Файл: 5.pdf

Л. І. Григор’єва, Ю. А. Томілін  

68 

При

 b>>b

s 

виникають фібрилярні структури, при 

b < b

s 

гідрофільні 

залишки  не  повністю  закривають  гідрофобне  ядро,  і  гідрофобна 
взаємодія  між  такими  відкритими  ділянками  призводить  до  агрегації 
білків і виникнення надмолекулярних структур.  

Таким  чином,  білками,  для  яких  значення 

b

  лежать  вище  кривою 

Фішера, є еліпсоїди і фібрили, а для яких значення 

b

 лежать на кривій – 

глобули.  Під  кривою  розташовуються  білки,  які  створюють  надмо-
лекулярну  структуру.  Формування  гідрофобного  ядра  у  глобулярних 
білках має  принципове  значення  для  їх  функціонування.  Білки  при  їх 
величезній  молекулярній  масі  володіють  порівняно  компактною 
структурою перш за все, завдяки гідрофобним взаємодіям. 

§ 3.5. ЗВ’ЯЗУВАННЯ ЛІГАНДІВ З МАКРОМОЛЕКУЛАМИ В 

БІОПОЛІМЕРАХ 

К о м п л е к с н і   с п о л у к и

  – 

це  сполуки,  до  складу  яких 

входять  комплексні  частинки  (комплекси),  що  містять  центральний 
атом (комплексоутворювач), оточений лігандами

. Утворення комплексів 

Основи біофізики і біомеханіки

69 

можна  представити  як  результат  взаємодії  за  доноро-акцепторним 
механізмом стабільних при звичайних умовах часток: атомів, іонів або 
молекул. 

Л і г а н д и

  (від  лат. 

ligo

  –  прив’язую)  –  це  молекули  або  іони  в 

комплексних  сполуках,  які  безпосередньо  пов’язані  з  центральним 
атомом.  

Центральний  атом  та  ліганди  утворюють  внутрішню  сферу 

(комплекс),  а  молекули  або  йони,  які  оточують  комплекс  –  зовнішню 
сферу. Центральним атомом можуть бути як метали, так і неметали.  

Утворення комплексів між малою молекулою (іоном, метаболітом, 

гормоном)  –  лігандом,  і  центрами  скріплення  ліганду  на  макромолекулі 
М-коду  лежить  в  основі  функціонування  багатьох  біополімерів 
(целюлоза,  крохмаль,  білки  та  пептиди,  ДНК,  РНК)  та  широко 
використовується  в  різноманітних  галузях  хімічної  технології 
(виділення,  очищення,  розділення  платинових,  рідкісноземельних  та 
деяких інших металів). 

Утворення  комплексу 

ML

  між  лігандом 

L

  і  макромолекулою 

M

можна  розглядати  як  кінетичну  реакцію,  константа  рівноваги  якої 
дорівнює 

К

:  

(3.5.1), 

(3.5.2) 

Позначимо  через 

r

  концентрацію  зв’язаного  ліганду,  через 

с

  – 

концентрацію  вільного  ліганду  в  розчині,  через 

N

  –  концентрацію 

центрів  скріплення  лігандів  на  макромолекулі.  Тоді  концентрація 
незайнятих лігандами центрів скріплення буде дорівнювати: 

У цих позначеннях вираз для константи рівноваги:  

(3.5.3) 

При  заповненні  половини  центрів  скріплення  з  рівняння  (3.5.3.) 

отримуємо:  

,

=

(

)

=

(3.5.4) 

Таким чином, 

К 

є обернено пропорційним до концентрації вільного 

ліганду в умовах 50 % заповнення центрів скріплення. 

Л. І. Григор’єва, Ю. А. Томілін  

70 

На  рис.  3.5.1.  представлено  дані  з  насичення  киснем  міоглобіну  і 

різних  гемоглобінів  людини:  за  віссю  Х  відкладено  парціальний  тиск 
О

2

 – P, за віссю Y – міру скріплення. 

Рис. 3.5.1.

 Криві насичення О

2

 різних гемоглобинів людини: 

1 – міоглобину, 2 – фітального гемоглобіну, 3 – нормального 

гемоглобіну, 4 – гемоглобіну хворого на анемію 

Рівняння  для  кривої  скріплення  можна  отримати,  якщо  вирішити 

рівняння (3.5.3.) відносно 

r

. Тоді отримаємо рівняння (3.5.5): 

, 

(3.5.5) 

Із  збільшенням  концентрації  ліганду  частина  зайнятих  центрів 

r

буде  прагнути  до 

N

.  З  рисунку  видно,  що  лише  зв’язування  кисню  з 

міоглобіном  описується  гіперболою,  а  зв’язування  з  гемоглобіном 
описується 

S

 – типовою залежністю, яка зумовлена взаємодією центрів 

скріплення між собою в процесі скріплення. 

