Основы наноелектроники / Основы наноэлектроники / ИДЗ / Книги и монографии / Нанотехнологии (Пул), 2005, c.325

~o Глава 11. Органическиесоединенияиполимеры

а полиэтиленгликолевые сегменты образуют наружный слой (верхняя часть рис. 11.24). После такой модификации подложки концевые функциональные группы полиэтиленгликолевых сегментов могут специфическим образом реаги­ ровать с определенными протеинами. Нижняя часть рисунка показывает как ди­ ализ, или разделение на мембране в водной среде, используется для образования сферических мицелл из блок-сополимера с ацеталъными или альдегидными (-СНО) функциональными группами на поверхности. Затем мицеллы можно ис­ пользовать для модификации поверхности, как показано на рисунке.

Для изучения альдегидных (-СНО) групп на поверхности сополимера ис­ пользовался электронный парамагнитный резонанс. В качестве спиновой метки брали соединение на основе 2,2,6,б-тетраметил пиперидиноксила (ТЕМРО), со­ кращенная формула которого приведсна на рис. 11.25. Спектральная характерис­ тика спиновой метки, состоящая из трех характерных ЭПР-линий (спектр (а) на рисунке), показывает присоединение спиновой метки ТЕМРО к альдегидной группе на конце полиэтилеигликольного (PEG) сегментана поверхности. В слу­ чаях, когда ацетальнаяповерхностьбыла обработанаТЕМРОдо замещенияаце­ талъныхгруппальдегидными,ЭПР-триплетыБылиоченьслабыми(спектрб), ве­ роятно, вследствиепрямойфизическойадсорбциимолекулТЕМРОна поверхно­ сти. Рис. 11.25впоказывает,что ЭПР-сигналспиновойметки не появляется,если альдегиднуюповерхностьобрабатыватьразновидностьюТЕМРО, в которой от­ сyrствуетаминогруппа(-NH2) . На верхней части рисунка можно видеть, как мо­ лекула ТЕМРО связывается с альдегидной (-СНО) группой, расположенной на

конце этиленгликольного сополимерного сегмента.

Литература

А. Archut and F. \bgtle, «Dendritic Molecules - Historic Development and Future Applications., in Naiwa (2000), \bl. 5, Chapter 5, р. 333.

Н. Кasai, H.S. Nalwa, S.Okada, H.Oikawa and Н. Nakanisbl, «Fabrication and Spectrograpblc Characterization ofOrganic Nanocrystal~, in Naiwa (2000), \Ь]. 5, Chapter 8, р. 334.

G. Liu, «Po1ymeric NапоstПlcture~, in NaIwa (2000), \Ь1. 5, Chapter 9, р. 475.

H.S. Nalwa, 00., Handbook о/ Nal10stnletured Materiafs аnd NйI10шhl1О!ogy, \Ь1. 5, Organics, PoIymefS йI1d

BiofogicafCompouruJs, Academic Ргеее, Boston, 2000.

Н. Otsuka, У. Nagasaki and К. Кашока. Materiafs Тaday (3), 30, (2001).

F.J. Owens and S. Вшцвв, «Nanoporous Cyc10dextrin Po1ymers for Removal ofContaminant Mo1eculesfrom Emuent~, to Ье published

P.J. Stang and В. Olenyuk, «Transition-Meta1-Mediated Se1f-Assembly of Discrete Nanoscopic Species with \\ell-Defined Shapes and Оеошешеэ-, in Nalwa (2000), \bl. 5, Chapter 2, р. 167.

В.О. Sumpter, К. Fukui, М.О. Barnes and D.W. Noid, Materiafs Тodау (2), 323 (2000).

В. \\ess1ing, «Conductive PoJymeIS as Organic Nanometa]~, in Na1wa(2000), \Ь1. 5, Chapter ]0, р. 501.

R.W:G. Wyckoff, Crystal Structures, \bl. 5, Wi1ey, New York, 1996

ГЛАВА 12.

БИОЛОГИЧЕСКИЕ

МАТЕРИАЛЫ

12.1 . Введение

Традиционно наночастицы ИЛИ нанеструктуры определяют как объекты в ди­ апазоне размеров ОТ 1 до 100 НМ. Таким образом, многие биологические мате­ риалы классифицируются как ваночастицы. Бактерии, интервал размеров ко­ торых находится между 1 и 10 МКМ, принадлежит миру мезоскопических мас­ штабов, в то время как вирусы с размерами от 10 до 200 им находятся в верхней части диапазона наночастиц. Белки, размеры которых обычно ле­ жат между 4 и 50 им, находятся внизу манометрового диапазона. Строитель­ ные блоки белков - 20 аминокислот, имеют размеры около одного нм каждая, что нахОДИТСЯ вблизи нижней официальной границы наноструктур. В приро­ де встречается более 100 аминокислот, но только 20 из НИХ используются ор­ ганизмами при синтезе белков. При Формировании молекулы белка эти двад­

