Хиральность в структурной организации биомакромолекул

Хиральность в структурной организации биомакромолекул Жулябина О.А.1, Малышко Е.В.2, Ильченко С.А.3, Твердислов В.А.4

Жулябина Ольга Александровна / Zhulyabina Olga Aleksandrovna - аспирант;

2Малышко Екатерина Владимировна /Malyshko Ekaterina Vladimirovna - студент;

3Ильченко Стелла Алексеевна /Ilchenko Stella Alekseevna - студент;

4Твердислов Всеволод Александрович / Tverdislov Vsevolod Aleksandrovich - доктор физико-математических наук,

профессор,

кафедра биофизики, физический факультет,

МГУ имени М.В. Ломоносова, г. Москва

Аннотация: в статье рассмотрены механизмы, обеспечивающие связь смены знака хиральности с переходом системы на новый иерархический уровень, а также с перераспределением энергии и напряжений внутри системы на примере белков и молекулы ДНК.

Ключевые слова: хиральность, стратификация, биомакромолекулы, спираль.

Одной из важнейших физических проблем молекулярной биологии является определение критериев дискретности и механизмов стратификации в иерархиях различных структур биомакромолекул и как следствие - их функциональных особенностей

В 1848 году Л.Пастером было высказано и развито положение, что многие биологические молекулы хиральны, т.е. они не могут быть совмещены со своим зеркальным отражением. Хиральными называют соединения, в которых присутствует ассиметричный атом углерода с четырьмя различными заместителями, образующими с ним ковалентные связи. Исследования хиральности в различных системах (живых и неживых) ведутся давно. Однако до сих пор не было каких-либо упоминаний о системной связи между структурной иерархией и чередованием знака хиральности на каждом уровне организации, в частности, биомакромолекул.

Совсем недавно была сформулирована гипотеза о связи хиральности структур с их иерархичностью: проходя через череду бифуркаций, нелинейная система имеет тенденцию к спонтанному формированию последовательности иерархических уровней с изменяющимся знаком хиральности заново образующихся структур и с увеличением их относительного масштаба [1]. Данное свойство можно наглядно продемонстрировать, рассматривая структурные уровни организации ДНК. Мономерами дезоксирибонуклеиновой кислоты являются нуклеотиды, включающие в состав молекулы дезоксирибозы. Дезоксирибоза представляет собой D-изомер. Нуклеотиды представлены в основном в L-конформации. Двойная спираль ДНК является правой. Во время сверхспирализации, когда двойная спираль ДНК закручивается в новую спираль более высокого порядка, образуется левая суперспираль. Как, например, у бактерий. Таким образом, мы можем наблюдать чередование знака хиральности при рассмотрении структурного устройства ДНК от простого к сложному: D-L-D-L. Аналогичная схема наблюдается и при рассмотрении белков: аминокислоты являются «левыми», альфа-спирали - правые и т.д.

Независимо в области механики и сопромата было выяснено, что при скручивании упругого шнура в спираль, при определенном перенапряжении возникает новая спираль большего диаметра, совпадающая по знаку хиральности с исходной - новая мода. При дальнейшем увеличении напряжения происходит перекручивание шнура в суперспираль с противоположным знаком хиральности. Аналогичное явление наблюдается при образовании шпилек в ДНК.

Смена хиральности связана с распределением напряжения в ДНК и запасанием свободной энергии. Например, известно, что ДНК образует витки на нуклеосомах. Если убрать гистоны, то правозакрученная ДНК станет дополнительно суперспирализованной (левая суперспираль). Из-за возрастания свободной энергии происходит возникновение суперспирализации. Свободная энергия пропорциональна квадрату числа супервитков, а, следовательно, система будет стремиться к их уменьшению [2]. Это происходит за счет перехода ДНК в другую конформацию на коротком участке и сопровождается сменой знака хиральности.

Благодаря хиральности происходит стратификация иерархических уровней: если на одном уровне знак хиральности почему-либо изменяется вследствие изомеризации, то на соседствующих уровнях он также должен измениться на противоположный. За счет этого уровни не просто разделены, но ещё и их перемешивание кинетически заторможено. Данное свойство является основополагающим в развитии различных биологических систем.

Литература

1. Tverdislov V. A. Chirality as a primary switch of hierarchical levels in molecular biological systems //Biophysics. - 2013. - Т. 58. - №. 1. - С. 128-132.

2. Георгиев Г. П. Гены высших организмов и их экспрессия. - Наука, 1989.