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

~o Глава 12. Биологическиематериалы

сахаро-фосфатная цепь

Рис. 12.10. Модель ДВОЙНОЙ спирали ДИК Сахарозно-фосфатная основа цепи, расположение нуклеогилов (С, Т, а, А) и четыре случая связывания ос­

нов нуклеотвлов проиллюстрированы внизу справа.

цепями требует, чтобы маленькое пиримидиновое основание (одинарное КОЛЬ­ цо) всегда соединялось с большим пуриновым основанием (двойное КОЛЬЦО),

а именно: ЦИТОЗИН - С гуанином, а тимин - С аденином, как показано на

рис. 12.10.

Длина цепи на много порядков величины больше, чем диаметр ядра человече­ ской клетки, составляющий 6 МКМ. для ТОГО, чтобы поместиться внутри ядра, мо­ лекула дик вынуждена складываться несколькими способами одновременно (рис. 12.11). На рис. 12.11а изображена вытянутая двойная спираль ДИК. Следу­ ющая стадия сворачивания состоит из закручивания отрезков ДИК, содержащих -140 пар основ, вокруггруппымолекулбелков,называемыхГИСТОНами.В резуль­ тате образуетсято, что иногданазывают«бусинами»(рис. 12.llб). Гистоновыебу-

~2 Гяава J2. Биологическиематериалы

(рис. 12.11r), котораязатем складываетсяв гиперукладкуТОЛЩИНОЙ 700 им спосо­ бом, покаэанным на рис. 12.l1д. На всех уровнях упаковки отдельные элементы удерживаются, по большей части, относительно слабыми водородными связями, что позволяет всей структуре частично или полностью разворачиваться для реп­ ликации во время деления клетки ИЛИ для транскрипции во время образования молекул рибонуклеиновой кислоты (РНК), направляющих и осуществляющих синтез белков. Окончательно упакованная структура метафазной хромосомы, изображенная на рис. 12.11e, достаточно мала для того, чтобы уместиться внутри

ядра клетки.

Геном - полный набор элементов наследственности, называемых генами, каждый из которых ответственен за индивидуальную структуру, признак или функцию в теле (например, цвет глаз). Геном человека состоит из 46 хромосом (два гаплоидных набора из 23 хромосом), каждая из которых в среднем содержит

около 1600 расположенных в ней генов. Человеческий гаплоидвый геном содер­

жит около б х 109 пар оснований, т.е. в среднем около 150 х 106 пар оснований на

одну хромосому.

12.3.2. Генетический код и синтез белка

Вышеописанная молекула ДИК содержит в себе информацию по управлению синтезом белка путем присвоения кодовых слов, называемых кодонами, отдель­ ным аминокислотам, которые связываются вместе при формировании белка. одна из цепей ДИК, называемая кодирующей, хранит эту информацию, в то время как другая цепь пары, называемая дополнительной, не несет полезной информации. Информация для синтеза содержится в последовательности трех­ буквенных слов, использующих четырехбуквенный алфавит А, ц, Г и Т, осно­ ванный на четырех основаниях нуклеиновых кислот аденина (А), цитозина (Ц), гуанина (Г), тимина (Т), структуры которых показаны на рис. 12.9. Так как

в слове три буквы, а всего буквы четыре, в алфавите возможны 43 = б4 различ­ ных слов, 61 иэ которых используются как кодовые слова, соответствующие оп­

ределенным аминокислотам.