цать аминокислот последовательно соединяются друг с другом прочными

пептидными химическими связями и образуют длинные полипептидны:е це­ пи, содержащие сотни, а в некоторых случаях - тысячи аминокислот. В неко­ тором смысле их можно уподобить нанопроволокам. В результате изгибов

и сворачивания полипептидные наноцепи упаковываются в сравнительно не­

большой объем, соответствующий полипептидной ваночастице с типичным диаметром в диапазоне 4 - 50 нм. Таким образом, белок - это наночастица, которая представляет собой упакованную определенным образом полипеп­ тидную наноцепь. Генетический материал - дезоксирибонуклеиновая кисло­ та (ДИК) также имеет структуру упакованной наноцепи. Ее строительные блоки - 4 нуклеотида, которые связываются в длинные двойные спиральные наноцепи. В случае человека ДИК 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 ДИК 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 ванометровых размеров, вовлеченных в построение биологических структур, рассмотрим как типичный объект челове­ ческое сухожилие, указывая в скобках характерные размеры структурных единиц (1irell 1994). Назначение сухожилия - прикрепление мускула к кости. С точки зрения биологии, основная строительная единица сухожилия - совокупность

~2 Глава J2. Биологическиематериалы

аминокислот (0,6 ИМ), образующих желатиноподобиый белок, называемый коллагеном (l ИМ), который свивается в тройную спираль (2 им). Затем следует тройная последовательность волокнистых ми фибриллярных наноструктур: ми­ крофибриллы (3,5 ИМ), субфибриллы (10-20 ИМ), и собственно фибриллы (50-500 им). Масштабыдвухпоследнихструктурныхуровней,а именногруппво­ локон, называемыхсвязкой(50-300 мкм) и собственносантиметровыхсухожилий лежат далеко за пределами нанометрового диапазона размеров. Размер связки считается мезоскопическим, а сухожилия - макроскопическим. Поскольку наи­ меньшая аминокислота, ГЛИЦИН, имеет размер -0,42 им, а некоторыевирусыдо­ стигают 200 им, по-видимому, уместно номинально определить биологические наноструктуры как нах:одящиеся в этом диапазоне. Настоящая глава фокусирует­ ся на ваноразмерных компонентах биологических материалов. Дополнительно также обсуждаются некоторые особые случаи искусственно созданных наност­ руктур, являющихся важными в биологии. Дополнительное обсуждение биоло­ гических наноструктур можно найти в книге «Путешествия В наномир»,

М. Gross (1999).

12.2. Биологическиестроительныеблоки

12.2.1. Размеры строительныхблоков и наноструктуры

Существует множествоспособов определенияили оценки размерных параметров d основных биологических строительных блоков, то есть аминокислотДЛЯ белков и нуклеотидов для ДИК. Если известна кристаллическая структура строительно­ ro блока, и кристаллографическая элементарная ячейка содержит n молекул, тог­ да можно разделить объем ячейки на n и взять кубический корень от результата

для получения среднего размера:

(12.1)

Если кристаллическая структура орторомбическая (см. параграф 3.3), тогда эле­ ментарная ячейка - прямоутольный параллелепипед длиной О, шириной Ь и вы­

сотой с с объемом Vu = о . Ь . с, что дает для среднего размера молекулы d =

(а- Ь· сjn)J/З, где n - число молекул в ячейке. В типичном случае n равно 2 или 4. Для высокосимметричного тетрагонадьного случая в этом выражении о = Ь, а в кубическом случае при n = 1 имеет место особый результат: а = Ь = с = а. Мож­

но также получить размер молекулы путем ее реконструкции на основе известно­ го атомного состава, а также длин и углов между химическими связями составля­ ющих ее атомов.

Другой распространенный путь определения размера биологической моле­ кулы 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-

~4 Глава 12. Биологическиематериалы

Для вычисления плотности аминокислот и белков могут быть использова­

ны кристаллографические данные. Для аланина, глицина, валива и воды они составляют 1,43, 1,607, 1,316 и 1 г/см] соответственно. Структура белков менее

компактна, следовательно, для них характерны меньшие значения р, чем для со­

ставляющих их аминокислот; На основании этих соображений можно получить следующее приближенное выражение

которое будетдалее использоваться для оценки размеров биологических макромо­ лекул. Например, белок гемоглобин с молекулярной массой Mw = 68 000 Г/МОЛЬ имеет характерный размер d = 4,8 им, находящийся в пределах диапазона разме­

ров наночастиц.

