წყალბადის კავშირი ჩართულია მეორადი სტრუქტურის ფორმირებაში. მახასიათებლები, b-სტრუქტურა, b-bend

მოდით ვისაუბროთ სუსტი ურთიერთქმედების როლზე ბიოლოგიურ მაკრომოლეკულებში. მიუხედავად იმისა, რომ ისინი სუსტი არიან, მათი გავლენა ცოცხალ ორგანიზმებზე სულაც არ არის უმნიშვნელო. ბიოპოლიმერებში სუსტი ბმების ტიპების მოკრძალებული ნაკრები განსაზღვრავს ბიოლოგიური პროცესების მთელ მრავალფეროვნებას, რომლებიც, ერთი შეხედვით, არანაირად არ არის დაკავშირებული ერთმანეთთან: მემკვიდრეობითი ინფორმაციის გადაცემა, ფერმენტული კატალიზი, სხეულის მთლიანობის უზრუნველყოფა, მუშაობა. ბუნებრივი მოლეკულური მანქანები. და "სუსტის" განმარტება არ უნდა იყოს შეცდომაში შემყვანი - ამ ურთიერთქმედების როლი კოლოსალურია.

ეს ნაშრომი გამოქვეყნებულია 2015 წელს კონფერენციაზე Biology - Science of the 21st Century კონფერენციაზე პოპულარული სამეცნიერო სტატიების კონკურსის ფარგლებში.

რატომ ჰქვია სტატიას ასე? იმის გამო, რომ შედარებით ცოტა ხნის წინ, სუსტ ურთიერთქმედებებს ქიმიაში (კერძოდ, ბიოქიმიაშიც) აშკარად არასაკმარისი ყურადღება ექცეოდა. მკვლევარები დაახლოებით ასე მსჯელობდნენ: ”კოვალენტური ბმა ძლიერია, ამიტომ ნებისმიერი ნივთიერების თვისებები განისაზღვრება პირველ რიგში ატომებს შორის კოვალენტური ურთიერთქმედების ბუნებით. და სუსტი ურთიერთქმედება - წყალბადის, იონური, ელექტროსტატიკური ბმები- ამიტომაც არიან სუსტები, რადგან მათი როლი მატერიის თვისებების ფორმირებაში მეორეხარისხოვანია. მხოლოდ ქიმიაში ისეთი არაკლასიკური მიმართულებების განვითარებით, როგორიცაა სუპრამოლეკულური და საკოორდინაციო ქიმია, გაჩნდა სათანადო ინტერესი სუსტი ურთიერთქმედების მიმართ. უფრო მეტიც, აღმოჩნდა, რომ ატომებსა და მოლეკულებს შორის სუსტი ურთიერთქმედება ხშირად დიდ როლს თამაშობს ცოცხალი უჯრედის ფუნქციონირებაში.

ფაქტია, რომ „სუსტის“ განმარტებით წარმოშობილ ხილულ მინუსთან ერთად (მაგალითად, წყალბადის ბმა არის 15-20-ჯერ ნაკლები ძლიერი ვიდრე „ძლიერი“ კოვალენტური ბმა), ჩვენთვის საინტერესო ურთიერთქმედებაც აქვს უპირატესობა - ისინი ბევრად უფრო ადვილად წარმოიქმნება და ადიდებული. კოვალენტური ბმების წარმოქმნა ან გაწყვეტა საჭიროებს ქიმიურ რეაქციას, რომელიც მოითხოვს ენერგიას, გრძელდება დროის შთამბეჭდავი პერიოდი, მოითხოვს კატალიზებას და ა.შ. სუსტი ურთიერთქმედების ფორმირებისთვის კი საკმარისია მოლეკულის კონფორმაციის ცვლილება*. და თუ აღნიშნული ცოცხალი უჯრედი განიხილება როგორც კომპლექსური მოლეკულური მანქანა, მაშინ სწორედ სუსტი ურთიერთქმედებები აღმოჩნდება მასში ყველაზე დელიკატური კონტროლის ბერკეტად, რომელიც მგრძნობიარეა და რაც მთავარია სწრაფად რეაგირებს გარე გარემოში არსებულ ნებისმიერ ცვლილებაზე.

* - ასეთი ურთიერთქმედებისადმი უყურადღებობა ძვირი უჯდება ბიოლოგებს, ფარმაცევტებს და პაციენტებსაც კი - ხშირად სწორედ ბიომოლეკულების კონფორმაციული დინამიკის სფეროშია წამლების სელექციურობისა და წინააღმდეგობის განვითარების მზაკვრული ევოლუციური გეგმების გასაღები: ” » . - რედ.

დაკავშირებულია ერთი ჯაჭვით

სურათი 1. ვარაუდები ცილის სტრუქტურის შესახებ მეოცე საუკუნის ოციან და ოცდაათიან წლებში.

თუმცა, სულ რამდენიმე ათეული წლის წინ არავინ იცოდა ცოცხალ სისტემებში სუსტი ურთიერთქმედების ამ როლის შესახებ. მაგალითად, მე-19 საუკუნის ბოლოს ემილ ფიშერმა დაამტკიცა, რომ ცილა არის ხაზოვანი პოლიამიდირომელიც შედგება α-ამინომჟავების ნარჩენებისგან. დღესდღეობით ეს იდეა აქსიომად იქცა. დღესდღეობით ცოტას ახსოვს, რომ მეოცე საუკუნის პირველ მეოთხედში ყველაზე პატივცემულმა მეცნიერებმა ფიშერის სისწორეში ეჭვი შეიტანეს და გამოთქვეს მთელი რიგი ვარაუდები ცილის სტრუქტურის შესახებ - საკმაოდ ორიგინალური, თუმცა ამჟამად წმინდა ისტორიული ინტერესია (ნახ. 1). . მათი მსჯელობის მიმდინარეობა დაახლოებით ასეთი იყო. თუ ცილა, ფიშერის მიხედვით, წრფივი პოლიმერია, მაშინ ის უნდა იყოს ძაფის მსგავსი მოლეკულა, რომელიც იკეცება შემთხვევით ბურთად. როგორ ასრულებს ასეთი მოლეკულა ბიოლოგიურ ფუნქციებს? უნდა დავამატოთ, რომ იმ დროს უკვე გაჩნდა იდეები გლობულური ცილების შესახებ. ერთი შეხედვით, ცილის მოლეკულის კომპაქტური გლობული ფორმა ეწინააღმდეგებოდა გერმანელი ქიმიკოსის იდეებს.

გასული საუკუნის 20-30-იანი წლების იდეების გათვალისწინებით, ცილოვანი გლობული არის ჯვარედინი პოლიმერი, რომელიც შედგება სტაბილური ექვსწევრიანი რგოლებისგან, რომლებიც დაკავშირებულია, რა თქმა უნდა, ძლიერი კოვალენტური ბმებით. რუსი ქიმიკოსის (და ნახშირის გაზის ნიღბის შემქმნელის) იდეების მიხედვით ნ.დ. ზელინსკის, მაგალითად, ცილა შედგება დიკეტოპიპერაზინის რგოლებისგან, რომლებიც ამინომჟავების შიდა ამიდებია. არაერთმა სხვა ქიმიკოსმა წარმოადგინა ცილის გლობული, როგორც შედედებული პოლიარომატული სისტემა, მათ შორის აზოტოვანი ჰეტეროციკლები და ამინომჟავების არსებობა ცილის ჰიდროლიზატებში, მათი აზრით, არტეფაქტია ჰიდროლიზის დროს ჰეტეროციკლების გახსნის შედეგად.

მხოლოდ მეოცე საუკუნის ორმოციანი წლებიდან, ისეთი გამოჩენილი მეცნიერების ძალისხმევით, როგორებიცაა ლინუს პაულინგი, როზალინდ ფრანკლინი, ჯეიმს უოტსონი, ფრენსის კრიკი და მორის უილკინსი, სუსტი ურთიერთქმედების გამო ბიოპოლიმერების სტაბილური სტრუქტურების ფორმირების შესაძლებლობა გამოჩნდა. ჯ. უოტსონს, ფ. კრიკს და მ. უილკინსს მიენიჭათ ნობელის პრემია ფიზიოლოგიასა და მედიცინაში 1962 წელს „ნუკლეინის მჟავების მოლეკულური სტრუქტურის და მათი მნიშვნელობისთვის გენეტიკური ინფორმაციის გადაცემისთვის აღმოჩენებისთვის“. რ. ფრანკლინმა, სამწუხაროდ, არ იცოცხლა დამსახურებული პრიზის სანახავად (მაგრამ ლ. პოლინგი ორჯერ გახდა ნობელის პრემიის ლაურეატი). იმ წლებში გაირკვა, რომ თუ ცილოვანი გლობული იყო ჯვარედინი პოლიციკლი, ის, რა თქმა უნდა, იქნებოდა უაღრესად სტაბილური, მაგრამ ის ვერ შეასრულებდა ბიოლოგიურ ფუნქციებს, რადგან ის ვერ შეძლებდა რეაგირებას გარეგან. გავლენას ახდენს. ეს იქნებოდა "მკვდარი" მოლეკულა.

