4 Связь размеров структур с их функциональностью

41

ческих свойств конденсированного вещества, проявляющихся зачастую вплоть до размеров около 10 нм, что соответствует сис­темам, содержащим примерно миллион атомов. Граница класси­ческих отношений достигается лишь при меньших размерах, когда для описания свойств конденсированного вещества следует применять концепции квантовой физики и нанотехнологии. Во­обще говоря, представляется очевидным, что атомы и молекулы являются квантовыми (нанометрическими) объектами, но про­блема заключается в том, чтобы внести ясность в различия меж­ду физическим и химическим поведением, возникающем на предельных границах изменения масштабов.

Выводы: Классические законы физики остаются справедли­выми для систем с размерами до 10 нм, а при меньших разме­рах возникают новые закономерности. Дальнейшее уменьшение масштабов структур и явлений требует учета квантово-механи-ческих эффектов и связанных с ними особенностей.

ПУЛ 2.Биологические материалы

2.1.Введение

Традиционно наночастицы или наноструктуры определяют как объекты в ди­апазоне размеров от 1 до 100 нм. Таким образом, многие биологические мате­риалы классифицируются как наночастицы. Бактерии, интервал размеров ко­торых находится между 1 и 10 мкм, принадлежит миру мезоскопических мас­штабов, в то время как вирусы с размерами от 10 до 200 нм находятся в верхней части диапазона наночастиц. Белки, размеры которых обычно ле­жат между 4 и 50 нм, находятся внизу нанометрового диапазона. Строитель­ные блоки белков — 20 аминокислот, имеют размеры около одного нм каждая, что находится вблизи нижней официальной границы наноструктур. В приро­де встречается более 100 аминокислот, но только 20 из них используются ор­ганизмами при синтезе белков. При формировании молекулы белка эти двад­цать аминокислот последовательно соединяются друг с другом прочными пептидными химическими связями и образуют длинные полипептидные це­пи, содержащие сотни, а в некоторых случаях — тысячи аминокислот. В неко­тором смысле их можно уподобить нанопроволокам. В результате изгибов и сворачивания полипептидные наноцепи упаковываются в сравнительно не­большой объем, соответствующий полипептидной наночастице с типичным диаметром в диапазоне 4 — 50 нм. Таким образом, белок — это наночастица, которая представляет собой упакованную определенным образом полипеп­тидную наноцепь. Генетический материал — дезоксирибонуклеиновая кисло­та (ДНК) также имеет структуру упакованной наноцепи. Ее строительные блоки — 4 нуклеотида, которые связываются в длинные двойные спиральные наноцепи. В случае человека ДНК содержат последовательности около 140 х 10⁶ нуклеотидов. Таким образом, молекула ДНК - двойная наноцепь, две нуклеотидные наноцепи закручены друг вокруг друга с периодом 3,4 нм и диаметром 2 нм. Упаковываясь в хромосому около 6 мкм длиной и 1,4 мкм шириной ДНК вынуждена многокатно скручиваться и складываться. Сама по себе хромосома не настолько мала, чтобы считаться наночастицей, поскольку ее размеры лежат в мезоскопическом диапазоне.

Для более полного охвата темы частиц нанометровых размеров, вовлеченных в построение биологических структур, рассмотрим как типичный объект челове­ческое сухожилие, указывая в скобках характерные размеры структурных единиц (Tirell 1994). Назначение сухожилия — прикрепление мускула к кости. С точки зрения биологии, основная строительная единица сухожилия — совокупность аминокислот (0,6 нм), образующих желатиноподобный белок, называемый коллагеном (1 нм), который свивается в т^ойщих спираль (2 нм). Затем следует тройная последовательность волокнистых или фибриллярных наноструктур: ми­крофибриллы (3,5 нм), субфибриллы (10-20 нм), и собственно фибриллы (50—500 нм). Масштабы двух последних структурных уровней, а именно групп во­локон, называемых связкой (50-300 мкм) и собственно сантиметровых сухожилий лежат далеко за пределами нанометрового диапазона размеров. Размер связки считается мезоскопическим, а сухожилия — макроскопическим. Поскольку наи­меньшая аминокислота, глицин, имеет размер -0,42 нм, а некоторые вирусы до­стигают 200 нм, по-видимому, уместно номинально определить биологические наноструктуры как находящиеся в этом диапазоне. Настоящая глава фокусирует­ся на наноразмерных компонентах биологических материалов. Дополнительно также обсуждаются некоторые особые случаи искусственно созданных наност­руктур, являющихся важными в биологии. Дополнительное обсуждение биоло­гических наноструктур можно найти в книге «Путешествия в наномир», М. Gross (1999).