1,11 нм |
1,08 нм |
н |
н |
/ |
\ |
Н зп о I— тт— кг |
N— Н -Ю |
|
—C ;;-=G— |
|
—G^iC— |
|
—Т::::А— |
|
|
|
\ |
|
Тимин (T) |
Аденин (А) |
Цитозин (С) |
н |
Цепь I Цепь II |
Гуанин (О) |
Рис. 23.3. Комплементарные пары гетероциклических оснований и двойная спираль ДНК
Комплементарность цепей и последовательность звеньев со ставляют химическую основу важнейших функций нуклеиновых кислот: ДНК - хранение и передача наследственной информа ции, а РНК - непосредственное участие в биосинтезе белка. Мо лекулярная масса ДНК варьирует от нескольких миллионов до десятка миллиардов, у РНК - от десятка тысяч до нескольких миллионов.
Молекула ДНК, в отличие от молекулы РНК, в большинстве случаев состоит из двух комплементарных взаимозакрученных цепей. В зависимости от длины витка и угла спирали, а также ряда других ее геометрических параметров, различают более де сяти разнообразных упорядоченных спиральных структур ДНК. В стабилизации этих структур наряду с водородными связями, действующими поперек спирали, большую роль играют межмолекулярные взаимодействия, направленные вдоль спирали между соседними пространственно сближенными азотистыми основа ниями. Поскольку эти взаимодействия направлены вдоль стоп ки азотистых оснований молекулы ДНК, их называют стэкингвзаимодействиями. Таким образом, взаимодействия азотистых оснований между собой скрепляют двойную спираль молекулы ДНК и вдоль, и поперек ее оси.
Сильное стэкинг-взаимодействие всегда усиливает водород ные связи между основаниями, способствуя уплотнению спира ли. Вследствие этого молекулы воды из окружающего раствора связываются в основном с пеытозофосфатным остовом ДНК, по лярные группы которого находятся на поверхности спирали. При ослаблении стэкинг-взаимодействия молекулы воды, про никая внутрь спирали, конкурентно взаимодействуют с поляр ными группами оснований, инициируют дестабилизацию и спо собствуют дальнейшему распаду двойной спирали. Все это сви детельствует о динамичности вторичной структуры ДНК под воздействием компонентов окружающего раствора.
Биспиральные структуры в молекулах РНК возникают в пре делах одной и той же цепи в тех зонах, где расположены ком-
Рис. 23.4. Вторичная структура молекулы РНК
плементарные азотистые основания аденин - урацил и гуанин - цитозин (рис. 23.4). В результате вторичная структура молеку лы РНК содержит биспиральные участки и петли, число и раз меры которых определяются первичной структурой молекулы и составом окружающего раствора.
Т р е т и ч н а я с т р у к т у р а н у к л е и н о в ы х к и с л о т . Двойная спираль молекул ДНК существует в виде линейной, кольцевой, суперкольцевой и компактных клубковых форм. Ме жду этими формами совершаются взаимные переходы при дей ствии особой группы ферментов - топоизомераз, изменяющих пространственную структуру (рис. 23.5).
Третичная структура многих молекул РНК пока еще требу ет окончательного выяснения, но уже установлено, что она за висит не только от первичной и вторичной структуры, но и от состава окружающего раствора.
Биологические функции и ДНК, и РНК полностью опреде ляются только совокупностью первичной, вторичной и третичной структур. При этом следует отметить, что стабилизация вторич ной и третичной структур нуклеиновых кислот, так же как у белков, происходит за счет ассоциации по принципу самоорга низации под влиянием и при участии компонентов окружаю щего раствора, и прежде всего молекул воды.
Рис. 23.5. Третичная структура молекулы ДНК:
а -линейная, б -кольцевая, в -еуперкольцевая, г -компактный клубок
П о в е р х н о с т н ы е с в о й с т в а . Макромолекулы нуклеи новых кислот состоят из полярных групп, и поэтому их по верхность достаточно гидрофильна. Вследствие этого в водных растворах нуклеиновые кислоты при их малой концентрации, низкой молекулярной массе и при достаточно большой концен трации свободных молекул воды самопроизвольно образуют ис тинные растворы, а в случае большой молекулярной массы - лиофильные коллоидные растворы.
