Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Биополимеры в супрамолекулярных системах. Учебно-методическое пособие
.pdf
21
кулярных контактов, подобно популярной компьютерной игре «Тетрис». Известно очень немного твердотельных структур, имеющих значительную долю «пустого» пространства. Объекты, содержащие такие
пустоты (например, цеолиты), обладают очень жестким каркасом,
способным противостоять «взрыву», который может возникнуть из-за
огромной разницы давлений между атмосферой и пустыми порами
или каналами кристаллов.
8. Гидрофобные эффекты
Гидрофобные взаимодействия, ошибочно принимаемые за силу,
следует трактовать как результат выталкивания больших или слабосольватированных частиц (например, через водородные связи или
дипольные взаимодействия) из полярных растворителей, в основном
воды. Этот эффект проявляется в несмешиваемости минерального
масла и воды. По существу, молекулы воды сильно притягиваются
друг к другу, приводя к агломерации других компонентов системы (таких как неполярные молекулы) по мере реализации сильных взаимодействий внутри раствора. Это напоминает притяжение между двумя
органическими молекулами, хотя между самими органическими молекулами, естественно, действует ван-дер-ваальсово и π-π-стэкингпритяжение. При связывании органических гостей циклодекстриновыми и циклофановыми хозяевами в воде гидрофобные эффекты играют решающую роль и могут быть разделены на две энергетические
составляющие: энтальпийную и энтропийную. Энтальпийный гидрофобный эффект влечет за собой стабилизацию водных молекул, которые, связывая гостя, освобождают полость хозяина. Из-за того что полости хозяина часто гидрофобны, вода внутри полости не сильно взаимодействует со стенками хозяина, и потому высокоэнергетична.
По мере выхода в растворитель происходит стабилизация молекулы
воды за счет ее взаимодействий с такими же молекулами. Энтропийный гидрофобный эффект возникает благодаря тому, что присутствие
двух (часто органических) молекул в растворе (гость и хозяин) создает
две «полости» в структуре воды. Объединение гостя и хозяина при образовании комплекса приводит к меньшему нарушению структуры
растворителя и, следовательно, к приросту энтропии (приводящему
к уменьшению общей свободной энергии). Процесс схематически показан на рис. 2.9.
22
Рис. 2.9. Гидрофобное связывание органического гостя
в водном растворе
В качестве примера рассмотрим связывание n-ксилольного гостя
циклофановым хозяином (рис. 2.10). Константа связывания в воде
равна 9,3 ∙ 103 М−1. При 293 К энергия комплексообразования равна
−22 кДж ∙ моль-1 и подразделяется на благоприятную, энтальпийную,
∆H°= −31 кДж ∙ моль−1, и неблагоприятную, энтропийную,
T∆S° = −9 кДж ∙ моль−1, составляющие стабилизации. Именно вклад
энтальпии в гидрофобное связывание в этом случае доминирует. Этот
вклад слишком велик, чтобы быть результатом сил притяжения между
гостем и хозяином (которые испытывают лишь слабые π-π-стэкинг- и
ван-дер-ваальсовы взаимодействия), и поэтому он должен включать
особые силы взаимодействия растворитель–растворитель. В случае
метанола как растворителя энтальпийная составляющая уменьшается
из-за более слабых взаимодействий растворитель–растворитель.
Рис. 2.10. Связывание n-ксилольного гостя циклофановым хозяином
9. Супрамолекулярное конструирование хозяина
Для конструирования такого хозяина, который селективно свяжет определенного гостя, наряду с концепцией комплементарности
23
(соответствие стерических и электронных состояний хозяина и гостя)
используют хелатный и макроциклический эффекты (рис. 2.11) и, что
является решающим, предорганизацию хозяина.
Рис. 2.11. Иллюстрация хелатного и макроциклического эффектов
Четкое определение и тщательный анализ цели – первые шаги в
дизайне (конструировании) хозяина. Если гостем должен стать катион
металла, то важными являются его размер (радиус иона), плотность
заряда и «жесткость» (например, такие «мягкие» донорные атомы, как
сера, удобны для связывания «мягких» гостей, в частности Hg2+, Ag+ и
Pb2+.) При анионном комплексообразовании эти факторы также влия-
ют на сферические анионы – хлориды, бромиды и другие, а для несферических гостей в игру вступают такие факторы, как их форма и
заряд, а также донорные характеристики водородной связи. Органические катионы и анионы могут нуждаться в хозяевах, имеющих и гидрофильные, и гидрофобные области, в то время как гостям –
нейтральным молекулам может не хватать особых «рычагов» – полярных групп, которые могут сильно взаимодействовать с хозяином.
