CC BY
75О комплексах хиральных структур биомакромолекул и воды
В.А. Твердислов
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова,
Физический факультет [email protected]
В работе высказывается гипотеза относительно термодинамического и симметрийно-го баланса в процессах формирования иерархических хиральных макромолекулярных структур [1, 2] с привлечением представлений о квазикристаллических водных хиральных структурах [3, 4].
Ранее автором было выдвинуто и совместно с коллегами обосновано положение относительно закономерной регулярности хиральных соответствий во внутри- и над молекулярных структурах, а также в сетях биосинтеза и метаболизма. Показано, что система хиральных соответствий молекулярных структур составляет своего рода периодическую таблицу молекулярной биологии. В макромолекулярных системах впервые были выделены как хи-ральные инварианты знакопеременные иерархии хиральных структур в последовательностях от «нижнего» ассиметричного атома углерода в Бр3-гибридизации до суперспиралей и надмолекулярных структур. Отмечено чередование знака хиральности й-Ю-Ь при переходе на более высокий уровень структурно-функциональной организации ДНК для наиболее распространённой В- формы. Так, соединенные фосфодиэфирными связями молекулы дезоксирибозы, являются Р- изомерами. Включающие их нуклеотиды находятся преимущественно в левой гош- конформации, позволяющей за счет их комплементарного соединения водородными связями образовывать правую двойную спираль ДНК, составляющую следующий уровень организации. Свойственная полугибким полимерным цепям ДНК последующая сверхспирализация проявляется в левой укладке правых двойных спиралей, что можно наблюдать у прокариот.
Последовательность смены знака хиральности в структурно-функциональной иерархии белковых структур подобна той, что мы наблюдаем для ДНК, но стартует с левого энанти-омера: Ю-Ю. Белки, как известно, - линейные полимеры, сложенные из остатков Ьами-нокислот. Образуя вторичную структуру, полипептидная цепь может укладываться вправую а-спираль или в складчатый р-слой. Встречаются и другие регулярные структуры, но значительно реже. Третичная структура белков представлена взаимодействующими а-спираля-ми. Практически во всех случаях, когда визуально наблюдается внутримолекулярное тесное перекрытие а-спиралей, выявлена однозначная тенденция их свивания в левую суперспираль. Четвертичная структура белков представлена над молекулярными структурами, сформированными преимущественно при правой укладке левых суперспиралей.
Эта общая закономерность, касающаяся спонтанного формирования Ю-знакоперемен-ных иерархий хиральных структур, обусловлена исходной термодинамической неравновесностью за счет гомохиральности (минимум свободной энергии и максимум энтропии достигается в рацематах). При формировании пространственной упаковки молекул - фол-динге - происходит «вертикальная» рацемизация со сменой типа симметрии и понижением свободной энергии системы. По этой причине хиральность является физическим инструментом стратификации и фолдинга в биомакромолекулярных системах. А общая биологическая значимость включения гомохиральных структур в биосистемы состоит в необходимости формирования молекулярных машин, которые по своей физической сущности сами
являются хиральными и иерархическими конструкциями.
В работе [2] приведены термодинамические оценки хиральных переходов от первичной структуры белков к более высоким. При этом рассматривались исключительно сами белковые структуры без учета хиральных конфигурационных характеристик связанных с белковыми структурами водных структур. Они, по соображениям, высказанным Н.А.Бу-льёнковым и В.И. Лобышевым, могут иметь квазикристаллическую природу и формировать сопряженные с органическими молекулами хиральные структуры [3, 4]. Учет этих факторов может существенным образом приблизить к реальности модели фолдинга белков и нуклеиновых кислот. Известно, что белковая глобула в целом характеризуется наличием гидрофобного ядра и гидрофильной оболочки, носодержание воды внутри нативной молекулы велико. Наша гипотеза состоит в том, что интегрально или встрати-фицированном по I и Р структурным уровням виде эти гипотетически возможные право- и лево- кооперативно формирующиеся хиральные квазикристаллические водные структуры могут реально участвовать в формировании устойчивого хирального баланса отдельных структурных уровней макромолекул или комплексов макромолекул. Локальные контактирующие зоны внутри- и надмолекулярных спиральных и суперспиральных структур молекул могут иметь одинаковые или разные знаки хиральности, согласовывая хиральную иерархическую самоорганизацию.