ამ დროს ყურადღება უნდა მიაქციოთ საინტერესო ფაქტს. იმისდა მიუხედავად, რომ ზელინსკის თეორია არ დადასტურდა, იგი იმპულსი იყო დიკეტოპიპერაზინების ქიმიის ფორმირებისთვის - მიმართულება, რამაც გამოიწვია მრავალი წამლის შექმნა. დიკეტოპიპერაზინის ბუნების მეორადი მეტაბოლიტები, მათ შორის სამკურნალო აქტივობის მქონე, ასევე ნაპოვნია ცოცხალ ბუნებაში, თუმცა არა როგორც ცილების ნაწილი. ამრიგად, თავდაპირველად არასწორმა ჰიპოთეზამ მოიტანა სასარგებლო პრაქტიკული შედეგი - ფენომენი, რომელიც ხშირად გვხვდება მეცნიერებაში.

ბონდი. წყალბადის ბმა

სურათი 2. წყალბადის ბმები ცილებში.

სუსტი ურთიერთქმედების ერთ-ერთი ყველაზე გავრცელებული ტიპია წყალბადის ბმები, წარმოიქმნება მოლეკულებში პოლარული ჯგუფების არსებობისას - ჰიდროქსილები, ამინო ჯგუფები, კარბონილები და ა.შ. ბიოპოლიმერების მაკრომოლეკულებში, როგორც წესი, ფართოდ არის წარმოდგენილი პოლარული ჯგუფები (ნატურალური რეზინის შესაძლო გამონაკლისის გარდა). წყალბადის კავშირის თავისებურება ის არის მისი სიძლიერე დამოკიდებულია არა მხოლოდ ჯგუფებს შორის მანძილზე, არამედ მათ სივრცულ მოწყობაზე(ნახ. 2). ყველაზე ძლიერი ბმა იქმნება მაშინ, როდესაც მის ფორმირებაში მონაწილე სამივე ატომი მდებარეობს ერთ სწორ ხაზზე დაახლოებით 3 Å სიგრძით. 20-30°-ის გადახრა ითვლება კრიტიკულად: კუთხის შემდგომი ზრდა იწვევს სიმტკიცის კატასტროფულ შემცირებას კავშირის სრულ გაქრობამდე. და ეს ენერგიულად არახელსაყრელია. ამრიგად, წყალბადის ბმები ემსახურება ბიოპოლიმერული სტრუქტურების სტაბილიზატორების ფუნქციას და აძლევს მათ სიმტკიცეს. მაგალითად, აღმოაჩინა ლ. პაულინგმა α-სპირალი- ცილის მეორადი სტრუქტურის ერთ-ერთი ტიპი - სტაბილიზირებულია წყალბადის ბმებით, რომლებიც წარმოიქმნება აზოტის წყალბადის ატომებსა და პეპტიდური ბმების კარბონილის ჯგუფებს შორის, სპირალის მიმდებარე მოხვევებზე. 1954 წელს, "ქიმიური ბმის ბუნების შესწავლისთვის და მისი გამოყენებისთვის რთული მოლეკულების სტრუქტურის ახსნისთვის", პაულინგმა მიიღო პირველი ნობელის პრემია - ქიმიაში. მან მიიღო მეორე (ასევე „ერთადერთი“) მშვიდობის პრემია 1962 წელს, მაგრამ სრულიად განსხვავებული საქმიანობისთვის.

დიდება ორმაგ სპირალს

ელეგანტური დნმ-ის ორმაგი სპირალი, რომელიც ნაჩვენებია მე-3 სურათზე, დაუყოვნებლივ შესამჩნევია. დღესდღეობით, შესაძლოა, არც ერთ ჰოლივუდურ პროდუქციას არ შეუძლია ამ მოლეკულის გამოსახულების გარეშე, რომელსაც ბუნებისმეტყველებაში გაუნათლებელი კინოპროდიუსერები ჭეშმარიტად მისტიკურ მნიშვნელობას ანიჭებენ. სინამდვილეში, მშობლიური დნმ შედგება ორი სარკისებური (დამატებითი) მაკრომოლეკულისგან, რომლებიც დაკავშირებულია წყალბადის ბმებით, როგორც ელვა. ნუკლეოტიდები, რომლებიც ქმნიან მაკრომოლეკულებს, შეიცავს ოთხ აზოტოვან ბაზას, რომელთაგან ორი წარმოებულია. პურინა(ადენინი და გუანინი), დანარჩენი ორი კი წარმოებულებია პირიმიდინი(თიმინი და ციტოზინი). ამ ნივთიერებების გამორჩეული თვისებაა ერთმანეთთან წყალბადის ბმების შერჩევითი ფორმირების უნარი. ადენინი ადვილად აყალიბებს ორმაგ წყალბადურ კავშირს თიმინთან ან ურაცილთან, მაგრამ ციტოზინთან კომპლექსი გაცილებით ნაკლებად სტაბილურია. გუანინი, თავის მხრივ, ციტოზინთან სამმაგი კავშირის ფორმირებას ახდენს. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, ბაზები „აღიარებენ“ ერთმანეთს. უფრო მეტიც, ეს მიდრეკილება იმდენად დიდია, რომ ადენინ-თიმინის (A-T) და გუანინ-ციტოზინის (G-C) კომპლექსები კრისტალიზდება დამოუკიდებელ ნივთიერებებად.

სურათი 3. ზემოთ: წყალბადის ობლიგაციები აზოტოვან ფუძეებს შორის, რომლებიც ასტაბილურებენ დნმ-ის სტრუქტურას. ქვემოთ: დნმ-ის ერთი შემობრუნების მოდელი B ფორმაში, შექმნილი რენტგენის დიფრაქციის მონაცემების საფუძველზე. ატომების ფერი: ჟანგბადი - წითელი, ნახშირბადი - ნაცრისფერი, წყალბადი - თეთრი, აზოტი - ლურჯი, ფოსფორი - ყვითელი. ფიგურა www.visual-science.com-დან.

რა თქმა უნდა, ისინი იქცევიან ისევე, როგორც პოლინუკლეოტიდების ნაწილი. წყალბადის ბმები A-T და G-C წყვილებს შორის აკავშირებს დნმ-ის ორ ჯაჭვს ერთმანეთთან და ქმნის ცნობილ ორმაგ სპირალს. იგივე საბაზისო მიდრეკილება იძლევა დამატებით პოლინუკლეოტიდის ჯაჭვის აგებას არსებულ შაბლონზე. ნუკლეინის მჟავები მეცნიერებისთვის ცნობილი ერთადერთი მოლეკულაა, რომელსაც შეუძლია გამრავლება (გამრავლება). ამ ქონებამ მათ საშუალება მისცა გამხდარიყვნენ მემკვიდრეობითი ინფორმაციის მატარებლები.

აშკარაა, რომ სამმაგი წყალბადის ბმა G–C წყვილში უფრო ძლიერია, ვიდრე ორმაგი A–T–ში. როგორც ჩანს, ამან, ისევე როგორც ფიზიკურ-ქიმიურმა კავშირმა პირველად ამინომჟავებსა და გარკვეულ ნუკლეოტიდებს შორის, მნიშვნელოვანი როლი ითამაშა ფორმირებაში. გენეტიკური კოდი. G–C წყვილებით მდიდარი დნმ განიცდის თერმულ დენატურაციას (მოლეკულური ბიოლოგების პროფესიულ ენაზე ისინი „დნება“, თუმცა დნმ-ის დენატურაცია არ ეხება დნობის პროცესს ამ სიტყვის მკაცრი გაგებით) უფრო მაღალ ტემპერატურაზე. მაგალითად, თერმოფილური ბაქტერიების დნმ დენატურდება 100 °C-მდე მიახლოებულ ტემპერატურაზე, ხოლო ხელოვნური დნმ, რომელიც შედგება მხოლოდ A–T წყვილებისგან, დენატურდება მხოლოდ 65 °C ტემპერატურაზე. დნმ-ის „დნობა“ ირიბად ვლინდება მეშვეობით ჰიპერქრომული ეფექტი- 280 ნმ ტალღის სიგრძით ულტრაიისფერი სინათლის შთანთქმის გაზრდა აზოტოვანი ბაზებით, რომლებიც მშობლიურ დნმ-ის მოლეკულაში შეფუთულია სპირალის შიგნით და სუსტად შეიწოვება.

