ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Внутримолекулярная динамика биополимеров из "Физико-химия нанокластеров наноструктур и наноматериалов" Необходимо отметить, что резкое возрастание величины (ж )ре может быть связано с движением глобулы миоглобина как целого, например за счет либрационных движений, однако движение таких больших макромолекул, как глобула белка, происходит с низкими частотами и если частота этих движений менее 10 с , то они не оказывают влияния на (а )ре. Кроме того, как будет показано далее, подобное поведение (х )ре с изменением температуры наблюдается и для больших полимеров — ДНК с молекулярным весом 10 . [c.471] Интересно отметить влияние лигандов на движение атома железа в миоглобине. Так, на рис. 14.20 заметно возрастание (а )ре для Ме1МЬ по сравнению с дезокси-МЬ, начиная с области 200 К, что связано с влиянием подвижности молекулы воды в качестве шестого лиганда. [c.471] Усредненная динамика глобулы миоглобина, исследованная с помощью РРМИ [22], позволяет для углов рассеяния менее 10° изучать широкомасштабные движения, на несколько порядков больше, чем для МС. Исследовалась динамика миоглобина в различных состояниях кристаллическом (содержание воды 60 %), лиофилизованном (содержание воды несколько процентов и 40 %) ив растворе (при концентрации белка около 70 %). На рис. 14.22 приведена температурная зависимость величины /д для разных состояний миоглобина. [c.471] Различия в (ж ) в области высоких температур (300 К) связаны с невозможностью для РДА дать точные значения (ж ), характеризующие упруго рассеянное гамма-излучение, так как РДА из-за низкого энергетического разрешения дает данные, неотделимые от теплового диффузного рассеяния. При наличии большого числа брэгговских максимумов в белках (их разделение составляет около 30 минут) и больших межплоскостных расстояний все рефлексы смещены в область малых углов и практически неотделимы от диффузного фона, связанного с неупругими процессами, в частности, с однофононными процессами. В этой связи интенсивность брэгговских максимумов 7 убывает как 1п 7 (1 - /1)(ж )рда, где f] — доля однофононных процессов. В результате (ж )рда оказывается эффективно заниженной и становится меньше (ж )к. [c.473] Происхождение отличий (ж )рдд и (ж )к при 90 К и их температурных зависимостей связано с влиянием конформационных подсостояний. По данным МС и РРМИ конформационные движения возникают при температурах выше 220 К, т. е. имеет место что-то вроде фазового перехода, однако они могут существовать и при более низких температурах. Это доказывает тот факт, что (ж )рда (ж )к при температурах ниже 200 К. Однако конформационные движения фрагментов белка, лежащие в низкочастотной области, при понижении температуры, естественно, замедляются, и их частоты движения могут стать меньше 10 с . Поскольку МС и РРМИ чувствительны к частотам выше 10 с , температурные зависимости (ж )ре и (ж )к ниже излома соответствуют обычным атомным колебаниям. В опытах по динамическому рассеянию рентгеновских лучей с характеристическим временем 10 с регистрируются и усредняются с равным весом все перемещения, происходящие за время экспозиции 10 -г 10 с с любыми частотами, в частности меньшими, чем 10 с . Таким образом, (ж )рда становится больше (ж )к, несмотря на тепловое диффузное рассеяние, вклад которого убывает с понижением температуры. [c.473] Следующий пример исследования молекулярной активности целесообразно привести для наиболее крупного биополимера ДНК. Как уже отмечалось, ДНК представляет собой биополимер с очень большой молекулярной массой (10 -г 10 ), имеющий структурную организацию в виде двойной спирали, отдельные части которой соединены азотистыми основаниями. Внутримолекулярная подвижность ДНК наряду с динамикой белков представляет собой один из важнейших факторов, обеспечивающих ее функциональную активность. Ниже приводятся данные РРМИ по исследованию ДНК из селезенки крупного рогатого скота при различных значения степени гидратации и температуры. [c.474] На рис. 14.25 представлены температурные зависимости Д для трех значений степени гидратации Л = 0,05 0,61 1,2 г НгО/г ДНК. [c.474] Температурная зависимость /r для сухого образца ДНК линейна, что характерно для твердого тела выше температуры Дебая. Для увлажненных образцов ДНК наблюдается аналогичное белкам уменьшение /r выше 220 К. [c.475] Как и для белков, резкое падение /r выше 220 К и отсутствие заметного уширения узкой компоненты спектра РРМИ при этих температурах не может быть объяснено в рамках обычных твердотельных моделей и связывается с внутримолекулярной подвижностью, обусловленной возбуждением конформационных подсостояний ДНК. Как и для белков, внутримолекулярное движение