Molekulalar va makromolekulalarning o'zaro ta'siri oqibatlari

5. Gemoglobin strukturasida sodir bo’ladigan konformatsion o’zgarishlar.
Gemoglobin tarkibidagi subbirliklar ₁ ₂, ₃ va ₄ uchlamchi strukturaga ega bo’lib, -subbirliklar har biri 141, -subbirliklar esa har biri 146 aminokislota qoldig’i ularidan tashkil topgan polipeptid zanjirlaridan iborat. Ular, o’zaro tuz ko’priklari (ion bog’lari) vositasida bog’lanib (ular oltita), tetramerni shakllantiradi. Subbirliklarning har birida bittadan gem guruhi bo’lib, u to’rtta pirol halqadan iborat tekis strukturaga ega. Gem markazida, pirol halqalar azot atomlari bilan to’rt tomondan koordinatsion bog’langan, ikki valentni temir ioni joylashgan. Temir ionining 5-koordinatsion bog’i, gem halqaga tik yo’nalgan aminokislo­ta (-subbirlikda gistidin qoldig`i) orqali polipeptid zanjiriga (globinga) ulanadi. Dezoksigemoglobinda 6-koordinatsion bog’ bo’sh bo’lib, kislorod mavjud sharoitda bu bog’, bir molekula 0<sub>2</sub> birikti­rish orqali band etiladi va oksigemoglobin (Hb0<sub>2</sub>) hosil bo’ladi. Shu munosabat bilan Fe<sup>2+</sup>ion radiusi kamayib, gem tekisligiga tusha­di. O’z navbatida bunday siljish temir ioniga bog’langan gistidin qoldig`i orqali butun zanjirning siljishiga, demak, uchlamchi struk­turaning o’zgarishiga sabab bo’ladi. Buning natijasida subbirlikning boshqa subbirlik, masalan, ₁ bilan ₂ o’rtasidagi tuz ko’prikning uzilib, ₂ ning kislorod biriktirishi osonlashadi. ₂ning 0₂ biri­kishi esa ₂ bilan ₁ o’rtasidagi tuz ko’prikgini uzib, uning 0₂ birikishini osonlashtiradi va h.k.
Shunday qilib, gemoglobinning oksigenasiyalanishi munosabati bilan subbirliklararo ta’sirlashishlarning o’zgarishi, gemoglobinning 0₂ biriktirishi paytidagi kooperativlik xossasiga asos bo’ladi. Mazkur hodisa, M.V.Vonkenshteyn tomonidan ilgari suringan, elektrol ­konformatsion ta’sirlashishlar (makromolekulada yuz bergan elektrol jarayonlar uning konformatsion qayta qurilishlarga olib keladi, deb ta’kidlovchi) konsepsiyaning dalili bo’lib xizmat qiladi.
Molekulyar oʻzaro taʼsir elektrostatik xususiyatga ega bo`lib, uning mavjudligi haqidagi faraz birinchi marta J. D. Van der Vaals tomonidan 1873-yilda xaqiqiy gazlar va suyuqliklarning xususiyatlarini tushuntirish uchun ishlatilgan. Keng maʼnoda uni har qanday zarralar (molekulalar, atomlar, ionlar) oʻrtasidagi kimyoviy yaʼni ion, kovalent yoki metall bogʻlanishlar hosil boʻlmagan oʻzaro taʼsirlar deb tushunish mumkin. Boshqacha qilib aytadigan boʻlsak, bu oʻzaro taʼsirlar kovalent oʻzaro taʼsirlardan ancha zaifdir va oʻzaro taʼsir qiluvchi zarrachalarning elektron tuzilishini sezilarli darajada oʻzgartirishga olib kelmaydi. Yuqorida aytilganlar qisman toʻgʻri ekanligini taʼkidlash kerak. Masalan, barcha fermentativ va katalitik reaktsiyalar substrat va ferment yoki molekula bilan katalizator oʻrtasidagi zaif molekulalararo oʻzaro taʼsirdan boshlanadi; ammo, ferment faol markazining zarur fazoviy konfiguratsiyasi bilan bir nechta bunday zaif oʻzaro taʼsirlar, molekulalar yoki substratning energiya holatini shu qadar kuchli oʻzgartiradiki, oxir-oqibat, baʼzilarining yorilishi va boshqa kovalent kimyoviy bogʻlarning paydo boʻlishiga olib keladi. Toʻgʻri aytganda, barcha fermentativ reaktsiyalar substrat va fermentning molekulalararo oʻzaro taʼsiridan boshlanadi, shuning uchun bu oʻzaro taʼsirlarning ahamiyati ayniqsa biokimyo va molekulyar biologiyada katta ahamiyatga ega va aslida fermentologiyaning asosidir.