გამოდის, რომ სიცოცხლის საფუძველი - მემკვიდრეობა - წყალბადის ბმების წარმოქმნაზე მოდის. მაგრამ მემკვიდრეობა მხოლოდ ერთია მრავალი მაგალითიდან. მთელი მოლეკულური ბიოლოგია ეფუძნება ინტერმოლეკულური ამოცნობადა ის, თავის მხრივ, დაფუძნებულია სუსტ ურთიერთქმედებებზე. ეს ყველაფერი არის გენეტიკური ფერმენტები, რიბოსომა, tRNA, რნმ ჩარევა და ა.შ. ეს არის იმუნიტეტი. ეს არის რეცეპტორ-ლიგანდის ურთიერთქმედების მრავალი ვარიანტი. საბოლოო ჯამში - თავად სიცოცხლე!

რა თქმა უნდა, მემკვიდრეობითი ინფორმაციის გადაცემის შესანიშნავი მექანიზმის შექმნის შემდეგ, ბუნებაც ზრუნავდა იმაზე, თუ როგორ დაიშლებოდა იგი. პირიმიდინის ბაზის მიმეტიკები 5-ჰალოგენურაცილი (5-ფტორურაცილი, 5-ბრომოურაცილი და სხვ.) მიეკუთვნება სუპერმუტაგენების კლასს - მათი თანდასწრებით გენის მუტაციების სიხშირე იზრდება რამდენიმე რიგით. ალბათ, 5-ჰალოგენურაცილის ეს თვისება დაკავშირებულია მათ არსებობასთან ორ ტავტომერულ ფორმაში: ნორმალური კეტო ფორმით ისინი ქმნიან ორმაგ წყალბადურ კავშირს ადენინთან, თიმინის სახით, ხოლო იშვიათი ენოლის სახით ისინი ხდებიან ციტოზინის და ანალოგები. გუანინთან სამმაგი კავშირის შექმნა (ნახ. .4). 5-ჰალოგენურაცილის ეს „გაორება“ იწვევს რეპლიკაციის სიმკაცრის დარღვევას და მუტაციის შესაძლო კონსოლიდაციას, თუ ისინი მოახერხებენ ნუკლეოტიდში ინტეგრირებას.

სურათი 4. 5-ჰალოგენურაცილის მუტაგენური ეფექტის მექანიზმი (5-ბრომოურაცილის მაგალითის გამოყენებით).

ვან დერ ვაალსის სახელის ძალა

სურათი 5. ვან დერ ვაალის ურთიერთქმედების პოტენციალის დამახასიათებელი პარამეტრები.

წყალბადის ბმები, რა თქმა უნდა, არ არის სუსტი ურთიერთქმედების ერთადერთი ტიპი. ვან დერ ვაალსიურთიერთქმედება არანაკლებ როლს თამაშობს ცოცხალ ბუნებაში.

"გველის" თავსატეხი, ან ზღაპარი ბრუნვის კუთხეების შესახებ

ბიოპოლიმერის მოლეკულებს ხშირად აქვთ ძალიან მაღალი მოლეკულური წონა - ასობით ათასამდე და მილიონობით დალტონამდეც კი. ასეთი მასიური მოლეკულები შეიცავს უამრავ ატომურ ჯგუფს და თეორიულად შეუძლიათ კონფორმაციების ასტრონომიული რაოდენობის მიღება. პრაქტიკაში, ნებისმიერი ბიოპოლიმერი სტანდარტულ პირობებში მიდრეკილია მიიღოს ბუნებრივი კონფორმაცია, რომელშიც ის არსებობს ცოცხალ ორგანიზმში. ამ პარადოქსის დაუყოვნებლივ ახსნა ადვილი არ არის. სინამდვილეში, რა უშლის ხელს მოქნილ მოლეკულას მუდმივად შეცვალოს თავისი გეომეტრია უწყვეტი თერმული მოძრაობის დროს?

პასუხი მდგომარეობს იმაში, რომ პოლიპეპტიდის მოლეკულის კონფორმაციის ცვლილება ყოველთვის იწყება პოლიპეპტიდის მთავარი ჯაჭვის ატომურ ჯგუფებს შორის კუთხეების ცვლილებით (ჟარგონში სახელწოდებით „ზურგი“), ე.წ. ბრუნვის კუთხეები, აღინიშნება ბერძნული ასოებით Φ (ნახშირბად-აზოტის ბმებისთვის) და Ψ (ნახშირბად-ნახშირბადის ბმებისთვის). აღმოჩნდა, რომ ბრუნვის კუთხეების ყველა თეორიულად პროგნოზირებული მნიშვნელობა არ შეიძლება განხორციელდეს რეალობაში.

ცნობილმა ინდოელმა მეცნიერებმა რამაჩანდრანმა და სასისეხარანმა შეისწავლეს ცილოვანი ჯაჭვების კონფორმაციები და მათი ძალისხმევის ნაყოფი იყო კონფორმაციების რუკა, რომელიც მათ სახელს ატარებს (სურ. 6). რუკაზე თეთრი ველი არის აკრძალული კუთხის მნიშვნელობები, ნარინჯისფრად შემოხაზული და დაჩრდილული ნებადართულია, მაგრამ არახელსაყრელი, ხოლო წითლად შემოხაზული და მჭიდროდ დაჩრდილული არის ცილის ბუნებრივი კონფორმაცია. ჩანს, რომ თითქმის მთელი რუკა თეთრად არის შეღებილი. ამრიგად, ცილის ბუნებრივი კონფორმაცია ცოცხალი ორგანიზმის პირობებში ყველაზე ენერგიულად ხელსაყრელია და ცილა სპონტანურად იღებს მას. თუ ბიოპოლიმერებს ექნებოდათ მეტი კონფორმაციული თავისუფლება, ცოცხალი მოლეკულური მანქანის კარგად ფუნქციონირება შეუძლებელი გახდებოდა.

სურათი 6. პოლიპეპტიდების სივრცითი სტრუქტურის დამოკიდებულება ბრუნვის კუთხეებზე. მარცხენა:რამაჩანდრან-სასისეხარანის რუკა აკრძალული (თეთრი ველი) და დაშვებული (დაჩრდილული ველი) დიდი ამინომჟავების ნარჩენების კონფორმაციებისთვის, როდესაც ბრუნავს ბრუნვის კუთხეების Φ და Ψ ცილის ჯაჭვში. (სწორედ ეს კუთხეები განსაზღვრავს ხაზოვანი პოლიპეპტიდური ჯაჭვების მთელ კონფორმაციულ მრავალფეროვნებას.) Φ და Ψ კუთხეების მნიშვნელობები -180°-დან +180°-მდე გამოსახულია აბსცისა და ორდინატთა ღერძების გასწვრივ. წითელ წრეში, ყველა გვერდითი ჯგუფის კონფორმაცია დაშვებულია χ 1 კუთხით α-სპირალებისთვის და β-ფურცლებისთვის; ნარინჯისფრად შემოხაზულ არეში, χ 1 კუთხეები აკრძალულია. (χ კუთხეები განსაზღვრავს დაშვებულ პოზიციებს ამინომჟავების ნარჩენების გვერდითი შემცვლელებისთვის ცილაში, მთლიანობაში დაკეცვის სივრცულ ტიპზე გავლენის გარეშე.) მარჯვენა:ბრუნვის კუთხეების Φ და Ψ აღნიშვნები პოლიპეპტიდის მოლეკულაში. სწორედ ისინი აძლევენ საშუალებას ცილის ჯაჭვებს, „გველის“ თავსატეხის მსგავსად, მიიღონ ცილის მოლეკულების დასაკეცი სახეობების უზარმაზარი მრავალფეროვნება.