может быть смоделировано в рамках модели броуновского осциллятора с сильным затуханием или ограниченной диффузии. В качестве фрагмента двойной спирали ДНК, участвующего в диффузионном движении, можно рассмотреть, например, один или несколько нуклеотидов, азотистые основания, остатки сахаров. На рис. 14.25 представлены расчетные данные /r = /(Г, Еа, а, Тс) с применением следующих параметров Л = 0,61, = (l/2)Q x ) = 1,25 (размер области движения) Q = 4ж тв/Х, 2в — угол рассеяния, А — длина волны излучения, Еа = 6,2 ккал/моль (энергия активации) при Л = 1,2 = 2, Еа = 8,75 ккал/моль, характерное время корреляций движения, полученное из уширения линии ДГ a h/тс 10 с. [c.475] Возрастание (а )к для ДНК может характеризовать сильную анизотропию движения вдоль оси двойной спирали и перпендикулярной ей. Этот факт должен приводить к суммарному увеличению (a R для некогерентного варианта РРМИ. В случае же когерентного варианта подобная анизотропия бьша найдена для другого биополимера — полисахарида, который также обладает двойной спиралью. [c.477] В отличие от твердого тела или лиофилизованного, сухого состояния, где величины (ж ) не превышают несколько сотых долей гидратированные биополимеры обладают гораздо большими значениями ( )к lA . Смешения на такие расстояния должны происходить таким же образом, как и в других конденсированных фазах (жидкости, твердом теле), — за счет флуктуационного образования полостей, куда затем проникает диффундирующая атомная группа, или за счет прыжковой или непрерывной диффузии [24]. [c.477] Поскольку в случае неограниченной диффузии быстрое исчезновение интенсивности спектральной линии должно было бы обусловливать ее резкое уширением, чего не наблюдается в МС и РРМИ спектрах, то такие смещения должны происходить путем ограниченной диффузии в профиле некоторого конформационного потенциала, огибающая которого задает границы диффузии. При этом на величины (ж ) оказывают влияние переходы между вырожденными и квазивырожденными уровнями энергии — локальными минимумами. [c.477] Эти минимумы энергии бьши обнаружены с помощью изучения кинетики связывания СО и СО2 [21,25]. [c.477] При этом расстояние между стенками конформационного потенциала 1 А, как это следует из величин 1А . Это же расстояние соответствует и характерному масштабу неупорядоченности в биополимерах. [c.478] Трансферрин представляет собой глобулярный белок с молекулярной массой 8 10 , который вьщелен из плазмы позвоночных. Трансферрин переносит атомы железа из органов его накопления, например печени, в которой сушествует накопительный белок ферритин, в органы синтеза железосодержащих белков (миоглобин, гемоглобин, цитохромы). Структура трансферрина показана на рис. 14.29. [c.480] Глобула трансферрина состоит из двух половин N и С, которые различаются наличием концевого атома азота или углерода полипептидной цепи. В свою очередь N- и С-половины разделены на два домена щелью, в которой находится атом железа в состоянии Fe . Лигандное окружение Ре +(рис. 14.296) одинаково для N- и С-половин глобулы трансферрина. Кроме обозначенных лигандов — аминокислот, — в число лигандов входит Со (Соз ) или Н2О (ОН) . Карбоксианион связывает Fe + с белком и препятствует освобождению из щели в процессе переноса атомов железа в организме. Восстановление железа до Ре +, которое происходит в клетках, ведущих синтез железосодержащих белков, приводит к его освобождению из трансферрина. Считается, что электронная структура Ре + в транс-феррине одинакова для N- и С-половин, однако динамическое поведение может отличаться, поскольку N-половина легче связывает и освобождает атом железа и термодинамически менее стабильна, чем С-половина. Это свойство связано, вероятно, с тем, что С-половина обладает дополнительными связями в районе щели, например дисульфидным мостиком. Поэтому следует ожидать более прочной связи Ре + с белком (решеткой твердого тела) в С-половине и, как следствие, более быстрой релаксации. [c.480] На рис. 14.30,14.31 приведены мессбауэровские спектры, полученные при разных температурах и наложении внешнего магнитного поля Яех == 0,06 Тл и спектры частот релаксации восстановленных из мессбауэровских спектров. [c.480] Экспериментальные и расчетные спектры свидетельствуют об увеличении частоты релаксации электронного спина с ростом температуры, и, кроме того, наложение внешнего магнитного поля приводит к расчетной симметризации СТС мессбауэровских спектров. Однако восстановление спектра частот релаксации приводит к распределению с двумя максимумами (рис. 14.29, 14.30 в, г) — 71 при низкочастотной части и — 72 при высокочастотной части, причем доля высокочастотной компоненты составляет около 20 %. [c.482] Вернуться к основной статье