А почему шарики?

В ходе изучения биохимии вопрос о том, как изображать биополимеры, например белки, возникает ни раз. На многих схемах, на плоскости бумаги или экрана, белки изображают как кружочки, эллипсы или подобные фигурки.

По этому - еще раз о стилях изображения биополимеров.

Стили изображения молекул происходят из наших теорий о строении вещества.

Например, если мы рассуждаем об атомах, соединенных связями разной длинны и геометрии, то мы рисуем шарики, окрашенные в условные цвета химических элементов и соединенные палочками разной длинны: одинарными, двойными и тп. Однако, если мы говорим о методах молекулярных орбиталей, то нужно бы изображать элементы в виде объемных шароподобных форм, соответствующих внешним электронным оболочкам. Кроме того это все изображать в рукописном или машинописном тексте неудобно, по этому молекулы изображаются просто в виде линий, геометрически соответствующих связям между атомами, а сами атомы опускаются, или символов элементов соединенных палочками-связями.

Например, несколько типов изображений аминокислоты глицин - приведено ниже.

Стиль изображения (1-3) " линии", стиль изображения " шарики и палочки", стиль изображения " объемные атомы". Повторюсь, что каждый стиль изображения соответствует одной из теорий строения вещества, подтвержденных разными физико-химическими методами.

Белки, как нерегулярные полимеры аминокислот, естественно изображать как последовательности аминокислот от N-начала к С-концу (рисунок 2 стили 1-3). Понятно, что три основных современных метода установления трехмерной структуры этого биополимера, а именно РСА - рентгеноструктурный анализ, ЯМР - ядерный магнитный резонанс и КЭМ - криоэлектронная микроскопия - представляют белки, так как мы можем изобразить в стилях 1-3. Однако, чем больше мы изучаем биохимию в том или ином ее ответвлении, будь то собственно биологическая химия, молекулярная биология, химическая биология или биоорганическая химия, тем больше мы убеждаемся, что структура и функции биологических молекул неразрывно связаны. Изучив структуру таких молекул, мы открываем постепенно одну за другой их функции. Все это и отражается на биополимерах, например белках. Очевидно, что три " базовых" стиля изображения (на рисунке 2 структуры 1-3) не полностью отразят те функции, которые мы уже знаем о белках, или будут не достаточно удобны, чтобы описывать каждую из функций.

Для белков, как нерегулярных полимеров аминокислот, устойчивую вторичную структуру удобно изображать особыми стилями. Например, изображая только полипептидную цепь без боковых радикалов удобно определять трехмерную укладку, плотность в пространстве, доменную структуру белков и т. п. На рисунке 2 стиль 4 отражает направление в котором укладывается цепи белка, а цветом отражены типы вторичной структуры. Кроме того, именно для белков нашли удобным изображать вторичную структуру этих полимеров более абстрактно (стиль 5). Например, альфа-спирали изображают как плоские спиральной ленты, или даже цилиндра, а бета-складки, как плоские ленты с элементами стрелок, показывающих направление бета-складок от N-начала биополимера к его С-концу. Направление бета-складок исключительно важно, так как определяют геометрию водородных связей их образовавших. Таким образом, стили 4 и 5 представляются более абстрактными изображениями наших представлений о вторичной структуре белков, со всеми вытекающими возможностями использовать такие абстракции.

Стоит напомнить, что даже мелкие белки с массой уже более 5 KDa ведут себя в водных растворах как коллоидные частицы с границей раздела фаз. Т. е. они имеют внутренние микрополости " условного вакуума", окруженного гидратной оболочкой. Это иллюстрирует 3-й стиль изображения на рисунке 2. Именно там мы можем " видеть" белок методом КЭМ.

Таким образом, изображая на сложных 3D схемах белки как формы подобные шарикам, или на плоскости бумаги\экрана как формы, похожие на круги или эллипсы, мы абстрактно представляем белок как компактную структуру с границей раздела. Эта граница четко отделяет сложнейшую, подвижную структуру упакованного полимера от водной или водно-липидной среды в которой функционируют белки. Ну, в общем да, шарики...

Доцент РНИМУ

Лапа Геннадий Борисович