თანამედროვე კომპიუტერული ბიოფიზიკა ცდილობს შექმნას ბიოპოლიმერების რეალისტური მოდელი ისე, რომ მხოლოდ მოლეკულის (მისი პირველადი სტრუქტურის) თანმიმდევრობის საფუძველზე შესაძლებელი იყოს სივრცითი სტრუქტურის პროგნოზირება, რადგან ბუნებაში ჩვენ ვხედავთ, რომ ეს არის ზუსტად ის, რაც ხდება: ცილის "მშობლიურ" კონფორმაციაში სპონტანური დაკეცვის პროცესს ეწოდება დასაკეცი(ინგლისურიდან დასაკეცი- დაკეცეთ, დაკეცეთ). თუმცა, ამ პროცესის ფიზიკის გაგება ჯერ კიდევ შორს არის იდეალურისგან და თანამედროვე გამოთვლითი ალგორითმები, თუმცა გამამხნევებელ შედეგებს იძლევა, მაგრამ მაინც შორს არიან კონკურსის საბოლოოდ გამარჯვებისგან.

წყლის შიში და რა შუაშია ბიომოლეკულების სტრუქტურა?

ბუნებაში ბიოპოლიმერების უმეტესობა გვხვდება წყლის გარემოში. წყალი კი, თავის მხრივ, ძლიერ ასოცირებულ სითხეს წარმოადგენს, რომელიც წყალბადის ბმების სამგანზომილებიანი ქსელით „ჯვარედინად არის დაკავშირებული“ (ნახ. 7). ამით აიხსნება წყლის არანორმალურად მაღალი დუღილის წერტილი: თხევად წყალსაც კი კრისტალური გისოსის მსგავსება აქვს. H2O-ს ეს სტრუქტურა ასევე დაკავშირებულია მასში სხვადასხვა ნივთიერების შერჩევით ხსნადობასთან. ნაერთები, რომლებსაც შეუძლიათ წყალბადის ბმები წარმოქმნან პოლარული ჯგუფების არსებობის გამო (საქაროზა, ეთილის სპირტი, ამიაკი) ადვილად ინტეგრირდება წყლის „კრისტალურ ბადეში“ და სრულყოფილად ხსნადია. პოლარული ჯგუფებისგან დაცლილ ნივთიერებებს (ბენზოლი, ნახშირბადის ტეტრაქლორიდი, ელემენტარული გოგირდი) არ შეუძლიათ წყალბადის ბმების ქსელის „გარღვევა“ და წყალთან შერევა. შესაბამისად, ნივთიერებების პირველ ჯგუფს ეწოდება "ჰიდროფილური" (წყლისმოყვარე), ხოლო მეორე ჯგუფს - "ჰიდროფობიური" (წყალმომგვრელი).

სურათი 7. ჰიდროფობიური ბმები ცილაში. ზედა მარცხენა:ნორმალური ყინული. წერტილოვანი ხაზი - H-ბმები. ყინულის ღია სტრუქტურაში ჩანს პატარა ღრუები, რომლებიც გარშემორტყმულია H2O მოლეკულებით. ზედა მარჯვენა:არაპოლარული მოლეკულის ირგვლივ წყალბადთან დაკავშირებული H2O მოლეკულების არარეგულარული შეფუთვის დიაგრამა. ქვემოთ:წყალში ჩასმული ცილის მოლეკულის წყლისთვის ხელმისაწვდომი ზედაპირი. მწვანე წერტილები აჩვენებს ატომების ცენტრებს, რომლებიც ესაზღვრება წყალს; მწვანე ხაზი არის მათი ვან დერ ვაალსის ჭურვები. წყლის მოლეკულა წარმოდგენილია ლურჯი ბურთით (რადიუსი 1,4 Å). წყლისთვის ხელმისაწვდომ ზედაპირს (წითელ ხაზს) ქმნის ამ ბურთის ცენტრი, როდესაც ის ტრიალებს წყალქვეშა მოლეკულის გარშემო და ეხება მისი გარე ატომების ვან დერ ვაალის ზედაპირებს.

წყლის კონტაქტი ჰიდროფობიურ ზედაპირთან ენერგიულად უკიდურესად არახელსაყრელია. წყალი მიდრეკილია შეინარჩუნოს წყალბადური ბმები, მაგრამ რეგულარული სამგანზომილებიანი ქსელი ვერ ჩამოყალიბდება ინტერფეისზე (ნახ. 7). შედეგად აქ იცვლება წყლის სტრუქტურა: უფრო მოწესრიგებული ხდება, მოლეკულები კარგავენ მობილობას, ე.ი. ფაქტობრივად, წყალი იყინება 0°C-ზე მაღალ ტემპერატურაზე! ბუნებრივია, წყალი ცდილობს მინიმუმამდე შეამციროს არასახარბიელო ურთიერთქმედება. ეს განმარტავს, მაგალითად, თუ რატომ ერწყმის წყლის ზედაპირზე ზეთის მცირე წვეთები ერთ დიდ წვეთად: სინამდვილეში, ეს არის თავად წყალხსნარი, რომელიც უბიძგებს მათ ერთმანეთთან და ცდილობს შეამციროს კონტაქტის ზედაპირის ფართობი.

ცილები და ნუკლეინის მჟავები შეიცავს როგორც ჰიდროფილურ, ასევე ჰიდროფობიურ ნაწილებს. ამიტომ, ცილის მოლეკულა, ერთხელაც წყალში, იკეცება გლობულში ისე, რომ ჰიდროფილური ამინომჟავის ნარჩენები (გლუტამინი, გლუტამინის მჟავა, ასპარაგინი, ასპარტინის მჟავა, სერინი) გამოჩნდება მის ზედაპირზე და შედის კონტაქტში წყალთან, და ჰიდროფობიურები (ფენილალანინი, ტრიპტოფანი, ვალინი, ლეიცინი, იზოლეიცინი) - გლობულის შიგნით და ერთმანეთთან კონტაქტში, ე.ი. ქმნიან ჰიდროფობიურ კონტაქტებს ერთმანეთთან*. ანუ ცილის მესამეულ სტრუქტურაში დაკეცვის პროცესი ნავთობის წვეთების შერწყმის პროცესის მსგავსია და თითოეული ცილის მესამეული სტრუქტურის ბუნება განისაზღვრება ამინომჟავების ნარჩენების შედარებითი განლაგებით. აქედან გამომდინარეობს წესი - ცილის ყველა შემდგომი (მეორადი, მესამეული და მეოთხეულიც კი) სტრუქტურა განისაზღვრება მისი პირველადი სტრუქტურით.

* - ეს სრულიად მართალია მხოლოდ მცირე და წყალში ხსნად ცილებზე, ხოლო ბიომემბრანაში ან მსხვილ ცილოვან კომპლექსებში ჩაშენებული ცილები შეიძლება უფრო რთული იყოს. მაგალითად, მემბრანის ცილები ორგანიზებულია თითქმის საპირისპიროდ, რადგან ისინი კონტაქტში არიან არა პოლარულ გამხსნელთან, არამედ ლიპიდური ორფენის ჰიდროფობიურ გარემოსთან: » . - რედ.

როგორც უკვე აღვნიშნეთ, დნმ-ის ორმაგი სპირალი წარმოიქმნება ფუძეებს შორის წყალბადის ბმების გამო. თუმცა, ყოველი ჯაჭვის შიგნით, მეზობელი აზოტოვანი ფუძეები დაწყობილია ჰიდროფობიური კონტაქტებით (ამ შემთხვევაში ეწოდება "დაწყობის ურთიერთქმედება"). დნმ-ის მოლეკულის ჰიდროფილური შაქრის-ფოსფატის ხერხემალი, თავის მხრივ, ურთიერთქმედებს წყალთან.

სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, ბიოპოლიმერების უმეტესობის მშობლიური სტრუქტურა (გამონაკლისია, მაგალითად, უჯრედების ლიპიდურ მემბრანებში ჩაძირული ცილები) იქმნება წყლის გარემოდან - ბუნებრივი გარემო ნებისმიერი ცოცხალი ორგანიზმის შიგნით. ეს დაკავშირებულია ბიოპოლიმერების მყისიერ დენატურაციასთან ორგანულ გამხსნელებთან შეხებისას.