Скрученная система полипептидных наноцепей в компактной структуре бел­ ка удерживается слабыми водородными идисульфидными (-5-5-) связями, ко­ торые могут бъrrь частично оборванными. Между полипептиднымисегментами ваноцелей остается пустое пространство,так что плотность белка меньше, чем плотностьсоставляющихего аминокислотв кристаллическомсостоянии.это мо­ жет привестик недооценкеразмерабелка, полученногопо уравнению 12.3. Если известен молекулярный вес белка и объем, определенный по данным электрон­

ной микроскопии, тогда плотностьр (в г/см]) может быть определена по форму­

В Таблице 12.1 приведен список молекулярных масс и характерных размеров некоторых биологических наночастиц. На рис. 12.3 даны приблизительные моле­ кулярные массы и размеры четырех белков, а в Таблице 12.2 - размеры биологи­ ческих структур и объектов, размеры которых лежат в области микрометров, т.е. слишком велики для отнесения их к классу наночастиц. Все аминокислоты име­ ют общую структуру, изображенную на рис. 12.4, с кислотной или карбоксильной группой (-СООН) на одном конце, соседним атомом углерода, связанным с ато­ мом водорода, аминогруппой -NH2, и группой R, определяющей конкретную

аминокислоту. Рис. 12.5 представляет

12.2. Биологическиестроительныеблоки 2~

'l8блица 12.1.Типичные размеры различных биологических объектов в нанометро­

12.2.2. Полunеnmuдная наноцеnь и белковые наночасmuцы

На рис. 12.6 проиллюстрирован способ соединения аминокислот в цепочки по­ средством формирования пептидных связей. Для формирования этой связи, ги­ дроксогруппа (-ОН) карбоксильной группы одной аминокислоты связывается

сатомом водорода Н аминогруппы следующей аминокислоты с установлением

С- N пептидной связи и освобождением молекулы воды. На рис. 12.6 показано

образование трипептидной молекулы. Типичный белок состоит из одной или нескольких очень длинных полипептидных молекул. Малые пептиды называют­

ся олигопептидами, а аминокислоты, включенные в полипептидные цепи, час­

то называют аминокислотными остатками для ТОГО, чтобы отличать их от сво­ бодных или несвязанных аминокислот. Белок гемоглобин, например, имеет

N

н

Рвс. 12.5. Названия, обозначения, молекулярные массы Mw• размеры d, трехбук­ венные РНК - генетические кодовые слова (КОДОИЫ), и структуры 6 ами­ нокислот, включая наименьшую аминокислоту - ГЛИЦИН (сверху) И наи­ большую - триптофан (снизу).

после связывания

Рис. 12.6. Образование трипептидной цепи (внизу) путем установления пептидных связей между тремя аминокислотами (вверху).

~ Глава12. Биологическиематериалы

р-листами, которые удерживаются водородными связями (рис. 12.76). Листы мо­ гут также называться нанопленками. эти две конфигурации составляют то, что называется вторичной структурой. Глобальная упаковка достигается третичной структурой, состоящей из последовательности скручиваний и поворотов отдель­ ных сегментов, удерживаемых дисульфидными связями (рис. 12.7в). Если присуг­ ствует более одного полипептида, они располагаются друг относительно друга в четвертичной структуре как показано на рис. 12.7r. Этот тип упаковки типичен для глобулярных (сферических) белков. Некоторые белки имеют глобулярную, другие - фибриллярную (продолговатую) форму (рис. 12.3). Из двух нижних схем рис. 12.7 ВИДНО, что третичная и четвертичная структуры не очень плотно упако­ ваны, поэтому плотность белков ниже, чем плотность аминокислот в кристалли­ ческом состоянии, как уже упоминалось выше. В действительности часть прост­ ранства внутри молекулы белка, находящегося в цитоплазме клетки, содержит между скручиваниями и поворотами гидратные молекулы воды. На основании этого обсуждения можно сделать заключение о сложной структуре белковых на­

ночастиц.

12.3. Нуклеиновыекислоты

12.3.1. Двоiiная наноцеnь дик

Основной строительный блок ДНК, явдяюшийса нуклеотидом с химической структурой, показенной на рис. 12.8, более сложен, чем аминокислота. Он содер­ жит пятичленное дезоксирибозное кольцо сахара в центре, фосфатную группу (-Р04Н2)' прикрепленную с одной стороны кольца, и основание нуклеиновой кислоты R, прикрепленное с другого стороны. Стрелками с левой стороны на ри­ сунке показаны точки прикрепления других нуклеотидов при образовании саха­ розно-фосфатной основы нити дик. На рис. 12.9 изображены структуры четырех

нуклеиновых основ, которые могут прикреплятъся к сахарозе с верхней правой стороны, как показано на рис. 12.8. Из сравнения рис. 12.5 и 12.9 видно, что мо­ лекулы основания нуклеиновых кислот и молекулы аминокислот имеют прибли­ зительно одинаковые размеры. Точки прикреnления оснований к сахарным коль­ цам на рис. 12.9 показаны вертикальными стрелками. Горизонтальными стрелка­ ми показаны точки образования связей между основаниями при образовании двойной спирали днк. Цитозин (ц) может соединяться только с гузнином (Г), а тимин (Т) - С аденином (А) показанным на рис. 12.10 образом. Из этого рисун­ ка видно, что кислотно-фосфатные и сахарозные группы соседних нуклеотидов образуют сахарозно-фосфатную основу нити ДИК, имеющей вид макроскопиче­ ски длинной двойной спирали. как видно из этого рисунка, комплементарные пары оснований ЦсГ и Т-Арасполarаются между двумя нитями основы и связы­ ваются водородными связями. Слабость этих водородных связей позволяет двой­ ной спирали легко разделяться на две нити с целью транскрипции (образования