Молекулы белка, содержащие группы СО и NH
Молекулы белка, содержащие группы СО и NH и имеющие спиральную конфигурацию, поддерживают эту конфигурацию за счет многочисленных внутри-молекулярных водородных связей. Ассоциация молекул в жидкостях часто обусловлена водородными связями. Между молекулами, связанными водородной связью, может происходить, обмен протонами, основанный на «туннельном эффекте». Этот квантовомеханический эффект представляет собой переход заряженной частицы (электрона или протона) между состояниями, которые разделены энергетическим барьером.
Волновые свойства частиц проявляются в том, что частица, даже не имея энергии, достаточной для преодоления барьера, все-таки проходит сквозь него (отсюда и название «туннельный переход», или «туннельный эффект»). Протон, участвующий в водородной связи, находится ближе к одному из партнеров по связи и соответственно для перехода к другому должен перейти через барьер. Но существует вероятность перехода и для случая, когда энергия протона ниже высоты энергетического барьера; вероятность тем больше, чем ближе уровни энергии протона у обоих молекул, участвующих в образовании водородной связи.
Между основаниями, если они одинаково заряжены в ДНК (например, в паре А—Т), протоны могут переходить оба одновременно так, что основание теряет протон и одновременно получает другой протон от партнера (образуются тауто-мерные формы оснований). Другой тип перехода состоит в том, что основание получает (соответственно отдает) протон «без компенсации». В этом случае, который реализуется при условии, что основания имеют разные заряды, конечным результатом будет появление заряженных пар оснований.
В некоторых случаях возможны переходы протона, связанного водородной связью, из одного положения в другое, что проявляется в инфракрасном спектре соединения расщеплением колебательных уровней. Примером может служить, поведение молекул имидазола в неполярных растворителях; в комплексе, образованном молекулами имидазола, происходят своеобразные переносы протона типа «туннельного перехода»:
Следовательно, водородная связь — не только фактор, стабилизирующий определенную структуру, но вместе с тем она может обусловить и развитие процесса перестройки структуры, ведущей к существенным изменениям генетической информации, заключенной в молекуле. Существование различных видов связей имеет большое значение для молекулярной и биохимической фармакологии. Действительно, лекарственные вещества по-разному взаимодействуют с молекулами-мишенями в зависимости от химической структуры.
Например, гидролиз ацетилхолина существенно зависит от электростатического взаимодействия катионной группы этого соединения и анионного участка фермента ацетилхолинэстеразы. Такое взаимодействие обеспечивает надежную фиксацию субстрата на активном центре, необходимую для начала процесса гидролиза ацетилхолина. Электростатическим является связывание с мембранами бактериальных клеток антибиотиков группы полимиксинов. Процесс заключается в образовании комплекса отрицательно заряженных мембранных липидов и положительно заряженных молекул пептидных полимиксинов.
Для незаряженных соединений весьма характерен гидрофобный тип взаимодействия, при котором нековалентное связывание гидрофобных участков молекул веществ приводит к образованию довольно прочного комплекса. По такому типу взаимодействуют липиды мембран и стероидные гормоны, это же взаимодействие стероидов и митохондриальных ферментов (НАДН-дегидрогеназ) обусловливает ингибирование каталитической активности ферментов и потерю способности переносить электроны.
Уже отмечалась важная роль водородных связей в биологии вообще, например, большое значение эти связи играют в нуклеиновых кислотах, обеспечивая взаимодействие между комплементарными основаниями. Влияя лекарственными препаратами на ДНК, можно разорвать водородные связи и существенно изменить функционирование этой кислоты. Изучение природы взаимодействия лекарственных препаратов с молекулами-мишенями — в настоящее время одна из главных проблем молекулярной фармакологии.
«Биохимическая фармакология»,
под ред. проф. П.В.Сергеева