Katta masofadagi kichik molekulalar uchun jozibador kuchlar ustunlik qiladi, ular orientatsion, qutblanish (induksiya) va dispersiya xarakteriga ega boʻlishi mumkin (2-rasmga qarang). Van der Waals kuchlari va dispersiya kuchlari maqolalarida batafsil maʼlumot). Issiqlik harakati tufayli zarrachalarning aylanishi boʻyicha oʻrtacha hisoblanganda, molekulalararo kuchlarning potentsiali masofaning oltinchi darajasiga teskari proportsional boʻladi va ion-dipol (ikkalasi doimiy va induksiyalangan dipol bilan) toʻrtinchi darajaga teskari proportsionaldir. Kichik masofalarda zarrachalarning elektron qobiqlarining itaruvchi kuchlari ustunlik qila boshlaydi. Maxsus holat — bu vodorod aloqasi, bu atomlar etarlicha katta samarali zaryadga ega boʻlganda, bir molekulaning vodorod atomi va boshqasining elektronegativ atomi oʻrtasidagi qisqa masofada sodir boʻladigan oʻzaro taʼsir.

Zarrachalarning yig`ilishi va ular orasidagi o`zaro tortishish va itarilish oʻrtasidagi muvozanat bilan belgilanadigan kondensatsiyalangan fazadagi masofani molekula tarkibidagi atomlarning Van der Vaals radiuslaridan (ionlar holatida ion) taxmin qilish mumkin: turli molekulalarning atomlari orasidagi masofalar, bu atomlarning radiuslari yigʻindisidan oshmasligi kerak. Molekulyar oʻzaro taʼsirlarni modellashtirish uchun empirik potensiallar qoʻllaniladi, ular orasida eng mashhurlari Lennard-Jons potentsiallari (itarish oʻzaro masofaning oʻn ikkinchi kuchi bilan tavsiflanadi, tortishish oltinchi) va Bukingem (fizik jihatdan asosli eksponensial itarilish bilan)., ulardan birinchisi hisob-kitoblar uchun qulayroqdir. Molekulalarning bir-biriga yaqinligi tufayli koʻp qutbli kengayish kam qoʻllaniladigan kondensatsiyalangan fazada bir xil potentsiallarga asoslangan atom-atom potentsiallari usulidan foydalanish mumkin, ammo atomlarning juft oʻzaro taʼsiri uchun va ularning samarali zaryadlarining oʻzaro taʼsirini tavsiflovchi Kulon atamalarining qoʻshilishi.
Hozirgi vaqtda molekulalararo oʻzaro taʼsirlar muvozanatining miqdoriy tavsifi uchun Xirshfeld sirtini hisoblash va tahlil qilishning matematik usuli ishlab chiqilgan (odatda CrystalExplorer dasturi yordamida). Asosiy tushunchalarda berilgan, hisob-kitoblarni amalga oshirish tartibida usulni qoʻllash misolida tasvirlangan.

Molekulyar oʻzaro taʼsir, vodorod bogʻi[tahrir | manbasini tahrirlash]

Dipol molekulasi oʻz atrofida elektrostatik maydon hosil qiladi va tizimning qolgan dipollarini yoʻnaltiradi, bu esa energiyaning pasayishiga olib keladi. hisoblangan P. Kizom, qutbli molekulalar orasidagi orientatsion dipol-dipol taʼsirning oʻrtacha energiyasi:
���=−23�4�6��,  (formula 1) bu yerda �  — molekulaning dipol momenti; r — molekulalarning markazlari orasidagi masofa; k — Boltsman doimiysi; T — Kelvindagi harorat.