После определения параметров, например размера хозяина, заряда и характера атомов донора, можно начинать творческий процесс
сшивки лиганда. Ключевая концепция этого процесса – организация.
Взаимодействия хозяин–гость происходят через центры связывания.
Тип и число этих центров должны быть такими, чтобы максимально
дополнять (быть комплементарными) характеристики центров связывания гостя (вспомните определение гостя как партнера с расходящимися центрами связывания), и центры связывания должны, как
правило, располагаться на органическом каркасе хозяина, имеющем
подходящий для гостя размер. Центры связывания должны находиться
на некотором расстоянии друг от друга, чтобы минимизировать вза-
24
имное отталкивание, но располагаться таким образом, чтобы иметь
возможность одновременно взаимодействовать с гостем. Чем больше
существует благоприятных взаимодействий, тем лучше. Обычно
наиболее стабильные комплексы получаются в случае предорганизации хозяев, т. е. когда при связывании не происходят ни энтропийно,
ни энтальпийно невыгодные перестройки, которые понижали бы полную свободную энергию комплексообразования. Такие хозяева являются идеальными «стоками» для своих гостей, когда связывание полностью необратимо. Этот вид комплексообразования идеален, например, для удаления ионов из загрязненной воды. Хозяева, связывающие своих гостей менее сильно (т. е. существует некое равновесие
между связанными и несвязанными частицами), находят применение
как сенсоры и носители, в которых необходима последовательность
событий «связь–обнаружение–выделение» или «связь–транспорт–
выделение».
Природа органического каркаса самого хозяина (лиганд), будь
он липофильным или гидрофильным, играет существенную роль в поведении гостя. Это определяет растворимость хозяина и его комплексов. Толщина лиганда и легкость доступа к связывающей полости или
трещине влияет как на термодинамическую стабильность образовавшегося комплекса, так и на кинетику связывания. Введение боковых
групп (например, длинных алкильных цепей) может усилить липофильность хозяина или стимулировать его взаимодействие с какимнибудь внешним комплексом, например с полимерной подложкой или
биомолекулой. Такие хозяева используются для направленного транспорта радиоизотопов к определенным участкам человеческого тела
с целью радиационной диагностики в медицине или разработки искусственных «имитаторов ферментов».
25
3 . Б И О П О Л И М Е Р Ы В С У П Р А М О Л Е К У Л Я Р Н О Й
Х И М И И
Многие из перечисленных взаимодействий, играющих важную
роль в образовании супрамолекулярных систем, можно обнаружить в
биополимерах.
3 . 1 . Б елки
Белки – сложные высокомолекулярные полимерные органиче-
ские соединения, состоящие из аминокислот. Отдельные аминокислоты связаны друг с другом через пептидную связь:
(–CO-NH–).
В образовании пептидной связи участвуют карбоксильная группа одной аминокислоты и аминогруппа другой, при этом происходит
отщепление воды:
,
где R1, R2, R3 – углеродные остатки аминокислот.
Различают первичную, вторичную, третичную и четвертичную
структуру белка. Последовательность аминокислотных остатков
в пептидной цепи образует первичную структуру белка (рис. 3.1а)
спирализация полипептидной цепи – вторичную (рис. 3.1б). Третич-
ная структура белка – пространственное строение полипептидной
цепи, определяющее взаимное расположение элементов вторичной
структуры, стабилизированное взаимодействием между боковыми цепями аминокислотных остатков (рис. 3.2а). В стабилизации третичной
структуры принимают участие:
– ковалентные связи между двумя цистеинами за счет образования дисульфидных мостиков;
– ионные (электростатические) взаимодействия между противоположно заряженными аминокислотными остатками;
CO
CH
R
1
NH
CO
CH NH
R
2
CO
CH
R
3
NH
26
– водородные связи;
– гидрофобные взаимодействия.
а б
Рис. 3.1. Структура белка: а – первичная; б – вторичная
Ассоциирование нескольких глобул создает четвертичную
структуру белка (рис. 3.2б). Она определяет взаимное расположение
нескольких полипептидных цепей в составе единого белкового комплекса. Для большинства известных белков расшифрована их структурная организация. Таким образом, в природе существует большое
разнообразие межмолекулярных взаимодействий, позволяющих биомолекулам организовываться в различные по структуре и составу ансамбли.
