А.Ю. Гросберг, А.Р. Хохлов - Физика в мире полимеров (1119325), страница 29
Текст из файла (страница 29)
е. чем болыце растягивающее осмотическое давление системы контриоиов, тем больше :амплитуда» скачка. Зто обстоятельство полностью обьясняет все приведенные выше экспериментальные факты. В последние годы коллапс сеток стал предметом интеппвпого экспериментального исследования. Интерес к этому явлению вызван, во-первых, его очевидными мехапохимическими приложениями (т. е. возможностью резкого сокращения размеров сетки при очень небольших изменениях качества или состава растворителя). Особенно важно то, что, как мы видели„ картина коллапса очень чувствительна к наличию заряженных звеньев, а также низко- молекулярных ионов в растворителе. Зто позволяет использовать коллапсирующие сетки в качестве детекторов наличия малых ионных примесей в растворе, систем очистки от этих примесей и т.
д. Во-вторых, весьма существенно то, что коллапс сеток является моделью для некоторых процессов, происходящих в биологических системах (например в стекловидном теле глаза). ыэ 7.12. Глобуля!»нее состояние двуспиральной ДНК р йы уже не раз говорили, что в реалы1ыч.,! биологических системах, клетках и вирусах, генетический,,'ь кла сериал находится в таком малом объеме, в котороМ.- клубок двойной спирали ДНК пе может поместиться — 'зт) следовательно, ДНК пребывает там в состоянии глобулы.:, Б действительности это необычайно сложная глобула, пото-"„„ му что она образована непросто длинной нптьюДНК вЂ” с-.! а в и н и и а 8 ь л а|оси«свиимип к«оксе«о»ох««со«хмх::: =:)хссс,««сх.".
„' пи«ьинсоииалип Рис. 7 11. Крестообразная конформацня палиндромного участк» ДНК. Для наглядности рядом написан перевертыш на обычном ',',*' ', языке; в ДНК вторая цепь содержит не тот же, а комплементарныа перевертыш этОЙ питью связаны многочислеие1ые молекулы ОтиОситсль но небольших белков. У вирусов белки образуют «чехол» для ДНК, в ядрах клеток белки-гистоны играют несколько ролей — например, формируют нуклеосомы, г.
е. служат «катушками» для намотки небольших ( !000 «букв») участков двойной спирали. Кроме того, природные ДНК часто (а может быть н всегда) замкнутые, завязываются узлами и образуют зацепления нитей двойной спирали друг за друга (рис. !.90). Наконец, некоторые участки '".,"-рй~ ДНК с определенными типами первичных структур при надлежащих условпях„которые могут иметь место в гло- ';:::тж буде, формируют необычные вторичные структуры, отлп шые от обычной уотаон-криковской правой спирали .':Ее,""-, (пазьшасмой также В-формой),— левую спираль (о-форма), тройн)чо спираль (Б-форма) и т. д )!апример, в первичных с;руктурах ДНК встречаются палиндромы — участки, читаемые одинаково справа налево и слева направо (примеры,:,,;.с) такого перевертыша и русском языке: ЛЕШАНАПОЛКЕКЛОПАНАШЕЛ или егде АРОЗАУПАЛАНАЛАПУАЗО- !44 ':4': рй) палиндромный участок ДНК легко принимает конф рмацпю креста (рис. У.П).
~",з приведенных примеров ясно, что изучать пативные (; е природные) глобулы ДНК трудно. Поэтому важно знать особенности перехода клубок — глобула в ДНК в иычиых условиях плохого растворителя. А особенности за и интересны, Во "р'ых ""буль! ДНК 1~м т фор у торов (бубли коь). Это понять легко: у двойной спирали нет мест легкого переламывания (т. е. у нее персистептный механизм рис. 7,!2 !лобулиаааии макромолекулы ЙЫК в ооломсриом раст- воре гибкости — см.
