Портал | Содержание | О нас | Авторам | Новости | Первая десятка | Дискуссионный клуб | Чат Научный форум --> Первая десятка "Русского переплета" Темы дня:

Президенту Путину о создании Института Истории Русского Народа. |Нас посетило 40 млн. человек | Чем занимались русские 4000 лет назад?

| Кому давать гранты или сколько в России молодых ученых?

Рассмотрены различные пространственные структуры (конформации) макромолекул и обсуждены общие принципы их пространственной организации. Проведен анализ конформаций изолированных макромолекул (статистические клубки, спирали, глобулы), а также регулярных межмолекулярных структур диблок-сополимеров.

Т. М. БИРШТЕЙН

Санкт-Петербургский государственный университет

Статья посвящена линейным макромолекулам, или полимерным цепям, содержащим линейные последовательности большого числа одинаковых или различных фрагментов мономерных единиц, соединенных химическими связями. Повороты около химических связей в цепи приводят к образованию различных пространственных структур макромолекул, их конформаций. Отметим, что вращение около химических связей несвободно. Как правило, две группы атомов, присоединенные к паре атомов, образующих химическую связь, могут лишь несколькими фиксированными способами располагаться друг относительно друга. Эти положения называются поворотными изомерами, или конформерами. Обычно в цепи встречаются транс- и гош-конформеры, отвечающие соответственно прямолинейным участкам цепи и ее изгибам. Вероятность появления тех или иных поворотных изомеров в цепи определяет ее локальную структуру (локальные конформации), механизм и степень ее гибкости (жесткости). Поворотно-изомерная теория гибкости полимерных цепей была развита в 50-х годах в Институте высокомолекулярных соединений Академии наук СССР в Ленинграде профессором М.В. Волькенштейном и его тогда молодыми учениками (Т.М. Бирштейн, Ю.Я. Готлиб, О.Б. Птицын), к числу которых имела счастье принадлежать автор этой статьи. Подробнее с поворотно-изомерной теорией гибкости полимерных цепей можно познакомиться в монографиях [1-3].

Поворотная изомерия не единственный способ нарушения порядка в цепи. Существуют также малые крутильные колебания звеньев, которые, накапливаясь от звена к звену, также ведут к потере порядка. Существенно, однако, что механизм и величина гибкости не сказываются на так называемых глобальных конформациях макромолекул - типах конформаций макромолекул как целого.

Есть несколько различных типов глобальных конформаций макромолекул. Предельно неупорядоченной является конформация клубка, в которой цепь располагается в пространстве более или менее случайным образом. Точнее, конформация клубка - это набор большого числа различных случайных положений контура цепи при быстрой перестройке от одного положения к другому. Клубок - очень рыхлое образование. В случае длинных полимерных цепей, молекулярный вес которых около одного миллиона, собственный материал цепи занимает лишь около 1% среднего объема клубка. Клубковая конформация - это типичная конформация цепи гомополимера (то есть полимера, образованного одинаковыми мономерными единицами) в растворе, а также в конденсированном аморфном высокоэластичном или стеклообразном состоянии. В разбавленном растворе весь свободный объем внутри клубков занят молекулами растворителя. По мере роста концентрации раствора клубки во все большем количестве проникают друг в друга, заполняя весь объем. Именно такие клубковые конформации имеют, в частности, молекулы ряда хорошо известных синтетических полимеров: молекулы полиэтилена (-CH2-CH2-)n в пленках, молекулы полиметилметакрилата (-CH2-C(CH3)(COOCH3)-)n в оргстекле и др. Конформация клубка термодинамически выгодна, так как она неупорядочена, реализуется большим числом различных поворотов звеньев, то есть эта конформация макромолекул выгодна энтропийно. Другие конформации макромолекул реализуются при существовании дополнительных внутри- или межцепочечных взаимодействий.

Предельно упорядоченная конформация молекул гомополимеров - это регулярная вытянутая палочкообразная конформация, в которой цепь располагается обычно по винтовой линии. Такую конформацию принято называть спиральной. Конформацию вытянутой спирали имеют протяженные участки молекул гомополимеров (регулярные как химически, так и стереохимически) в кристаллическом состоянии, когда фиксированная структура каждой цепи поддерживается межцепочечными взаимодействиями.