а
б
Рис. 3.2. Третичная (а) и четвертичная (б) структуры ДНК
Эти очень сложные высокомолекулярные соединения в организме находятся в коллоидном состоянии. Под действием специфических ферментов, а также при нагревании с кислотами или щелочами
белки подвергаются гидролизу, давая ряд промежуточных продуктов,
27
а при полном гидролизе – смесь аминокислот, из которых и состоит
молекула простых белков (протеинов).
Обладая одновременно кислыми карбоксильными и основными
аминными группами, белки являются амфотерными веществами и могут вести себя и как кислоты, и как основания. При определенном рН,
характерном для каждого белка, диссоциация как кислых, так и щелочных групп белковой молекулы является минимальной. Такое значение рН раствора белка носит название изоэлектрической точки.
В изоэлектрической точке белок наименее устойчив в растворе.
Структура белковой молекулы очень лабильна, и даже мягкая
обработка ведет к денатурации белка, в результате которой нарушается структура белковой молекулы и изменяются ее биологические и
физико-химические свойства.
Реакции на присутствие белка основаны либо на наличии в нем
тех или иных химических группировок, либо на осаждении его из растворов при определенных условиях. Некоторые реакции присущи не
только белкам, но и другим веществам, содержащим те же группировки.
Так, ряд цветных реакций на белок является по существу реакциями на
ту или иную аминокислоту, входящую в состав белка. Поэтому для
установления наличия белка недостаточно какой-нибудь одной реакции.
Белки разделяют на две главные группы: протеины, или простые белки, не содержащие небелковых групп, и протеиды, или сложные белки, содержащие, помимо собственно белка, еще и небелковую
(простетическую) группу.
Среди простых белков животного происхождения чаще всего
приходится встречаться с альбуминами и глобулинами. Альбумины
растворимы в воде, осаждаются насыщенным раствором сернокислого
аммония, обычно не содержат глицина. Примерами альбуминов являются альбумины кровяной сыворотки, молока, яичного белка.
Глобулины нерастворимы в чистой воде, но растворяются в растворах нейтральных солей и осаждаются полунасыщенным раствором
сернокислого аммония. К ним относятся глобулины сыворотки крови,
молока, куриного яйца и др.
Среди сложных белков следует отметить: хромопротеиды –
соединения белка с пигментом, например гемоглобин; нуклеопротеиды – соединения белка с нуклеиновыми кислотами; фосфопротеиды – белки, содержащие фосфор, например казеин; мукопротеиды
(глюкопротеиды) – соединения белка со сложными углеводами – мукополисахаридами, например муцин слюны.
28
Белки обладают множеством различных биологических функций. Рассмотрим в общих чертах весь диапазон выполняемых белками
биологических функций. Ведь одна из важнейших задач современной
биохимии как раз и состоит в том, чтобы понять, каким образом аминокислотные последовательности разных белков дают им возможность выполнять различные функции. Можно выделить несколько основных классов белков в соответствии с их биологическими функциями (табл. 3.1).
Ферменты. Самый многообразный и наиболее высокоспециализированный класс белков составляют ферменты-белки, обладающие
каталитической активностью. Почти все химические реакции, в которых участвуют присутствующие в клетке органические биомолекулы,
катализируются ферментами. К настоящему времени открыто более
2000 различных ферментов, обнаруженных у разных организмов.
Каждый из этих ферментов служит катализатором какой-то определенной химической реакции.
Таблица 3.1
Классификация белков, основанная
на их биологических функциях
Класс белков
Пример
Ферменты
Рибонуклеаза, трипсин
Транспортные белки
Гемоглобин, сывороточный альбумин,
миоглобин, pj-дипопротеин
Пищевые и запасные белки
Глиадин (пшеница), яичный альбумин
(яйцо), казеин (молоко), ферригин
Сократительные
и двигательные белки
Актин, миозин, тубулин, динеин
Структурные белки
Кератин, фиброин, коллаген, эластин,
протеогликаны
Защитные белки
Антитела, фибриноген, ромбин, ботулинический токсин дифтерийный токсин,
змеиные яды, рицин
Регуляторные белки
Инсулин, гормон роста, кортикотропин
репрессоры
Транспортные белки. Транспортные белки плазмы крови связывают и переносят специфические молекулы или ионы из одного орга-
29
на в другой. Гемоглобин, содержащийся в эритроцитах, при прохождении крови через легкие связывает кислород и доставляет его к периферическим тканям, где кислород высвобождается и используется
для окисления компонентов пищи – процесса, в ходе которого производится энергия. Плазма крови содержит липопротеины, осуществляющие перенос липидов из печени в другие органы. В клеточных мембранах присутствует еще один тип транспортных белков, способных
связывать глюкозу, аминокислоты и другие пищевые вещества и переносить их через мембрану внутрь клетки.
