Принципы структурной организации белков - Г. Шульц 1982

Взаимодействия, определяющие структуру белка
Электростатические взаимодействия

Большинство ковалентно связанных атомов несет парциальные заряды. Поскольку ковалентные связи между разными типами атомов приводят к асимметричному распределению валентных электронов, большинство атомов молекулы несет парциальные заряды. Парциальные заряды некоторых аминокислотных остатков приведены в табл. 3.3. Поскольку суммарный заряд нейтральной молекулы равен нулю, то она может быть аппроксимирована набором диполей или мультиполей. Эти мультиполи взаимодействуют между собой по закону Кулона, как показано в табл. 3.4. Энергия взаимодействия зависит от диэлектрической проницаемости к окружающей среды. Мы используем здесь величину ε = 4, макроскопическую диэлектрическую проницаемость амидного полимера [50]. Диэлектрическую проницаемость для микроскопических объектов рассчитать трудно, и используемые в расчетах значения є могут варьироваться от 1 до 5 [51].    

Примеры электростатических взаимодействий даны в табл 3.1. Внутренний (ε = 4) солевой мостик между Lys и Asp имеет связывающую энергию около 5 ккал/моль. Две карбонильные группы на контактном расстоянии R_m характеризуются энергией электростатического отталкивания 0,3 ккал/моль.

Таблица 3.3 Парциальные заряды на атомах основной цепи полипептида и трех боковых цепей ^а

По данным Момани и сотр. [52], определивших парциальные заряды атомов остатков природных аминокислот с помощью расчета ППДП/2 (полное пренебрежение дифференциальным перекрыванием), парциальные заряды были также получены из расчетов ab initio молекулярных орбиталей малых молекул [53], а также обработкой результатов рентгeноструктyрного анализа [54].

Таблица 3-4 Электростатические взаимодействия

Электростатические взаимодействия в белках имеют локальный характер. Хотя расчет электростатических взаимодействий есть не что иное как непосредственное применение закона Кулона ко всем парциальным зарядам, он занимает очень много времени из-за большого числа атомов в белке и большого радиуса действия электростатических взаимодействий. Однако расчет можно упростить. Поскольку монополей, т. е. свободных зарядов, в белках нет (солевые мостики — это пары ионов или диполи), все частичные заряды образуют диполи или мультиполи. Взаимодействие между ними уменьшается пропорционально по крайней мере третьей степени расстояния (табл. 3.4). Поэтому реальный радиус влияния электростатических взаимодействий довольно мал и энергетические расчеты можно ограничить взаимодействиями между ближайшими соседями.

Можно возразить, что слабые взаимодействия на больших расстояниях могут складываться, если диполи одинаково ориентированы, как, например, диполи водородных связей в а-спиралях и ß-структурах. Однако в ß-структурах соседние диполи антипараллельны и их поля на больших расстояниях компенсируют друг друга; в а-спиралях диполи располагаются линейно и также взаимно компенсируются, за исключением зарядов на обоих концах. Именно по этой причине антипараллельные спирали более выгодны, чем параллельные. Однако вклад электростатического взаимодействия даже в этом случае мал по сравнению с общей энергией взаимодействия между такими а-спиралями.