12. Raznolikost struktur in lastnosti stranskih radikalov aminokislin v beljakovinah. Zgoraj levo: stranske verige dvajsetih standardnih aminokislinskih ostankov. Zgoraj desno: stranske skupine, ki (če so vse nepolarne) lahko tvorijo enakomerne hidrofobne površine na α-vijačnicah in na β-strukturnih regijah. Podobne kombinacije polarnih skupin v verigi vodijo do tvorbe hidrofilnih regij na nasprotnih površinah α-vijačnic in β-nitk. Dol: naboj ionizirajočih stranskih skupin, kot tudi N-konec peptidne verige (NH 2 -C α) in njen C-terminal (C α -C’OOH) pri različnih pH. Črpanje iz.

Dvojna trojna vijačnica

Kot že omenjeno, nikomur ni treba predstaviti dvojne vijačnice DNK. Trojna vijačnica kolagena je precej manj prepoznavna, in to nezasluženo, saj je kolagen glavna beljakovina telesa hordatov (in človeka), iz njega so zgrajena vezivna tkiva.

Kolagen ima slabo aminokislinsko sestavo: nima aromatskih aminokislin, je pa obogaten z glicinom in prolinom. Nenavadno je tudi zaporedje aminokislin kolagenskih polipeptidnih verig: aminokisline se izmenjujejo v pravilnem vrstnem redu; vsak tretji ostanek je glicin. Vsaka kolagenska veriga je zvita v posebno levosučno vijačnico (naj vas spomnim, da je α-vijačnica skoraj vedno desnosučna), skupaj pa sta verigi zviti v desnosučno. trojni(»kolagen«) supertuljava(Slika 13).

Slika 13. Model superheliksa kolagena in njegova tvorba. levo: model za zaporedje (glicin–prolin–prolin) n . Vsaka veriga je poudarjena v svoji barvi. Označeni so atomi H, ki povezujejo vodikove vezi NH skupin glicina (modro) in O atomi CO skupin prvega prolina trojčka Gly–Pro–Pro (rdeče). V tem primeru Gly verige "1" vzpostavi povezavo z verigo "2" in Pro - z verigo "3" itd. Ovita okoli drugih dveh, se oblikuje vsaka veriga kolagena desno super spirala. »Super« - ker na manjšem merilu, na merilu konformacij posameznih ostankov, kolagenska veriga že tvori vijačnico tipa poli(Pro)II (ta »mikroheliks« je levo); lahko sledimo v smeri prolinskih obročev.
desno: tvorba kolagena in vivo. 1. korak. Biosinteza verig pro-α 1 in verig pro-α 2 (po 1300 ostankov) v razmerju 2:1. 2. korak. Hidroksilacija nekaterih ostankov Pro in Lys. 3. korak. Dodatek sladkorjev (GLC-GAL) na hidroksilirane ostanke. 4. korak. Tvorba trimera in S-S vezi na njegovih koncih. 5. korak. Nastanek trojne vijačnice v sredini prokolagena. 6. korak. Izločanje prokolagena v zunajcelični prostor. korak 7. Ločitev kroglastih delov. Koraki 8–10. Spontana tvorba fibril iz trojnih supervijačnic, končna modifikacija aminokislinskih ostankov in tvorba kovalentnih prečnih povezav modificiranih ostankov kolagenskih verig. Črpanje iz.

Lastnosti kolagena se tu ne končajo. Nekateri ostanki prolina in lizina v njegovi sestavi so hidroksilirani (3-hidroksiprolin, 4-hidroksiprolin, 5-hidroksilizin) in tvorijo dodatne vodikove vezi, ki stabilizirajo in krepijo proteinsko vlakno. Še večje možnosti za tvorbo vodikovih vezi ustvarja dejstvo, da je več ostankov glikoziliranih na hidroksilnih skupinah, nekateri hidroksili hidroksilizina pa so oksidirani v keto skupino.

Hidroksilacija kolagenskih aminokislinskih ostankov je nemogoča brez askorbinske kisline (vitamin C). Zato se s pomanjkanjem tega vitamina v hrani ljudi in živali, ki niso sposobni samostojne biosinteze askorbinske kisline, razvije resna bolezen - skorbut. Pri skorbutu telo sintetizira nenormalen kolagen, ki mu primanjkuje moči. V skladu s tem postanejo vezivna tkiva zelo krhka - dlesni so uničene, dotik telesa povzroči bolečino in hematom. Uživanje sadja, bogatega z askorbinsko kislino, hitro odpravi simptome skorbuta. Poudariti je treba, da je vzrok teh simptomov odsotnost sistema vodikovih vezi, ki ga tvorijo ostanki hidroksiaminokislin, značilnega za normalen kolagen.

