Макромолекула - основа организации и функционирования биологических систем

Лекция 3

МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОФИЗИКА

Макромолекула - основа организации и функционирования биологических систем

Основу структурной организации живой материи составляют специфические биополимеры - макромолекулы, в первую очередь, белки и нуклеиновые кислоты. Макромолекулы характеризуются большой молекулярной массой (м.м.). Различные молекулы белков и нуклеиновых кислот значительно различаются по размерам и молекулярной массе, которая изменяется от 10³ до 10¹⁰ Да. Специфика больших полимерных молекул определяется большим числом однотипных звеньев - мономеров, связанных в линейную цепь. Так, молекула белка с м.м. 10⁶ Да состоит примерно из 10⁵ ковалентно соединенных атомных групп. Тепловое движение атомов и атомных групп, входящих в состав макромолекулы, повороты и вращения их вокруг единичных связей, обуславливают и большое число степеней свободы. Это позволяет рассматривать макромолекулу как макроскопическую систему, статистический характер поведения которой проявляется в наличии средних значений таких параметров, как размеры, форма, степень свернутости полимерной цепи. Вместе с тем, существующие между атомами химические связи и взаимодействия ближнего и дальнего порядка накладывают определенные ограничения на число возможных конформаций макромолекулы. Изменения конформации биомолекул в процессе их функционирования также носят вполне конкретный характер и отражают внутримолекулярную динамическую организацию биополимеров.

В основе функционирования макромолекул лежат электронно-конформационные взаимодействия, которые проявляются во всех процессах, где участвуют макромолекулярные комплексы. Во многих случаях, функционирование макромолекул обуславливается протеканием сложных процессов трансформации энергии, включающих миграцию электронного возбуждения и транспорт электронов.

Сложность строения на атомном и молекулярном уровнях предьявляет свои требования и имеет особенности при изучении биологических молекул. Информацию о пространственной структуре макромолекул можно получить, используя комплекс различных методов, таких как рентгено-структурный анализ, ЭПР, ЯМР-спектроскопия, дисперсия оптического вращения и т.д. Основная проблема заключается в раскрытии механизмов взаимодействия атомных групп, определяющих конформационные особенности и внутреннюю динамику макромолекул и на этой основе понять механизмы функционирования биополимеров в живых системах.

Разнообразие функций макромолекул определяется в значительной мере их пространственной организацией. Вращения вокруг одинарных ковалентных связей вызывают образование различных поворотных изомеров и конформаций полимерной цепи. Конформация макромолекулы - это расположение полимерной цепи в пространстве за счет образования большого количества слабых связей, в результате чего создается наиболее термодинамически выгодная и стабильная пространственная структура биополимера. Условно выделяют несколько уровней структурной организации биомолекул. Самым первым уровнем молекулярной организации является первичная структура макромолекулы - последовательность мономеров в полимерной цепи, связанных ковалентными связями. Ковалентные связи достаточно устойчивые. Свободная энергия их образования составляет 200 - 800 кДж моль^-1.

Вторичной структурой макромолекулы называют локальное упорядочивание отдельных участков полимерной цепи. Третьичная структура - пространственная укладка всей полимерной цепи в пространстве. Пространственную укладку нескольких компактно организованных полимерных цепей с образованием надмолекулярного комплекса называют четвертичной структурой. На уровне вторичной, третьичной и четвертичной организации макромолекул важную роль играют нековалентные, слабые связи (взаймодействия), за счет которых преимущественно осуществляется стабилизация прстранственной структуры биополимеров. Известен только один тип ковалентной связи ( S - S- связь), участвующий в стабилизации высших структур белковых молекул.

Гидрофобные взаимодействия

В растворах молекулы воды оказывают значительное влияние на формирование пространственной структуры биополимеров. Взаимодействие воды с полярными группами молекул сводится к гидратации последних, причем энергии электростатических взамодействий в гидратной оболочке между водой и ионом могут достигать величин порядка энергий валентных связей. Однако, в макромолекулах, особенно в белках и липидах, имеется большое количество неполярных боковых групп. Возникает вопрос, как будут вести себя неполярные вещества, которые не растворяются в воде. Для объяснения этих изменений нужно ввести понятие гидрофобное взаимодействие. В данном случае речь идет не о каких-либо связях между неполярными группами и молекулами воды, а о неспецифических взаимодействиях, определяемых изменением структуры воды при введении в нее неполярных групп. Внедрение неполярных групп в воду сопровождается существенным изменением термодинамических величин. На рисунке 4 схематически дано объяснение физической сути гидрофобных взаимодействий. Согласно экспериментальным данным, введение гидрофобных молекул в воду сопровождается существенным изменением термодинамических параметров системы. Показано, что изменение энтальпии в этом процессе незначительное DH≈0, но значительно увеличивается свободная энергия DG>0. Так как DG = DH-TDS>0, т.е. увеличение свободной энергии происходит за счет уменьшения энтропии. Это значит, что система переходит в неустойчивое состояние с повышенной свободной энергией. Такой переход энергетически невыгоден. Экспериментально показано, что понижение энтропии в этом процессе связано с измененением структуры воды. Таким образом, введение неполярных молекул в воду сопровождается термодинамически невыгодным упорядочиванием молекул воды вблизи гидрофобных групп.

