Макромолекула - основа организации и функционирования биологических систем

Основу структурной организации живой материи составляют специфические биополимеры - макромолекулы, в первую очередь, белки и нуклеиновые кислоты. Макромолекулы характеризуются большой молекулярной массой (м.м.). Различные молекулы белков и нуклеиновых кислот значительно различаются по размерам и молекулярной массе, которая изменяется от 10³ до 10¹⁰ Да. Специфика больших полимерных молекул определяется большим числом однотипных звеньев - мономеров, связанных в линейную цепь. Так, молекула белка с м.м. 10⁶ Да состоит примерно из 10⁵ ковалентно соединенных атомных групп. Тепловое движение атомов и атомных групп, входящих в состав макромолекулы, повороты и вращения их вокруг единичных связей, обуславливают и большое число степеней свободы. Это позволяет рассматривать макромолекулу как макроскопическую систему, статистический характер поведения которой проявляется в наличии средних значений таких параметров, как размеры, форма, степень свернутости полимерной цепи. Вместе с тем, существующие между атомами химические связи и взаимодействия ближнего и дальнего порядка накладывают определенные ограничения на число возможных конформаций макромолекулы. Изменения конформации биомолекул в процессе их функционирования также носят вполне конкретный характер и отражают внутримолекулярную динамическую организацию биополимеров.

В основе функционирования макромолекул лежат электронно-конформационные взаимодействия, которые проявляются во всех процессах, где участвуют макромолекулярные комплексы. Во многих случаях, функционирование макромолекул обуславливается протеканием сложных процессов трансформации энергии, включающих миграцию электронного возбуждения и транспорт электронов.

Сложность строения на атомном и молекулярном уровнях предьявляет свои требования и имеет особенности при изучении биологических молекул. Информацию о пространственной структуре макромолекул можно получить, используя комплекс различных методов, таких как рентгено-структурный анализ, ЭПР, ЯМР-спектроскопия, дисперсия оптического вращения и т.д. Основная проблема заключается в раскрытии механизмов взаимодействия атомных групп, определяющих конформационные особенности и внутреннюю динамику макромолекул и на этой основе понять механизмы функционирования биополимеров в живых системах.

Разнообразие функций макромолекул определяется в значительной мере их пространственной организацией. Вращения вокруг одинарных ковалентных связей вызывают образование различных поворотных изомеров и конформаций полимерной цепи. Конформация макромолекулы - это расположение полимерной цепи в пространстве за счет образования большого количества слабых связей, в результате чего создается наиболее термодинамически выгодная и стабильная пространственная структура биополимера. Условно выделяют несколько уровней структурной организации биомолекул. Самым первым уровнем молекулярной организации является первичная структура макромолекулы - последовательность мономеров в полимерной цепи, связанных ковалентными связями. Ковалентные связи достаточно устойчивые. Свободная энергия их образования составляет 200 - 800 кДж моль^-1.

Вторичной структурой макромолекулы называют локальное упорядочивание отдельных участков полимерной цепи. Третьичная структура - пространственная укладка всей полимерной цепи в пространстве. Пространственную укладку нескольких компактно организованных полимерных цепей с образованием надмолекулярного комплекса называют четвертичной структурой. На уровне вторичной, третьичной и четвертичной организации макромолекул важную роль играют нековалентные, слабые связи (взаймодействия), за счет которых преимущественно осуществляется стабилизация прстранственной структуры биополимеров. Известен только один тип ковалентной связи ( S - S- связь), участвующий в стабилизации высших структур белковых молекул.