2834.Введение в супрамолекулярную химию

химического градиентов мембрана использует энергию метаболизма. Такой тип транспорта называется активным транспортом.

Действие пассивного транспорта через мембрану, в ходе которого ионы перемещаются по их электрохимическому градиенту, должно быть сбалансировано их активным транспортом против соответствующих градиентов. Иначе ионные градиенты исчезли бы полностью, и концентрации ионов по обе стороны мембраны пришли бы в равновесие. Это действительно происходит, когда активный транспорт через мембрану блокируют охлаждением или путем использования некоторых ядов.

Существует несколько систем активного транспорта ионов

вплазматической мембране (ионные насосы). Натрий-калиевый насос реализуется в плазматических мембранах всех животных и растительных клеток. Он удаляет ионы натрия из клеток и вводит в клетки ионы калия. В результате концентрация ионов калия

вклетках существенно превышает концентрацию ионов натрия.

Натрий-калиевый насос − один из интегральных белков мембраны. Он обладает энзимными свойствами и способен гидролизовать аденозинтрифосфорную кислоту (АТФ), являющуюся основным источником и хранилищем энергии метаболизма в клетке. Благодаря этому указанный интегральный белок называется натрийкалиевой АТФазой. Молекула ATФ распадается на молекулу аденозиндифосфорной кислоты (АДФ) и неорганический фосфат. Таким образом, натрий-калиевый насос выполняет трансмембранный переход ионов натрия и калия. Молекула насоса существует в двух основных конформациях, взаимное преобразование которых стимулируется гидролизом ATФ. Эти конформации выполняют функции переносчиков натрия и калия. При расщеплении натрийкалиевой АТФазой молекулы ATФ неорганический фосфат присоединяется к белку. В этом состоянии натрий-калиевая АТФаза связывает три иона натрия, которые удаляются из клетки. Затем молекула неорганического фосфата отсоединяется от насосабелка, и насос превращается в переносчик калия. В результате два иона калия попадают в клетку. Таким образом, при расщеплении каждой молекулы ATФ удаляются три иона натрия из клетки и два

101

иона калия переносятся в клетку. Один натрий-калиевый насос может перенести через мембрану 150–600 ионов натрия в секунду. Следствием его работы является поддержание трансмембранных градиентов натрия и калия.

Через мембраны некоторых клеток животных (например, мышечных) осуществляется первично-активный транспорт ионов кальция из клетки (кальциевый насос), что приводит к наличию трансмембранного градиента указанных ионов.

Водородный ионный насос действует в мембране бактериальных клеток и в митохондриях, а также в клетках желудка, перемещающего водородные ионы из крови в его полость.

Существуют системы транспорта через мембраны, которые переносят вещества из области их низкой концентрации в область высокой концентрации без непосредственного расхода энергии метаболизма клетки.

Макромолекулы − белки и нуклеиновые кислоты − не могут проникнуть через плазматическую мембрану с помощью механизмов транспорта, рассмотренных выше, из-за своих больших размеров. При трансмембранном транспорте больших молекул сама плазматическая мембрана подвергается согласованным перемещениям (рис. 4.10), вследствие которых часть жидкой внеклеточной среды поглощается (эндоцитоз) или часть внутренней среды клетки выделяется (экзоцитоз).

Рис. 4.10. Схема транспорта макромолекул через клеточные мембраны: а – экзоцитоз; б – эндоцитоз

102

В процессе эндоцитоза плазматическая мембрана окружает часть внешней среды, формируя вокруг нее оболочку, в результате чего образуется везикула, которая поступает внутрь клетки. При экзоцитозе транспортируемое вещество синтезируется в клетке, связывается мембраной в везикулы и экспортируется из клетки. Таким образом транспортируются из клетки специфические белки, нуклеиновые кислоты, нейромедиаторы и т.п.

Значительный интерес с точки зрения супрамолекулярной хи-

мии представляют нуклеиновые кислоты (полинуклеотиды) −

биополимеры, осуществляющие хранение и передачу генетической информации во всех живых организмах, а также участвующие в биосинтезе белков. Структура нуклеотидов, при полимеризации которых образуются полинуклеотиды, представлена на рис. 4.11.

Рис. 4.11. Структура нуклеотида

Первичная структура нуклеиновых кислот представляет собой последовательность остатков нуклеотидов. Последние в молекуле нуклеиновых кислот образуют неразветвленные цепи. В зависимости от природы углеводного остатка в нуклеотиде (D-дезокси- рибозы или D-рибозы) нуклеиновые кислоты подразделяют соответственно на дезоксирибонуклеиновые (ДНК) и рибонуклеиновые (РНК) кислоты. В молекуле ДНК гетероциклы, входящие в остаток нуклеотида, представлены двумя пуриновыми основаниями − адeнином (А) и гуанином (G), и двумя пиримидиновыми основаниями − тимином (Т) и цитозином (С); РНК вместо тимина (Т) содержит урацил (U).

