Биохимия - Химические реакции в живой клетке Том 1 - Д. Мецлер 1980

Молекулы, из которых мы состоим
Принципы построения малых молекул
Конформации: различные формы, которые может принимать молекула

Помимо определенного расположения ковалентно связанных атомов (конфигурация), не менее важна в биохимии конформация молекулы, которая определяется ориентацией групп, обусловленной вращением их вокруг одинарных связей [3]. Многие группы свободно вращаются даже при комнатной температуре; к примеру, —СН₃-группу можно представлять себе чем-то вроде крыла ветряной мельницы, которое случайным образом поворачивается то в одну, то в другую сторону. Однако даже простейшие молекулы имеют какую-то преимущественную конформацию, а в более сложных структурах вращение, как правило, в значительной степени затруднено.

Рассмотрим молекулу, в которой две группы, А и В, соединены мостиком из двух СН₂ (метиленовых)-групп. Если раздвинуть эти группы на максимально возможное расстояние, то молекула примет полностью вытянутую, или анти-конформацию:

В такой молекуле не только группы А и В, но и все атомы водорода находятся на максимально возможном расстоянии один от другого. В этом легко убедиться, если взглянуть на молекулу вдоль оси, соединяющей атомы углерода (проекция Ньюмена). Поворот второго атома углерода на 180° вокруг одинарной связи переводит молекулу в заслоненную конформацию. Если группы А и В достаточно велики, они при таком повороте будут «наталкиваться» друг на друга, так что заслоненная конформация практически не сможет реализоваться—поворот вокруг упомянутой связи будет крайне затруднен. Даже если А и В — это просто атомы водорода (этан), переход к заслоненной конформации связан с преодолением вращательного барьера величиной до ~13 кДж∙моль^-1; он возникает из-за стерических затруднений при сближении атомов водорода [3] (это можно без труда продемонстрировать с помощью полных объемных моделей).

Если А и В — метальные группы (молекула бутана), стерические препятствия приводят к возникновению вращательного барьера около 25 кДж∙моль^-1 (~6 ккал ∙ моль^-1). Именно по этой причине во многих биологических молекулах цепочки из СН₂-групп стремятся принять полностью вытянутую конформацию. Такого рода зигзагообразную структуру углеродной цепи можно обнаружить в полиэтилене, состоящем из длинных цепочек СН₂-групп.

Помимо полностью вытянутой конформации возможны также две скошенные (гош-) конформации, которые почти так же устойчивы, как и анти-конформация, и для которых стерические затруднения возникают лишь в том случае, если группы А и В очень велики. В одной из этих двух конформаций группа В лежит справа от А, если смотреть вдоль

оси молекулы, а в другой В оказывается слева от А. Данные конформации можно рассматривать по аналогии с правым и левым винтом (в обычных правых винтах нарезка, если смотреть на нее сверху вдоль оси — неважно с какого конца, — идет от наблюдателя слева направо, и точно таким же образом на рисунке показан переход от группы А к группе В). Угол φ — это торсионный угол. Для правых конформаций он имеет положительное значение (правую конформацию называют также Р- или «+»-конформацией в отличие от М- или «—»-конформации, означающей левую конформацию). Скошенные конформации занимают важное место среди возможных конформаций многих биологических молекул; например, молекула сахарного спирта рибита в кристаллах имеет вид серпа [4] — цепь сначала (слева) образует зигзаг, но затем, начиная с четвертого атома углерода, приобретает скошенную конформацию, что сводит к минимуму стерические затруднения, обусловленные взаимодействием между ОН-группами при втором и четвертом атомах углерода.

Многие молекулы содержат кольца из 3, 4, 5, 6 и более атомов углерода. Если кольца, в которых имеется две и более двойные связи, в большинстве случаев остаются почти плоскими, то с пяти- и шестичленными кольцами, построенными на одинарных связях, дело обстоит иначе. Шестичленные кольца из одинарных связей, какие мы встречаем в циклогексане и в сахарах, как правило, принимают конформацию «кресла», как это видно на примере глюкозы.

Помимо этого, шестичленные кольца могут принимать менее устойчивую конформацию «лодки» [3, 5, 6]. Шесть возможных вариантов конформации «лодки» свободно переходят одна в другую через промежуточные скошенные конформации.

Поскольку внутренний угол правильного пятиугольника равен 108° (что очень близко к углу тетраэдра), можно было бы ожидать, что пятичленные кольца образуют плоские структуры. Однако в плоской структуре атомы водорода при соседних углеродах мешали бы друг другу; поэтому один из атомов углерода выходит из плоскости остальных четырех на расстояние около 0,05 нм, в результате чего образуется конформация «конверта» (см. рис. 2-14, на котором изображены этот и другие типы конформации).