Сила нековалентных связей — в их слабости! Это — не преувеличение. Будучи в десятки раз менее прочными, чем обычная ковалентная связь, слабые взаимодействия очень чувствительны к физическим и физико-химическим параметрам среды. А это качество играет исключительно важную роль в живых системах с их способностью (и «обязанностью») реагировать на изменения внешних условий.
Еще одно важное качество слабых типов связей — ограниченная степень их избирательности. Ковалентные связи, как известно, возникают между строго определенными химическими группировками (та же пептидная связь или дисульфидная). В противоположность этому, слабые связи соединяют почти любые химические структуры — лишь бы они обладали определенным физико-химическим свойством. Например, гидрофобностью. Или зарядами противоположного знака. Иными словами, нековалентные связи - это, в сущности, не химические соединения атомов, а некие физикохимические взаимодействия, возникающие на основе взаимного влечения (притяжения) в чем-то родственных структур. Эта невзыскательность влечет за собой высокую чувствительность слабых типов связей к появлению в среде «посторонних» веществ, способных к образованию таких же связей.
Водородная связь может быть определена как связь, осуществляемая атомом водорода между двумя электроотрицательными атомами, с одним из которых этот водород соединен обычной ковалентной связью. Как уже отмечалось (раздел 1.2.1), в белках такими атомами являются главным образом О и N. Поэтому водородная связь в белковых молекулах чаще всего возникает между пептидными группами (рис. 1-15).
Хотя водородная связь в 10-20 раз слабее обычной ковалентной связи, многократное ее повторение между двумя полипептидами довольно прочно удерживает их вместе. Точно так же водородные связи могут прочно соединять расположенные рядом участки одной и той же полипептидной цепи, соответственно изогнутой в пространстве.
В образовании водородных связей могут участвовать и радикалы И аминокислот, имеющие группу -ОН (серин, треонин, тирозин) или атомы азота (например, гистидин).
Водородные связи очень чувствительны к нагреванию (усиливающему тепловое движение молекул), а также к присутствию веществ, которые сами легко образуют водородные связи, а потому способны «вмешиваться» и ослаблять, разрушать аналогичные связи в белковой молекуле. К числу таких веществ относится, например, мочевина [Н2К-С(0)-КН2] - главный конечный продукт распада аминокислот у человека.
Ионная связь — это взаимное притяжение разноименно заряженных молекул или
Рис. 1-15. Водородная связь (обозначена пунктиром) между кислородом одной пептидной группы и азотом другой, пространственно сближенной.
частей одной большой молекулы, достаточно сближенных в пространстве.
Почти в любой полипептидной цепи многие из аминокислотных радикалов И содержат ионизируемые группы, несущие положительный или отрицательный заряд. В результате изгибов такой цепи некоторые разноименно заряженные группы могут оказаться на дистанции, достаточно короткой для образования ионной связи, которая, возникнув, начинает удерживать цепь в таком изогнутом состоянии. Встречаются в белке и другие варианты электростатических взаимодействий (полярных связей). Они обозначаются как ион-дипольное и диполь-дипольное взаимодействия.
Ионные связи очень чувствительны к солевому фону среды. Катионы (№+, К+ и др.) склонны к экранированию отрицательно заряженных групп в молекуле полипептида, а анионы (например, СГ или НСОз-) стремятся блокировать положительные заряды. В результате ослабляются и разрушаются полярные связи между белковыми фрагментами.
Гидрофобное взаимодействие отличается тем, что возникает между неполярными структурами. Как известно, неспецифическое взаимное притяжение любых молекул называют силами Ван дер Ваапьса. Такое притяжение может возникать и между фрагментами одной крупной молекулы, если они оказываются достаточно сближенными в пространстве. В частности, из-за изгибов полипептидной цепи могут оказаться в достаточной близости аминокислотные радикалы к. расположенные в разных участках «стержня» этой цепи. Если же эти радикалы окажутся еще и неполярными, то окружающая вода будет способствовать их сближению и более тесному взаимодействию. Иными словами — содействовать слиянию таких структур, которое сопровождается вытеснением молекул воды из пространства между неполярными радикалами и, следовательно, уменьшением площади соприкосновения воды с неполярной фазой.
Итак, гидрофобное взаимодействие - это силы Ван дер Ваальса, дополненные выталкивающей силой воды. В водном окружении неполярным структурам не остается ничего иного, как тесно сблизиться друг с другом, закрепив свое единение явственным взаимным при-
Рис. 1-16. Схема гидрофобного взаимодействия (обозначено затенением) с участием радикалов фенилаланина и лейцина.
тяжением. В этом им существенно помогает окружающая вода, «выдавливающая» из себя чуждые ей гидрофобные структуры.
В полипептидной цепн обычно имеется довольно много неполярных радикалов аминокислот. Из-за их гидрофобности становятся энергетически выгодными такие изгибы этой цепи, которые способствовали бы сближению неполярных радикалов, «слиянию» их в гидрофобные конгломераты, внутри которых нет молекул воды. При этом взаимодействие неполярных структур будет особенно эффективным в случаях их стерического (пространственного) соответствия друг другу, - например, при сближении радикалов фенилаланина и лейцина (рис. 1-16).
Гидрофобные взаимодействия, естественно, очень чувствительны к присутствию органических растворителей (н детергентов). В частности, некоторые проявления алкогольного опьянения, возможно, обусловлены нарушениями гидрофобных взаимодействий в белковых структурах под действием этанола.
Длинная полипептидная цепь представляет собой линейную последовательность очень большого числа планарных пептидных фрагментов, которые, как уже отмечалось, соединены между собой шарнирно. Осевая подвижность этих соединений обеспечивает (теоретически) почти неограниченную возможность вариаций пространственного взаиморасположения различных частей молекулы. Однако в действительности реализуется небольшое число типовых вариаций, часть из которых сочетается в одной и той же белковой молекуле. Чтобы прояснить иерархию таких вариаций, было введено понятие о четырех уровнях пространственной организации белковой молекулы. Их обозначают как первичную, вторичную, третичную н четвертичную структуру белка.