ჰიდროფილური ზედაპირის წყალობით, ბუნებრივი ბიოპოლიმერის მოლეკულები დაფარულია მოცულობითი დამატენიანებელი გარსით („ჰიდრატული საფარი“). რამდენად დიდი და მჭიდროდ არის შეკრული წყლის მოლეკულების ეს საფარი, მოწმობს ის ფაქტი, რომ პროტეინის ყველა კრისტალი შედგება დაახლოებით 60% შეკრული წყლისგან. ამავდროულად, ძნელია უარი თქვას იმ აზრზე, რომ დამატენიანებელი საფარი ცილის მოლეკულის ისეთივე განუყოფელი ნაწილია, როგორც თავად პოლიპეპტიდური ჯაჭვი, თუმცა ასეთი აზრი ეწინააღმდეგება დადგენილ იდეებს ქიმიური ნივთიერებების ინდივიდუალურობის შესახებ. და მაინც, აშკარაა, რომ დამატენიანებელ გარსს შეუძლია განსაზღვროს ბიოპოლიმერის თვისებები და მისი ფუნქციები, და ამ დღეებში პოპულარული იდეები წყლის სტრუქტურის შესახებ სავსეა ახალი (მეცნიერული) მნიშვნელობით.

სიცოცხლისუნარიანობის მუხტი

ნახაზი 8. ელექტროსტატიკური ურთიერთქმედება ცილასა და წყლის გარემოს შორის.წყლის მოლეკულების ორიენტაცია (გამოსახულია როგორც დიპოლები) ცილის და მუხტის გარშემო (დადებითად ნაჩვენები მხოლოდ სიცხადისთვის).

რა თქმა უნდა, ბიოპოლიმერის მოლეკულების ზედაპირი მხოლოდ ჰიდროფილურობით არ ხასიათდება. მათი ზედაპირი, როგორც წესი, ელექტრულ მუხტს ატარებს. ცილები შეიცავს დამუხტულ კარბოქსილს და ამინო ჯგუფებს, ნუკლეინის მჟავები შეიცავს ფოსფატულ ჯგუფებს, პოლისაქარიდები შეიცავს კარბოქსილის, სულფატულ და ბორატულ ჯგუფებს. ამრიგად, ბიოპოლიმერების თანდაყოლილი სუსტი ურთიერთქმედების სხვა ტიპია იონური ბმები - როგორც შიდა, თავად მოლეკულის რადიკალებს შორის, ასევე გარეგანი - ლითონის იონებთან ან მეზობელ მაკრომოლეკულებთან (ნახ. 8).

კომპეტენტური კოორდინაცია

რა თქმა უნდა, არ შეიძლება არ აღინიშნოს სუსტი ურთიერთქმედების კიდევ ერთი მნიშვნელოვანი ტიპი - კოორდინაციის დაწყვილება. სურათი 9 გვიჩვენებს სამვალენტიანი კობალტის ხელოვნურ კომპლექსს სინთეზურ ლიგანდთან, ეთილენდიამინტეტრაძმარმჟავასთან (EDTA). ბიოპოლიმერების ბუნებრივ კომპლექსებს, რა თქმა უნდა, უფრო რთული სტრუქტურა აქვთ, მაგრამ ზოგადად ისინი ძალიან ჰგავს წარმოდგენილს. პოლივალენტური ლითონების კომპლექსები დამახასიათებელია ცილებისა და პოლისაქარიდებისთვის. მეტალოპროტეინები ბიოპოლიმერების ფართო კლასია. მათ შორისაა ჟანგბადის გადამზიდავი ცილები, მრავალი ფერმენტი და მემბრანის ცილები - ბმულები ელექტრონების სატრანსპორტო ჯაჭვებში. მეტალოპროტეინებს აქვთ გამოხატული კატალიზური აქტივობა. და მიუხედავად იმისა, რომ პირდაპირი კატალიზატორი არის გარდამავალი ლითონის იონი, პოლიპეპტიდური ჯაჭვები ემსახურება როგორც კატალიზის მძლავრ გამაძლიერებელს და გარდა ამისა, მათ შეუძლიათ მიმართონ ლითონის აქტივობას, თრგუნონ მისი გვერდითი კატალიზური თვისებები, რითაც გაზრდის კატალიზის ეფექტურობას შეკვეთებით. სიდიდის. ამ გზით მიიღწევა მეტაბოლური პროცესების სრულყოფა და მათი უჩვეულოდ დახვეწილი რეგულირების შესაძლებლობა.

სურათი 9. საკოორდინაციო ბმულები. ა - ოქტაედრული კომპლექსის სტრუქტურა, რომელიც წარმოიქმნება Co 3+ ატომით EDTA-სთან ერთად. ბ - ცენტრალური იონის დამახასიათებელი კოორდინაცია მისი რადიუსის სხვადასხვა შეფარდებით მის გარშემო მყოფი ელექტრონების დონორების რადიუსებთან. ნახატიდან.

მეორადი სტრუქტურები

ცილებს ახასიათებს ორი ტიპის მეორადი სტრუქტურა. α-სპირალი ზემოთ უკვე არაერთხელ იქნა განხილული. აქ მხოლოდ შეგვიძლია დავამატოთ, რომ α-სპირალის ორი ტიპია შესაძლებელი - მემარჯვენე (აღნიშნავს ასო R-ით) და მარცხენა (აღნიშნავს ასო L-ით). ბუნებაში ცნობილია მხოლოდ მემარჯვენე ხვეულები - ისინი ბევრად უფრო სტაბილურია (სურ. 10). რა თქმა უნდა, α-ჰელიქსის ფორმირება შესაძლებელია მხოლოდ ამინომჟავების ერთი ოპტიკური იზომერისგან.

კიდევ ერთი გავრცელებული ცილის სტრუქტურა არის დაკეცილი β-ფურცელი. თუ α-სპირალში წყალბადის ბმები წარმოიქმნება მოხვევებს შორის, მაშინ β-ფურცელში ისინი წარმოიქმნება მიმდებარე ძაფებს შორის, ქმნიან დიდ დაკეცილ ორგანზომილებიან სტრუქტურას ("ფურცელი"). ეს სტრუქტურა დამახასიათებელია ფიბრილარული ცილებისთვის, მაგალითად, ბუნებრივი აბრეშუმის ფიბროინისთვის. იმისდა მიუხედავად, რომ ერთი წყალბადის ბმა არ არის ძლიერი, ასეთი ობლიგაციების უზარმაზარი რაოდენობისა და სწორი მონაცვლეობის წყალობით, მიიღწევა ჯაჭვების ძალიან ძლიერი ჯვარედინი კავშირი. ეს თავის მხრივ ხდის აბრეშუმის ძაფს ფენომენალურად დაჭიმვის სიმტკიცეს - უფრო მტკიცე ვიდრე იმავე დიამეტრის ფოლადის მავთული.

სურათი 10. ცილის მეორადი სტრუქტურები. ზედა მარცხენა:მარჯვენა α-სპირალი. ა - ატომური სტრუქტურა. R - გვერდითი ჯგუფები. ლურჯი ხაზები წყალბადის ბმებია. ბ - იგივე α-სპირალის ერთი შემობრუნების სქემატური წარმოდგენა (ბოლო ხედი). ისარი გვიჩვენებს სპირალის ბრუნვას (თითო ნარჩენზე) ჩვენთან მოახლოებისას (ნარჩენების რაოდენობა მცირდება). ზედა მარჯვენა:პოლიპეპტიდური ჯაჭვის მეორადი აგებულება (α-სპირალი და β-ფურცლის ჯაჭვი) და მესამეული სტრუქტურა - პოლიპეპტიდური ჯაჭვი განლაგებულია გლობულში. ქვედა მარცხენა:მარჯვენა (R) და მარცხენა (L) სპირალები. მათ ქვემოთ არის დადებითი კუთხის ათვლა ტრიგონომეტრიაში, ხოლო ისარი „ჩვენთან ახლოს“ ბრუნავს. წინააღმდეგსაათის სიხშირე (შეესაბამება R-სპირალს). ქვედა მარჯვენა:β-სტრუქტურის ფურცელს აქვს დაკეცილი ზედაპირი. გვერდითი ჯგუფები (მცირე პროცესები) განლაგებულია ნაკეცებზე და მიმართულია იმავე მიმართულებით, როგორც ნაოჭი, ე.ი. ქვევით და ზევით მიმართული გვერდითი ჯგუფები მონაცვლეობენ β-ძაფის გასწვრივ. ნახატიდან.

