Фрагмент

Тема 1 Вопрос 5

Охарактеризуйте уровни молекулярной организации клетки (надмолекулярные структуры, биологические мономеры и полимеры)

Во всех реальных химических системах молекулы (или атомы в случае элементов) вступают в некие отношения между собой, в результате чего образуются те или иные агрегаты молекул (атомов). Эти образования могут быть еле намеченными или упорядоченными, весьма кратковременными или долгоживущими; это зависит от состояния вещества (кристаллическое или аморфное), от внешних условий (например, от температуры) и, наконец, от строения вещества. Но в любом случае возникновение таких агрегатов означает создание определенной упорядоченности в молекулярной структуре вещества.

В полимерах, состоящих из макромолекул, несоизмеримо больших, чем молекулы низкомолекулярных соединений, виды и формы межмолекулярной агрегации намного более разнообразны; это относится и к аморфной и к кристаллической фазам. При этом агрегация может затрагивать не только разные макромолекулы, но и участки одной и той же макромолекулы. Физическая структура полимеров, обусловленная различными видами упорядоченности во взаимном расположении макромолекул, называется надмолекулярной структуройполимера. Надмолекулярные структуры полимеров оказывают огромное влияние на их физические и химические свойства; надмолекулярные структуры важнейших биополимеров выполняют сложнейшие биологические функции и по существу являются промежуточным звеном между макромолекулами и клетками.

Среди надмолекулярных структур аморфных полимеров можно выделить две группы: 1.Надмолекулярные структуры неспецифического характера. 2. Межмолекулярные комплексы. Между этими группами существует принципиальное различие. В первом случае надмолекулярные агрегаты включают разное число макромолекул; во взаимном расположении макромолекул не наблюдается полнойупорядоченности, хотя степень упорядоченности может значительно различаться. Такие структуры характерны для аморфных синтетических полимеров, а из биополимеров – для некоторых полисахаридов и полипептидов. Напротив, межмолекулярные комплексы имеют постоянный состав; во взаимном расположении макромолекул наблюдается полная упорядоченность или, по крайней мере, весьма высокая степень упорядоченности; многие такие комплексы способны к самосборке. Образование межмолекулярных комплексов характерно для белков и нуклеиновых кислот; именно они во многом создают основу для формирования клеточной структуры.

Между указанными двумя группами не существует четкой границы. Скорее можно говорить о некоей непрерывной «шкале специфичности» – от практически полного ее отсутствия до полной специфичности, так что данные группы находятся на «флангах» этой последовательности. Целый ряд очень важных комплексов, особенно с участием биополимеров (например, мышечные волокна, сухожилия, биомембраны) можно лишь условно отнести к той или иной из этих двух групп. Тем не менее, далее будет использоваться именно эта классификация.

Рассмотрим вначале надмолекулярные структуры, имеющие неспецифический характер. Возникновение и распад этих агрегатов протекают по закону случая; любая макромолекула или ее участок в принципе имеют равные шансы войти или не войти в состав надмолекулярной структуры. По сравнению с низкомолекулярными соединениями, эти образования в полимерах более упорядочены и имеют бòльшую продолжительность жизни. Такие структуры характерны для линейных полидисперсных полимеров, состоящих как из жестких, так и из гибких макромолекул. Они являются типичными структурами ближнего порядка – образованиями, имеющими ограниченную упорядоченность в ограниченном пространстве, сравнимом с размерами самих макромолекул (в отличие от характерного для кристаллических веществ дальнего порядка, где имеется четкая упорядоченность на расстояниях, во много раз превышающих размеры молекул).

В случае гибких макромолекул, где силы взаимодействия относительно невелики (по сравнению с жесткоцепными полимерами), надмолекулярные структуры менее организованы, но и здесь развиты в достаточной степени. Ранее считали, что гибкие макромолекулы, свернутые в статистические клубки (см. выше), беспорядочно перепутаны, образуя «молекулярный войлок». Однако ряд очень важных фактов не соответствует такой структуре.

Во-первых, плотность аморфных полимеров заметно выше, чем рассчитанная для «молекулярного войлока» – она лишь ненамного ниже плотности кристаллических полимеров, в которых степень упорядоченности весьма высока. Следовательно, плотность упаковки в аморфных полимерах выше, чем для набора беспорядочно перепутанных статистических клубков.