Пищевые и запасные белки. В семенах многих растений запасены пищевые белки, потребляемые на первых стадиях развития зародыша. Наиболее известными примерами таких белков служат белки
семян пшеницы, кукурузы и риса. К пищевым белкам относятся также
яичный альбумин – основной компонент яичного белка и казеин –
главный белок молока. В ферритине, встречающемся в животных тканях, запасено железо.
Сократительные и двигательные белки. Некоторые белки наделяют клетку или организм способностью сокращаться, изменять форму или передвигаться. Актин и миозин представляют собой нитевидные белки, функционирующие в сократительной системе скелетной
мышцы, а также во многих немышечных клетках. Другим примером
таких белков служит тубулин – белок, из которого построены микротрубочки. Они являются важными элементами ресничек и жгутиков,
при помощи которых клетки передвигаются.
Структурные белки. Многие белки образуют волокна, навитые
друг на друга или уложенные плоским слоем; они выполняют опорную
или защитную функцию, скрепляя биологические структуры и придавая им прочность. Главным компонентом хрящей и сухожилий является фибриллярный белок коллаген, имеющий очень высокую прочность
на разрыв. Выделанная кожа представляет собой почти чистый коллаген. Связки содержат эметин – структурный белок, способный растягиваться в двух измерениях. Волосы, ногти и перья состоят почти исключительно из прочного нерастворимого белка кератина. Главным компонентом шелковых нитей и паутины служит белок фиброин.
Защитные белки. Многие белки защищают организм от вторжения других организмов или предохраняют его от повреждений. Иммуноглобулины или антитела, образующиеся у позвоночных, – это специализированные белки, вырабатываемые в лимфоцитах. Они обладают
способностью распознавать проникшие в организм бактерии, вирусы
30
или чужеродные белки других видов, а затем нейтрализовать их или
связываться с ними, вызывая образование осадка. Фибриноген и тромбин-белки участвуют в процессе свертывания крови, предохраняют организм от потери крови при повреждении сосудистой системы. Змеиные яды, бактериальные токсины и токсичные белки растений, например рицин, по-видимому, также выполняют защитные функции.
Регуляторные белки. Некоторые белки участвуют в системе регуляции клеточной или физиологической активности. К ним относятся
многие гормоны, такие как инсулин, регулирующий обмен глюкозы
(при недостаточном его содержании в организме развивается сахарный диабет); гормон роста, синтезируемый в гипофизе, и паратиреоидный гормон, регулирующий транспорт ионов Са
2+
и фосфатов.
Другие регуляторные белки, называемые репрессорами, регулируют
биосинтез ферментов в бактериальных клетках.
Другие белки. Имеется много белков, функции которых довольно необычны, что затрудняет их классификацию. Монеллин – белок,
образующийся в одном из африканских растений, имеет очень сладкий вкус. Он стал предметом изучения как нетоксичное и не способствующее ожирению вещество, которое может быть использовано
вместо сахара для подслащивания пищи. Плазма крови некоторых антарктических рыб содержит белки со свойствами антифриза, предохраняющие кровь этих рыб от замерзания. «Шарниры» в местах прикрепления крыльев у ряда насекомых состоят из белка резилина, обладающего почти идеальной эластичностью.
3 . 2 . Н у клеопрот е и д ы
Нуклеопротеиды – сложные белки, в состав которых входят
простой белок и небелковый компонент – нуклеиновые кислоты. Основным источником получения нуклеопротеидов являются клеточные
ядра, где они содержатся в большом количестве. Нуклеопротеины выполняют большую биологическую роль. Они являются структурными
элементами клетки, выполняют также важнейшие функции – хранение
и передача наследственной информации в живом организме. Нуклеиновые кислоты представляют собой высокомолекулярные соединения,
включающие большое количество мононуклеотидов. Последние содержат пуриновое или пиримидиновое основание, углевод (рибозу или
дезоксирибозу) и фосфорную кислоту.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]