123456789
Struktury molekularne (statyka)
Układy złożone

W układzie złożonym są możliwe zjawiska, które niezwykle trudno byłoby przewidzieć na podstawie układu prostego. Co więcej, pewne zachowania się układów złożonych okazały się uniwersalne, tzn. niezależne od charakteru części składowych. Wielka liczba atomów argonu daje układ niełatwy do teoretycznego opisu, ale dość dobrze przewidywalny. Jeśli liczba atomów rośnie, to upakowują się one w klastery bardzo podobne do tych, które można by układać z piłek tenisowych, dbając o jak największą liczbę kontaktów między nimi. Mogą tam zachodzić złożone zjawiska (podobne do reakcji chemicznych) związane ze współistnieniem wielu rodzajów klasterów, ich różnym stopniem trwałości (pojawią się liczby magiczne związane ze szczególnie trwałymi zamkniętymi powłokami). Jednak oddziaływanie atomów argonu, mimo iż złożone w kwantowomechanicznym opisie, jest w gruncie rzeczy prymitywnym wykorzystywaniem jednego rodzaju oddziaływań dwuciałowych, trójciałowych itd.
Chemia oferuje tu niezwykłą rozmaitość oddziaływań molekuł.

Układy złożone samoorganizujące się

W przypadku zróżnicowanych oddziaływań możliwe są nowe, fascynujące zjawiska. Odkryto, że wzajemne nakierowywanie molekuł jest szczególnie efektywne, gdy jedna pasuje do drugiej jak dwa klocki lego. W drugiej połowie XX wieku okazało się, że ta idea zastosowana w konkretnych przypadkach (synteza pasujących do siebie molekuł) prowadzi nie tylko do pożądanego przebiegu reakcji chemicznej (gdy zderzenie jest chemiczną katastrofą), ale także do ewentualnego powstania wcześniej zaplanowanych agregatów molekuł. W tym drugim przypadku nie mamy do czynienia z katastrofą, ale z łagodnym cumowaniem jednej molekuły do drugiej (dokowanie). Dokowanie molekularne jest istotą niezwykle ważnego dla przyszłej chemii rozpoznania molekularnego. Najważniejszym powodem specyficznego oddziaływania molekuł5 jest wzajemne dopasowanie ich kształtów (jak klucz do zamka lub jak ręka do rękawiczki) oraz ich rozkładów ładunku. Układ potencjalnych kontaktów (synton) w jednej molekule może mieć komplementarny odpowiednik (komplementarny synton) w drugiej.

Jeżeli układ jest stosunkowo prosty, to po połączeniu odpowiednich syntonów mamy ciągle do czynienia ze stosunkowo prymitywną strukturą przestrzenną. Tymczasem można sobie wyobrazić znacznie ciekawszą sytuację, gdy:

  • rodzaje molekuł zostały wybrane tak, aby niektóre oddziaływania międzycząsteczkowe były szczególnie silne (rozpoznanie molekularne);
  • wskutek oddziaływań tworzą się w układzie asocjaty, które z kolei mogą znowu się rozpoznawać istniejącymi wcześniej albo nowopowstałymi syntonami, tworząc agregaty wyższego rzędu (strukturę wielopiętrową) o innej energii wiązania;
  • wielopiętrowa struktura wynikowa zależy w sposób jakościowy od oddziaływania z otoczeniem lub/i szczegółów oddziaływań wewnątrz jej samej.

Tworzy się więc struktura hierarchiczna, w której poszczególne piętra mają różną odporność na zaburzenia zewnętrzne wskutek różnej energii wiązania syntonów i/lub powstałych w trakcie samoorganizacji ograniczeń przestrzennych. Ta odporność na zaburzenia może ulec zmianie poprzez oddziaływanie z otoczeniem.

Przykładem spontanicznej samoorganizacji jest zwijanie się białek naturalnych do konformacji natywnej, na przykład molekuła rodopsyny jest złożona z 7 α-helis spiętych szeregowo przez polipeptydowe łączniki

Kliknij, aby zobaczyć powiększenie
Rycina 1: Rodopsyna - „uniwersalny” czujnik biologiczny. Czujnik składa się z siedmiu α-helis połączonych szeregowo pętlami oligopeptydowymi. Rysunek schematyczny, α-helisy przedstawiono jako cylindry. Helisy tworzą wnękę, w której - w jednej z wersji czujnika - znajduje się molekuła retinalu (nie przedstawiona na rysunku), rozpięta między dwiema helisami. Retinal pochłania kwant światła i wtedy zmienia swoją konformację, rozpoczynając kaskadę procesów związanych z widzeniem. Cały układ ma na zewnątrz hydrofobowe podstawniki decydujące o dużym powinowactwie do warstwy bilipidowej błony komórkowej, w której się dzięki temu spontanicznie zakotwicza. Wystające pętle łączące helisy wykazują silne oddziaływanie z pewnymi lekami. Układy podobne do przedstawionego są odpowiedzialne za skuteczność aż około 70% leków!

Nic w strukturze tej molekuły nie jest przypadkowe. Helisy wyposażone są w takie aminokwasy, które zapewniają hydrofobowość zewnętrznej strony tego układu po to, aby korzystne było wejście w (hydrofobową) ścianę komórki. Łączniki służą do „rozpoznawania” i przyczepiania pewnych bardzo określonych molekuł sygnalizujących (dzięki temu jest to niemal uniwersalny przekaźnik wielu bardzo różnych sygnałów).

Po rozpoznaniu i przyczepieniu ligandu lub izomeryzacji retinalu następuje zmiana konformacyjna, która następnie przenosi się na molekularne układy pośredniczące i wywołuje sygnał w zakończeniu komórki nerwowej. Co ta struktura potrafi naprawdę, okazuje się dopiero w dynamice, a nie w statyce.

123456789
powrót na górę strony
Wykład
Czas, rytmy chemiczne i przyszłość chemii
Strona
2/9
Autor
Wydział Chemii Uniwersytetu Warszawskiego
Kliknij nazwisko autora, aby zobaczyć notkę biograficzną w serwisie Nauka Polska