Молекулярная «липучка»Принцип зацепления широко используется в живой природе: стрекательные нити медуз, с трудом извлекаемая из кожи головка клеща, жалящие волоски крапивного листа, крючья-липучки на поверхности насекомоядной венериной мухоловки, выросты-крючочки яиц акулы, с помощью которых те прикрепляются к поверхности подводных камней. На микроуровне самым известным примером молекулярного сцепления является молекула ДНК, состоящая из двух полинуклеотидных цепей, закрученных одна вокруг другой в спираль. Цепи ДНК прочно удерживаются друг около друга с помощью низкоэнергетических водородных связей между парами азотистых оснований (аденин одной цепи всегда связан двумя водородными связями с тимином другой цепи, а гуанин – тремя водородными связями с цитозином). Эти связи легко рвутся при репликации ДНК с помощью фермента ДНК-полимеразы, а затем вновь замыкаются, соединяя каждую из старых цепей с новой, дочерней, восстанавливая тем самым двуцепочность молекулы (рис. 1). Таким образом, диапазон использования в природе принципа сцепления весьма и весьма широк…
Журнал «Вокруг света» поместил на
обложке своего номера за декабрь 2003?г. фотографию
всем известной застежки-липучки, сделанную с
помощью сканирующего электронного микроскопа
Таким образом, название этого современного синтетического материала полностью соответствует его удивительным свойствам. Вот как свойства липучки описаны в журнале: «Универсальная застежка-липучка состоит из двух частей. Одна представляет собой пластиковые микрокрючочки, другая – плотный и ворсистый синтетический покров. В момент соединения тысячи колючек зацепляются за тонкие нити волокна и происходит их надежная сцепка. Использовать липучку можно многократно – крепкие и упругие крючки (в виде разрезанных петелек) не разгибаются и не ломаются даже после тысячи зацеплений. Но вот ворсистая поверхность со временем просто “лысеет” и прочность соединения понижается». Далее говорится, что «сегодня синтетические материалы по многим показателям стали ничуть не хуже натуральных… По сути, копируя природу, люди научились использовать ее секреты. Примером может стать и та самая липучка, позаимствованная у репейника и позволяющая моментально застегивать и расстегивать одежду». Химики привыкли мыслить молекулярными категориями, поэтому для них даже электронно-микроскопические размеры представляются макромиром. Химики в идеале хотели бы всегда иметь дело с одиночными молекулами, что весьма затруднительно, особенно если молекулы находятся в растворе. С целью изоляции и фиксации (иммобилизации) одиночных молекул применяют различные методы. Одним из первых было использование полистирольных гранул-бисеринок для синтеза на их поверхности белков из аминокислот. Затем в середине 1980-х гг. появились моноклональные антитела (МАТ), обладающие уникальной специфичностью к своим антигенам-мишеням. Антитела представляют собой достаточно большие протеиновые молекулы, имеющие форму буквы «игрек». Антитела «ухватывают» антигены с помощью двух коротких «усиков», а длинным хвостом они могут цепляться за специально обработанную поверхность подложки, например тончайшего покровного стекла, толщина которого не превышает десятой доли миллиметра! С помощью иммобилизованных МАТ хорошо удается «изолировать» отдельные белковые молекулы, особенно длинные нитевидные, или фибриллярные. Примером подобных протеинов является миозин наших мышц: сцепление нитей миозина и другого белка – актина – приводит к сокращению мышц. И вот теперь придумана химическая «липучка», получившая название «версалинкс» (versalinx), где латинское versio означает видоизменение, разнообразие, а linx – звенья, связи-сцепки. На рис. 3 хорошо виден принцип молекулярного velcro, образуемого двумя небольшими синтетическими молекулами. В качестве «петли» (на рис. 3 – более светлые тонкие нити) выступает фенилдибороновая кислота, несущая два атома бора с двумя группами ОН у каждого. Атомы бора присоединены вместо водородов во 2-м и 4-м положениях фенильного кольца. «Крючком» служит салицилгидроксамовая кислота, которая также имеет фенильное кольцо, у которого в первом положении водород замещен на гидроксильную группу ОН, а в 6-м присоединен «хвост» с кислородом и аминогруппой, у которой один из водородов также замещен на группу ОН.
При сближении двух молекул образуется комплекс, в котором 4-й бор образует ковалентную связь с азотом указанной аминогруппы (иминогруппы), одна из групп ОН отщепляется, и бор получает возможность образовать вторую связь с кислородом другой гидроксильной группы, от которой отщепляется Н, в результате чего образуется вода.
Таким образом, получается бимолекулярный «липучий» комплекс, надежно и прочно удерживающий присоединенные к фенильным кольцам остатки тех или иных молекул. В силу химической инертности новых синтетических молекул комплекс образуется в широком диапазоне самых разнообразных условий. Это особенно важно в биотехнологии, поскольку образующиеся комплексы позволяют сближать находящиеся в растворе биологически активные молекулы, которые функционируют лишь в определенных условиях, например фермент и его субстрат. Инертность бимолекулярного комплекса способствует сохранению их биологической активности. Сближенные и относительно «обездвиженные» молекулы позволяют точнее изучать ход биохимических реакций. Характер свойств новых синтетических молекул дает возможность использовать стандартные условия реакции «каплинга», т.е. образования химической пары. Это также облегчает процесс химического анализа и позволяет автоматизировать его. Немаловажной является и химическая обратимость образования комплекса (каплинга). В результате разрыва молекулярной связи бора с азотом и кислородом при добавлении воды вновь получаются «крючочки» и «петельки» (как это происходит при расстегивании липучей застежки). Высокая степень специфичности взаимодействия двух кислот позволяет не заботиться об очистке липучих молекулярных поверхностей. Материал подготовил И.Э.ЛАЛАЯНЦ
|
