НЕЛИНЕЙНАЯ СЖИМАЕМОСТЬ И ДИНАМИКА НАТИВНОГО БЕЛКА
Харакоз Д. П.
Институт теоретической и экспериментальной биофизики РАН, 142292 Пущино
Хорошо известно, что внутримолекулярная
подвижность глобулярного белка определяется его механическими
свойствами - сжимаемостью, модулями упругости и другими. Менее
известна динамическая роль механической нелинейности макромолекулы,
которая определяется, например, по зависимости сжимаемости от
степени сжатия материала: s
= (¶lnb/¶lnV)Т,
где b
є -(¶lnV/¶P)Т
- коэффициент сжимаемости, V - объем, P - давление,
T - температура. Почти не исследована количественная связь
между динамическими и механическими свойствами белков, несмотря
на полувековую историю таких исследований. Из сравнительного анализа
результатов разных экспериментальных методов следует, что внутренняя
сжимаемость молекулы нативного белка (b
= 25 Мбар-1) соответствует сравнительно хорошо сжимаемым
твердым полимерам, а степень нелинейности (s
= 10) попадает
в область наиболее высоких значений, известных для органических
веществ в конденсированном состоянии. Высокая степень нелинейности
определяет сильную зависимость частоты (w)
внутримолекулярных движений от давления (параметр s
прямо связан с константой Грюнайзена: g
є
¶lnw
/¶lnV
"
s
/2 - 1/2).
Знак электрострикционного эффекта внутри белковой молекулы
противоположен тому, что наблюдается в жидкостях, - плотность
белкового материала падает под действием поля заряженной частицы,
помещенной внутрь. Эта особенность является следствием того, что
белковая глобула это твердая частица с высокой механической нелинейностью
и с поляризуемостью ориентационной природы. Вследствие особенностей
электрострикции воды и белка, объемный эффект проникновения
малого иона из водной среды внутрь глобулы положителен при
нормальном давлении и отрицателен при высоких давлениях (инверсия
знака - при давлении порядка 1000 бар). Это приводит к немонотонной
зависимости переноса иона от давления, что проявляется, например,
в исследованиях гидроксилзависимого водородного обмена в белках
от давления: при повышении давления скорость обмена сначала замедляется,
а затем, выше точки инверсии, ускоряется. Такая же немонотонность
должна наблюдаться в процессе ионного тушения флюоресценции внутренних
групп белков. Энергия деформации при образовании небольшой полости
внутри белка (размером с молекулу воды) сильно зависит от локальной
плотности упаковки, начиная от нуля в участках с крупными дефектами
упаковки и достигая 25 kT в участках максимально плотной
упаковки. Следовательно, нельзя не учитывать упругую деформацию
при анализе процессов, связанных с проникновением малых частиц
внутрь белка или с деформацией окружения при движениях внутренних
асимметричных атомных групп. Например, скорость водородного обмена
нативного белка в условиях, далеких от денатурирующих, в существенной
мере определяется упругостью глобулы.