раздел 2.3), поэтому она не может заполнить центральную часть глобулы, где и остается дырка. Во-вторых, двойная спираль очень жесткая, ее персистентпая длина (50 нм) гораздо больше ее толщины (2 нм), поэтому ее эффективные сегменты, упакованные в глобуле, имеют сильную тенденцию в каждом участке глобулы ориентироваться параллельна друг другу, т. е. образовывать пнутримолекулярный жидкий кристалл. Наконец, в-третьих, для жесткой двойной спирали нелегко подобрать столь плохой растворитель, чтобы опа стала глобулой, Наиболее удачным для этой цели оказывается раствор цепей (клубков) другого полимера, короткого и гибкого, потому что гибкие клубки практически все вытесняются при сжатии ДНК в глобулу и не «вмешиваются» в ее внутрен>пок> структуру (рис.
7.)2); газ клуб>юв как бы давит снаружи на «стенки» глобулы ДНК (сравните !'. с контрионамн в сетке). 7.!3. 0 шюбуляриом состоянии белков и о конформационных переходах в глобулярных белках Глобулярных белков много в живой клетке ',.', и ояи там играют кл>очевую роль — об этом шла речь в главе 3. Но физика их очень сложна, белковая глобула — ';- вообще едва ли не сложнейший объект физики. Самая яркая и непривычная для физики особенность белка со- '-. стоит в наличии строго определенной пространственпой'-':„ третичиой структуры(см.
выше разделы 3.6, 3.7). Конечно,,',",",! это свойство вовсе не сводится к факту малости флуктуаций в обычной глобуле — там слабо флуктуируют только такие грубые характеристики глобулы, как ее общий размер или плотность; в белке же зафиксирован пространстве>шый ход всей цепи, т. е. слабофлуктуирук>щими '::!~; величинами являются координаты большинства атомов. 7»; Но почему, может спросить читатель, упор делается на однозначной определенности именно третичной струк- ')з"' туры7 Ведь первичная сгруктура, т. е. последовательность звеньев, у каждой белковой цепи тоже сгрого зафикси-,':-» ';,.
рована! Дело в том, что для «изготовления» белковых цепочек с правильной (т. е. отвечающей генетической программе — ДНК) первичной структурой в клетке имеется особое сложное «устройство» вЂ” рибосома, а без жи. вой клетки синтезировать правильные белки никто пока не умеет. Конечно, физики уверены, что и>л еще предсто>м разбираться, как все это в клетке устроено, но пока что 'ф от этого вопроса можно «отмахнуться»: есть в клетке механизм биосннтеза, и все.
Существует ли подобный механизм для формирования зафиксированной третичной сгруктуры7 Ведь в принципе,'-'-.:~ можно предположить, что в клетке есть еще какая-то '::;у'.:- ...сома, о которой мы пока ничего не знаем и которая складывает белковые цепи в глобулы правильной формы. Вот тут-то мы и подошли к главному: оказывается, что без такой ...сомы можно обойтись. Это показал в )962 г.:.',:::а«)! прямым опытом американский биофизик Карл Анфинсен (получивший за эти работы Нобелевскую премию). Идея опыта Анфинсена заключается в следующем.
Мы уже говорили, что нагреванием или введением в раст-",,Ж!: !чб некоторых низкомолекулярных добавок можно выз„ать дснатурацию белка — резкий конформационный пе ),сжщ, проявляющийся в утрате биохимической активности белка и заключающийся в разрушешш жесткой пространственной структуры глобулы. Анфннсен возвращал денатурированный белок в нативные (т. е. отвечающие природным) условия и показал, чго прп соблюдении должных технических предосторожностей (медленность проц;сса, малость концентрации и т. д.), но вне живой клетки и без всяких ее <окивых» деталеи происходит ренатурацпя — самопроизвольное восстановление правильной трепшиой структуры.
Таким образом, в отличие от первичной структуры, для организации которой требуется сложнейшее устройство жшюй клетки, для организации третичной структуры не тоебуется ничего — она обладает свойством самоорганиззции. Именно самоорганизация обеспечивает возможность белкам функционировать и тем самым всему живому — жить. Явление самоорганизации внешне кажется о~ень простым: одна цепочка с фиксированной последовательностью звеньев, если ее предоставить самой себе в подходящих условиях, всегда сворачивается одинаково.