Рис.4. Взаимодействие неполярных молекул в водном растворителе:

а - две молекулы (1 и 2) , содержащие неполярные группировки (3)

б- гидрофобное взаимодействие неполярных участков молекул

4- упорядоченный участок воды (кластер) (Костюк, 43с)

Сближение неполярных молекул устраняет эти упорядоченные структуры и повышает уровень «беспорядка» в этой системе. Как видно, в результате гидрофобных взаимодействий энтропия системы повышается. Поскольку такое изменение энтропии вносит наибольший вклад в уменьшение свободной энергии системы, это означает, что гидрофобные взаимодействия носят энтропийный характер.

Вопросы и задания для самоконтроля:

1. Перечислите основные свойства макромолекул. Какими параметрами отличаются макромолекулы от других полимеров ?

2. Перечислите уровни структурной организации макромолекул. Приведите примеры.

3. Какие связи (силы) участвуют в стабилизации пространственной структуры биополимеров? Дайте характеристику этих связей.

4. От каких параметров зависят размеры макромолекулы в состоянии клубка? Как изменится эти размеры при повышении и понижении температуры?

5. Почему воду называют «уникальной» жидкостью? Какие физико-химические параметры воды определили ее превращение в процессе эволюции в «жидкость жизни»?

6. Приведите примеры образования водродных связей,

гидрофобных взаимодействий,

Ван-Дер-Ваальсовых взаимодействий в биологических молекулах.

7. Дайте описание состояний клубка и глобулы белковой молекулы.

8. Сколько водородных связей может образовать каждая молекула жидкой воды?

9. Какая часть молекулы липида участвует в образовании гидрофобных взймодействий?

10.Назовите локализацию стэкинг - взаимодействий имеющих место в молекуле ДНК

Лекция 3

МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОФИЗИКА

Макромолекула - основа организации и функционирования биологических систем

Основу структурной организации живой материи составляют специфические биополимеры - макромолекулы, в первую очередь, белки и нуклеиновые кислоты. Макромолекулы характеризуются большой молекулярной массой (м.м.). Различные молекулы белков и нуклеиновых кислот значительно различаются по размерам и молекулярной массе, которая изменяется от 10³ до 10¹⁰ Да. Специфика больших полимерных молекул определяется большим числом однотипных звеньев - мономеров, связанных в линейную цепь. Так, молекула белка с м.м. 10⁶ Да состоит примерно из 10⁵ ковалентно соединенных атомных групп. Тепловое движение атомов и атомных групп, входящих в состав макромолекулы, повороты и вращения их вокруг единичных связей, обуславливают и большое число степеней свободы. Это позволяет рассматривать макромолекулу как макроскопическую систему, статистический характер поведения которой проявляется в наличии средних значений таких параметров, как размеры, форма, степень свернутости полимерной цепи. Вместе с тем, существующие между атомами химические связи и взаимодействия ближнего и дальнего порядка накладывают определенные ограничения на число возможных конформаций макромолекулы. Изменения конформации биомолекул в процессе их функционирования также носят вполне конкретный характер и отражают внутримолекулярную динамическую организацию биополимеров.

В основе функционирования макромолекул лежат электронно-конформационные взаимодействия, которые проявляются во всех процессах, где участвуют макромолекулярные комплексы. Во многих случаях, функционирование макромолекул обуславливается протеканием сложных процессов трансформации энергии, включающих миграцию электронного возбуждения и транспорт электронов.

Сложность строения на атомном и молекулярном уровнях предьявляет свои требования и имеет особенности при изучении биологических молекул. Информацию о пространственной структуре макромолекул можно получить, используя комплекс различных методов, таких как рентгено-структурный анализ, ЭПР, ЯМР-спектроскопия, дисперсия оптического вращения и т.д. Основная проблема заключается в раскрытии механизмов взаимодействия атомных групп, определяющих конформационные особенности и внутреннюю динамику макромолекул и на этой основе понять механизмы функционирования биополимеров в живых системах.

Разнообразие функций макромолекул определяется в значительной мере их пространственной организацией. Вращения вокруг одинарных ковалентных связей вызывают образование различных поворотных изомеров и конформаций полимерной цепи. Конформация макромолекулы - это расположение полимерной цепи в пространстве за счет образования большого количества слабых связей, в результате чего создается наиболее термодинамически выгодная и стабильная пространственная структура биополимера. Условно выделяют несколько уровней структурной организации биомолекул. Самым первым уровнем молекулярной организации является первичная структура макромолекулы - последовательность мономеров в полимерной цепи, связанных ковалентными связями. Ковалентные связи достаточно устойчивые. Свободная энергия их образования составляет 200 - 800 кДж моль^-1.

Вторичной структурой макромолекулы называют локальное упорядочивание отдельных участков полимерной цепи. Третьичная структура - пространственная укладка всей полимерной цепи в пространстве. Пространственную укладку нескольких компактно организованных полимерных цепей с образованием надмолекулярного комплекса называют четвертичной структурой. На уровне вторичной, третьичной и четвертичной организации макромолекул важную роль играют нековалентные, слабые связи (взаймодействия), за счет которых преимущественно осуществляется стабилизация прстранственной структуры биополимеров. Известен только один тип ковалентной связи ( S - S- связь), участвующий в стабилизации высших структур белковых молекул.