Природа внутри- и межмолекулярных взаимодействий. Ван-дер-Ваальсовы взаимодействия. Электростатические взаимодействия. Водородные связи. Внутренние вращения и поворотная изомерия

Лекция 2. Природа внутри- и межмолекулярных взаимодействий. Ван-дер-Ваальсовы взаимодействия. Электростатические взаимодействия. Водородные связи. Внутренние вращения и поворотная изомерия.

Стабильность структуры, энергетический вклад различных взаимодействий, тепловые переходы.

Одной из главных проблем, стоящих перед физикой биополимеров – это выяснение природы сил внутри- и межмолекулярных взаимодействий, обеспечивающих стабильность биополимеров – белков и нуклеиновых кислот. Любые процессы, происходящие на молекулярном уровне, могут быть объяснены только с точки зрения квантовой механики и квантовой химии. Изменения структуры молекул, сам факт их существования и изменения их энергетических состояний имеют квантовую, дискретную природу. Но поскольку биополимеры состоят из очень большого числа атомов и имеют сложную электронную структуру, можно изучать их и с помощью классических представлений.

Как вы знаете, при определенных условиях взаимодействия между атомами приводят к образованию молекул. Взаимодействия такого типа называют ковалентными, химическими или сильными и приводят к образованию новых химических частиц, свойства которых отличаются от свойств исходных систем. Молекулы могут взаимодействовать между собой двумя способами: реакционными с образованием или разрывом ковалентных связей или нереакционным с образованием молекулярных комплексов. Первый из этих способов представляет собой ковалентные взаимодействия, а второй называется слабым, нековалентным, нехимическим, физическим или ван-дер-ваальсовым взаимодействием. Такие взаимодействия приводят к образованию комплексов, которые иногда называют ван-дер-ваальсовыми  молекулами. В этих молекулах или комплексах свойства исходных систем в значительной степени сохраняются. Между слабыми и сильными взаимодействиями нет резкого перехода. Обычно критерием, разграничивающим эти два типа взаимодействий, являются расстояния между взаимодействующими атомами выше 2Å и энергии взаимодействия менее 60кДж/моль.

При формировании интересующих нас различных макромолекулярных структур и переходов между ними все взаимодействия между атомами независимо от их конкретной физической природы можно также разделить на два типа. Это взаимодействия ближнего порядка между атомами соседних звеньев и дальние взаимодействия или объемные эффекты между атомами, которые хотя и отстоят по цепи далеко друг от друга, но случайно сблизились в пространстве в результате изгибания цепи. Оба этих типа взаимодействий относятся к слабым взаимодействиям.

Слабые взаимодействия играют огромную роль в физике и химии, но особенно они важны в биологии. Подавляющее большинство реакций и процессов происходит в жидких и конденсированных средах или на границе раздела фаз. Влияние среды на различные процессы происходит именно за счет слабых взаимодействий. Чтобы обеспечить преимущественные связывания определенных функциональных групп биомакромолекул в различных процессах  слабые взаимодействия должны быть все же достаточно сильными. При этом они не должны быть настолько сильными, чтобы приводить к образованию кристаллических частиц в живой клетке.

Несмотря на то, что нет четкой границы в различии слабых и сильных взаимодействий, между этими двумя типами есть определенные различия. Ковалентные взаимодействия осуществляются при наличии перекрывания между электронными облаками подсистем (взаимодействующих систем). В отличие от этого нековалентные взаимодействия осуществляются между довольно удаленными друг от друга подсистемами, когда перекрывание представляется пренебрежимо малым. При этом молекулярные орбитали индивидуальных подсистем остаются практически неизменными и не возникает понятия «запрещенная связь или реакция», т.к. практически никогда не возникает ситуация когда надо для образования новой системы преодолеть энергетический барьер. То есть число возможных типов комплексов биомакромолекул практически неограниченно. Надо только отметить, что существование таких комплексов возможно, если энергия стабилизации при комнатной температуре превышает энергию теплового движения, т.е. выше (по абсолютной величине) 2,5 кДж/моль.

Белки и нуклеиновые кислоты являются большими цепочечными молекулами, содержащими сотни и тысячи атомов. Это полимерные вещества. Следовательно, молекулярная биофизика представляет собой физику биополимеров – область физики полимеров, занимающейся преимущественно синтетическими полимерными веществами (каучуками, пластмассами, волокнами). Общие закономерности, установленные в физике полимеров, оказываются