Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,823

ФРАКТАЛЬНОСТЬ БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ. I ФРАКТАЛЬНОСТЬ БИОПОЛИМЕРОВ

Симонян Г.С. 1 Симонян А.Г. 1
1 Ереванский государственный университет
Обсуждаются особенности фрактальных структур биополимеров, таких как полисахариды гликоген и хитозан, белки, ДНК и лигнин. Показано, что строение гликогена дендритное. Установлено, что в присутствии бензойной кислоты хитозан образует пленку, кластеры которого имеют фрактальную размерность от 1,55 до 1,9. Показано, что белковая поверхность проявляет двухуровневую организацию. Фрактальная размерность микроуровня колеблется около 2,1, а макроуровня для разных белковых семейств – от 2,2 до 2,8. Установлено, что ДНК образует складчатую фрактальную глобулу, в которой цепь ни разу не завязывается в узел. Показано, что макромолекулы лигнина являются фрактальными агрегатами, фрактальная размерность которых равна ~ 2,5 в случае роста по механизму кластер – частица и ~ 1,8 по механизму кластер–кластер. Установлено, что в концентрированных растворах искусственного лигнина – дегидрогенизационного полимера, полученного из кониферилового спирта, в ДМСО лигнин находится в виде фрактальной глобулы.
фрактал
дендрит
биополимер
гликоген
хитозан
белки
ДНК
лигнин
1. Авдеев М.В. Изучение фрактальных свойств поверхности белков : диссертация ... канд. Физ.-мат. Наук. – Дубна, 2002. – 102 с.
2. Амбарцумян А.Ж. Исследование спектроскопических свойств лигнина УФ- и флюоресцентным методами.//Ученые записки ЕГУ. Химия и биология. – 2012. – № 2. – С. 3–7.
3. Григорьев Д. П. О различии минералогических терминов: скелет, дендрит и пойкилит // Изв. Вузов, геол.и разв. – 1965. – № 8. – С. 145–147.
4. Зарипов Ш.Г. Физико-механические основы разрушения древесины лиственницы в процессе конвективной сушки, Сиб. гос. технол. ун-т, Лесосибирский филиал. – Новосибирск: СО РАН, 2009. – 110 с.
5. Исаева В.В., Каретин Ю.А., Чернышев А.В., Шкуратов Д.Ю. Фракталы и хаос в биологическом морфогенезе. – Владивосток: Институт биологии моря ДВО РАН, 2004. – 128 с.
6. Карманов А. П. Самоорганизация и структурная организация лигнина. – Екатеринбург, УрО РАН, 2004. – 269 с.
7. Карманов А. П. Лигнин. Структурная организация и самоорганизация // Химия растительного сырья. – 1999. – № 1. – С. 65–74.
8. Карманов А. П., Беляев В. Ю., Кочева Л. С. Лигнины древесных растений сосновые (Pinaceae). Структура и свойства макромолекул семейства // Материалы IV международной конференции физикохимия растительных полимеров. – Архангельск, 2011. – С. 21–24.
9. Мандельброт Б. Фрактальная геометрия природы. – М.: Институт компьютерных исследований, 2002. – 656 с.
10. Николаев А.Я. Биологическая химия. – М.: МИА, 2001. – 496 с.
11. Петров А.А., Бальян Х.В., Трощенко А.Т. Органическая химия: Учебник для вузов. – М.: Высш.школа, 1981. – 592 с.
12. Симонян Г.С., Симонян A.Г. Энтропийный подход к оценке хаоса и порядка биологических систем // Успехи современного естествознания. – 2015. – № 9. – С. 100–104.
13. Симонян Г.С. Фрактальность нефтяных залежей и нефти // Технология нефти и газа. – 2015. – № 3. – С. 24–31.
14. Федосеев В.Б., Федосеева Е.Н. Использование фрактальной геометрии для описания особенностей пленкообразования хитозана в присутствии бензойной кислоты. Прикладная механика и технологии машиностроения. Сб. науч. тр. – Н. Новгород: Интелсервис, 2009. – № 1(14). – С. 107–114.
15. Grosberg A., Rabin Y., Havlin S., Neer A. Crumpled Globule Model of the Three-Dimensional Structure of DNA.//Europhysics Letters. – 1993. – V. 23. № 5. – Р. 273–278.
16. Mandelbrot В. B. Les Objects Fractals: Forme, Hasard et Dimension. – Paris: Flammarion, 1975. – 192 р.
17. Nechaev S.,Vasilyev O. On topological correlations in trivial knots: from brownian bridges to crumpled globules // J. Knot Theory Ramifications. – 2005. –V. 14. Iss. 2. – P. 243–264.
18. Pat. 2007018452 A2 (WO).