ДИК - носитель наследственнй информации в человеческом теле. Эта двой­ ная спиральная молекула имеет сопутствующую однонитевую молекулу, рибо­ нуклеиновую кислоту (РИК), которая вовлечена в синтез белка по прогрвмме, пе­ реписанной в нее из ДИК При образовании РИК ДИК разматывается, и сегмен­ ты цепи РИК последовательно собираются, один нуклеотид за другим, в процессе, называемом транскрипцией. Структуры цепи РИК и одной нити ДНК отличаются тем, что атом водорода (Н) в молекуле сахара заменен гидро­ ксильной группой (-ОН), как указано в нижней правой части рис. 12.8. Такой са­ хар, в отличие от дезоксирибозы, называют рибоэой. РНК также использует нук­ леотидную основу урацил со структурой, показаниой на рис. 12.12, вместо осно­ вания тимина. Обе эти макромолекулы нуклеиновых кислот - ДИК и РНК - могут бьпъ классифицированы как нанопроволоки, поскольку их длина в вытя-

12.3. Нуклеиновыекислоты 2~

в РИК тиминв на уралил. Таким образом, в соответствии с рис. 12.10, при транс­

крипции происходит перезапись кодовых слов с заменами по схеме

A~Y

Ц~Г

Г~Ц

так что каждое слово, или кодон, В mРИК состоит из трех букв из набора А, Ц, Г, У. Каждый кодон соответствует определенной аминокислоте, и последователь­ ность кодонов тРНК задает последовательность, в которой соответствующие аминокислоты объединятся в синтезируемый белок. Так как ДИК содержит ко­ довые слова для тысяч белков, а тРНК - толькодля одного, молекула тРНК ма­ ла по сравнению с ДНК и является короткой нанопроволокой. тРНК переносит сообщение о последовательности аминокислот из ядра клетки, где имеет место транскрипция с ДИК, к наночастицам, называемым рибосомами и находящими­ ся в цитоплазме вне ядра, где и происходит синтез белков. Множество дополни­ тельных белковых наночастиц, называемых ферментами, выступают катализато­ рами процессов белкового синтеза.

Двум из двадцати аминокислот соответствует единственное слово, или колон. Для триптофана это слово в РНК - UGG, как отмеченонарис. 12.5. Другие ами­

нокислоты имеют от двух до шести выделенных им слов, некоторые примеры ко­

торых "оказаны на рис. 12.5. В лингвистической терминологии все слова, соот­ ветствующие конкретной аминокислоте - синонимы, а на научном языке из за наличия синонимов такой код называется вырожденным. Три слова, а именно: UAA, UAG и UGA являются стоповыми кодонами, которые используютсядля указания конца спецификациинабора аминокислот.Например, последователь­ ностькодоновACU GCA GGC UAG соответствует следующему полипептиду из

~ Глава 12. Биологическиематериалы

трех аминокислот Thr-Ala-Gly, где обозначения аминокислот приведсны на рис. 12.5, а завершающий кодон UAG означает конец трипептида.

12.4. Биоnоrичеекиенаноструктуры

12.4.1. Прu.мерыбе.llКOfJ

Существуетмного разновидностейбелков, выполняющихразнообразныеФУНК­ цИИ в организмахЖИВОТНЫХи растений. Например,биологическиекатализаторы, называемыеферментами,основу которых оБЫЧНО составляютбелки. В этом раз­ деле будет описанонесколькотипичныхбелков.

Белок гемоглобинс молекулярноймассой 68000 Г/МОЛЬ СОСТО1П ИЗ четырех по­ липептидов, каждый из которых содержит последовательность около 300аминокис­ лот и гем-молекупу (С]4НзzО4N4Fе). Атом железа в геме - это место присоединения молекулы 02 к гемоглобину, переносящемукислород ктканям тела. Красное кровя­ ное тело (эритроцит) содержит около 250 миялионов молекул гемоглобина, так что каждая такая клетка способна переноситъ ОКОЛО миллиарда молекул кислорода.