Но это явление па самом деле не имеет прямых аналогов в физике и вот уже четверть века служит вызовом физике и физикам. Обсудим его несколько более подробно. Предварительно заметим, что однозначность (с тьч юстью до тепловых флуктуаций) пространственной структуры в определешюм смысле роднит белковую глобулу с кристаллом. Правда, если говорить об этой аналогии, то следует иметь в виду только сам факт однозначной определенности структуры кристалла, но ни в коем случае ие ее пространственную периодичность. Напротив, пространственная структура любой белковой глобулы„поскольку оиа состоит нз разнотипных аминокнслотных остатков, в высшей степени геометрически иеоднородиа н нерегулярна.
По этому признаку белковая глобула можег быть до некоторои степени уподоблена известным в физике неупорядоченным системам (например стеклам). Но и эта аналогия чрезвычайно ограниченная и сводится только к самому факту неупорядоченности, т. е, неперподя пасти распо. ложения атомов в пространстве. Действителшю, папомпнм, что стеклом (мы уже гово. рплп в главе 2 о полимерных н неполимерных стеклах) в физике наз»кинется вещество, «замороженное»„вообще говоря, в неравновесном состояшещ стекло обладает ги. !4' гантским временем релаксации (установления равновь::,) сня), гораздо большим, чем время любого разумного фиан, чсского эксперимента или набльодения, стекло надолг~):,;;- «запоминает» ту структуру, то расположение атомов,::."«з которое случайно сложилось в нем в момент приготовления« (охлаждения).
Плавление и повторное застекловыва>ьщ';." нриводит к полному обновлению микроструктуры, т. в.'; потере «намяти». Именно но причине неравновесност>й): структура стекла неупорядоченная. Существует полная (хотя малонлодотворная) аналоги(Ь) лервичной структуры бионолимеров стеклообразнои: врем>)':,": релаксации относительно салюнроизвольных персстр первичной структуры неоьюзримо, а разрушение нервпчноьь«;, сгруктуры, т. е. разрыв цепи, ведет (вне живой клеткц).'..
к полной утрате «памяти». Сходство >ке третнчной стру>Ь>.::,:~ туры со сгеклом ограничивается самим фактом нерегуляр-",:! ности, поскольку способность к самоорганизации означает',."~. »:„ что треп«чная структура не забывается при денатурации — ':,, конечно, потому, что полные сведения о ней на каком-та',,; не известном нам пока языке занисаны в первичной струк«',":~, туре.
Итак, третичная структура восстанавливается как рав'".:." новесный кристалл н нерегулярна как неравновеснов::;;-.", > стекло. Но, может быть, третичная структура нерегулярна „:, «« только из-за разнотинности звеньев, а при заданной пер-'-;::,. вичной структуре она отвечает простому равновесию и::";1 тогда самоорганизация — это просто установление рав«';,:,:.-> ! иовесня, вроде скатывания шарика в ямкуР Нет, вряд,",';; ли такое объяснение нравяльно: даже если каждая связь;.;:~::, цепи «южет принимать всего две конформации («направо":., и налево») и звеньев всего 100, то число конфорл«аций у " цепи будет 2«««,.
(2\«)««(1024Уож (!000)~«-,10««. есч>ь да>не.",~> каждое атомное столкновение, занимающее 10 " с, при«Я ведет к изменению конформации, то и тогда на их полььый:::;;~Р перебор для отыскания равновесия ушло бы фа>ьтастнче-;4У, скос время 10:" 10 " с=-!О'" с=10" лег (для сравнения,'>ььв :::йЮ~ возраст 1ьсенепной порядка !О'" лет). Получается, что в попытке понять самоорганизацию::::;фф белков физик не находит никаких аналогий в более изу-":;:.:~:,". ченных системах.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