Исследования хаоса и фракталов в биологии постепенно охватывают все уровни организации живого, от молекул до экосистем [5, 12]. Концепция структурных уровней живых организмов позволяет расположить их в иерархическом соподчинении. Согласно критерию масштабности, биологический уровень включает подуровни: уровень макромолекул, клеточный уровень (одноклеточные организмы), органов и тканей организмов в целом, популяционный, биоценозный и биосферный. Так, на молекулярном уровне это изучение структуры полисахаридов, белков ДНК, РНК, других макромолекул и их комплексов. На субклеточном и клеточном уровне исследуются фрактальные свойства пространственной организации мембран, цитоплазмы, ядер, морфология различных клеток и их ассоциаций. На уровне органов и организма изучается фрактальная организация дыхательной, сосудистой и других систем животных и растений, множество физиологических и поведенческих реакций организма в норме и патологии. Тканевый уровень фрактальных исследований включает морфологическую организацию и разнообразные гистогенезы в норме и патологии, особенно при онкогенезе [5, 10]. В работе [12] нами с помощью энтропийного индекса проведен структурный анализ состояния биологических систем на уровне белков, РНК и клетки. Показано, что в ряду: белок → РНК → клетка хаос уменьшается, в структуре системы преобладает порядок. Целью данной работы является обсуждение особенности фрактальных структур биополимеров, таких как полисахариды гликоген и хитозан, лигнин, белок и ДНК.

Фрактальные и дендритные структуры. Фрактальная размерность

Фрактальными объектами называются те объекты, которые обладают свойствами самоподобия, или масштабной инвариантности. Самоподобными могут быть некоторые фрагменты системы, структуры которых повторяются при разных масштабах. Понятие фрактала введено в научный обиход Бенуа Мандельбротом [9, 16]. Простейшие фракталы, такие как «канторова пыль», «снежинка Коха», «ковер и губка Серпинского», «кривые дракона» и «кривые Пеано и Гильберта», обладают регулярной, геометрически правильной, структурой. Каждый фрагмент такого геометрически правильного фрактала в точности повторяет всю конструкцию системы в целом. Оказалось, что даже простейшие из фракталов – геометрически самоподобные фракталы – обладают непривычными свойствами. Например, «снежинка Коха» обладает периметром бесконечной длины, хотя ограничивает конечную площадь. Кроме того, она такая «колючая», что ни в одной точке контура к ней нельзя провести касательную. Примерами случайных фракталов могут служить береговые линии, очертания некоторых государственных границ, поры в хлебе и зрелых сырах, границы доменов и зерен в кристаллах и так далее. Принято различать регулярные и нерегулярные фракталы, из которых первые являются плодом воображения, подобным кривой Коха, а вторые – продуктом природы или деятельности человека. Нерегулярные фракталы в отличие от регулярных сохраняют способность к самоподобию в ограниченных пределах, определяемых реальными размерами системы. До появления термина «фракталы» в минералогии, а потом и в химии употребляли термин «дендрит» и «дендритные формы». Дендри́ты (от греч.: Δένδρον – дерево) – сложнокристаллические образования древовидной ветвящейся структуры Дендриты, как специфический продукт кристаллизации из растворов, несомненно, обладают фрактальными свойствами [3].

