Анищик В.М., Борисенко В.Е., Жданок С.А., Толочко Н.К., Федосюк В.М. Наноматериалы и Нанотехнологии

Подождите немного. Документ загружается.

210

стоящими из ряда неодинаковых по строению мономеров – аминокислот.

Белки подразделяются на простые (протеины), молекулы которых состоят

только из аминокислотных остатков, и сложные (протеиды), представляющие

собой биологически активные комплексы белков с небелковыми веществами.

Аминокислоты, образующие структуру белков, связаны между собой

пептидными связями NH – CO. Таким образом, молекула белка является по-

липептидом. Существует множество разновидностей белков, большинство

которых построено из 20 основных аминокислот, различающихся своими ра-

дикалами. Радикалы одних аминокислот, например, глицина (R = H), аланина

(R = СH

) и т.п., нейтральны, гидрофобны. Радикалы других аминокислот

имеют активные полярные или заряженные группы OH, NH

, SH и другие,

например, в серине R = CH

OH, аспарагине R = CH

CONH

и т.п. Эти группы

способны образовывать водородные или ионные связи, к ним легко присое-

диняются молекулы воды.

Белки различаются по количеству и ха-

рактеру расположения аминокислот в поли-

пептидной цепочке. При этом различают че-

тыре уровня организации молекул белков:

первичный, вторичный, третичный и чет-

вертичный.

Первичная структура представляет со-

бой полипептидную цепь, конфигурация ко-

торой определяется последовательностью

образующих ее аминокислотных остатков.

Вторичная структура подразделяется на

два типа: α-конфигурацию и β-

конфигурацию. Структура α-конфигурации

представляет собой полипептидную цепоч-

ку, свернутую в спираль (рис. 6.16). Шаг

спирали составляет около 0, 5 нм, а диаметр

– около 1 нм. Структура β-конфигурации

образована набором полипептидных цепей,

расположенных параллельно друг другу в

виде слоя и сшитых водородными связями.

Полипептидная цепь является поляр-

ной: ей свойственна определенная последовательность чередования атомов

при следовании вдоль нее в заданном направлении. При этом β-структура на-

Рис. 6.16. Модель α-структуры

белка [8]

(синтетический полипептид-γ-

метилглюкомат)

211

зывается параллельной, если полипептидные цепи идут в одном направ-

лении, и антипараллельной, если они идут в противоположных направлениях

(рис. 6.17). Характерными параметрами β-структуры являются период поли-

пептидной цепи (около 0,7 нм для структур обоих типов) и рассто-яние меж-

ду цепями (около 0,5 нм и 1 нм соответственно для параллельной, и антипа-

раллельной структур).

Вторичная структура типична для так называемых волокнистых (фиб-

риллярных) белков. Примерами волокнистого белка с α-структурой являются

кератин (белок волос, шерсти, рогов, перьев), миозин (белок мышц), эпи-

дермин, фибриноген и др. Пример волокнистого белка с β-структурой – фиб-

роин шелка. Волокнистой структурой обладает целлюлоза и некоторые дру-

гие полисахариды, присущие растениям, а также животным, например, хитин

– вещество оболочек тела и суставов членистоногих (ракообразных, пауко-

образных, насекомых).

Другой, отличный от α и β, тип вторичной структуры реализуется в кол-

лагене – белке соединительной ткани кожи, хрящей (рис. 6.18). Молекула

коллагена состоит из трех слабо спирализованных полипептидных цепей,

сшитых друг с другом водородными связями. Каждая цепь скручена по ле-

вому винту, а их оси – по правому. Период молекулы составляет около 2,7

нм. Сложная первичная структура коллагена (последовательность образую-

щих цепь аминокислотных остатков, а также остатков глицина и некоторых

других соединений) приводит к тому, что в волокнах этого белка существуют

сверхпериоды – 8,5 и 10 нм.

Третичная структура образуется в результате пространственного свер-

тывания полипептидной цепи, обладающей той или иной вторичной структу-

рой. Третичная структура характерна для так называемых глобулярных бел-

ков, в которых полипептидная цепь свернута в компактную глобулу. Глобу-

лярные белки выполняют в организмах функции транспорта малых молекул

или электронов, рецепции (восприятия, например, света или других внешних

воздействий), защиты (иммунные белки) и некоторые другие функции. Раз-

новидностью глобулярных белков являются ферменты.