Maxrajdagi omil (kT) harorat oshishi bilan ortib boruvchi termal harakat tufayli dipollarning orientatsiyasiga tebranishlarning taʼsirini aks ettiradi. Orientatsion taʼsirga qoʻshimcha ravishda, induksiya effektini ham hisobga olish kerak (���� ), yaʼni dipolning qisqargan dipol bilan oʻzaro taʼsiri, bu esa mos ravishda P. Debye quyidagilarga teng:

����=−2��6�6.  (formula 2)
Orientatsiya va induksiya kuchlari qutbli molekulalar oʻrtasida yuzaga keladi va qutbsiz molekulalar orasidagi molekulalararo oʻzaro taʼsirni tushuntirib bera olmaydi. Aytgancha, zaif kvadrupol-quadrupol oʻzaro taʼsirini hisobga olsak, muammoni hal qilmaydi, ayniqsa turdagi molekula ��4  va inert gazlar atomlari umuman toʻrt kutupli momentga ega emas (biz taʼkidlaymizki, turdagi molekulalar ��2,���2;  toʻrt kutuplilarni diatomik gomonukulyar molekulalar deb hisoblash mumkin — �2,�2,�2  va boshqalar.
Nopolar sistemalardagi molekulalararo kuchlarning tabiatini F. Kvant mexanikasi yordamida London. Biz faqat atom elektronlarining harakati paytida korrelyatsiyani hisobga olish energiyaning pasayishiga olib kelishini aytishimiz mumkin. Agar turli atomlardagi elektronlarning harakati oʻzaro bogʻliq boʻlsa, bu ham energiyaning pasayishiga yordam beradi. Mobil elektronli atomlarni maʼlum chastotada tebranuvchi dipollar deb hisoblash mumkin �0  . Elektronlarning sinxron harakati bilan lahzali dipollar har doim shunday yoʻnaltiriladiki, bu energiyaning pasayishiga olib keladi:

�����=−34ℎ�0�2�6.  (formula 3)

Oʻzgartirish ℎ�0  yoqilgan � , bu yerda �  — molekulaning (atomning) ionlanish energiyasi, biz quyidagilarni olamiz:

�����=−34��2�6.  (formula 4) Bu formulani tebranish nazariyasiga asoslangan holda (tebranishli dipol modelidan foydalanmasdan) yanada izchil olish mumkin.
J. Slater va J. Kirkvud koʻp elektronli atomlarning oʻzaro taʼsiri uchun quyidagi formulani oldi:

�����=−34ℏ��6��3�,  (5-formula) bu yerda N — tashqi qobiqdagi elektronlar soni; m — elektron massasi; e — uning zaryadi.
(3) va (5) formulalar N=1 da mos keladi, agar oʻrniga �0  uning ifodasini almashtiring: �0=�/2���.  Yuqoridagi formulalardan xulosa qilishimiz mumkinki, London kuchlarining kattaligini belgilaydigan asosiy xususiyat qutblanishdir (� ) atomlar (molekulalar). Polarizatsiya yorugʻlikning sinishi koʻrsatkichi bilan chambarchas bogʻliq boʻlganligi va moddaning yorugʻlik energiyasini (tarqalishi) tarqatish qobiliyatini tavsiflaganligi sababli, London kuchlari koʻpincha dispersiv deb ataladi (����� )
Polarizatsiya zarrachalar hajmiga bogʻliq, shuning uchun molekulyar panjaralarning kuchi oʻzaro taʼsir qiluvchi atomlar va molekulalarning kattaligi bilan ortishi kerak. Bu naqsh qaynoq nuqtalarining ortishi bilan yaxshi tasvirlangan (eritish, sublimatsiya, bugʻlanish va boshqalarning issiqliklari va harorati uchun oʻxshash bogʻliqliklar kuzatiladi). va hokazo, yaʼni molekulyar bogʻlanish kuchiga bogʻliq boʻlgan miqdorlar uchun) inert gazlar guruhida, parafinlarning gomologik qatorida.