2.2.Биологические строительные блоки

2.2.1. Размеры строительных блоков и наноструктуры

Существует множество способов определения или оценки размерных параметров d основных биологических строительных блоков, то есть аминокислот для белков и нуклеотидов для ДНК. Если известна кристаллическая структура строительно­го блока, и кристаллографическая элементарная ячейка содержит п молекул, тог­да можно разделить объем ячейки на и и взять кубический корень от результата для получения среднего размера:

Если кристаллическая структура орторомбическая, тогда эле­ментарная ячейка — прямоугольный параллелепипед длиной а, шириной Ъ и вы­сотой с с объемом Vjj = а • b ■ с, что дает для среднего размера молекулы d = {а • b ■ с/п)^1/3, где п — число молекул в ячейке. В типичном случае п равно 2 или 4. Для высокосимметричного тетрагонального случая в этом выражении а = Ь, а в кубическом случае при и = 1 имеет место особый результат: a = b = с = d. Мож­но также получить размер молекулы путем ее реконструкции на основе известно­го атомного состава, а также длин и углов между химическими связями составля­ющих ее атомов.

Другой распространенный путь определения размера биологической моле­кулы заключается в ее наблюдении в электронный микроскоп, который может обеспечивать изображения, полученные при различных ориентациях молекулы. Этот подход в особенности полезен для больших наноразмерных объектов, та-

Рис. 2.1. Микрофотография вируса по­лиомиелита с увеличением 74000 раз.

ких как белки и вирусы. Рис. 2.1 представляет собой микроснимок ви­руса полиомиелита с увеличением в 74000 раз, а рис. 12.2 — бактериофа­гов, атакующих бактерию, при увели­чении 41580 раз. Бактериофаг — тип вируса, который атакует и заражает бактерии. Бактериофаг, имеет 40 нанометровую голову, прикрепленную к хвосту дли­ной 100 нм и 13 нм шириной. Длина бактерии на рисунке — 1600 нм, ши­рина — 360 нм. Эти рисунки под­тверждают приведенное выше ут­верждение о том, что вирусы — это наночастицы, а бактерии — предста­вители мезоскопических структур,

поскольку их размеры лежат выше диапазона наночастиц. Четыре хорошо известных белка образуют частицы с размерами в диапазоне от 4 до 76 нм.

Рис.2.2 Приблизительные размеры и молекулярные веса четырех белков.

Как было показано в параграфе 11.2.2, размер d молекулы или наночастицы связан с ее молекулярной массой M_w и плотностью соотношением

где M_wвыражается в г/моль, ар — в г/см³. В этой формуле подразумевается, что форма наночастицы близка к сферической, и растяжения или сжатия в любом направлении очень невелики. Если молекула плоская или продолговатая, подоб­но у-глобулину или фибриногену, форма которых показана на рис. 2.2, то для получения размера можно использовать рис. 11.2 или 11.3.

Для вычисления плотности аминокислот и белков могут быть использова­ны кристаллографические данные. Для аланина, глицина, валина и воды они составляют 1,43, 1,607, 1,316 и 1 г/см³ соответственно. Структура белков менее компактна, следовательно, для них характерны меньшие значения р, чем для со­ставляющих их аминокислот. На основании этих соображений можно получить следующее приближенное выражение

которое будет далее использоваться для оценки размеров биологических макромо­лекул. Например, белок гемоглобин с молекулярной массой M_w = 68 ООО г/моль имеет характерный размер d = 4,8 нм, находящийся в пределах диапазона разме­ров наночастиц.

Скрученная система полипептидных наноцепей в компактной структуре бел­ка удерживается слабыми водородными и дисульфидными (—S-S—) связями, ко­торые могут быть частично оборванными. Между полипептидными сегментами наноцепей остается пустое пространство, так что плотность белка меньше, чем плотность составляющих его аминокислот в кристаллическом состоянии. Это мо­жет привести к недооценке размера белка, полученного по уравнению 12.3. Если известен молекулярный вес белка и объем, определенный по данным электрон­ной микроскопии, тогда плотность р (в г/см³) может быть определена по форму­ле, полученной из уравнения 11.10,

где молекулярная масса M_w берется в г/моль, а объем V — в кубических нано­метрах.

В Таблице 2.1 приведен список молекулярных масс и характерных размеров некоторых биологических наночастиц. На рис. 2.2 даны приблизительные моле­кулярные массы и размеры четырех белков, а в Таблице 2.2 — размеры биологи­ческих структур и объектов, размеры которых лежат в области микрометров, т.е. слишком велики для отнесения их к классу наночастиц. Все аминокислоты име­ют общую структуру, изображенную на рис. 12.4, с кислотной или карбоксильной группой (—СООН) на одном конце, соседним атомом углерода, связанным с ато­мом водорода, аминогруппой —NH₂, и группой R, определяющей конкретную аминокислоту. Рис. 12.5 представляет

Структуры шести аминокислот, включая самую маленькую, - глицин, для которой группа R – это просто атом Н и самую большую – триптофан, в котором R – сопряженное двойное кольцо. Структуры нуклеотидных строительных блоков ДНК иРНК представлены в разделе 12.3.1.

Рис. 2.2. Химическая структура аминокислоты.

Таблица 2.1. Типичные размеры различных биологических объектов в нанометровом диапазоне

Таблица 2.2. Типичные размеры в микрометрах различных биологических объектов в мезоскопическом диапазоне

ГОЛОВИН