Молекулярная биофизика (стр. 1 )

МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОФИЗИКА

Молекулярные механизмы всегда определяют функционированиеклетки, органа, организма. С другой стороны, единообразие молекулярной организации  метаболизма является одной из основных причин аналогиивсех всех биосистем [1].

Одна из знаменитых биомолекул – молекула ДНК (рисунок 1) – представляет собой двойную спираль диаметром D =2 нм и шагом L= 4 нм,

на который приходится 10 пар нуклеиновых оснований. Очевидно, что

любые технологии редактирования и транскрипции ДНК, технологии управления процессингом мРНК, регуляции трансляции и в целом экспрессии генов являются нанотехнологиями, точнее, нанобиотехнологиями. В этом смысле молекулярная биотехнология является нанобиотехнологией и молекулярные аспекты биологических процессов являются  важными как для разработки новых, так и для эффективной эксплуатации уже существующих биотехнологий.

Рисунок 1 – ДНК: а – атомная модель; б – схематическое изображение

В процессе функционирования биомакромолекулы объединяются в

комплексы от простейших димерных конструкций, как в случае таких

ферментов, как ВИЧ-протеаза (рисунок 2(а)), до сложнейших бионаномашин, осуществляющих биосинтез белков (рисунок 2(б)), включающих матричную РНК, три транспортные РНК (Е, Р, А) и рибосому, состоящую из двух субъединиц, которые, в свою очередь, состоят из нескольких рибосомных РНК и нескольких десятков белков.

То, из каких именно биомолекул состоит данный комплекс, и какие

именно межмолекулярные взаимодействия использованы для его стабилизации и для его взаимодействия с другими биомакромолекулярными

комплексами в значительной мере определяет биологическую функцию

.

а б

Рисунок 2 – Молекулярные комплексы: а – ВИЧ-протеаза; б – 70S рибосомныйкомплекс E. coli с тремя транспортными РНК

Нужно отметить, что регуляция метаболических процессов, позволяющая организму преобразовывать субстраты в продукты только там и тогда, где и когда это необходимо для функционирования организма, также посредством взаимодействия макромолекул. Например, димерный САР-белок, связываясь с ДНК, стимулирует эксперссию lac-оперона (рисунок 3(а)), а димерный комплекс рецепторов глюкокортикоидных гормонов, селективно связываясь, с помощью цинковых пальцев, с энхансерной HRE-последовательностью ДНК, активизируют экспрессию генов, участвующих в метаболизме углеводов и белков (рисунок 3(б)).

Рисунок 3 – ДНК-белковые комплексы: а – с активаторным белком САР;

б – с рецептором глюкокортикоидных гормонов

Предметом лекций по "Молекулярной биофизике " является изучение механизмов образования и функционирования биомолекул клетки на атомно-молекулярном уровне, механизмы ферментативных процессов и методы контроля и управления скоростью протекания и специфичностью биокаталитических процессов.

РАЗДЕЛ 1. ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ БИОФИЗИКИ

Отметим, что для биологических систем характерна специфика проявления физических закономерностей, что принципиально отличает их  от природных или искусственных систем, таких как, к примеру, химические системы или инженерные конструкции.

Для наглядности рассмотрим достаточно простой механический пример. Биомеханика крупных организмов, таких, как человек, принципиально отличается от биомеханики клеток и биомакромолекул, таких, как, например, сократительные белки мышечной ткани или РНК-полимеразы.

Механическая работа, которую способен совершить человек в течение

дня, зависит от многих факторов, поэтому невозможно указать какуюлибо предельную величину. Это замечание относится и к мощности. Так,

при кратковременных усилиях человек может развивать мощность порядка нескольких киловатт. При ходьбе человек совершает работу, так как при

этом энергия затрачивается на периодическое небольшое поднятие тела и

на ускорение и замедление конечностей, главным образом ног. Человек

массой 75 кг при ходьбе со скоростью 5 км/ч развивает мощность около

60 Вт. С возрастанием скорости эта мощность быстро увеличивается, достигая 200 Вт при скорости 7 км/ч. При движении на велосипеде положение

центра масс человека изменяется гораздо меньше, чем при ходьбе, а

ускорение ног тоже меньше. Поэтому мощность, затрачиваемая при езде

на велосипеде, значительно меньше: 30 Вт при скорости 9 км/ч, 120 Вт

при 18 км/ч.        

Согласно законам механики работа не совершается, если

нет перемещения. Поэтому, когда груз находится на опоре или подставке,

или подвешен на нити, сила тяжести не совершает работы. Однако всем

известна усталость мышц руки и плеча, если держать неподвижно на вытянутой руке гирю или гантель. Точно так же устают мышцы спины и

поясничной области, если сидящему человеку поместить на спину груз.

В обоих случаях груз неподвижен и работы нет. Усталость же свидетель-

ствует о том, что мышцы совершают работу. Такую работу называют

статической работой мышц.