У 1909 році Хіллом була запропонована модель скріплення кисню з 

гемоглобіном,  яка  описувала  експериментальні  дані.  Згідно  з  цією 
моделлю  центри  скріплення  кисню  на  молекулах  гемоглобіну  не  є 
незалежними.  Саме  приєднання  однієї  молекули  кисню  до  одного  з 
центрів збільшує  спорідненість до кисню інших центрів, а скріплення 
двох  молекул  кисню  ще  більш  полегшує  зв’язок  з  третьою.  Таке 
скріплення,  при  якому  константи  скріплення  ідентичних  центрів 
змінюються  за  їх  заповненням,  називається 

кооперативним  скріпленням

. 

Хілл розглянув модель максимальної кооперативності, тобто випадок, 
коли  скріплення  одного  ліганду  настільки  збільшує  спорідненість 

Основи біофізики і біомеханіки

71 

останніх  центрів,  що  вони  заповнюються  майже  миттєво.  Це  означає, 
що  в  рівноважному  розчині  ліганду 

N

  і  макромолекули,  який  має

  n

ідентичних  центрів  скріплення,  присутні  або  макромолекули  з 
незайнятими  центрами  скріплення,  або  комплекси  ліганду  з  макро-
молекулою,  в  яких  усі  центри  зв’язування  заповнені.  Таким  чином, 
модель  максимальної  кооперативності  практично  означає  протікання 
такого кінетичного процесу:  

(3.5.6) 

В  останньому  виразі  [M],  [Ln],  [N]  –  це  концентрації  комплексів, 

вільного ліганду і вільних центрів скріплення відповідно. Міра насичення 
центрів  скріплення  Y  визначається  як  відношення  концентрації 
зв’язаних  макромолекул  до  загальної  концентрації  макромолекул  у 
розчині. 





  



 

 

n

n

n

n

L

K

M

ML

Y

Y

ML

M

ML

кількість

загальна

молекул

язаних

зв

кількість

Y

















1

'

(3.5.7) 

Рівняння  (3.5.7.)  має  назву 

рівняння  Хілла

.  І  хоча  це  рівняння 

виведене  для  випадку  повної  кооперативності,  графіком  Хілла 
користуються також і для аналізу процесів, кооперативність яких не є 
повною. В цьому випадку кооперативність характеризується коефіцієнтом 
Хилла 

h

, який дорівнює максимальному тангенсу нахилу (рис. 3.5.2.). 

Рис. 3.5.2.

 Графік Хілла для насиченого гемоглобіном кисню  

Л. І. Григор’єва, Ю. А. Томілін  

72 

Зв’язування  кисню  з  гемоглобіном,  що  має  4  центри  зв’язку, 

характеризується  параметром  Хілла 

h 

=  2,9.  Рівняння  добре  описує 

скріплення  від  10  до  80  %  насичення  вуглецем  (прямолінійна  ділянка 
на рис. 3.5.2.).  

За коефіцієнтом Хілла визначають рівень кооперативності процесу: 

при 

h 

= 1 кооперативність відсутня (як у міоглобіні), при 

h 

< 1 – маємо 

негативну  кооперативність,  тобто  відбувається  зменшення  рівня 
спорідненості  відповідно  до  заповнення  центру.  Кооперативне 
скріплення лігандів є лише одним із прикладів кооперативних процесів 
у  біофізиці.  До  їх  числа  відносяться  такі  процеси  як  плавлення  ДНК, 
оборотна  денатурація  білків,  фазові  переходи  у  мембрані  клітин  і 
багато інших. 

Відзначимо  фізичні  процеси,  що  призводять  до  високої  міри 

кооперативності скріплення кисню з гемоглобіном. Вільний і зв’язаний 
гемоглобін відрізняються характером заселеності електронних орбіталей 
комплексу Гем (комплекс Гем є кофактором,  у  центрі якого знаходиться 
двовалентне залізо) (рис. 3.5.3.). 

Рис. 3.5.3. 

Характер заселеності електронних орбіталей комплексу Гем 

Зменшення спину призводить до зменшення іонного радіусу, і його 

структура стає компактнішою. В результаті відбувається більш щільна 
упаковка  макромолекули  Нb(O

2

)

4

,  в  процесі  якої  витрачається  довгий 

фрагмент  макромолекули  оксигенірованого  гемоглобіну.  Механізм 
оксигенації  гемоглобіну  є  прикладом  электронно-конформаційних 
взаємодій (ЕКВ), характерних для більшості біополімерів. Суть концепції 
ЕКВ  полягає  в  тому,  що  у  макромолекулах  здійснюється  сполучення 
електронних процесів з конформаційними (структурна перебудова). 

КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ 

1.

Поясніть, у чому полягає біологічна роль білків.  

2.

Поясніть будову білків. Яка роль амінокислотної послідовності  у 

конформації білкових молекул і їх біологічній активності?