Для характеристики фрактальных структур принято использовать термин «фрактальная размерность». Фрактальная размерность (D) – дробная размерность (от лат.: fragere – ломать, разбивать, раздроблять), являющаяся характеристикой неустойчивого, хаотического поведения систем (сред). Такая размерность была введена Ф. Хаусдорфом. Последняя показывает степень заполненности пространства объектом или структурой. Чтобы произвести такую оценку, объект следует разбить на элементы, число которых N будет тем больше, чем меньше размер каждого элемента (n). В общем случае справедливо уравнение N = (1/n)D. В отличие от обычных геометрических образов – точка, линия, квадрат, куб, имеющих целочисленную размерность (0, 1, 2 и 3 соответственно), фрактальные структуры имеют нецелочисленную размерность. Фрактальная размерность «канторовой пыли» – фрактала, образующегося при дроблении линии до совокупности точек – 0 < D < 1. Фрактальная размерность «толстой линии» – фрактала, образующегося при дроблении отрезка, описывается соотношением 1 < D < 2. Фрактальная размерность «толстой плоскости» – 2 < D < 3. Фрактальная размерность объекта, образующегося при фрактальном преобразовании объемных структур, – 3 < D < 4 [5, 13]. Так, для кривой Коха D = lg 4/ lg 3 = 1,2618. Фрактальная размерность снежинки равна 1,71, то есть, как и кривая Коха, она занимает промежуточное положение между одно- и двумерными объектами.

Фрактальность биополимеров

При образовании живых организмов особую роль играют следующие классы мономеров: моносахариды, аминокислоты и нуклеотиды. Это те «кирпичики», из которых затем строятся полимерные макромолекулы – полисахариды, белки и нуклеиновые кислоты.

sim1.tif

Рис. 1. Строение гликогена

sim2.tif

Рис. 2. Структура белка

Гликоген – (C6H10O5)n, полисахарид, образованный остатками глюкозы, связанными α-1→4 связями и α-1→6 в местах разветвления. Гликоген является основной формой хранения глюкозы в животных клетках [10, 11] и откладывается в виде гранул в цитоплазме во многих типах клеток (главным образом – печени и мышц). На рис. 1 приведено дендритное строение молекулы гликогена.

Хитозан – аминосахар, производное линейного полисахарида хитина. Макромолекулы хитозана состоят из случайно-связанных β-(1-4) D-глюкозаминовых звеньев и N-ацетил-D-глюкозамина. Источники получения хитозана – панцири ракообразных и шкурки насекомых и грибов [14].

В патенте [18] Фаустом и Майером в присутствии гидрофильного органического растворителя и при концентрации поверхностно-активного вещества ниже критической концентрации мицеллообразования получен модифицированный хитозановый продукт, имеющий нейтральный показатель рН и пластичную структуру частиц хитозана с размером нанофракталов не менее 1,0 нм и не более 5000 нм. Наночастицы хитозана обладают рядом интересных особенностей. Нанохитозан проявляет высокую антимикробную активность. Особенно эффективным антимикробным средством оказался нанохитозан, связанный с ионами меди. И, наконец, частицы хитозана снижают активность ферментов, разрушающих межклеточное вещество дермы, благодаря чему они могут быть полезны в антивозрастных средствах. В работе [14] показано, что фрактальная размерность кластеров, образующихся в пленках хитозана в присутствии бензойной кислоты, при различных условиях имеет величину от 1,55 до 1,9. В широком диапазоне условий в пленке формируется весьма развитая фрактальная структура. Одной из наиболее ярких особенностей получения таких пленок явилась сильная зависимость структуры пленки от скорости сушки и концентрации хитозана. Так, фрактальная размерность кластеров в пленках, полученных из этих растворов, меньше в случае высокой скорости высушивания. При низких скоростях высушивания увеличение содержания хитозана приводит вначале к росту от 1,6 до 1,9, а затем снижается до 1,8.