ДНК и РНК обладают удивительно строгой организацией на наноразмерном уровне. Эту особенность можно использовать как инструмент для конструирования наноструктур и наноизделий

103

«снизу вверх». С точки зрения нанотехнологии важным качеством молекулы ДНК является ее способность распознавать и связывать комплементарные основания, а также относительная стабильность двойной спирали ДНК.

Истоком ДНК-нанотехнологии служат работы Недриана Симана (Nadrian Seeman), начатые около 30 лет назад. Тогда казалось, что при помощи правильно подобранных цепей ДНК можно сложить фигуру любой сложности, соответствующую любым целям. В целом действительность не обманула ожиданий ученых. Можно выделить две существенные области использования ДНК в нанотехнологии: ДНК как структурный элемент для создания сложных конструкций (рис. 4.12) и ДНК как функциональный элемент в наномашинах.

аб

Рис. 4.12. Структурная единица (а) и АСМ-изображение двумерной сети, полученной из таких элементов (б)

Мир ДНК кажется логичным и строгим. Две антипараллельные цепи ДНК, обвиваясь одна вокруг другой, формируют двойную спираль (дуплекс). Напротив каждого азотистого основания одной цепи находится строго определенное азотистое основание другой цепи: аденин (А) напротив тимина (Т), гуанин (G) напротив цитозина (C). Соседние пары оснований связаны еще и стэкинг-взаимо- действием, что обеспечивает дополнительную жесткость и стабильность молекулы ДНК. Нуклеотидный состав ДНК практически не влияет на параметры двойной спирали, что дает исследователям

104

для удобства дальнейших манипуляций, для придания молекуле дополнительной функциональности (красителями, белками), для геометрически заданного расположения определенных элементов.

Использование ДНК как функционального элемента в нано-

машинах основывается, опять же, на комплементарном взаимодействии, а также на способности одноцепочечной ДНК вытеснять одну из цепей дуплекса при условии, что вытесняющая цепь образует больше комплементарных взаимодействий, чем вытесняемая. Эта замечательная способность была продемонстрирована в 2000 году Бернардом Юрке (Bernard Yurke) и его коллегами. Достаточно оставить на одной из цепей дуплекса несколько нуклеотидов (выступающий «липкий конец»), и тогда при добавлении одноцепочечной ДНК, которая полностью комплементарна более длинной цепи, эта ДНК сначала свяжется со свободным одноцепочечным фрагментом, а затем вытеснит более короткую цепь из дуплекса. На основе этого свойства разработаны молекулярные переключатели.

Похожий принцип применяется и тогда, когда цепи изначально не полностью комплементарны, но в определенных условиях места несовпадений могут быть стабилизированы. Например, два расположенных друг напротив друга остатка тимина не образуют комплементарную пару, но при добавлении солей ртути формируется комплекс Т–Hg2+–Т. При отсутствии ионов ртути связывание происходит предпочтительно с другой цепью ДНК, в которой напротив остатка тимина расположен аденин (образуется каноническая пара А–Т). Таким образом, получается молекулярная машина, чувствительная к присутствию ионов Hg2+.

Нашла применение и способность ДНК принимать необычную конформацию в зависимости от условий. Так, в 1999 г. Н. Симан и др. показали, что если связать DX-блоки особой двуцепочечной ДНК, состоящей из чередующихся остатков гуанина и цитозина, то при добавлении соли Co(NH3)6+ эта связывающая ДНК переходит

вZ-форму, благодаря чему DX-блоки поворачиваются относительно друг друга. При удалении соли связующая ДНК снова переходит

вВ-форму (рис. 4.14).

106

Рис. 4.14. ДНК-нанопереключатель, основанный на переходе B-формы ДНК в Z-форму

Приведенные примеры показывают только незначительную часть вариантов конструирования супрамолекулярных устройств на основе ДНК.

Необходимой составляющей метаболизма высших организмов является кислород воздуха. Он окисляет сахара (глюкозу и сахарозу) с последующим высвобождением энергии, используемой в синтезе АТФ. Для того чтобы аэробные организмы могли использовать реакционно-способный кислород, необходимо поглотить его и доставить к клеточной митохондрии. Эта задача «поручена» гемоглобину – белку, обладающему способностью связывать и транспортировать кислород.

Молекула гемоглобина состоит из четырех субъединиц: двух α и двух β − и соответственно содержит четыре полипептидные цепочки двух сортов. Каждая α -цепочка содержит 141, а β -цепочка − 146 аминокислотных остатков. Таким образом, молекула гемоглобина включает в себя 574 аминокислоты. Эти детали структуры относятся не к гемоглобину, а к его белковой компоненте − глобину. Каждая субъединица гемоглобина содержит одну небелковую груп-

107

пу − гем. Гем представляет собой комплекс Fe(II) с протопорфирином. Структура гема представлена на рис. 4.15.