Наличие на поверхности макромолекул нуклеиновых кислот отрицательного заряда, возникающего за счет диссоциации фос фатных групп, способствует образованию ассоциативных ком плексов - нуклеопротеинову состоящих из нуклеиновых кислот и основных белков (рI > 8,0).
Учет только полярности заместителей в молекуле нуклеино вых кислот при описании их поверхностных свойств явно недос таточен, так как состав и последовательность азотистых основа ний их макромолекул несут наследственную информацию живого организма. При синтезе дочерних нуклеиновых кислот на исход ных полинуклеотидах и при синтезе белка поверхность полинук леотидов используется как информационная матрица. Именно эта особенность нуклеиновых кислот определяет их уникальную биологическую роль в обеспечении жизненных процессов.
Ин ф о р м а ц и о н н ы е с в о й с т в а . Нуклеиновые кислоты - информационные биополимеры, осуществляющие хранение и пе редачу генетической информации во всех живых организмах, а также участвующие в биосинтезе белков. ДНК является носите лем генетической информации, которая записана через опреде ленную последовательность расположения в цепи четырех гетеро циклических оснований. Первый этап реализации генетической информации заключается в том, что на конкретных участках одной из нитей молекулы ДНК происходит синтез молекул РНК. Биосинтез РНК, называемый транскрипцией, обычно происхо дит в результате комплементарного копирования ДНК-матрицы с помощью РНК-полимеразы. Синтезированная РНК содержит точ ную копию конкретного участка ДНК.
В результате транскрипции образуются четыре различных вида РНК: рибосомалъная рРНК, матричная мРНК (информаци онная), транспортная тРНК и малые ядерные РНК, роль кото рых разнообразна, но до конца еще не выяснена. Каждая из син тезированных РНК играет строго определенную роль на втором этапе реализации генетической информации - трансляции. Реа лизация генетической информации с помощью нуклеиновых ки слот происходит по схеме:
рРНК
ДНК тРанскРидци я > |
мРНК |
трансляция^ БелО К |
|
тРНК |
|
|
малые РНК |
|
Рибосомальная РНК входит совместно с белками в состав рибосом. Матричная РНК, объединяясь с рибосомами, образует полирибосому, в которой с помощью ферментов и транспортных РНК, поставляющих определенные аминокислоты, происходит трансляция - синтез белков в соответствии с информацией, за писанной на мРНК. Информация о последовательности амино кислот в молекуле белка считывается с последовательности ге тероциклических оснований в мРНК. Конкретная группа из трех гетероциклических оснований в молекуле нуклеиновой кисло ты, которая соответствует отдельной аминокислоте, называется кодоном. Совокупность кодонов составляет генетический код. Генетический код един для всего живого: у любого вида орга низмов каждая из а-аминокислот кодируется одним и тем же кодоном или одними и теми же кодонами. (Несколько кодонов могут кодировать одну и ту же аминокислоту, но один и тот же кодон не способен кодировать разные аминокислоты.)
Ж и д к о к р и с т а л л и ч е с к о е с о с т о я н и е н у к л е и н о в ы х к и с л о т . Рассмотрев структуру нуклеиновых кислот, убеждаешься в том, что для них характерна определенная ори ентационно-пространственная организация нуклеотидов. Каждый нуклеотид анизотропен, а с образованием комплементарной пары в цепи анизотропные свойства системы усиливаются, следова тельно, при рассмотрении двойной спирали всей молекулы ДНК роль анизотропии становится очень существенным фактором для описания ее свойств. Поэтому для молекул ДНК, молекулярная масса которых достигает 109, вполне реально, что в растворе от дельные достаточно крупные фрагменты этой строго организо ванной гигантской молекулы могут находиться в жидкокристал лическом состоянии, образуя внутримолекулярные термотропные жидкие кристаллы (при определенной температуре) или лио тропные жидкие кристаллы (при определенной степени гидрата ции рассматриваемого фрагмента). Число таких фрагментов и их ориентация в пространстве сильно влияют на состояние ДНК в клетке и ее биологические функции.