Energijska pokrajina

Zgoraj je bilo že večkrat povedano, da je nativna konformacija biopolimerov energijsko najugodnejša in jo molekula v svojih standardnih pogojih teži k prevzemu. Da bi to preverili, samo poglejte zemljevid energijske pokrajine makromolekule (slika 14). Najgloblja »dolina« na njem ustreza nativni konformaciji (energijski minimum), najvišji »gorski vrhovi« pa seveda pripadajo najbolj neugodnim, obremenjenim strukturam, ki se jim molekula izogiba. Omeniti velja, da je globalni minimum, ki ustreza domači konformaciji, ločen od preostalih depresij s širokim prostorom - "energijska vrzel". Zaradi tega makromolekula težko spontano preide iz svoje naravne konformacije v neko drugo konformacijo, ki je tudi energijsko ugodna. Povedati je treba, da obstajajo izjeme od tega pravila - funkcije številnih biopolimerov so povezane s prehodom iz ene konformacije v drugo, imajo pa tudi drugačno energijsko pokrajino. Toda takšne izjeme samo potrjujejo splošno pravilo.

Slika 14. Samosestavljanje terciarne strukture proteina. levo: eden od možnih načinov sekvenčnega zvijanja beljakovin. Vsa vmesna stanja imajo visoko prosto energijo in se zato med zvijanjem ne kopičijo in jih ni mogoče neposredno opazovati. desno: shematski prikaz energetske pokrajine beljakovinske verige. (Na sliki lahko upodobimo le dve koordinati, ki opisujeta konformacijo proteinske verige, medtem ko je realna konformacija opisana s stotinami koordinat.) Potreben je velik razkorak med globalnim energijskim minimumom in drugimi energijskimi minimumi, da lahko stabilno zvijanje veriga se uniči samo s termodinamičnim prehodom tipa "vse v" - ali nič"; to zagotavlja zanesljivo delovanje proteina - po principu "vse ali nič", kot žarnica.

Vendar spontanega pravilnega zvijanja biopolimera ni vedno opaziti. Na primer, kuhanje umešanih jajc ni nič drugega kot termična denaturacija jajčnega beljaka. Nihče pa še ni opazil, da bi se umešano jajce po ohlajanju preobrazilo nazaj v surovo jajce. Razlog za to je neurejena interakcija polipeptidnih verig med seboj, njihovo prepletanje v eno kroglo. Tovrstno stabilizacijo denaturiranega stanja opazimo tudi v živem tkivu, recimo pod enakim termičnim vplivom. Evolucija je ponudila rešitev za to težavo in ustvarila t.i proteini toplotnega šoka. Ta sredstva so tako imenovana, ker se med toplotnimi opeklinami intenzivno proizvajajo v telesu. Njihova naloga je pomagati denaturiranim makromolekulam, da se vrnejo v njihovo izvorno strukturo. Imenujemo jih tudi proteini toplotnega šoka spremljevalci, tj. "varuške". Zanje je značilna prisotnost prostorne votline, v kateri so nameščeni fragmenti denaturiranih molekul in kjer so ustvarjeni optimalni pogoji za pravilno polaganje verig. Tako je funkcija šaperonov zmanjšana na odpravljanje steričnih ovir za spontano renaturacijo biopolimerov.

Ne samo beljakovine, tudi ogljikove hidrate

Slika 15. Vodikove vezi v polisaharidih. levo: v celulozi sosednji glukozni ostanki se zasukajo za 180°, kar jim omogoči, da tvorijo dve H-vezi. To onemogoča medsebojno premikanje ostankov, molekula celuloze pa je toga, neprožna nit. Takšne niti med seboj tvorijo vodikove vezi, ki tvorijo mikrofibrile, ki sta združeni v fibrile- pasovi z visoko mehansko trdnostjo. desno: različna konfiguracija vezi med monomeri v amilozi vodi do tvorbe vodikovih vezi med glukoznimi ostanki, ki se nahajajo daleč drug od drugega v verigi. Zato amiloza tvori vijačne strukture, v katerih je 6 glukoznih ostankov na obrat, tj. vodikove vezi povezujejo prvi in ​​šesti ostanek, drugi in sedmi, tretji in osmi itd.