Коллаген составляет 21 - 50% всех белков в теле млекопитающих. это глав­ ный компонент соединительной ткани, несущий нагрузку. ОН обнаружен в хря­ щах, костях, сухожилиях, связках, коже и роговице глаза. Волокна коллагена об­ разуются тройными спиралями белков, содержащих повторения трипептидных последовательностей -Gly-Pro-Xxx-, где аминокислота, обозначеннаяХхх, обыч­ но - пролив (Pro) или гидроксипродин (Нрго). Коллаген отличается от других белков высоким процентным содержанием аминокислот продина 02%) и rидpo­ ксипролина00%), атакжесодержитбольшиеколичестваглицина(34%) и алани­ на 00%). Остатки пролина и гидроксипролинаимеют жесткие пятичленные кольца, содержащие азот, так что коллаген не может образовыватьа-спираль, но эти остаткисоздаютизгибыв полипепгидныхцепочках,облегчающиеформи­ рование структуры, усиливающейтакую триплетнуюспираль. Остатки глицина, которые имеют наименьшие размеры, облегчают плотную упаковку цепочек, удерживаемыхводороднымисвязями. Были полученыискусственныегены с ве­ сами от 40 до 70 кг/моль, кодирующие трипептидные последовательности, такие как -Gly-Pro-Pтo-, напоминающие природный коллаген.

Многие свойства белка эластина аналогичны свойствам коллагена. Он обес­ печивает упругость кожи, легких, сухожилий и артерий млекопитающих. Эластин имеет белок-предшественник называемый тропоэластином с молекулярной мас­ сой 72 кг/моль. Его структура состоит из повторяюшихся олигопептидов - корот­

ких подипептидов, содержащих от четырех до девяти аминокислотных остатков.

Был синтезирован аналог такой цепочки, состоящей из пентапептилной последо­ вательности -Yal-Pro-Gly-Val-Gly- с обратным порядком аминокислот в дипеп­ тиде Pro-Gly. Дополнительные остатки аминокислот могут занимать пространст­ во между витками, используя высокую гибкость разделителя - глицина. Витки объединяются в пруживоподобную структуру, которая может растягиваться 60-

12.4. БUUЛ(Ji!U'lf!(ЖUf! ниносmру"mуры 2~

ровенной В другой (как, например, масло в воде). Ее можно создать энергичным взбалтыванием или перемешиванием. Эмульсия является термодинамически нерав­ новесной системой, потому что капли имеют тенденцию к кoaryляции И росту со временем. В присугствии ПАВ чвстицы с размерамидо 100им могут самопроизволь­ но образовывать термодинамически равновесную проэрачную микроэмупьсию, ко­ торая способна сушествовагъдлителъное время. Молекулы ПАВ в растворителях мо­

ryr упорядочиваться различными пугями, зависящими от их концентрации.

Принизкихконцентрацияхони могутадсорбироватьсяна поверхностиразделавоз­ дух-вода. Выше определеннойконцентрации,называемойкритическоймицелляр­ ной, можетобразовыватьсядинамическоеравновесиемеждусвободнымимолекула­ ми ПАВ и мицелламис размерамиот 2 до 10 им, которые непрерывно собираются И распадаются с характерными временами жизни от микросекунд до секунд. Синге­ тические ПАВ с более объемистыми гидрофобными группами, означающими боль­ шие параметры упаковки, образуют протяженные двойные слои, которые могут за­ мыкаться на себя с образованием везикул (обычно сферических). эти структуры воз­ никают при концентрациях выше критической везикулярной. Время жиэии везикул обычно измеряется неделями или месяцами, так что они гораздо стабильнее мицелл.

Если везикулы образуются природными или синтетическими фосфолипидами, они называются однослойными липосомами, то есть такие липосомы содержат только один биспой. Фосфолипид - это жиропод06ное вещество, содержащее фос­ фор в форме фосфорной КИСЛОТЫ, которая функционирует какструктурный компо­ нент мембраны. D1авная часть mrnида гидрофобна, а фосфатная группа гидрофидъ­ на. Гидратация вызывает их самосборку в однослойные липосомы. Механическое возмущение этих однослойных липосом может преобраэоватъ их в многослойные, состоящие из концентрическихдвойных слоев. Однослойные липосомы имеютди­ аметр от нанометровдо микрон сдвойными слоями ТОЛщиной 5-10 им. В однослой­ ные ЛИПОСОМЫ можно ввести белки для изучения их функций в среде, напоминаю­ щей таковую в фоефолипидных двойных слоях в живой клетке.