Глобулярные белки способны кристаллизоваться. Кристаллы белков

имеют своеобразное строение: они представляют собой упорядоченную ук-

ладку молекул, в промежутках между которыми находится жидкость (вода),

причем часть молекул воды прочно связана с поверхностью белковых моле-

кул. Типичным примером глобулярного белка является миоглобин (рис.

6.19), который обеспечивает обратимое связывание молекул кислорода. В ча-

212

стности, он запасает кислород в мышцах. Молекулярный вес этого белка

18 000, он содержит 153 аминокислотных остатка, т.е. около 1200 атомов, не

считая водородных.

Рис. 6.17. Модели параллельной (а) и антипараллельной (б) β-структур белка [8]

Четвертичная структура представляет собой объединение ряда макромо-

лекул, обладающих третичной структурой. Четвертичная структура харак-

терна для многих глобулярных белков, которые построены не из одной, а из

213

нескольких глобул (субъединиц), соединенных между собой. Примером тому

является гемоглобин, молекула которого состоит из четырех субъединиц.

Гемоглобин, подобно миоглобину, обеспечивает обратимое связывание мо-

лекул кислорода. Он находится в эритроцитах крови и переносит кислород в

ее токе.

Описание структуры биополимеров с разделени-

ем ее на первичную, вторичную, третичную и чет-

вертичную применяют не только к белкам, но также

к нуклеиновым кислотам, полисахаридам и некото-

рым другим классам соединений. Можно также рас-

сматривать структуру пятого порядка уровня органи-

зации – объединение ряда макромолекул, в том числе

обладающих четвертичной структурой, в ассоциации

типа вирусов, мембран и т.п.

Особый интерес представляет рассмотрение

строения белковых молекул или их ассоциаций, вы-

полняющих двигательные функции. Простейшие ор-

ганы такого типа – жгутики бактерий, построенные

из спиральных цепей белковых молекул. Более

сложное строение имеет мышца – универсальный

молекулярный двигатель живых организмов. Струк-

турной единицей мышцы является саркомера, содер-

жащая волокнистые молекулы актина (толщиной

около 5 нм), между которыми находятся волокни-

стые молекулы миозина (толщиной около 10 нм)

(рис. 6.20). Молекулы обоих типов расположены в

строго гексагональном порядке. Процесс сокращения

мышцы состоит во взаимном втягивании волокон

обоих типов в промежутки между ними.

В процессе жизнедеятельности клетки происхо-

дит постоянный расход одних белков и синтез новых.

Клетки синтезируют строго определенные белки. Например, белок крови ге-

моглобин синтезируется клетками печени, белок миозин - мышечными клет-

ками, инсулин - клетками поджелудочной железы. Синтез белков происходит

в рибосомах.

Так как наследственные свойства клетки связаны с ДНК, то и наследст-

венная способность к синтезу белков также связана с ДНК. За синтез каждого

Рис. 6.18. Модель

структуры

коллагена [8]

214

конкретного вида белка отвечают отдельные участки ДНК – гены, которые

содержат полную информацию о природе белка и последовательности распо-

ложении определенных аминокислот в

белковых полипептидных цепях.

Поскольку для контролирования

последовательности расположения 20

аминокислот имеется всего лишь 4 нук-

леотида (аденино, гуанин, тимин и ци-

тозин), то каждой отдельной аминокис-

лоте должен соответствовать не от-

дельный нуклеотид, а их определенная

группа.

Аминокислоты кодируются три-

плетами, т.е. группами из трех последо-

вательно связанных нуклеотидов в

двойной спирали ДНК. При этом каж-

дый триплет управляет включением в

белок строго определенной аминокислоты. Такое соответствие определенных

участков ДНК – триплетов определенным аминокислотам составляет основу

системы кодирования, т.е. условной записи определенной информации. На-

пример, триплет Т-Т-Т контролирует присоединение лизина, триплет А-А-Ц

– лейцина и т. д. Триплеты отличаются не только составом нуклеотидов, но и

порядком их расположения.

Рис. 6.20. Строение саркомеры [8]

Важно отметить, что ДНК не принимает непосредственного участия в

Рис. 6.19. Модель молекулы

миоглобина [8]

215

синтезе белков. Перенос информации от ДНК к рибосомам, где происходит

синтез белков, осуществляется за счет и-РНК, которые формируются в яд-

рышках ядер клеток, причем синтез и-РНК идет под контролем ДНК. Как от-

мечалось выше, молекулы и-РНК образуются на одиночных спиралях рас-

плетенной молекулы ДНК в строгом соответствии с принципом ком-

плементарности. Вновь возникшая молекула и-РНК несет на себе такую же

информацию о структуре белка, как соответствующая ей молекула ДНК.