Кроме того, различные лиотропные жидкокристаллические состояния могут самопроизвольно формироваться в системах по линуклеотиды - вода или нуклеопротеиды - вода в соответст вии со свойствами лиофильных коллоидных растворов. В таких растворах могут происходить множественные переходы из одного жидкокристаллического состояния в другое, которые изменяют биологические функции соответствующих систем и совершают ся под действием направленного поля или самопроизвольно. В настоящее время установлено, что внутри- и межмолекуляр ные жидкокристаллические образования нуклеиновых кислот или их комплексов с белками играют важную роль в процессах передачи информации и биосинтеза новых нуклеиновых кислот
ибелков на молекулярном уровне.
Де н а т у р а ц и я . Подобно денатурации белков происходит денатурация нуклеиновых кислот, сопровождаемая разрушени
ем их третичной и вторичной структур и сохранением первичной структуры. Это происходит под влиянием тех же факторов, что и в случае белков, но интенсивность фактора в случае нуклеиновых кислот, естественно, может быть другой, чем при денатурации белка. Под воздействием того или иного фактора снижается прочность водородных связей и уменьшается эффективность стэ- кинг-взаимодействия между азотистыми основаниями в макро молекуле. Это способствует раскручиванию двухцепочечных спи ралей с образованием неупорядоченных одноцепочечных клубков. Поскольку при денатурации сохраняется первичная структура нуклеиновых кислот, то данный процесс может иметь обрати мый характер.
Процесс денатурации нуклеиновых кислот разделяют на две стадии. На первой стадии две цепи частично раскручиваются, но остаются соединенными хотя бы в одном небольшом участ ке. На второй стадии две цепи полностью отделяются друг от друга. Первая стадия легко обратима. После второй стадии реватурация протекает очень медленно, особенно в случае ДНК с
большой молекулярной массой.
Кислотно-основные свойства. Сильнополярные фосфатные группы нуклеиновых кислот характеризуются значением рК\ < 2. Таким образом, нуклеиновые кислоты - это довольно сильные поликислоты, полностью ионизованные при pH выше 4, и по этому их поверхность несет отрицательный заряд. Именно это обстоятельство объясняет большую склонность нуклеиновых ки слот к взаимодействию с полиаминами, у которых между атома ми азота содержатся две или три метиленовые группы. Однако особый интерес вызывает кислотно-основное взаимодействие ну клеиновых кислот с белками, которые являются полиамфолитами, образуя комплексные ассоциаты (соли), называемые нуклеопротеинами. Особенно активно нуклеиновые кислоты взаимо действуют с основными белками (р/ > 8), имеющими в нейтраль ной среде в основном положительный заряд. Так, ДНК образует прочный комплекс с белками-гистонами, входящими в состав хромосом. Гистоны содержат 25-30 % остатков лизина и арги нина, основные функциональные группы которых при pH = 7 заряжены положительно. Они, электростатически взаимодейст вуя с отрицательно заряженными фосфатными группами, распо ложенными на периферии двойной спирали ДНК, образуют дос таточно прочный комплексный ассоциат, в котором структура ДНК дополнительно стабилизирована. При ослаблении связей между ДНК и гистоном в силу тех или иных причин, например в результате изменения ионной силы среды, происходит деста билизация ДНК. Этим и определяется регуляторная роль гистонов в функционировании генома.
Рибонуклеиновые кислоты также образуют с белками нуклеопротеины. Так, рибосомы состоят из 50-65 % рибосомной РНК и 35-50 % белков, содержащих до 25 % основных аминокислот. Масса одной рибосомной субъединицы составляет несколько мил
лионов, а диаметр 1,8 •10-6 м. При контакте с 0,5-1,0 М раство рами солей при низкой температуре происходит отделение белка от РНК в рибосомах вследствие их дегидратации. Аналогичная диссоциация происходит при увеличении pH до 12 из-за изме нения заряда белковой молекулы.
Вирусы представляют собой устойчивые комплексные ассо циаты, содержащие до 30 % нуклеиновой кислоты и большое число белковых молекул, уложенных в определенном порядке и образующих специфическую трехмерную структуру. В состав вируса может входить как ДНК, так и РНК.