Кроме того, известно, что вода как таковая не существует в качестве гомогенной жидкости, в ней всегда (даже в свежеприготовленной воде I класса тПП-О) содержатся незначительные количества гидроксония (Н3О+) и гидроксид-иона (ОН-), тяжелых изотопов водорода, свободнорадикальных соединений кислорода, перекиси водорода, растворенных газов и, возможно, других минорных компонентов. Установлено, что в воде формируются стабильные (долгоживущие) хиральные кластерные структуры воды [5], причем в зависимости от особенностей состава воды кластеры образуются с различными физическими свойствами. Если в водном растворе содержатся хиральные молекулы, то присутствуют и плотностные неоднородности воды, обладающие хиральными свойствами и способные к самокопированию. Известно [6], что незначительное нарушение ахиральности при введении в среду малого количества хирального аналога мономера приводит к заметной хи-ральной поляризации (т.е. избытку одного из энантиомеров по отношению к рацемату), что является известным в химии эффектом «затравки». Принцип самокопирования гете-роструктур воды может лежать в основе эффектов высоко разбавленных водных растворов.
В медико-фармакологической сфере разрабатываемый подход может быть использован в разработке методов прогнозирования и оценки взаимодействия хиральных лекарственных веществ и хиральных мишеней клетки - нуклеиновых кислот, белков и (фосфо) липидов, включая участие индуцированных ими хиральных структур воды. Последние могут обладать элементами автономной структурной стабильности,что непосредственным образом может иметь отношение к проблемам слабых воздействий и сверхмалых концентраций эффекторов.
Принципиально важно, что мы имеем дело с термодинамической системой, существенно удаленной от состояния термодинамического равновесия, системой нелинейной и обладающей системными симметрийными особенностями. Таким образом, высказывается соображение о том, что единый водно-макромолекулярный комплекс формируется не только за счет термодинамических факторов, но и за счет сопряженных с ним симметрий-ных. К тому же, это реальный путь к решению проблемы воздействия сверхслабых доз и особенностей сверхмалых концентраций.
[1] Твердислов В.А., Малышко Е.В., Ильченко С.А., Жулябина О.А. и Яковенко Л.В., Периодическая система хиральных структур в молекулярной биологии, Биофизика, том 62, стр. 421-434, (2017)
[2] Tverdislov, V.A. and Malyshko, E.V., On regularities of spontaneous formation of structural hierarchies in chiral systems of non-living and living nature, Physics Uspekhi, vol.189, pages 375-385, (2019)
[3] Lobyshev V.I., Solovey A.B. and Bulienkov N.A., Computer construction of modular structures of water. J.Mol. Liquids, vol. 106/2, pages.277-297, (2003)
[4] Марченко А.О.,.Соловей А.Б. и Лобышев В.И, Компьютерное моделирование параметрических структур воды, Биофизика, том 58, стр. 27-35, (2013)
[5] Гончарук В. В., Сыроешкин А. В., Плетенева Т. В., Успенская Е. В., Левицкая О. В. и Твердислов, В. А., О возможности существования в воде хиральных структурно-плот-ностных субмиллиметровых неоднородностей. Химия и технология воды,том39, стр. 573-584 (2017)
[6] Стовбун, С. В., Скоблин, А. А. и Твердислов, В. А., Экспериментальное наблюдение си-нергетической закономерности смены знака хиральности в иерархиях биомиметических структур. Биофизика, том 59, стр. 1079-1084 (2014)
