Физические методы исследования белков и нуклеиновых кислот - Лазуркина Ю.С.
Скачать (прямая ссылка):
Рас'Мотрим сначала особенности строения регулярных структур иначе — «кристаллитов». С точки зрения геометрической они в некотором отношении подобны кристаллам, так как их основу составляет трехмерная периодическая решетка, состоящая из идентичных элементов. Однако в силу сравнительно легкой деформируемости длинных цепных молекул, строгая регулярность расположения сегментов различных цепочек не может выдерживаться в больших объемах. Поэтому кристаллиты, возникающие в полимерных структурах, сравнительно малы по размерам.
Рис. 15. Схема упаковки цепей в волокнах биополимеров
а—правильная кристаллическая упаковка цепей; б — неупорядоченная упаковка параллельных цепей
Одно из направлений элементарной ячейки таких кристаллитов всегда параллельно направлению молекулярной цепи. Два других направления, лежащие в плоскости, перпендикулярной длине цепочки, могут быть ориентированы любым образом (рис. 16). Так как макроскопические волокна состоят из множества мелких кристаллитов, практические приходится иметь дело с непрерывным набором ориентации кристаллитов вокруг оси волокна. Поэтому волокно в целом имеет аксиальную симметрию, или, иначе, аксиальную текстуру.
Для таких биополимеров, как нуклеиновые кислоты и фибриллярные белки, правильная кристаллическая структура в общем случае невозможна, так как их разнородные боковые группы не чередуются регулярно вдоль цепочки. Основу решетки этих полимеров может образовать лишь остов — хребет цепи, боковые группы играют роль аморфной набивки ячеек. Например, в кристаллических препаратах ДНК правильную пространственную решетку образуют лишь фосфатно-сахарные остовы цепочек, не регулярно чередующиеся пары оснований, хотя и имеют одинаковые размеры, не могут быть частью правильной кристаллической структуры.
а
6
Исключение составляют два белка — фиброин шелка и коллаген, в которых обнаружена более или менее правильная периодичность в чередовании некоторых боковых групп на отдельных сегментах цепей. Однако эта периодичность не является абсолютной, поэтому кристаллиты в этих белках также дефектны.
Второй тин упаковки более естествен для цепных молекул с разнородными, не регулярно чередующимися боковыми группами, расположенными на поверхности этих молекул. Расстояния между цепями в таких структурах не могут быть выдержаны достаточно строго, скорее можно говорить о некотором наборе-таких расстояний и характеризовать его функцией распределения. Подобным образом характеризуют набор межмолеку-лярных расстояний в жидкостях.
Угловая ориентация молекул вокруг оси, совпадающей с направлением их длины, в таких структурах может быть любой. Поэтому структура в целом имеет также аксиальную симметрию.
Взаимное расположение молекул по длинам не является регулярным.
Такие структуры получили название паракристаллов. Они возникают в фибриллярных белках, нуклеиновых кислотах и некоторых синтетических биополимерах.
Структуру промежуточного типа образует вирус табачной мозаики. Расстояния между его молекулами выдержаны довольно строго. Между ними может возникнуть достаточно плотный контакт, когда выступы одной частицы, расположенные по винтовой линии, попадают в пазы другой, расположенной таким же образом. Однако в упаковке молекул существует «винтовой беспорядок», соответствующий нерегулярной ориентации -частиц вокруг длинной оси и, следовательно, в силу спиральности их структуры — нерегулярным смещениям их по длине.
б. Дифракция рентгеновских лучей на волокнах
Анализ этого явления нам легче всего начать с рассмотрения особенностей дифракции рентгеновских лучей на волокнах, которые по своему строению близки к совокупности правильных кристаллитов, беспорядочно ориентированных вокруг оси аксиальной текстуры.
Рис. 16. Схема образования аксиальной текстуры в волокнах
4 Физические методы исследования белков
В чем состоят особенности дифракции на каждом из.таких кристаллитов, нам уже известно. Задача заключается в том, чтобы проанализировать их совокупное влияние на дифракционную картину. Так как они ориентированы беспорядочно, никаких регулярных фазовых соотношений между лучами, рассеянными разными кристаллитами, не возникнет. Поэтому дифракционная картина такого волокна будет представлять собой простое наложение дифракционных картин отдельных кристаллитов.
Каким будет результат этого наложения, легче всего понять, прибегнув к геометрическому изображению условия дифракцин для рассматриваемой системы. Условимся считать, что ось текстуры у нас совпадает с направлением 001 обратной решетки кристаллов и первичный луч перпендикулярен этому направлению. Непрерывному набору ориентации кристаллитов соответствует непрерывный поворот их обратной решетки вокруг оси текстуры. При этом узлы обратной решетки будут описывать окружности с радиусами, равными их расстояниям от оси текстуры.
Геометрические условия дифракции на такой совокупности кристаллитов могут быть представлены в виде схемы, изображенной на рис. 17. Точки пересечения сферы отражений подобными окружностями будут соответствовать, выполнению условий дифракции. Так как направление отраженных лучей совпадает с радиусами сферы, проходящими через эти точки пересечения, для каждой плоскости обратной решетки мы будем иметь конус таких лучей с определенным углом раствора. Эти конусы пересекутся с плоской пленкой по гиперболам, называемым слоевыми линиями. На каждой такой гиперболе будут лежать максимумы, соответствующие одной плоскости обратной решет-