Кислотно-основные свойства нуклеиновых кислот обусловле ны не только наличием фосфатных групп, но и присутствием азотистых оснований. Азотистые основания нуклеиновых кислот, как было показано в разд. 23.3, являются амфолитами. Вследст вие того, что у них и основные и кислотные свойства выраже ны слабо, внутримолекулярного солеобразования, как у амино кислот, в нуклеиновых кислотах не происходит. Кислотно-основ- ные свойства гетероциклических оснований влияют главным образом на состояние и прочность водородных связей и стэкингвзаимодействий, возникающих между ними. Поскольку на эти виды взаимодействий сильно влияет pH среды, изменение кон формации нуклеиновых кислот может происходить при незна чительном изменении pH.
Окислительно-восстановительные свойства. Нуклеиновые кислоты не содержат групп, склонных к окислительно-восста- новительным превращениям при мягком воздействии. Поэтому они относительно устойчивы к воздействию мягких окислите лей и восстановителей. При жестком окислении в водной среде нуклеиновые кислоты превращаются, как все органические со единения в организме, в С02 и Н20, а из-за присутствия в их составе атомов азота образуют мочевую кислоту, мочевину или соли аммония; кроме того, из-за наличия фосфатных групп об разуются неорганические фосфаты.
Комплексообразующие свойства. Нуклеиновые кислоты яв ляются активными полидентатными лигандами, содержащими как "жесткие" центры - ионизованные фосфатные группы, так и "мяг
кие" центры - полярные группы ^ С = 0 ; |
— NH—; ^ ;c = N — |
азотистых оснований. За счет "жестких" фосфатных центров нуклеиновые кислоты образуют малоустойчивые комплексы с очень "жестким" катионом К+ и более прочные комплексы с ка тионами Мg2+ и Са2+. "Мягкие" центры расположены на гете роциклических основаниях, и за счет их образуются прочные комплексы с "мягкими" катионами d-металлов. Образование комплексных соединений нуклеиновых кислот с катионами ме таллов, естественно, приводит к изменению их конформации, а следовательно, и их химической и биологической активности.
МОДУЛЬ V
ОСНОВЫ
ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ химии
БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Глава 24
ЭЛЕКТРОХИМИЯ. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОВОДИМОСТЬ РАСТВОРОВ ЭЛЕКТРОЛИТОВ
Глава 25
МЕЖФАЗНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕНЦИАЛЫ, ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЦЕПИ, ПОТЕНЦИОМЕТРИЯ
Глава 26
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОВЕРХНОСТНЫХ ЯВЛЕНИЙ
Глава 27
ФИЗИКОХИМИЯ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОДВИЖНОСТИ ИОНОВ В ВОДЕ при Г=298 К, м2/(В ■с)
©
Катод
Глава 24
ЭЛЕКТРОХИМИЯ. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОВОДИМОСТЬ РАСТВОРОВ ЭЛЕКТРОЛИТОВ
После изучения этой главы вы должны:
-знать механизм электрической проводимости растворов элек тролитов;
-иметь представление о следующих понятиях и величинах: предельная электрическая подвижность иона, удельная и молярная электрические проводимости электролитов в растворах; знать фак торы, влияющие на эти величины;
-знать законы независимого движения в разбавленных рас творах;
-основы кондуктометрии и ее практическое использование.
Жизнедеятельность любых живых организмов обязательно включает наряду с химическими различные электрические яв ления. Электрохимические явления лежат в основе важнейших биохимических процессов:
-возникновения биопотенциалов и переноса вещества через мембраны;
-передачи нервных импульсов;
-превращения химической энергии питательных веществ в электрическую, которая используется для синтеза молекул АТФ - аккумуляторов энергии в организме.
Следовательно, для понимания процессов жизнедеятельно сти необходимо знать основные положения электрохимии.
Электрохимия изучает свойства систем, содержащих подвиж ные ионы (растворов, расплавов, твердых электролитов), и явле ния, возникающие на границе раздела фаз вследствие переноса заряженных частиц. Она рассматривает, с одной стороны, влия ние электрического поля на движение заряженных частиц и протекание химических реакций в таких системах. С другой - возникновение на границе раздела фаз электрического поля в результате движения через нее заряженных частиц или проте кания на ней окислительно-восстановительных реакций. В пер вом случае электрическая энергия превращается в химическую, а во втором - химическая переходит в электрическую. Для ор ганизма важную роль играет перемещение ионов в электрическом поле, обуславливающее электрическую проводимость растворов электролитов, биологических жидкостей и тканей организма. Рассмотрим подробно этот важный аспект биоэлектрохимии.