Во-вторых, скорость кристаллизации аморфных полимеров, (в том числе и гибкоцепных) достаточно высока; она, конечно, ниже, чем скорость кристаллизации низкомолекулярных веществ, но намного выше, чем для системы, состоящей из беспорядочно перепутанных макромолекул; реорганизация такой структуры в полностью упорядоченную потребовало бы намного большего времени.

В-третьих, с развитием современных физических методов исследования (прежде всего рентгеноструктурного анализа и электронной микроскопии) были получены прямые доказательства существования в аморфных полимерах частично упорядоченных областей.

Все это убедительно доказывает существование надмолекулярных структур в аморфных полимерах. Однако получить абсолютно точную картину таких структур весьма затруднительно. В настоящее время существует несколько моделей структуры аморфных полимеров с гибкими цепями. Из них наиболее известна доменная модель. Согласно этой модели основными элементами надмолекулярных структур являются домены, образованные участками цепей, ориентированными более или менее параллельно. Эти ориентированные участки могут принадлежать как одной (сложенной) цепи, так и разным цепям; размеры доменов – порядка 3-10 нм. Между доменами находятся мало организованные или совсем неорганизованные участки (междоменные области). Одна макромолекула может входить в два или более домена; участки таких макромолекул, которые находятся между доменами, называются проходными цепями.

Предполагается, что домены могут агрегироваться друг с другом с образованием «наддоменных» структур. Особенно склонны к образованию таких структур некоторые блок-сополимеры, например, блок-сополимер бутадиена со стиролом: величины гомополимерных блоков здесь примерно одинаковы, поэтому расстояния между доменами, которые образованы, допустим, полибутадиеновыми блоками, также примерно одинаковы, и эти блоки образуют нечто вроде кристаллической решетки (квазикристаллическую решетку) в «узлах» которой находятся домены. Стоит еще раз подчеркнуть, что такие относительно высокоорганизованные структуры образуют полимеры с гибкими макромолекулами (как упомянутый выше блок-сополимер).

В случае жесткоцепных полимеров надмолекулярные структуры развиты в еще большей степени; при этом часто они образованы макромолекулами, находящимися в вытянутых или спиральных конформациях. Например, в надмолекулярных структурах целлюлозы и амилозы параллельно уложены уже не фрагменты цепей, а целые цепи; эти структуры представляют собой пучки параллельно ориентированных цепей, при этом в целлюлозе цепи имеют почти вытянутую конформацию, а в амилозе – спиральную. Аналогичную структуру имеют некоторые белки, например, фиброин шелка. Надмолекулярные структуры такого типа называют фибриллами, а полимеры, включающие такие структуры – фибриллярными. Поскольку макромолекулы здесь ориентированы, такое состояние полимеров называют ориентированным.

Фибриллярную структуру (ориентированное состояние) для многих полимеров, в том числе с не очень жесткими макромолекулами, можно получить искусственно, путем растяжения (вытяжки) полимеров с неориентированными макромолекулами. В ориентированном состоянии полимер проявляет анизотропию свойств, т.е. их различие в разных направлениях. В частности, прочность такого полимера вдоль оси ориентации намного выше, чем в перпендикулярном направлении, причем прочность вдоль оси ориентации намного выше, чем прочность неориентированного полимера. Эти особенности свойств находят широкое практическое применение: ориентированные полимеры являются основой плёнок (двумерная, двухосная ориентация) и волокон (линейная, одноосная ориентация). Если гибкость макромолекул полимера относительно велика, ориентированное состояние термодинамически невыгодно, наблюдается тенденция к разориентации, тем большее, чем выше температура. Напротив, в таких жесткоцепных полимерах, как целлюлоза, фиброин, ориентированное состояние при обычных температурах выгодно, так как стабилизировано сильными межмолекулярными взаимодействиями, в первую очередь водородными связями (для фиброина фибриллярная структура возможна потому, что в его макромолекулах мало звеньев с объёмными боковыми группами).

Межмолекулярные комплексы. Под комплексом принято понимать нековалентные ассоциаты нейтральных или ионных частиц, имеющие постоянный состав; обычно они имеют точно определенную пространственную структуру. Отдельные части комплекса могут быть связаны между собой различными видами нековалентных взаимодействий, в том числе и ионными связями.

Высокомолекулярные соединения могут образовывать комплексы, состоящие только из макромолекул (комплексы полимер-полимер) или комплексы макромолекул с молекулами низкомолекулярных соединений. Образование комплексов характерно для биополимеров; такие комплексы выполняют весьма важные биологические функции.