Отметим, что из-за замедления перестройки полимерных цепей при кристаллизации степень кристалличности полимеров, как правило, не достигает единицы. Кристаллы полимеров имеют складчатую структуру, в которой чередуются регулярные кристаллические и аморфные участки. Каждая молекула образует несколько складок внутри одного или нескольких кристаллических участков.

Как известно, спиральную конформацию имеют также важнейшие биологические молекулы - молекулы ДНК. Более того, спиральные конформации этих макромолекул фиксируются уже на молекулярном уровне; две молекулы, как правило, образуют совместную двойную спираль.

Остов молекул ДНК состоит из сахаро-фосфатных цепочек, а к каждому сахару присоединены плоские пуриновые или пиримидиновые основания, причем двухспиральные молекулы ДНК - сополимеры, содержащие четыре типа природных оснований: аденин (A), тимин (T), гуанин (Г) и цитозин (Ц). В двойной спирали основания, принадлежащие соседним цепям, соединены водородными связями (А-Т и Г-Ц). Для таких плоских пар их контакты друг с другом при укладке в стопку (стэкинг) оказываются энергетически более выгодными, чем их контакты с растворителем - водой, между лежащими друг над другом основаниями возникает так называемое стэкинг-взаимодействие. Поэтому две взаимно комплементарные молекулы ДНК (у которых основанию А в одной цепи соответствует Т в другой, а основанию Г соответствует Ц) образуют регулярную двойную спираль, в которой основания связаны водородными связями в пары, пары уложены в стопку, а сахаро-фосфатные остовы двумя винтовыми линиями обвивают стопку. Наиболее плотная укладка оснований и соответственно наибольшие стэкинг-взаимодействия наблюдаются, когда плоскости оснований перпендикулярны оси двойной спирали (В-форма ДНК).

Как уже отмечалось для плоских пар оснований в ДНК, их контакты друг с другом оказываются энергетически более выгодными, чем контакты с водным растворителем, и они объединяются друг с другом, уменьшая число контактов с водой. Напротив, ионизованные фосфатные группы полностью погружены в водный растворитель [4]. Аналогичный принцип определяет и конформации другого класса биологических макромолекул - глобулярных белков. Основа белка - полипептидная цепь, образованная линейной последовательностью аминокислотных остатков (-NH-CHR-CO-), связанных друг с другом пептидной связью -CO-NH-. Радикал -R различен в разных аминокислотах (и аминокислотных остатках). Как известно, полипептидные цепи белков являются сополимерами 20 природных аминокислот, содержащих как неполярные, так и полярные радикалы R. Неполярные радикалы гидрофобны, они стремятся избежать контактов с водой и объединяются друг с другом, образуя ядро плотной глобулы. Полярные гидрофильные радикалы располагаются на поверхности глобулы, контактируя с водой (полярным растворителем). Отдельные короткие участки цепей могут быть уложены в регулярную спираль или складчатую структуру, эти так называемые вторичные структуры стабилизированы внутримолекулярными водородными связями. Общий ход цепи внутри глобулы - третичная структура, то есть взаимное расположение упорядоченных участков, изгибов между ними и неупорядоченных участков цепи, - весьма причудлив. Однако он полностью задается первичной структурой белковой цепи, то есть последовательностью аминокислотных остатков в цепи, и всегда одинаков у всех молекул данного белка в нативном состоянии. В этом смысле можно назвать белковые глобулы апериодическим кристаллом, следуя определению Шредингера для организмов [5].

Конформации биологических макромолекул - двойная спираль ДНК, белковая глобула - поражают своим совершенством, что неудивительно. Функционирование этих молекул непосредственно связано с их конформациями. Поэтому природа и эволюция отобрали такие химические структуры, которые образуют удачные конформации, позволяющие осуществлять требуемые функции. Задача химиков - создателей синтетических полимеров - обеспечить комплекс важных и интересных свойств. Как и в биологических макромолекулах, такие свойства в большой степени определяются конформациями полимерных цепей. Как и в биологических макромолекулах, наибольшее разнообразие конформаций наблюдается для молекул сополимеров, содержащих в одной цепи различные группы.