Электрическое поле вызывает направленное движение заря женных частиц. В проводниках первого рода, к которым относятся металлы, носителями электричества являются электроны. В про водниках второго рода - растворах и расплавах электролитов пе ренос электричества осуществляется положительными и отрица тельными ионами, т. е. катионами и анионами соответственно.
В отсутствие внешнего электрического поля ионы электролита находятся в состоянии хаотического теплового движения. При наложении внешнего электрического поля возрастает число пере мещений ионов в единицу времени вдоль силовых линий поля. Следствием этого является возникновение направленных потоков катионов и анионов, движущихся в сторону соответствующих по люсов, т. е. прохождение электрического тока через систему. При этом всегда катионы движутся к катоду, а анионы - к аноду.
С позиции жизнедеятельности организма наибольший инте рес представляет поведение водных растворов электролитов в электрическом поле. Способность проводить ток у растворов электролитов неодинакова и зависит от многих факторов, в ча стности от количества ионов и их подвижности.
2 4 .1 . ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПОДВИЖНОСТЬ ИОНОВ В РАСТВОРЕ
Скорость направленного движения иона, т. е. путь, пройденный ионом в растворе под действием электрического поля в направлении к электроду за единицу времени, зависит от действующей на ион силы,
т. е. от напряженности электрического поля:
v = иЕ
где v - скорость движения иона, м/с; Е - напряженность поля, В/м; и - коэф фициент пропорциональности, называемый электрической подвижностью иона или просто подвижностью иона, м2/(В *с).
Подвижность иона характеризует его способность преодолевать со противление среды при направленном движении в электрическом по ле. Рассмотрим основные факторы, влияющие на подвижность иона в водных растворах при наличии электрического поля.
Заряд и радиус иона, т. е. его природа. Влияние этих характери стик иона взаимосвязано, но неоднозначно: чем больше заряд и чем меньше радиус иона, тем сильнее гидратируется ион, тем толще его гидратная оболочка и, следовательно, тем ниже подвижность иона в растворе. В соответствии с этим в ряду однозарядных ионов Li+, Na+, К+, Rb+, Cs+, который характеризуется последовательным возрастани ем ионного радиуса, радиус гидратированного иона, наоборот, умень шается, а определенная опытным путем электрическая подвижность ионов возрастает от Li+ к Cs+:
Li+ |
Na+ |
К+ |
Rb+ Cs+ |
|
Li+ aH20 Na+ ЬК20 |
K+ |
cH20 |
Rb+ dH20 |
Cs+ eH20 |
<Увеличение радиуса гидратированного ионаа> b > с > d > е
u°(Li+ ) < u°(Na+) < u°(K+) < u°(Rb+) < u°(Cs+)
I Увеличение электрической подвижности гидратированного ион<
Отсутствие резких различий в подвижности многозарядных и однозарядных ионов также объясняется большей гидратацией многоза рядных ионов, что увеличивает размер и снижает их подвижность в электрическом поле несмотря на больший заряд.
Природа растворителя, его диэлектрическая проницаемость и вязкость. Чем полярнее растворитель, тем лучше сольватируется ион, тем больше размеры гидратированного иона и, следовательно, меньше его подвижность. Вязкость растворителя обуславливает сопротивление среды движущемуся иону: чем больше вязкость, тем меньше подвиж ность иона.
Температура раствора. При повышении температуры уменьшают ся вязкость растворителя и толщина сольватных оболочек ионов, а также снижается межионное взаимодействие. Все это приводит к уве личению подвижности ионов.
Ионная сила раствора. Чем больше ионная сила раствора, тем сильнее межионное электростатическое взаимодействие и создаваемые им тормозящие эффекты.
Концентрация ионов. Чем больше концентрация ионов в раство ре, тем сильнее электростатическое взаимодействие ионов, снижающее их подвижность. Концентрация ионов зависит от силы электролита и