Doslej smo pravzaprav govorili le o dveh razredih biopolimerov – proteinih in nukleinskih kislinah. Obstaja pa še tretji veliki razred - polisaharidi, ki smo jih tradicionalno spregledali.

Molekularni biologi so polisaharide vedno obravnavali nekoliko prezirljivo, kot surovo snov. Pravijo, da so nukleinske kisline zanimiv predmet raziskovanja, so nosilke genetske informacije. Zanimive so tudi beljakovine, ki vključujejo skoraj vse encime. In polisaharidi so le rezerva energije, gorivo za živ organizem ali gradbeni material, nič drugega. Seveda je ta pristop napačen in postopoma postaja zastarel. Zdaj vemo, da imajo polisaharidi in njihovi derivati ​​(zlasti proteoglikani) ključno vlogo pri uravnavanju celične aktivnosti. Receptorji celične površine so na primer razvejane molekule polisaharidne narave, vlogo polisaharidov rastlinske celične stene pri uravnavanju življenjske aktivnosti same rastline pa so šele začeli pojasnjevati, čeprav so že pridobljeni zanimivi podatki.

Zanima nas vloga šibkih interakcij, ki je pri polisaharidih morda še močnejša kot pri drugih biopolimerih. Že na prvi pogled je jasno, da vata in krompirjev škrob nista isto, čeprav kemijska struktura celuloza in amiloza(frakcija nerazvejanega škroba) je zelo podobna. Obe substanci sta (1→4)-D-glukana - homopolimera, sestavljena iz ostankov D-glukoze v obliki piranoznih obročev, ki so med seboj povezani z glikozidnimi vezmi na mestih 1 in 4 (slika 15). Razlika je v tem, da je amiloza α-(1→4)-D-glukan (v njej glukozni ostanki niso zasukani drug glede na drugega), celuloza pa β-(1→4)-D-glukan (v vsak ostanek glukoze je zasukan za 180° glede na svoja soseda). Posledično se makromolekule celuloze zravnajo in tvorijo močno mrežo vodikovih vezi tako med seboj kot znotraj posamezne makromolekule. Nastane kup takšnih makromolekul fibril. Znotraj fibril so makromolekule zapakirane tako gosto in urejeno, da tvorijo kristalno strukturo, ki je redka za polimere. Celulozna vlakna so po mehanski trdnosti blizu jekla in so inertna do te mere, da prenesejo delovanje ocetno-dušikovega reagenta (vroča mešanica dušikove in ocetne kisline). Zato celuloza v rastlinah opravlja podporne, mehanske funkcije. Je ogrodje celičnih sten rastlin, pravzaprav njihov skelet. Ima zelo podobno strukturo hitin- dušikov polisaharid celičnih sten gliv in eksoskeleta mnogih nevretenčarjev.

Amiloza je drugače strukturirana. Njegove makromolekule imajo obliko široke spirale, od katere ima vsak zavoj šest glukoznih ostankov. Vsak ostanek je vodikovo vezan na svojega šestega brata. Spirala ima prostorno notranjo votlino, v katero lahko prodrejo kompleksna sredstva (na primer molekule joda, ki tvorijo modri kompleks s škrobom). Zaradi te strukture je amiloza ohlapna in krhka. Za razliko od celuloze se zlahka raztopi v vodi in tvori viskozno pasto in se nič manj zlahka hidrolizira. Zato je v rastlinah amiloza skupaj z razvejano amilopektin igra vlogo rezervnega polisaharida - skladišča glukoze.

Torej vsi podatki, predstavljeni v članku, kažejo na ogromno vlogo, ki jo imajo šibke interakcije v živem organizmu. Članek se ne pretvarja, da je znanstveno nov: najpomembnejše je, da so že znana dejstva v njem obravnavana z nekoliko netrivialnega vidika. Lahko se samo spomnimo, kar je bilo že povedano na začetku - šibke vezi so veliko bolj primerne za vlogo vzvodov za krmiljenje molekularnega stroja kot kovalentne vezi. In dejstvo, da so tako široko zastopane v živih sistemih in opravljajo toliko uporabnih funkcij, samo poudarja genialnost narave. Upam, da bodo informacije, predstavljene v tem članku, zanimive tudi za tiste, ki se ukvarjajo z ustvarjanjem umetnih molekularnih strojev: ne smemo pozabiti, da je svet en sam, živo in neživo naravo urejajo isti zakoni. Ali ne stojimo pri izviru nove znanosti - molekularna bionika Na izvoru genetske kode: sorodne duše Telesna hidrofobija;