В основе образования большинства комплексов биополимеров лежат различные варианты молекулярного узнавания (молекулярного распознавания). Под молекулярным узнаванием понимают селективное связывание между молекулами, определяемое считыванием молекулярной информации. Молекулярная информация – специфическое расположение фрагментов молекулы, прежде всего функциональных групп; как правило, эта специфичность включает совершенно определенное расположение этих фрагментов в пространстве. Считывание информации происходит путем осуществления нековалентных взаимодействий между специфическими участками ассоциирующихся молекул. Необходимым условием считывания молекулярной информации является комплементарность ассоциирующихся частиц, т.е. структурное соответствие их специфических участков (принцип ключа – замка).

Широко известным примером является образование двойной спирали ДНК

посредством комплементарного связывания гетероциклических оснований А-Т и G-С; здесь узнавание осуществляется путем образования водородных связей между соответствующими пиримидиновым и пуриновым основаниями. Для многих других биополимерных комплексов узнавание определяется совокупностью различных сил взаимодействия, расчет этих сил и предсказание места узнавания является весьма сложной, иной раз пока непосильной задачей; по мнению ряда авторов, во многих случаях основную роль, как и для случая ДНК, играет образование водородных связей; существует гипотеза о трех водородных связях как необходимом (но не достаточном) условии узнавания.

Вначале будут рассмотрены чисто полимерные комплексы. Здесь возможны два варианта: А. Комплексы построены из однотипных молекул; Б. Комплексы включают молекулы разных типов полимеров.

А. К первому варианту относятся четвертичные структуры белков. Как известно, многие клеточные белки представляют собой комплексы, состоящие из двух и более полипептидных цепей, связанных нековалентными взаимодействиями. Отдельные цепи в таких комплексах называют субъединицами или мономерами (здесь понятие «мономер» несколько отличается от такового для исходных веществ при синтезе ковалентно построенных полимеров); комплексы, состоящие из двух субъединиц, называют димерами, из трех — тримерами и т.д.; в общем случае используется название «мультимер». Субъединицы могут быть тождественными (как алкогольдегидрогеназа печени, состоящая из двух идентичных цепей или белковые оболочки некоторых вирусов, состоящие из множества идентичных цепей) или включать цепи с различной первичной структурой (например, гемоглобин, состоящий из двух a-цепей и двух b-цепей, или белковые оболочки других вирусов). При этом в любом индивидуальном мультимерном белке одинаково не только общее число субъединиц, но и число субъединиц с данной первичной структурой. Взаимное расположение субъединиц в пространстве строго задано и, как правило, подчиняется определенным правилам симметрии. Пространственное расположение субъединиц собственно и называют четвертичной структурой.

Полипептидные цепи – субъединицы мультимерных белков – имеют глобулярную третичную структуру; поверхности глобул в местах контактов хорошо «подогнаны» друг к другу; благодаря этому, контакты между глобулами весьма тесные. Поэтому силы взаимодействия между глобулами обеспечивают выигрыш в энтальпии, который превосходит проигрыш в энтропии (этот проигрыш очевиден, поскольку при образовании мультимера субъединицы теряют часть степеней свободы); в результате образование четвертичной структуры энергетически выгодно. Наиболее важные силы взаимодействия между глобулами – гидрофобные взаимодействия и силы Ван-дер-Ваальса; последние, как уже упоминалось, невелики, однако число этих взаимодействий очень велико из-за большой площади тесного контакта между субъединицами, так что эти силы вносят заметный вклад в стабилизацию комплекса. В ряде случаев большую роль играют водородные связи, а также ионные связи.

Четвертичная структура может возникать путем самосборки при смешении субъединиц.

Другим примером белок-белковых комплексов служат комплексы антител с антигенами; образование таких комплексов лежит в основе гуморального иммунного ответа. Каждый чужеродный белок (антиген) исключительно специфично связывается с комплементарным ему рецептором – антителом. Специфичность связывания здесь может превышать даже специфичность связывания ферментов со своими субстратами. Узнавание специфических участков антигена (антигенных детерминантов) осуществляется антигенсвязывающим участком (центром) антитела. Структуры этих центров изучены достаточно хорошо; считается, что антигенсвязывающий центр образован совокупностью нескольких небольших фрагментов (по 5-10 звеньев), входящих в состав разных полипептидных цепей антитела. Считается, что узнавание происходит за счет образования водородных связей, за счет сил Ван-дер-Ваальса, а также за счет электростатических взаимодействий.