Ограничимся здесь анализом конформаций макромолекул двухкомпонентных блок-сополимеров и, более того, рассмотрим лишь двухблочные сополимеры, то есть цепи, одна часть которых составлена из последовательности n мономерных единиц некоторого типа А, а другая часть - из последовательности m мономерных единиц другого типа В - AnBm . Изучение таких полимеров в блочном состоянии (при отсутствии растворителя) показало, что они образуют надмолекулярные упорядоченные структуры с разделенными (сегрегированными) компонентами А и В. Такие структуры были названы суперкристаллическими.

Тип суперкристаллической структуры зависит от соотношения молекулярных масс блоков А и В (рис. 1). При приближенно равных или отличающихся не более чем вдвое массах блоков образуются слоевые (ламеллярные) структуры, в которых чередуются слои, заполненные блоками А, и слои, заполненные блоками В. Границы между слоями оказываются плоскими и очень тонкими. На этих границах лежат связи А-В между блоками различных цепей. Толщина слоев зависит от молекулярных масс блоков. Она увеличивается с ростом молекулярной массы своего блока и слабо убывает с ростом молекулярной массы чужого блока.

При сильном различии молекулярных масс блоков образуются сферические мицеллы минорных блоков в матрице, образованной блоками превалирующего компонента. Мицеллы имеют одинаковые размеры, то есть содержат одно и то же число блоков, и располагаются в узлах правильной кубической решетки. При промежуточном соотношении молекулярных масс блоков образуются еще две суперкристаллические структуры: в более простой из них минорные блоки образуют цилиндрические домены, регулярно расположенные и образующие ребра гексагональной решетки в матрице, заполненной превалирующим компонентом. Наконец, наиболее сложно организованной является так называемая битетраэдрическая структура, в которой блоки минорного компонента образуют две взаимопроникающие тетраэдрические решетки в пространстве, заполненном превалирующим компонентом.

Образование всех этих структур есть результат микросегрегации. Блоки А и В несовместимы, они стремятся находиться в окружении себе подобных. Из-за связи большого числа мономерных единиц в единую полимерную цепь (в нашем случае в единый блок) имеется множественность взаимодействий, и несовместимость проявляется даже для очень близких по химической структуре и свойствам полимеров. Оба блока А и В могут быть неполярными или слабополярными (например, один блок - полистирол, а другой - полибутадиен и т.п.). Если бы имелись отдельные разные цепи, а не блок-сополимер, в смеси цепей произошло бы расслоение (макросегрегация). Связь блоков в единой цепи не допускает макросегрегации, и осуществляется микросегрегация. При этом в системе имеются границы между А и В микрофазами с поверхностным натяжением на этих границах. Чтобы уменьшить границы, блоки А и В вынуждены растянуться в направлении, перпендикулярном границе, что требует затрат энергии. Теоретический анализ показывает, что образование различных суперкристаллических структур есть результат компромисса между тенденцией к уменьшению площади межфазных границ и затратами энергии на растяжение цепей. При этом растяжение оказывается не слишком сильным, цепи сохраняют неупорядоченную конформацию.

Таким образом, в суперструктурах диблок-сополимеров наблюдается удивительное и невозможное для малых молекул сочетание беспорядка на масштабах отдельных блоков и суперкристаллической упорядоченности на больших масштабах.

ЛИТЕРАТУРА

1. Волькенштейн М.В. Конфигурационная статистика полимерных цепей. М.; Л.: Изд-во АН СССР, 1959.

2. Бирштейн Т.М., Птицын О.Б. Конформации макромолекул. М.: Наука, 1964.

3. Флори П. Статистическая механика цепных молекул. М.: Мир, 1971.

4. Франк-Каменецкий М.Д. Самая главная молекула. М.: Наука, 1983.

5. Волькенштейн М.В. Биофизика. М.: Наука, 1988.

* * *

Татьяна Максимовна Бирштейн, доктор физико-математических наук, профессор кафедры биофизики физического факультета Санкт-Петербургского государственного университета, главный научный сотрудник Института высокомолекулярных соединений Российской Академии наук. Область научных интересов: статистическая физика полимеров. Автор более 200 научных статей и одной монографии.