კონფორმაციების სრული სპექტრი

სუსტი ურთიერთქმედების როლი ბიოპოლიმერებში დასტურდება სპექტროსკოპიული კვლევის მეთოდებით. სურათი 11 გვიჩვენებს სინთეზური პოლიპეპტიდის პოლილიზინის IR (ინფრაწითელი) და CD (წრიული დიქროიზმი) სპექტრის ფრაგმენტებს, რომელიც არის სამ კონფორმაციებში - α-სპირალი, β-ფურცელი და მოუწესრიგებელი ხვეული. საოცარია, რომ სპექტრები საერთოდ არ ემთხვევა ერთმანეთს, თითქოს სამი განსხვავებული ნივთიერებისგანაა აღებული. ანუ, ამ შემთხვევაში სუსტი ურთიერთქმედება განსაზღვრავს მოლეკულის თვისებებს არანაკლებ კოვალენტური ბმებით.

სურათი 11. პოლილიზინის სამი კონფორმაციის შთანთქმის სპექტრების შედარება. მარცხენა: CD სპექტრის დამახასიათებელი ფორმები ("შორს" UV-ში) პოლილიზინისთვის α-სპირალში, β-სტრუქტურისა და აწესრიგებული ხვეულის (r) კონფორმაციაში. მარჯვენა: IR გადამცემი სპექტრების დამახასიათებელი ფორმები, რომლებიც იზომება მძიმე წყალში (D 2 O) პოლილიზინისთვის იმავე კონფორმაციებში. ამ შემთხვევაში, გაზომვები ჩატარდა "ამიდ I" რეგიონში, რომელიც ასახავს C=O ბმის ვიბრაციას. ნახატიდან.

ოცი ძალაუფლებით ნ

ცილოვანი ჯაჭვების კონფორმაციების რაოდენობა ბევრჯერ იზრდება მათ შემადგენლობაში შემავალი ამინომჟავების სიმრავლის გამო. არსებობს ოცი პროტეინოგენური ამინომჟავა და ისინი გამოირჩევიან გვერდითი რადიკალების მრავალფეროვნებით. გლიცინში, მაგალითად, გვერდითი რადიკალი მცირდება წყალბადის ერთ ატომამდე, ხოლო ტრიპტოფანში ეს არის მასიური და სტრუქტურულად რთული სკატოლის ნარჩენი. რადიკალები არის ჰიდროფობიური და ჰიდროფილური, მჟავე და ძირითადი, არომატული, ჰეტეროციკლური და გოგირდის შემცველი.

რა თქმა უნდა, ამინომჟავების ნარჩენების გვერდითი რადიკალების თვისებები აისახება პოლიპეპტიდური ჯაჭვის კონფორმაციულ თვისებებში. ისინი, კერძოდ, გავლენას ახდენენ ბრუნვის კუთხეების მნიშვნელობებზე და შეასწორებენ რამაჩანდრანის რუქებს. მათზეა დამოკიდებული ცილის მოლეკულის მუხტიც, მისი იზოელექტრული წერტილი- ცილის თვისებების ერთ-ერთი ყველაზე მნიშვნელოვანი მაჩვენებელი (სურ. 12). მაგალითად, ასპარტინის მჟავის ნარჩენი უარყოფით მუხტს კარგავს მხოლოდ ძლიერ მჟავე გარემოში, pH 3-ზე. ძირითადი ამინომჟავის ნარჩენი არგინინი, პირიქით, კარგავს თავის დადებით მუხტს pH 13-ზე, ძლიერ ტუტე გარემოში. ტუტე გარემოში, pH 11-ზე, ტიროზინის ფენოლური ჰიდროქსილი დამუხტულია, ხოლო pH 10-ზე იგივე ხდება ცისტეინის სულფჰიდრილ ჯგუფთან. დიდ ინტერესს იწვევს ჰისტიდინი, რომლის რადიკალი მოიცავს იმიდაზოლის რგოლს: ეს უკანასკნელი იძენს დადებით მუხტს pH 6-ზე, ე.ი. ფიზიოლოგიურ პირობებში. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, ორგანიზმში მუდმივად ხდება ჰისტიდინის ნარჩენების დამუხტული და დაუმუხტი ფორმების ურთიერთ ტრანსფორმაციები. გადასვლის ეს სიმარტივე განსაზღვრავს ჰისტიდინის ნარჩენების კატალიზურ აქტივობას: ეს ამინომჟავა, კერძოდ, არის მრავალი ფერმენტის აქტიური ცენტრების ნაწილი, როგორიცაა ნუკლეაზები.

სურათი 12. ამინომჟავების გვერდითი რადიკალების სტრუქტურებისა და თვისებების მრავალფეროვნება ცილებში. ზედა მარცხენა:ოცი სტანდარტული ამინომჟავის ნარჩენების გვერდითი ჯაჭვები. ზედა მარჯვენა:გვერდითი ჯგუფები, რომლებიც (თუ ყველა არაპოლარულია) შეუძლიათ შექმნან ერთიანი ჰიდროფობიური ზედაპირები α-სპირალებზე და β-სტრუქტურულ რეგიონებზე. პოლარული ჯგუფების მსგავსი კომბინაციები ჯაჭვში იწვევს ჰიდროფილური რეგიონების წარმოქმნას α-სპირალისა და β-ძაფების საპირისპირო ზედაპირებზე. ქვემოთ:იონიზირებადი გვერდითი ჯგუფების მუხტი, აგრეთვე პეპტიდური ჯაჭვის N-ბოლო (NH 2-C α) და მისი C-ტერმინალი (C α-C’OOH) სხვადასხვა pH-ზე. ნახატიდან.

ორმაგი სამმაგი Helix

როგორც ზემოთ აღინიშნა, არავის სჭირდება დნმ-ის ორმაგი სპირალის შემოღება. კოლაგენის სამმაგი სპირალი გაცილებით ნაკლებად ცნობადია და დაუმსახურებლად, რადგან კოლაგენი არის აკორდების ორგანიზმის მთავარი ცილა (და მისგან შედგება შემაერთებელი ქსოვილები).

კოლაგენს აქვს ცუდი ამინომჟავის შემადგენლობა: მას აკლია არომატული ამინომჟავები, მაგრამ გამდიდრებულია გლიცინით და პროლინით. ასევე უჩვეულოა კოლაგენის პოლიპეპტიდური ჯაჭვების ამინომჟავების თანმიმდევრობა: ამინომჟავები მონაცვლეობენ სწორი თანმიმდევრობით; ყოველი მესამე ნარჩენი არის გლიცინი. თითოეული კოლაგენის ჯაჭვი გრეხილია სპეციალურ მარცხენა სპირალში (შეგახსენებთ, რომ α-სპირალი თითქმის ყოველთვის მემარჯვენეა) და ჯაჭვები ერთად გადაუგრიხეს მარჯვნივ. სამმაგი("კოლაგენი") supercoil(სურ. 13).

სურათი 13. კოლაგენის სუპერჰელიქსის მოდელი და მისი ფორმირება. მარცხენა:მიმდევრობის მოდელი (გლიცინი-პროლინ-პროლინი) n. თითოეული ჯაჭვი ხაზგასმულია საკუთარი ფერით. აღინიშნება გლიცინის NH ჯგუფების (ლურჯი) წყალბადის ბმა H ატომები და Gly–Pro–Pro სამმაგი (წითელი) პირველი პროლინის CO ჯგუფების O ატომები. ამ შემთხვევაში, "1" ჯაჭვის Gly ამყარებს კავშირს ჯაჭვთან "2", ხოლო Pro - ჯაჭვთან "3" და ა.შ. დანარჩენი ორის ირგვლივ ტრიალდება, კოლაგენის თითოეული ჯაჭვი იქმნება უფლებასუპერ სპირალი. "სუპერ" - რადგან უფრო მცირე მასშტაბით, ცალკეული ნარჩენების კონფორმაციების მასშტაბით, კოლაგენური ჯაჭვი უკვე ქმნის პოლი(პრო) II ტიპის სპირალს (ეს "მიკროჰელიქსი" არის დატოვა); ის შეიძლება გამოიკვეთოს პროლინის რგოლების მიმართულებით.
მარჯვენა:კოლაგენის ფორმირება in vivo. ნაბიჯი 1. პრო-α 1 ჯაჭვების და პრო-α 2 ჯაჭვების ბიოსინთეზი (თითოეული 1300 ნარჩენი) 2:1 თანაფარდობით. ნაბიჯი 2. ზოგიერთი Pro და Lys ნარჩენების ჰიდროქსილაცია. ნაბიჯი 3. შაქრის (GLC-GAL) დამატება ჰიდროქსილირებულ ნარჩენებში. ნაბიჯი 4. ტრიმერის და S-S ბმების წარმოქმნა მის ბოლოებზე. ნაბიჯი 5. პროკოლაგენის შუაში სამმაგი სპირალის წარმოქმნა. ნაბიჯი 6. პროკოლაგენის სეკრეცია უჯრედგარე სივრცეში. ნაბიჯი 7. გლობულური ნაწილების გამოყოფა. ნაბიჯები 8–10. ბოჭკოების სპონტანური წარმოქმნა სამმაგი სუპერსპირალებიდან, ამინომჟავების ნარჩენების საბოლოო მოდიფიკაცია და კოლაგენური ჯაჭვების მოდიფიცირებული ნარჩენების კოვალენტური ჯვარედინი კავშირების წარმოქმნა. ნახატიდან.