Другими словами, происходит переписывание (транскрипция) информации с

молекул ДНК на молекулы и-РНК.

В то время как информационная и-РНК переносит к рибосоме, т.е. к мес-

ту синтеза белка информацию о структуре, транспортная т-РНК доставляет

сюда же аминокислоты, которые присоединяются к одному из концов т-РНК.

При этом каждому виду аминокислоты соответствует своя т-РНК.

При образовании белков аминокислоты соединяются за счет пептидной

связи NH – CO. При этом у одной молекулы аминокислоты отщепляется атом

водорода от аминогруппы, а у другой – гидроксильная группа от карбоксиль-

ной. В результате образуется молекула воды, а две молекулы аминокислоты

соединяются пептидной связью:

Форми-

рующаяся

полипеп-

тидная

цепь

отделяется от рибосомы и претерпевает дальнейшие превращения, в частно-

сти, приобретает вторичную и третичную структуру. В результате образуется

белковая молекула со всеми присущими ей физиологическими и биохимиче-

N – C – H

C – OH

N – C – H

C – OH

N – C – H

C – OH

N – C

H R

| |

C – N – C

H R

| |

C – N – C

H R

| |

C – N – C

C – OH

Пептидные связи

216

скими свойствами.

Синтез белков сопровождается затратами энергии, которая поступает за

счет расщепления аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), состоящей из аде-

нина и рибозы, к которой прикреплены три остатка фосфорной кислоты. При

расщеплении молекулы АТФ образуется АДФ (аденозиндифосфорная кисло-

та), АМФ (аденозинфосфорная кислота) и выделяется большое количество

энергии (около 10 000 кал на грамм-молекулу освобождающейся фосфорной

кислоты):

АТФ + Н

О → АДФ + Н

РО

+ 10 000 кал,

АДФ + Н

О → АМФ + Н

РО

+ 10 000 кал.

Синтезированные белки поступают в эндоплазматическую сеть, а по ней

транспортируются к определенным участкам клетки.

6.2.3. Ферменты

Ферменты, иначе называемые энзимами, – это узкоспециализированные по

своему действию вещества, которые по своей природе являются белками.

Ферменты осуществляют превращения веществ в организме, направляя и ре-

гулируя тем самым его обмен веществ. Они обладают оптимальной активно-

стью при некоторых определенных условиях.

Ферменты обеспечивают процесс ускорения биохимических реакций. В

основе ферментативного катализа лежат те же закономерности, что и в осно-

ве небиологического катализа, используемого в химической промышленно-

сти. Обычно катализаторы взаимодействуют с реагентами, но в реакции не

расходуются и не входят в состав образуемых продуктов. Ферментативный

катализ отличается исключительно высокой эффективностью (увеличение

скорости реакций в 10

-10

раз), специфичностью и регулируемостью, т.е.

изменением активности ферментов в зависимости от потребностей организ-

ма.

Каждый вид ферментов катализирует превращение определенных ве-

ществ, иногда лишь единственного вещества в единственном направлении.

Поэтому многочисленные реакции в клетках осуществляет огромное число

различных ферментов. В частности, синтез ДНК осуществляется ферментом

ДНК-полимеразой. ДНК-полимераза не может начать процесс синтеза сама,

ей нужна ―затравка‖, в качестве которой обычно используется фрагмент

217

РНК. В свою очередь, синтез комплементарной нити РНК на молекуле ДНК

осуществляется ферментом РНК-полимеразой. РНК-полимераза не нуждают-

ся в затравке. Этот фермент синтезирует короткий фрагмент РНК – ту самую

―затравку‖, с которой начинается синтез ДНК

Каталитическими свойствами подобно ферментам, обладают также не-

которые виды РНК. Такие РНК-катализаторы называются рибозимами.

Ферменты играют важную роль в создании бсосенсоров. В общем случае

биосенсор состоит из трансдьюсера (преобразователя сигнала) и иммобили-

зованного биологического элемента [9]. Схема действия биосенсора включа-

ет несколько стадий (рис. 6.21):

1) распознавание биоэлементом специфического для него вещества (суб-

страта) из многокомпонентной смеси;

2) преобразование трансдьюсером информации о протекании биохими-

ческой реакции в форму электрического или другого (например, оптическо-

го) сигнала;

3) преобразование электрического (или другого) сигнала в нужную фор-

му для последующей обработки.

