Химия и биология белков - Ф. Гауровитц 1953

Соединения белков с другими веществами
Межмолекулярные силы

Белки, соединяясь с веществами небелковой природы, образуют более или менее устойчивые соединения, которые получили название сложных белков или протеидов; иногда их называют также симплексами [1] или синапсами [2]. Некоторые из этих сложных белков, несомненно, существуют как постоянные составные части крови и тканей. К их числу принадлежит, например, гемоглобин, представляющий собой стойкий протеид (см. гл.ХІ). В других случаях мы не можем пока с полной уверенностью ответить на вопрос, пред существуют ли те или иные сложные белки в организме животных или же они образуются в процессе самого выделения.

Некоторые протеиды представляют собой соединения одной белковой молекулы с одной молекулой небелковой природы, другие же на каждую молекулу белка содержат более чем одну небелковую группу. Небелковая часть сложного белка получила название простетической группы. Связи между белком и простетической группой у разных типов сложных белков различны. В фосфопротеидах, например, белковый и небелковый компоненты соединены друг с другом эфирными связями, т. е. истинными ковалентными связями; в других же сложных белках оба компонента удерживаются друг подле друга посредством слабых межмолекулярных сил. Эти силы действуют в основном между ионными группами, полярными неионизированными группами и между неполярными группами.

Связи первого типа образуются между белками и ионами, как органическими, так и неорганическими. Уже сравнительно давно известно, что с некоторыми органическими кислотами, например с пикриновой, трихлоруксусной или сульфосалициловой кислотами, белки образуют прочные нерастворимые соединения. Анализ осадков, полученных при осаждении белков метафосфорной кислотой, показал, что количество метафосфата в осадке эквивалентно числу аминных групп в осажденном белке [3]. Это означает, что отрицательные метафосфатные ионы соединяются с положительно заряженными аммонийными группами белков.

Взаимное притяжение положительно и отрицательно заряженных ионных групп обусловлено хорошо известными электростатическими силами. Если заряды двух групп обозначить соответственно через е₁ и е₂. то сила притяжения между ними составит где D — диэлектрическая постоянная, r — расстояние между положительными и отрицательными зарядами. Электростатические силы, значение которых для образования внутримолекулярных и межмолекулярных «солевых связей» было рассмотрено в гл. VII (см. стр. 136), способны также и в сложных белках связывать оба компонента друг с другом. Из сказанного ясно, что связи, обусловленные электростатическими силами, должны разрушаться теми агентами, которые способны разрядить ионизированные группы. Положительные и отрицательные группы теряют свой заряд при прибавлении сильных оснований или кислот, и те же реагенты способны разрывать солеобразные связи. Интерпретация механизма действия кислот и щелочей в указанных случаях встречает, однако, некоторые затруднения в связи с тем, что кислоты и щелочи, как уже указывалось ранее, обусловливают также и денатурацию белков. Поэтому часто трудно бывает решить, наступает ли расщепление сложного белка кислотами или щелочами в результате денатурации белковой части молекулы или же вследствие разрыва связи между белком и простетической группой. Во многих случаях, вероятно, оба процесса происходят одновременно.

Солевые связи следует рассматривать как строго локализованные связи; взаимное притяжение обоих компонентов сосредоточено в сфере действия двух атомных группировок, несущих положительный и отрицательный заряды. Солевые связи довольно устойчивы к нагреванию. Если допустить, что энергия связи между двумя центрами электрических зарядов составляет 5 000 кал, а расстояние между ними равно 3 Å и если при нагревании это расстояние возрастет от 3 до 4 Å, то энергия связи соответственно уменьшится до 5 000 ∙ (3/4)², т. е. до 2 800 кал. Другими словами, обе заряженные точки будут продолжать притягивать друг друга с силой, равной 56% первоначальной величины, и будут стремиться восстановить свое исходное положение.

Связи второго типа, соединяющие два диполя, могут возникать между группами ОН, SH и NH₂. К связям этого типа должна быть отнесена и водородная связь (см. стр. 136). Связь диполя с диполем также обусловлена электростатическими силами. Если диполи вплотную сближены друг с другом, то сила притяжения между ними будет выражаться величиной того же порядка, что и сила притяжения между ионами противоположного знака. Существенным различием, однако, является то, что сила притяжения, действующая между двумя полюсами, при увеличении расстояния между ними (г) падает пропорционально очень высокой степени r, а именно: пропорционально r⁶ [4]. Примем опять, что энергия связи между диполями равна 5 000 кал и что расстояние между двумя полюсами увеличивается от 3 до 4 Å. В этом случае энергия связи упадет уже до 5 000 ∙ (3/4)⁶ = 900 кал, т. е. сохранится лишь ¹/₆ первоначальной силы притяжения. Связи диполя с диполем оказываются поэтому при повышенных температурах значительно лабильнее, чем солевые связи. Это явствует из того, что точка плавления веществ, молекулы которых соединены друг с другом полярными связями, лежит гораздо ниже. Причина поразительного различия в точках плавления двух изомеров (амида гликолевой кислоты и глицина) уже рассмотрена на стр. 71.

Несмотря на то, что дипольные связи очень чувствительны к нагреванию, их роль в образовании многих соединений весьма велика и в ряде случаев они могут оказываться сильнее, чем солевые связи. Это связано с тем обстоятельством, что часто на небольшом участке молекулы располагается большое число полярных групп, в результате чего молекулярные поверхности такого рода притягиваются друг к другу многими дипольными связями. Явление это особенно наглядно у соединений, образованных углеводами; каждая молекула углевода имеет большое число полярных гидроксильных групп и вследствие этого притягивается к соседним полярным молекулам множеством полярных связей. Притяжение молекул углевода к поверхности белковых молекул так велико, что высокая концентрация углевода в растворе предотвращает коагуляцию денатурированных белков (см. стр. 155).

Связи третьего типа возникают между неполярными группами. Такого рода связь, характерная, например, для твердых и жидких углеводородов, обусловлена быстрыми колебаниями электронов, так называемым дисперсионным эффектом [5]. Притяжение между неполярными группами слабее, чем между ионными или полярными группами [7]. На это указывают низкие точки плавления и точки кипения низших членов парафинового ряда. Взаимное притяжение между неполярными группами, которое может быть эффективно только между большими, протяженными группами, например длинными парафиновыми цепями высших жирных кислот, усиливается благодаря способности насыщенных парафиновых цепей деформироваться. Парафиновые цепи в связи с тем, что их атомы углерода могут свободно вращаться вокруг связи углерод — углерод, обладают большой гибкостью и могут поэтому сближаться одна с другой достаточно близко, чтобы силы притяжения эффективно вступили в действие.

Кроме рассмотренных трех главных типов межмолекулярных связей существуют еще и промежуточные типы. Электростатические силы действуют не только между двумя ионами или между двумя диполями, по также между ионами и соседними диполями. Силы связи иона с диполем являются промежуточными между силами связи иона с ионом и силами связи диполя с диполем. Такой же промежуточный тип связи может возникнуть между полярной и неполярной группами.