კოლაგენის თვისებები ამით არ მთავრდება. მის შემადგენლობაში შემავალი პროლინისა და ლიზინის ზოგიერთი ნარჩენი ჰიდროქსილირებულია (3-ჰიდროქსიპროლინი, 4-ჰიდროქსიპროლინი, 5-ჰიდროქსილიზინი) და ქმნის დამატებით წყალბადურ კავშირებს, რომლებიც სტაბილიზირებენ და აძლიერებენ ცილის ფიბრილს. წყალბადის ბმების წარმოქმნის კიდევ უფრო დიდ შესაძლებლობებს ქმნის ის ფაქტი, რომ მთელი რიგი ნარჩენები გლიკოზირებულია ჰიდროქსილის ჯგუფებში, ხოლო ჰიდროქსილიზინის ზოგიერთი ჰიდროქსილი იჟანგება კეტო ჯგუფში.

კოლაგენის ამინომჟავების ნარჩენების ჰიდროქსილაცია შეუძლებელია ასკორბინის მჟავას (ვიტამინი C) არარსებობის შემთხვევაში. ამიტომ, ამ ვიტამინის ნაკლებობით ასკორბინის მჟავას დამოუკიდებელი ბიოსინთეზის უნარის მქონე ადამიანებისა და ცხოველების საკვებში, ვითარდება სერიოზული დაავადება - სკორბუტი. სკორბუტის დროს სხეული ასინთეზირებს არანორმალურ კოლაგენს, რომელსაც ძალა აკლია. შესაბამისად, შემაერთებელი ქსოვილები ძალიან მყიფე ხდება - ღრძილები ნადგურდება, სხეულზე შეხება იწვევს ტკივილს და ჰემატომას. ასკორბინის მჟავით მდიდარი ხილის ჭამა სწრაფად აქრობს სკორბუტის სიმპტომებს. ხაზგასმით უნდა აღინიშნოს, რომ ამ სიმპტომების მიზეზი არის ნორმალური კოლაგენისთვის დამახასიათებელი ჰიდროქსიამინომჟავების ნარჩენებით წარმოქმნილი წყალბადის შემაკავშირებელი სისტემის არარსებობა.

ენერგეტიკული ლანდშაფტი

ზემოთ არაერთხელ ითქვა, რომ ბიოპოლიმერების ბუნებრივი კონფორმაცია ენერგიულად ყველაზე ხელსაყრელია და მოლეკულა, მისი სტანდარტული პირობებით, მიდრეკილია მის მიღებაზე. ამის დასადასტურებლად, უბრალოდ შეხედეთ მაკრომოლეკულის ენერგეტიკული ლანდშაფტის რუკას (ნახ. 14). მასზე ყველაზე ღრმა "ველი" შეესაბამება მშობლიურ კონფორმაციას (ენერგეტიკული მინიმუმი), ხოლო უმაღლესი "მთის მწვერვალები", რა თქმა უნდა, ეკუთვნის ყველაზე არახელსაყრელ, დაძაბულ სტრუქტურებს, რომელთა მიღებასაც მოლეკულა თავს არიდებს. აღსანიშნავია, რომ გლობალური მინიმუმი, რომელიც შეესაბამება მშობლიურ კონფორმაციას, გამოყოფილია დარჩენილი დეპრესიებისგან ფართო სივრცით - "ენერგეტიკული უფსკრული". ეს ართულებს მაკრომოლეკულას სპონტანურად გადასვლას მისი ძირეული კონფორმაციიდან სხვა კონფორმაციაზე, რომელიც ასევე ენერგიულად ხელსაყრელია. უნდა ითქვას, რომ ამ წესს აქვს გამონაკლისები - მთელი რიგი ბიოპოლიმერების ფუნქციები დაკავშირებულია ერთი კონფორმაციიდან მეორეზე გადასვლასთან და მათ ასევე აქვთ განსხვავებული ენერგეტიკული ლანდშაფტი. მაგრამ ასეთი გამონაკლისები მხოლოდ ადასტურებს ზოგად წესს.

სურათი 14. ცილის მესამეული სტრუქტურის თვითშეკრება. მარცხენა:ცილის თანმიმდევრული დაკეცვის ერთ-ერთი შესაძლო გზა. ყველა შუალედურ მდგომარეობას აქვს მაღალი თავისუფალი ენერგია და ამიტომ არ გროვდება დაკეცვისას და არ შეიძლება პირდაპირ დაკვირვება. მარჯვენა:ცილის ჯაჭვის ენერგეტიკული ლანდშაფტის სქემატური წარმოდგენა. (სურათზე ჩვენ შეგვიძლია გამოვსახოთ მხოლოდ ორი კოორდინატი, რომელიც აღწერს ცილოვანი ჯაჭვის კონფორმაციას, ხოლო რეალური კონფორმაცია აღწერილია ასობით კოორდინატებით.) გლობალურ ენერგეტიკულ მინიმუმსა და სხვა ენერგეტიკულ მინიმუმებს შორის აუცილებელია ფართო უფსკრული, რათა სტაბილურად დაიკეცოს. ჯაჭვი ნადგურდება მხოლოდ თერმოდინამიკური გადასვლით "all in" ტიპის -ან-არაფერი"; ეს უზრუნველყოფს ცილის საიმედო ფუნქციონირებას - "ყველაფერი ან არაფერი" პრინციპის მიხედვით, როგორც ნათურა.

თუმცა, ბიოპოლიმერის სპონტანური სწორი დაკეცვა ყოველთვის არ შეინიშნება. მაგალითად, ათქვეფილი კვერცხის მომზადება სხვა არაფერია, თუ არა კვერცხის ცილის თერმული დენატურაცია. მაგრამ ჯერ არავის შეუმჩნევია, რომ ათქვეფილი კვერცხის გაცივებისას ის კვლავ უმი კვერცხში გადაიქცევა. ამის მიზეზია პოლიპეპტიდური ჯაჭვების ერთმანეთთან უწესრიგო ურთიერთქმედება, მათი ერთ ბურთად გადაჯაჭვულობა. დენატურირებული მდგომარეობის ამგვარი სტაბილიზაცია ასევე შეინიშნება ცოცხალ ქსოვილში, ვთქვათ, იგივე თერმული გავლენის ქვეშ. ევოლუციამ ამ პრობლემის გადაწყვეტა მისცა, შექმნა ე.წ სითბოს შოკის ცილები. ამ აგენტებს ასე უწოდებენ, რადგან ისინი ინტენსიურად წარმოიქმნება ორგანიზმში თერმული დამწვრობის დროს. მათი ამოცანაა დაეხმარონ დენატურირებულ მაკრომოლეკულებს მშობლიურ სტრუქტურაში დაბრუნებაში. სითბოს შოკის ცილებს ასევე უწოდებენ ჩაპერონები, ე.ი. "ძიძები". მათთვის დამახასიათებელია ტევადი ღრუს არსებობა, რომელშიც დენატურირებული მოლეკულების ფრაგმენტებია მოთავსებული და სადაც ოპტიმალური პირობებია შექმნილი ჯაჭვების სწორი დასაყენებლად. ამრიგად, ჩაპერონების ფუნქცია მცირდება ბიოპოლიმერების სპონტანური რენატურაციისთვის სტერული დაბრკოლებების აღმოფხვრამდე.