Существует два вида биомолекулярного распознавания: продуктивное и

непродуктивное, каждое их которых реализуется с помощью различных

биоэлементов. Продуктивное биораспознавание осуществляется ферментами,

которые связываются со специфическими субстратами, в результате чего

Преобразование информации

о биохимической реакции в

форму электрического сигнала

Преобразование

сигнала

Трансдьюсер

Иммобилизированный

биоэлемент

Распознавание

субстрата

Рис. 6.21. Схема действия биосенсора [9]

218

протекает химическая реакция, приводящая к образованию определенного

продукта. Непродуктивное биораспознавание, отличающееся высокоизбира-

тельным взаимодействием, осуществляется биологическими системами типа:

антиген-антитело, лиганд-рецептор и комплементарные одноцепочечные

олигонуклеотиды (ДНК).

Наибольшее распространение получили биосенсоры, действующие по

механизму продуктивного биораспознавания, т.е. биосенсоры на основе фер-

ментов. Среди ферментов чаще всего используются оксидазы, в частности,

глюкозооксидаза. Оксидазы окисляют свой специфический субстрат кисло-

родом воздуха. При этом кислород восстанавливается до пероксида водорода

, который подвергается амперометрическому детектированию.

Биосенсоры на основе ферментов легко подвергаются миниатюризации,

в частности, они могут быть изготовлены в наноисполнении и, как следствие,

эффективно имплантированы в живой организм для непрерывного анализа.

Особенно перспективно их использовать в одном из важнейших направлений

современной клинической диагностики – неинвазивной диагностике, т.е. в

анализе, не предусматривающем отбора крови.

Сложность создания бионаносенсоров, действующих по принципу био-

распознавания, связана с трудностью обеспечения их длительного и надежно-

го функционирования, так как биоэлементы обычно быстро теряют способ-

ность к биораспознаванию. В связи с этим необходимо, прежде всего, нау-

читься синтезировать молекулы, надолго сохраняющие заданные избиратель-

ность и химическое сродство.

6.2.4. Биомолекулярные комплексы

Тубулярные бионаноструктуры

В биологии довольно часто встречаются наноструктуры, имеющие тубуляр-

ную форму подобно углеродным нанотрубкам и выполняющие различные

функции в высших организмах. В частности, обнаружены некоторые вирусы

– неклеточные частицы размером 15-350 нм и более, содержащие нуклеино-

вые кислоты (ДНК или РНК), заключенные в белковую оболочку, по форме

весьма близкую к углеродным нанотрубкам. Вирусы являются внутрикле-

точными паразитами: они, размножаясь в живых клетках, используют их

ферментативный аппарат и переключают клетку на синтез зрелых вирусных

частиц – вирионов.

219

Структуру, схожую со структурой углеродных нанотрубок, имеют также

некоторые бактериофаги – вирусы бактерий, способные оказывать на них по-

ражающее действие (бактерии – микроорганизмы, преимущественно одно-

клеточные, различной формы с размерами от 100 нм до нескольких десятков

микрометров). В качестве примера на рис. 6.22 показана модель бактериофа-

га фСbК, который состоит из трубки с гексагональным упорядочением бел-

ковых элементов. Эта структура закрыта полусферическими фуллеренопо-

добными куполами.

Рис. 6.22. Модель каспида бактериофага фСbК [10]

Слоистые бионаноструктуры

В живых организмах довольно широко распространена биоминерализация, в

ходе которой путем самосборки формируются структурные элементы, пред-

ставляющие собой многослойные нанопленки. Биоминерализация состоит во

включении неорганических соединений, в частности, содержащих кальций в

мягкие живые ткани для их преобразования в более твердую форму. Так, ко-

стная ткань содержит множество палочкообразных неорганических крис-

таллов диаметром около 5 нм и длиной от 20 до 200 нм. Примером проявле-

ния многослойных нанопленок в биологических объектах являются струк-

турные цвета у насекомых, изменяющиеся при сжатии, высыхании или раз-

бухании пленки. В частности, клетки чешуек некоторых бабочек имеют ра-

дужный многоцветный вид благодаря оптической интерференции в тонких

многослойных пленках. Подобные пленки образуют структуру раковин мол-

люсков.

Самосборка слоистых бионаноструктур происходит следующим обра-

зом: сначала идет сравнительно медлннное объединение двух мономеров

(этап димеризации), затем образовавшийся димер начинает быстро расти пу-

тем последовательного добавления к нему других мономеров (этап полиме-

ризации).