Статики (неподвижности) такой, как её понимают в механике, на

самом деле в биологии нет. В любом неподвижном живом организме происходят очень мелкие и частые, незаметные глазу сокращения и расслабления, которые осуществляют биомакромолекулы, и при этом совершается работа против сил тяжести. Таким образом, статическая работа в организме на самом деле является обычной динамической работой биомоле-

кулярных систем.

Специфика биомолекулярных систем

       Итак, биомеханика биологических молекул отличается от биомеханики клеток и тканей. Природные биомолекулярные машины во многом отличаются от машин привычного нам макромира:

Во-первых, природные биомолекулярные машины были созданы в результате эволюции, а не в результате работы конструкторов, а это откладывает ограниченияна на процесс "разработки" и форму конечного "продукта" – биомолекулярную наномашину.

Во-вторых, природные биомолекулярные машины были созданы эволюцией для выполнения своих задач в чрезвычайно специфической окружающей среде, в условиях активного действия особых, необычных для нашего макромира, сил со стороныэтого окружения. Природные биомолекулы функционируют в активном, если не сказать, агрессивном, внешнем окружении, которое постоянно раскачивает, тянет и толкает части биомолекулярных машин. В своем наномире биомолекулярные машины практически не ощущают силы гравитации и инерции, хотя именно эти силы являются доминирующими в мире макромашин.

Гравитация и инерция.

Для макроскопических объектов, таких как дома и мосты, масса является определяющим свойством, диктующим логику инженерных расчётов. Для устройств с характерными размерами в диапазоне от метра до сантиметра такие физические свойства, как трение, сила упругости, сцепление, напряжение растяжения и сдвига – являются соизмеримыми по амплитуде с силами гравитации и инерции.

Переходя в любую сторону, либо к более крупным, либо к более

мелким объектам, баланс сил будет меняться. Так при увеличении

размера объектов их масса растёт пропорционально кубу размера, в то

время как жёсткость и сила трения пропорциональны размеру в квадрате.

Такой опережающий рост сил инерции или массы объекта приводит, например, к ограничению размера зданий. Нет таких конструкционных материалов, которые выдержали бы собственный вес небоскреба высотой в километр.

Масштабируя объекты в обратном направлении – в сторону уменьшения размера (нано - микромир) мы получим обратную ситуацию. Объекты размером в микрометр (микропесчинки, отдельные клетки) взаимодействуют между собой совсем иначе, чем макрообъекты в привычном нам макромире.  Инерция больше не является заметным фактором. Это зачастую противоречит нашим интуитивным представлениям.

  Например, движение бактерий обеспечивается вращением жгутика. На первый взгляд, если вращение жгутика прекратится, то бактерия должна ещё некоторое время двигаться по инерции, как движется корабль после остановки гребного винта. Однако, поскольку инерция убывает с уменьшением размера объекта гораздо быстрее сил вязкости в воде, бактерия останавливается, проплыв по инерции расстояние меньше атомного радиуса, то есть, практически сразу.

Гравитационными силами тоже можно пренебречь, в случае

микро - и нанообъекта. Движение таких объектов определяется их взаимодействием с окружающими молекулами, которые определяют их поведение со всех сторон. Так микропылинки в воздухе не опускаются на пол, а находятся во взвешенном состоянии. А в микроскоп можно наблюдать броуновское движение мелких частичек в водном растворе. Силы притяжения между мелкими объектами также превышают гравитационные силы. Именно

поэтому мелкие насекомые ходят по стенам и потолку, а мелкие капли

росы висят на потолке и не падают.

Атомная гранулярность (дискретность). Наноразмерные биомолекулы построены из дискретной комбинации целого числа атомов, которые взаимодействуют между собой. Поэтому представление о непрерывном изменении некоторого пространственного параметра неприменимы к

наномиру. Так, например, вращение ротора наноразмерного "двигателя"

жгутика бактерии уже нельзя представлять как непрерывный процесс,

поскольку по периметру ротора расположено фиксированное число атомов или их комбинаций в виде молекулярных доменов. Вращение такого

ротора (как, например, в случае АТФ-синтазы или мотора бактериального

жгутика) – это последовательное перемещение между дискретными положениями – повороты на дискретные углы. Это не плавное вращение, а

скачки ротора из одного положения в другое, в том случае, когда на ротор действует "порция" энергии достаточная для такого перескока.

Такие макроскопические свойства как вязкость и трение не определены для дискретных наборов атомов. Вместо них следует использовать индивидуальные свойства каждого атома и взаимодействия между атомами по законам квантовой механики.

Квантово-механические задачи для биомакромолекул невозможно решить точно; к счастью, большинство основных свойств бионаносистем можно оценить качественно, используя упрощения (модели).

Прежде всего, используется представление о ковалентных связях, с помощью которых атомы объединяются в стабильные молекулы определённой геометрии.

Далее, используя несколько типов взаимодействий атомов не связанных ковалентно – стерическое отталкивание несвязанных атомов, электростатические взаимодействия, водородные связи. Вообще говоря, биомолекулы могут быть представлены как сочлененные цепочки атомов, которые (атомы) взаимодействуют между собой всего несколькими вполне определёнными типами взаимодействий.