არა მხოლოდ ცილები, არამედ ნახშირწყლებიც

სურათი 15. წყალბადის ბმები პოლისაქარიდებში. მარცხენა: ცელულოზაშიმიმდებარე გლუკოზის ნარჩენები ბრუნავს 180°-ით, რაც მათ საშუალებას აძლევს შექმნან ორი H-ბმა. ეს შეუძლებელს ხდის ნარჩენების გადაადგილებას ერთმანეთთან შედარებით და ცელულოზის მოლეკულა ხდება ხისტი, მოუქნელი ძაფი. ასეთი ძაფები ქმნიან წყალბადურ კავშირებს ერთმანეთთან, ქმნიან მიკროფიბრილები, რომლებიც გაერთიანებულია ფიბრილები- მაღალი მექანიკური სიძლიერის აღკაზმულობა. მარჯვენა:მონომერებს შორის ბმების განსხვავებული კონფიგურაცია ამილოზაშიიწვევს იმ ფაქტს, რომ წყალბადის ბმები იქმნება ჯაჭვში ერთმანეთისგან შორს მდებარე გლუკოზის ნარჩენებს შორის. მაშასადამე, ამილოზა აყალიბებს სპირალურ სტრუქტურებს, რომლებშიც არის 6 გლუკოზის ნარჩენი თითო ბრუნვაში, ე.ი. წყალბადის ბმები აკავშირებს პირველ და მეექვსე ნარჩენებს, მეორე და მეშვიდე, მესამე და მერვე და ა.შ.

აქამდე ჩვენ რეალურად ვისაუბრეთ ბიოპოლიმერების მხოლოდ ორ კლასზე - ცილებზე და ნუკლეინის მჟავებზე. მაგრამ არის მესამე დიდი კლასი - პოლისაქარიდები, რომელიც ჩვენ ტრადიციულად მხედველობიდან გამოგვრჩა.

მოლეკულური ბიოლოგები ყოველთვის უყურებდნენ პოლისაქარიდებს გარკვეული ზიზღით, როგორც უხეში ნივთიერებას. ისინი ამბობენ, რომ ნუკლეინის მჟავები კვლევის საინტერესო ობიექტია, ისინი გენეტიკური ინფორმაციის მატარებლები არიან. ცილებიც საინტერესოა, მათში შედის თითქმის ყველა ფერმენტი. პოლისაქარიდები კი მხოლოდ ენერგიის რეზერვია, საწვავი ცოცხალი ორგანიზმისთვის ან სამშენებლო მასალა, მეტი არაფერი. რა თქმა უნდა, ეს მიდგომა არასწორია და თანდათან მოძველდება. ჩვენ ახლა ვიცით, რომ პოლისაქარიდები და მათი წარმოებულები (კერძოდ პროტეოგლიკანები) მთავარ როლს თამაშობენ უჯრედული აქტივობის რეგულირებაში. მაგალითად, უჯრედის ზედაპირის რეცეპტორები არის პოლისაქარიდის ბუნების განშტოებული მოლეკულები და მცენარის უჯრედის კედლის პოლისაქარიდების როლი მცენარის სასიცოცხლო აქტივობის რეგულირებაში მხოლოდ ახლახან დაიწყო გარკვევა, თუმცა საინტერესო მონაცემები უკვე მიღებულია.

ჩვენ გვაინტერესებს სუსტი ურთიერთქმედების როლი, რომელიც შესაძლოა უფრო ძლიერია პოლისაქარიდებში, ვიდრე სხვა ბიოპოლიმერებში. ერთი შეხედვით ნათელია, რომ ბამბა და კარტოფილის სახამებელი არ არის იგივე, თუმცა ქიმიური სტრუქტურა ცელულოზადა ამილოზა(განტოტვილი სახამებლის ფრაქცია) ძალიან ჰგავს. ორივე ნივთიერებაა (1→4)-D-გლუკანები - ჰომოპოლიმერები, რომლებიც შედგება D-გლუკოზის ნარჩენებისგან პირანოზის რგოლების სახით, რომლებიც დაკავშირებულია ერთმანეთთან გლიკოზიდური ბმებით 1 და 4 პოზიციებზე (ნახ. 15). განსხვავება ისაა, რომ ამილოზა არის α-(1→4)-D-გლუკანი (მასში გლუკოზის ნარჩენები არ ბრუნავს ერთმანეთთან შედარებით), ხოლო ცელულოზა არის β-(1→4)-D-გლუკანი (ში გლუკოზის თითოეული ნარჩენი ბრუნავს 180°-ით მის ორ მეზობელთან შედარებით). შედეგად, ცელულოზის მაკრომოლეკულები სწორდება და ქმნიან წყალბადის ბმების ძლიერ ქსელს როგორც ერთმანეთთან, ისე თითოეულ მაკრომოლეკულაში. ასეთი მაკრომოლეკულების თაიგული იქმნება ფიბრილი. ფიბრილების შიგნით მაკრომოლეკულები ისე მჭიდროდ და მოწესრიგებულია, რომ ისინი ქმნიან კრისტალურ სტრუქტურას, რაც იშვიათია პოლიმერებისთვის. ცელულოზის ფიბრილები მექანიკური სიძლიერით ახლოსაა ფოლადთან და იმდენად ინერტულია, რომ უძლებს ძმარ-აზოტის რეაგენტის (აზოტისა და ძმარმჟავების ცხელი ნარევი) მოქმედებას. სწორედ ამიტომ ცელულოზა ასრულებს დამხმარე, მექანიკურ ფუნქციებს მცენარეებში. ეს არის მცენარეების უჯრედის კედლების ჩარჩო, სინამდვილეში მათი ჩონჩხი. აქვს ძალიან მსგავსი სტრუქტურა ქიტინი- სოკოების უჯრედის კედლების აზოტოვანი პოლისაქარიდი და მრავალი უხერხემლო ცხოველის ეგზოჩონჩხი.

ამილოზა სტრუქტურირებულია სხვაგვარად. მის მაკრომოლეკულებს აქვთ ფართო სპირალის ფორმა, რომლის თითოეულ ბრუნს აქვს გლუკოზის ექვსი ნარჩენი. თითოეული ნარჩენი არის წყალბადის ბმული მის მეექვსე ძმასთან. სპირალს აქვს ტევადი შიდა ღრუ, რომელშიც კომპლექსური აგენტები (მაგალითად, იოდის მოლეკულები, რომლებიც სახამებლის ლურჯ კომპლექსს ქმნიან) შეუძლიათ შეაღწიონ. ეს სტრუქტურა ხდის ამილოზას ფხვიერ და მყიფეს. ცელულოზისგან განსხვავებით, ის ადვილად იხსნება წყალში, წარმოქმნის ბლანტი პასტას და არანაკლებ ადვილად ჰიდროლიზდება. ამიტომ მცენარეებში ამილოზა განშტოებულებთან ერთად ამილოპექტინითამაშობს სარეზერვო პოლისაქარიდის - გლუკოზის შესანახი ადგილის როლს.

ასე რომ, სტატიაში წარმოდგენილი ყველა მონაცემი მიუთითებს ცოცხალ ორგანიზმში სუსტი ურთიერთქმედების კოლოსალურ როლზე. სტატია არ არის პრეტენზია მეცნიერულად ნოველად: ყველაზე მნიშვნელოვანი ის არის, რომ მასში უკვე ცნობილი ფაქტები განიხილება გარკვეულწილად არატრივიალური თვალსაზრისით. ჩვენ შეგვიძლია მხოლოდ გავიხსენოთ ის, რაც უკვე ითქვა დასაწყისში - სუსტი ბმები ბევრად უფრო შესაფერისია მოლეკულური მანქანის მართვის ბერკეტების როლისთვის, ვიდრე კოვალენტური ბმები.. და ის ფაქტი, რომ ისინი ასე ფართოდ არიან წარმოდგენილი ცოცხალ სისტემებში და ატარებენ ამდენ სასარგებლო ფუნქციას, მხოლოდ ხაზს უსვამს ბუნების გენიალურობას. ვიმედოვნებ, რომ ამ სტატიაში წარმოდგენილი ინფორმაცია ასევე დააინტერესებს მათ, ვინც ჩართულია ხელოვნური მოლეკულური მანქანების შექმნაში: უნდა გვახსოვდეს, რომ სამყარო ერთია, ცოცხალი და უსულო ბუნება იმართება იგივე კანონებით. ჩვენ არ ვდგავართ ახალი მეცნიერების წყაროსთან - მოლეკულური ბიონიკა გენეტიკური კოდის სათავეებში: მონათესავე სულები ფიზიკური ჰიდროფობია;