Рис. 4.15. Структура гема

Атом железа может образовать шесть координационных связей. Четыре связи направлены к атомам азота пиррольных колец, оставшиеся две связи − перпендикулярно к плоскости порфиринового кольца по обе его стороны. Гемы расположены вблизи поверхности белковой глобулы в специальных «карманах», образованных складками полипептидных цепочек глобина. Гемоглобин при нормальном функционировании может находиться в одной из трех форм: феррогемоглобина (обычно называемого дезоксигемоглобином или просто гемоглобином), оксигемоглобина и ферригемоглобина (называемого также метгемоглобином). Взаимодействие молекулярного кислорода со свободным гемом приводит к необратимому окислению атома железа гема [Fe(II) → Fe(III)]. В дезоксигемоглобине глобин предохраняет железо гема от окисления. Вместо молекулярного кислорода железо гема может присоединить окись углерода СО (угарный газ). Даже небольшие концентрации СО приводят кнарушению кислородпереносящей функциигемоглобинаиотравлениюугарнымгазом.

108

Структуры глобул оксигемоглобина и гемоглобина различны и соответствуют различным пространственным структурам белка. Переход из одного состояния в другое требует значительного (в молекулярных масштабах) времени, в течение которого система проходит через несколько неравновесных состояний, заметно отличающихся по своим физическим и химическим свойствам от равновесных. Гемоглобин переносит также углекислый газ, причем функция гемоглобина как переносчика углекислого газа не менее важна, чем его функция переносчика кислорода.

Гены, ответственные за синтез гемоглобина, могут подвергаться мутациям, меняющим структуру и функции белка. Наиболее изучена мутация, приводящая к замене только одной аминокислоты в полипептидных цепочках гемоглобина. Замена глутамина на валин ведет к тяжелой болезни − серповидноклеточной анемии: эритроциты принимают форму серпа и теряют способность переносить кислород.

Гемоглобин − один из наиболее хорошо изученных белков. Десятки лет исследований гемоглобина во многих лабораториях мира привели к значительному прогрессу в описании и понимании физических, химических и биологических аспектов его функционирования. Однако важность этих работ касается не только гемоглобина. Они послужили основой развития современных представлений о механизмах ферментативного катализа, связав непосредственно кинетику и термодинамику биохимических реакций с динамикой конформационных изменений макромолекул белка. Фундаментальное значение работ по изучению механизма функционирования гемоглобина заключается в стимулировании прогресса в установлении законов протекания важнейших процессов: ферментативного катализа и внутриклеточной трансформации энергии.

Многие исследователи считают, что любой живой организм, от простейших до самых высших, можно рассматривать как гигантскую высокоорганизованную наноструктуру или совокупность отдельных наноструктур. Изучение механизмов функционирования ферментов дает неоценимые сведения об основных принципах соз-

109

дания функционально важных высокоорганизованных молекулярных систем с характерными размерами 1–10 нм и более, подсказывает пути их целенаправленного конструирования.

Важнейшей проблемой практического использования наноструктур является также организация их сборки. И здесь отлаженные эволюцией принципы самосборки, взаимной комплементарности биологических структур, хотя бы в перспективном плане, могут быть приняты на вооружение исследователями. Достигнутые в последние годы успехи генетических подходов, не только в изучении структуры нуклеиновых кислот и белков, но и в направленном изменении их функциональных свойств, ставят на повестку дня создание и эффективное производство на базе биологических макромолекул дешевых высокоорганизованных наноструктур с заранее заданными свойствами и функциями.

Зародившаяся в 50-е гг. интегральная электроника за истекшие десятилетия прошла огромный путь и достигла поразительных успехов. Однако именно стремительная миниатюризация микросхем позволяет предсказать близкий предел их совершенствования

врамках традиционных технологий. Линейные размеры современных электронных элементов соизмеримы с размером биологической клетки, они составляют в настоящее время порядка 0,15 мкм, что лишь в 20–100 раз больше, чем характерные размеры белков, элементов мембранных структур или ДНК. Дальнейшая миниатюризация с неизбежностью приводит к необходимости создания молекулярных электронных элементов, процесс конструирования и сборки которых, а также фундаментальные принципы функционирования (передачи сигнала и обработки информации) коренным образом отличаются от принципов современной электроники.

Если в традиционной полупроводниковой электронике процесс переноса и управления зарядом основан на коллективных взаимодействиях в кристалле, что обеспечивает его эффективность и однозначность, то в электронике, основанной на переносе заряда между отдельными 42 молекулами или донорно-акцепторными центрами

ввысокоорганизованных молекулярных ансамблях, перенос элек-

110