Физические методы исследования белков и нуклеиновых кислот - Лазуркина Ю.С.
Скачать (прямая ссылка):
Исследования строения волокон биополимеров — очень важный и интересный раздел молекулярной биологии. Именно они привели к двум фундаментальным открытиям—-к определению
1 За последнее время удалось установить детальную структуру активного центра лизоцима, исследовать комплексы лнзоцима с ингибитором с разрешением 2 А и дать подробное описание процесса каталитического расщепления субстрата этим ферментом.
структуры а-спирали {66} и установлению Структуры ДНК [67]. Как известно, эти открытия послужили основой для развития важнейших исследований.
Прежде чем приступить к разбору методов, применяемых при изучении структуры волокон биологических полимеров, остановимся кратко на основных особенностях их строения.
Строение цепных молекул. Рассмотрим простейший случай — полимерную цепочку, которая состоит из идентичных мономерных единиц. Примерами такой цепочки могут служить простые полипептиды или полинуклеотиды. При определенных условиях такая цепь приобретает правильную регулярную конфигурацию, если не по всей длине молекулы, то по крайней мере па отдельных, достаточно больших ее сегментах. При этом идентичные группы молекулы располагаются так, что в структуре этих сегментов возникают определенная периодичность и симметрия. ,
Структура изолированной цепной молекулы определяется в конечном итоге особенностями валентных связей ее основной цепи и теми дополнительными внутрицепными взаимодействиями (вандерваальсовыми и водородными связями), которые могут при этом реализоваться. Поэтому законы симметрии упаковки мономерных звеньев в полимерной цепочке качественно отличаются от законов симметрии упаковки «свободных» молекул в кристаллах. Единственна возможным элементом симметрии цепной молекулы является винтовая ось (если, конечно, сами мономерные единицы не наделены какой-либо дополнительной симметрией и сшивка всех мономерных единиц при синтезе происходит одинаково). При этом никаких ограничений на порядок винтовой оси не накладывается. Сама цепь «выбирает удобную для себя ось». В цепных молекулах биополимеров мы наблюдаем, например, винтовые оси десятого порядка или очень часто нецелочисленные винтовые оси, такие, как ось 18/5 или 10/3 (т. е. спирали' с 18 идентичными группами в пяти оборотах или с 10 — в трех оборотах). Существование таких элементов симметрии в кристаллах абсолютно исключено. Впервые на возможность существования таких элементов симметрии в цепных молекулах полимеров указал Полинг [66].
Строго говоря, эти рассуждения касаются изолированной цепной молекулы. Структура молекул в волокнах — это результат как внутримолекулярных, так и межмолекулярных взаимодействий. Однако опыт показывает, что для многих фибриллярных биополимеров вклад, вносимый в свободную энергию меж-молекулярпыми взаимодействиями, значительно меньше выигрыша в энергии, обусловленного образованием компактной внутримолекулярной структуры. Это связано, по-видимому, с тем, что поверхность цепных молекул биополимеров часто имеет сложный рельеф и эффективная упаковка молекул с образова-
нием большого числа межмолекулярных связей не всегда возможна. Поэтому молекулы многих биополимеров при переходе из растворов в волокно сохраняют характерную для изолированной молекулы упорядоченную структуру.
В отличие от цепочек простых полипептидов и полинуклеотидов молекулы белков и нуклеиновых кислот содержат, помимо идентичных периодически повторяющихся групп (фосфатносахарных— в нуклеиновых кислотах и пептидных — в белках), не регулярно чередующиеся различные боковые радикалы. Под симметрией молекул нуклеиновых кислот и фибриллярных белков подразумевают симметрию хребта или остова их молекулярных цепочек.
Известны случаи, когда молекула представляет собой специфический агрегат из нескольких цепочек (ДНК, коллаген). При анализе симметрии таких молекул необходимо учитывать дополнительно особенности взаимного расположения отдельных цепочек. Цепи в таких агрегатах могут располагаться в соответствии с простыми и винтовыми осями различных порядков, параллельными длине молекулы (например, ось 10/3 — коллаген), а также с осью второго порядка, перпендикулярной длине молекул (ДНК). Симметрия цепных молекул и их агрегатов подробно рассмотрена в работе Б. К. Вайнштейна [68].
Особый класс структур образуют «бусы» из глобулярных частиц—белковых глобул (актин, фибрин)—или белковых субъединиц (ВТМ). В этих структурах «бусы» как бы навиваются на цилиндрическую поверхность, образуя особые спирали. Так, спираль ВТМ содержит 49 белковых субъединиц в трех оборотах. Структурной единицей таких спиралей является не мономерное звено цепочки, а белковая глобула как целое. Соответственно параметры таких спиралей (толщина, величина витка) намного больше параметров простых спиралей белков и нуклеиновых кислот.
Упаковка цепных молекул в волокнах. В силу своей высокой анизотропии нитевидные молекулы стремятся расположиться параллельно одна другой. При этом оказывают* ся возможными два типа их взаимной упаковки.
Во-первых, параллельные молекулы могут быть уложены относительно Друг друга регулярным образом так, что идентичные группы всей совокупности этих молекул образуют трехмерную периодическую решетку (рис. 15, а). Однако возможен и другой тип упаковки, когда 'цепи, оставаясь параллельными, расположены одна относительно другой без какой-либо закономерной корреляции (рис. 15, б). Между этими двумя крайними случаями возможны и промежуточные, когда упаковка молекул не настолько совершенна, чтобы возникла строгая трехмерная периодичность в расположении идентичных групп, вместе с тем это расположение в известной мере является упорядоченным.