Если применяются полимеризуемые ПАВ, например, содержащие акрилат­ ные, акридамидные, а.ллильные (СН2=СНСН2-), диаллильные, метакрилатные или винильные группы (СН2=СН-), то возможна полимеризация. Характерное время их полимеризации обычно меньше, чем время жизни везикулы, в резуль­ тате образуется тот же полимер, который обычно получается из мономеров, со­ ставляющих ПАВ. Напротив, времена жизни мицедл, как правило, короче, чем характерные времена процессов полимеризации, и в результате конечный про­

дукт может значительно отличаться от ожидаемого для таких исходных материа­

лов. Обнаружено, что ПАВ с химически высокоактивными группами, такими как акриламид или стирол, образуют полимеры с молекулярными массами, превы­ шающими миллионы г/моль, а ПАВ с полимеризуемыми группами низкой хими­ ческой активности, такими как а.ллил, образуют много меньшие частицы, разме­ ры которых могут быть близки к диапазону размеров мицелл до полимеризации.

Мицеллы и бислойные липосомы имеют множество применений в химии и биологии. Мицеллы могут способствовать диспергированию нерастворимых

~8 Глава 12. Биологическиематериалы

боковая сахарозиая цепь

внешний бело"

~~~,;;;:_ внутреннийбелок

~фосфорильная'-' , группа ФОСФОЛНпидов

холестерин

фесфолипидные цепи жирных кислот

Рис. 12.15. Схема структуры плазматической мембраны. Фосфолилиды упорядочива­ ЮТСЯ в ДВОЙНОЙ дипидный СЛОЙ с гидрофильными фосфо-грynnами снару­ жи и липофильными цепями жирных кислот внутри. Также присутсгвуюг парвллельные слоям включения холестерина. Кроме того, мембрана содер­ жит сильно связанные собственные белки, которые проходят через двой­ ной липидный СЛОЙ и слабо связанные белки на внешней стороне. На по­ верхности также находятся сахарозные цепи некоторых внутреннихбелков.

органических соединений в мыльных растворах и облегчать их удаление с поверх­ ностей. Аналогичную роль мицеллы играют в пищеварении, делая жировые кис­ ЛОТЫ, фосфолипиды, холестерин и некоторые витамины (А, О, Е и К) водорас­ творимыми, что позволяетлегче перерабатывать и усваивать их пищеварительной системой. Липосомы могут заключать в себе ферменты и в соответствующее вре­ мя распадаться, освобождая их для выполнения своих функций, например, ката­

лиза пищеварительных процессов.

Многие биологические мембраны, такие как плазматическая мембрана крас­ ной кровяной клетки (эритроцита) состоят из белков и липидов. Много липид­ ного материала представлено фосфолипидами и холестерином. Последний обра­ зует двойной слой с параметром упаковки р - 1. Общая структура плазматичес­ кой мембраны - двойной липидный слой, образованный самосборкой молекул липидов, типа показанного на рис. 12.15. С внешней стороны двойного слоя на­ ходятся гидрофильные фосфо-группы ро;-фосфолипидов, которые контактиру­

ют с водным раствором плазмы крови, окружающим красную кровяную клетку.

Липофильные группы находятся внутри и направлены к взвеси молекул гемогло­ бина, заполняющей красные кровяные клетки. Из рисунка видно, что большая часть мембраны состоит из цепочек жирных кислот фосфолипидов и вкрапле­ ний холестерина. Рисунок также показывает, что плазматическая мембрана со­ держит внешние белки, лежащие на поверхности, интегральные белки, проника­ ющие через двойной слой, и сахарные боковые цепи, прикрепленные снаружи.

12.4.3. Многослойные пленки

Биомиметрика заключается в исследовании искусственных структур, имитирую­ щих найденные в биологических системах (см. Купер 2000). это включает круп-