Аммонийная и карбоксилатная группы играют важную роль в формировании трехмерной структуры белков [1, 2, 3]. Природа взаимодействия между указанными группами во многом определяется электростатическим притяжением разноименных зарядов, а также частичным переносом атома водорода от азота аммонийной группы к кислороду карбоксилатной группы (донорно-акцепторная компонента), что приводит к обобществлению электронной плотности между указанными атомами.
Можно считать, что между аммонийной и карбоксилатной группами образовалась водородная связь исходя из следующих общих положений: 1)Если H-связь образуется между нейтральными группами, то она может образоваться и между заряженными группами (после переноса протона). 2) Образовании водородной связи, как правило, связано с перекрыванием сфер (радиус Ван-дер-Ваальса) ковалентно связанного атома водорода и атома акцептора. 3) Образование H-связи приводит к уменьшению энергии системы[4, 5, 6].
Для описания взаимодействия между аммонийной и карбоксилатной группами использованы эмпирические, полуэмпирические и неэмпирические методы [7,8].
Взаимное расположение аммонийной и карбоксилатной групп может соответствовать конформации, при которой H-связь отсутствует. В этом случае потенциальная функция взаимодействия соответствует математическому выражению закона Кулона (электростатика), причем располагать точечные заряды целесообразно на трех атомах: N (+1), 2O(-0.5). Вращение вокруг связи С-N приводит к конформации с H-связью. В таком случае потенциальная функция взаимодействия усложняется:
U = U(1) + U(2) (1);
U – потенциальная функция взаимодествия, U(1) – потенциальная функция кулоновского (электростатического) взаимодействие между заряженными группами, U(2) -потенциальная функция Н-связи. Потенциальную функцию H-связи представим в виде суммы потенциальных функций некулоновского взаимодействия Леннарда-Джонса U(3) [8] и кулоновского взаимодействия (U3) между атомом водорода и кислорода:
U(2) = U(3) + U(4) (2);
U(4) – потенциальная функция кулоновского взаимодействия между атомом водорода и кислорода, ε – глубина минимума функции, σ – поперечник жесткого кора, r – расстояние.
При рассмотрении конкретного конформера функции U(1) и U(4) можно объединить.
Кроме потенциальной функции Леннарда-Джонса (“6-12”), предложено множество других потенциальных функций ( Букингема, Морзе), связанных с аналитическими решениями. Данные функции описывают универсальные взаимодействия. Водородная связь характеризуется направленность. Разработаны подходы, основанные на решении уравнения Шреденгера (во многих случаях решения не являются аналитическими) [8].
Моделирование аминокислот и пептидных фрагментов полуэмпирическими методами свидетельствует о том, что ориентация заряженных групп может быть различной и часто происходит втягивание атомов водорода H3N(+)-групп в электронную плотность атомов кислорода (-)OOС-групп (расстояния между атомами водорода и кислорода меньше суммы их радиусов Ван-дер-Ваальса), т.е. имеет место образование H-связи (-NH3(+)…(-)OOC-) [3].
Аналогичные результаты дают и неэмпирические методы моделирования (модель SCRF).
Литература
1. Якубке Х.Д., Ешкайт Х. Аминокислоты, пептиды, белки. М.: Мир.1985.456 с.
2. Barlow D.J., Thornton J.M. Ion-pairs in proteins//J.Mol.Biol.1983.V.168.P.867-885.
3. Клюев С.А. Взаимодействие между заряженными группами аминокислот и белков//Информационно-вычислительные технологии в решении фундаментальных научных проблем и прикладных задач химии, биологии, фармацевтики, медицины. Москва. ИВТН-2006: Сборник материалов. С. 17.
4. Москва В.В. // Соросовский образовательный журнал. 1999. №2. C. 58.
5. Водородная связь / Под ред. Н.Д. Соколова. М.: Наука, 1981. 399с.
6. Theoretical treatment of hydrogen bonding/Ed. By D. Hadzi. Chichester: Wiley. 1997. 510 p.
7. Кларк Т. Компьютерная химия. М.: Мир. 1990.
8. Сигал Дж. Полуэмпирические методы расчета электронной структуры. М.: Мир. 704 с.
9. Вода: структура, состояние, сольватация. Достижения последних лет/Отв. ред. А.М. Кутепов. М.: Наука. 2003. 404 с.
Учреждение Российской академии наук
Южное отделение Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН