Эссе. Захаров Виталий. Факультет педиатрии, группа135 Эссе
 Скачать 19.29 Kb.
|
|
Захаров Виталий. Факультет – педиатрии, группа№135 Эссе Проблемы, связанные с изучением физических взаимодействий в биосистемах и роли слабых взаимодействий в биополимерах ,были объектом общих и специальных исследований у А.Н.Огурцова и А. Миндубаева, ранее исследование по этой теме принадлежали Э.Фишеру, Н.Д.Зеленскому, Н.Трензегору, И.М.Франку и Д.Ринчу. Однако существует целый комплекс вопросов , связанных с этой темой. Известно, что структуру и свойства органических молекул можно понять, используя простую эмпирическую модель, которую химики и биологи используют уже много десятилетий. Это конечно, не то полное описание, которое обеспечивает квантовая механика, но этого достаточно для понимания тех исходных взаимодействий, которые и формируют форму, и стабилизируют биомакромолекулы. Существует три основных модели. Во-первых, ковалентное связывание соединяет атомы, формируя стабильные структуры с определённой геометрией. Во-вторых, несколько типов нековалентных сил контролируют взаимодействия внутри молекул и между молекулами. И, в-третьих, особые свойства воды кардинально видоизменяют форму и стабильность молекул. Исследователи рассуждали приблизительно так: «Ковалентная связь прочная, поэтому свойства любого вещества определяются в первую очередь характером ковалентных взаимодействий между атомами. А слабые взаимодействия — водородные, ионные, электростатические связи — на то и слабые, что их роль в формировании свойств вещества второстепенная». Только с развитием таких неклассических направлений в химии, как супрамолекулярная и координационная химия, к слабым взаимодействиям появился должный интерес. При физиологических температурах ковалентные связи стабильны. Для того , чтобы их сформировать или разорвать требуется значительная энергия. Прочность большинства органических материалов определяется именно ковалентными связями. Атомы углерода образуют четыре связи с окружающими атомами, формируя тетраэдрические структуры. В некоторых случаях углерод способен образовывать две или три связи с одним атомом, образуя двойную связь. Кислород образует две связи под углом порядка 100° или двойную связь с одним атомом. Азот образует три связи. Сера образует две связи. Фосфор в биомолекулах участвует в составе фосфатной группы, в которой он окружен четырьмя атомами кислорода. Используя эти модели , можно "собрать" огромное количество разнообразных молекул. Однако существуют и особенности нековалентных взаимодействий. Нековалентные взаимодействия являются определяющими в формировании функциональной структуры биомолекул и клеточных компонентов. Нековалентные взаимодействия подразделяют на электростатические или ионные взаимодействия, ван-дер-ваальсовые силы, водородную связь, гидрофобные силы. Так, например, ван-дер-ваальсовые взаимодействия имеют электромагнитную природу и определяются взаимодействием электрических диполей молекул. В зависимости от того, обладают ли взаимодействующие молекулы электрическим дипольным моментом, или последний возникает вследствие поляризации оболочек, существуют различные типы ван-дер-ваальсовых сил: диполь-дипольное взаимодействие полярных молекул, индукционное взаимодействие диполя полярной молекулы с индуцированным диполем другой молекулы, дисперсионное взаимодействие индуцированных диполей двух молекул. Диполь-дипольное взаимодействие дипольного момента полярной молекулы с электрическим полем, создаваемым другой полярной молекулой, может иметь характер притяжения или отталкивания в зависимости от взаимной ориентации диполей. Таким образом, диполь-дипольное взаимодействие приводит к ориентационной упорядоченности молекул. С другой стороны, тепловое движение молекул разупорядочивает ориентацию молекул. Индукционное взаимодействие возникает тогда, когда молекула, обладающая постоянным дипольным моментом, наводит в другой молекуле, неполярной или полярной, так называемый индуцированный дипольный момент. Индукционное взаимодействие не зависит от температуры, так как ориентация наведенного диполя не может быть произвольной, она однозначно определяется направлением постоянного диполя. Индукционное взаимодействие существенно только для молекул со значительными поляризуемостями. Дисперсионное взаимодействие индуцированных диполей характерно для атомов и молекул, у которых нет не только дипольного, но и квадрупольного, октупольного и других электрических моментов. Осцилляция электронного облака молекулы позволяет рассматривать её как частицу, имеющую мгновенный дипольный момент, который постоянно меняет свою величину и направление. Не мало важную роль, играют водородные связи в обеспечении стабильности биомолекул и в обеспечении взаимодействия биомолекул между собой. Двойная спираль ДНК образуется за счет водородных связей между основаниями. Однако в пределах каждой цепочки соседние азотистые основания уложены в «стопку» гидрофобными контактами называемыми «стэкинг-взаимодействиями». Гидрофильный сахарофосфатный остов молекулы ДНК, в свою очередь, взаимодействует с водой. Атом водорода, входящий в состав одной молекулы, образует вторую, обычно более слабую связь с атомом другой молекулы , в результате чего обе молекулы объединяются в комплекс через так называемый водородный мостик. Атомы фтор, кислорода, азота и хлора в водородном мостике обладают высокой электроотрицательностью. В процессе образования водородной связи электронный заряд с атома водорода переходит на электроотрицательный атом. Таким образом, механизм образования водородной связи двух электроотрицательных атомов через протон весьма близок к донорно-акцепторному. Водородные связи слабее ковалентных и не так жестко ориентированы, но их энергия несколько больше, чем характерная термическая энергия при физиологических температурах, поэтому они являются стабильными для биологических объектов. Поскольку они слабее ковалентных связей, их легче разорвать. Важно отметить, что белки и нуклеиновые кислоты содержат большое число внутримолекулярных водородных связей, которые играют важную роль в организации структуры и функционировании этих макромолекул. Водородные связи намного слабее ковалентных. Молекулы в жидкой воде находятся в непрерывном тепловом движении, поэтому образующиеся водородные связи постоянно и быстро разрываются и вновь восстанавливаются. Каждая молекула воды может образовывать водородные связи с четырьмя соседними молекулами, однако при комнатной температуре каждая молекула воды образует водородные связи в 3,4 других молекул. Таким образом, колебания температуры внутри клетки, несмотря на её резкие изменения во внешней среде, ослабляются – вода выступает в роли термостата. Благодаря высокой теплоте испарения воды организмы эффективно защищаться от перегрева. Например, ДНК термофильных бактерий денатурирует при температуре, приближающейся к 100 °С, а искусственная ДНК, состоящая из одних А–Т-пар — всего при 65 °С. «Плавление» ДНК косвенно проявляется через гиперхромный эффект — усиление поглощения ультрафиолетового света с длиной волны 280 нм азотистыми основаниями, которые в нативной молекуле ДНК упакованы внутрь спирали и поглощают слабо. Стоит отметить, что электростатические силы обеспечивают взаимодействие между полностью или частично заряженными функциональными группами. Электростатическое взаимодействие между атомами, имеющими нескомпенсированный электрический заряд, играет важную роль в стабилизации биомолекул. Электростатические взаимодействия являются дальнодействующими. Электростатические силы используются как на малых расстояниях для связывания атомных групп, так и на больших расстояниях, для притяжения или отталкивания необходимых молекул. Они не являются направленными и действуют симметрично во всех направлениях от заряженного центра. Существует гидрофобный эффект. Возникающий в воде гидрофобный эффект определяет свойства биомолекул и взаимодействие между ними. Молекулы воды интенсивно взаимодействуют между собой, образуя водородные связи. Жидкая вода образуется перемещающимися молекулами воды, которые постоянно формируют и переформировывают водородные связи с соседними молекулами. Стабильность водного раствора определяется комбинацией энтальпий ван-дер-ваальсовых и водородных связей и энтропии, которая стремится увеличить число беспорядочно ориентированных молекул. Водородные связи между молекулами воды энтальпически выгодны, поскольку при этом образуется много стабилизирующих взаимодействий. Они также энтропически выгодны, поскольку каждая молекула воды имеет неограниченное количество возможностей для взаимодействия со всеми остальными молекулами воды, причем все эти взаимодействия имеют одинаковую энергию. Любое воздействие, которое будет нарушать этот процесс должно обеспечить эквивалентное количество энтальпии во взаимодействиях с таким же количеством энтропического разнообразия, в противном случае оно будет энергетически невыгодным. Иногда более удобно представлять себе гидрофобный эффект как определённые гидрофобные взаимодействия, которые стабилизируют ассоциат углеводородных молекул. Важно отметить комбинаторный характер молекулярного разнообразия. Современные клетки практически для всех задач используют белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды, липиды. Некоторые другие небольшие молекулы также специально синтезируются для определённых нужд, но постоянная, ежедневная жизнедеятельность клетки осуществляется именно этими четырьмя типами молекул. Такое разнообразие имеет тенденцию к неограниченному росту из-за образования все новых объектов в результате взаимодействия уже существующих, и, следовательно, комбинаторный принцип строения основных биологических веществ представляется совершенно необходимым для эволюции живых организмов, поскольку, вероятно, только таким образом может эффективно возникать новый материал для естественного отбора. |