Белки – это органические соединения, входящие в состав всех живых организмов, состоящие из большого числа мономеров. В состав белков входят 20 стандартных аминокислот. Свойства белков определяются пространственной трехмерной структурой их цепей (рис. 2). Огромное разнообразие живых организмов на нашей планете определяется различиями в составе и пространственной форме составляющих их белков [10]. М.В. Авдеевым на основе анализа фрактальных свойств поверхности различных белковых семейств, включая глобулярные белки, ДНК-связывающие белки, однодоменные и двудоменные тРНК-связывающие белки, показано, что белковая поверхность проявляет двухуровневую организацию. Показано, что макро- и микроуровни поверхности обладают разными фрактальными размерностями.Установлено, что фрактальная организация микроуровня белковой поверхности независимо от их принадлежности тому или другому семейству одинакова для всех белков. Фрактальная размерность микроуровня колеблется около 2,1. Показано, что макроуровень поверхности белков проявляет заметные различия для разных белковых семейств. Его фрактальная размерность больше 2,2 и в случае ДНК-связывающих белков достигает 2,8. Предложено объяснение двухуровневой организации белковой поверхности на основе связи структуры поверхности с фрактальной структурой полипептидной цепи белка. В рамках этого объяснения фрактальная структура поверхности белка есть результат конкуренции двух свойств белка: компактности и площади взаимодействия. Белок является плотноупакованной системой, а необходимая площадь взаимодействия с другими объектами достигается посредством фрактальной структуры его полипептидной цепи, выходящей на поверхность [1].

sim3.tif

Рис. 3. Складчатая фрактальная глобула ДНК

Нуклеотиды – это мономерные звенья цепи нуклеиновых кислот. Они представляют собой химические соединения остатков трех веществ: азотистого основания, углевода и фосфорной кислоты. Оказалось, что молекула ДНК состоит из двух мономерных цепей, идущих в противоположных направлениях и спирально закрученных одна вокруг другой. ДНК всего органического мира образованы соединением четырех видов нуклеотидов – это аденин (A), гуанин (Г), цитозин (С) и тимин (Т), их расположение в молекуле ДНК дает указание молекуле РНК, как надо строить белок [10]. ДНК содержит генетическую информацию о последовательности аминокислот в полипептидных цепях и определяет структуру белков. Таким образом, генетическая информация живых существ закодирована в ДНК. У организмов, обладающих ядром, ДНК хранится именно там. Отдельные нити ДНК соединены с определенными белками и образуют хромосомы. Большую часть времени хромосомы в ядре присутствуют не как отдельные тела: ДНК частично раскручена и может простираться на значительные расстояния. Как именно расположены в ядре такие петли ДНК, исследователям до конца не ясно. Очевидно, что упаковка не является случайной, так как в этом случае нити неизбежно запутывались бы. Существует несколько гипотез, объясняющих пространственную организацию ДНК в ядре. Александр Гросберг с соавторами высказал гипотезу, что складчатая глобула может иметь отношение к укладке ДНК в хромосомах [15]. Теоретическое обоснование существования фрактальной глобулы было обосновано Сергеем Нечаевым [17].

Надо отметить, что фрактальная глобула – это комок ДНК, в котором цепь ни разу не завязалась в узел, она просто свернулась множество раз, так, чтобы ни одна петля вокруг другой не запуталась (рис. 3). Такая структура представляет собой множество свободных петель разного размера – потяни ее за два конца, и она легко распутается. Как и во всех фракталах, формы мелких и крупных петель повторяются на малых и больших масштабах.

Лигнин (от лат. lignum – дерево, древесина) – вещество, характеризующее одеревеневшие стенки растительных клеток. Лигнин – это органический гетероцепной кислородосодержащий полимер, но в отличие от полисахаридов, относящихся к полиацеталям, у лигнина отсутствует единый тип связи между мономерными звеньями. В структурных единицах лигнина содержатся различные полярные группы и в том числе способные к ионизации (кислые) фенольные гидроксилы и в небольшом числе карбоксильные группы, вследствие чего лигнин является полярным полимером, проявляющим свойства полиэлектролита [6–8]. Размер гранул лигнина в слое S2 варьирует от 25 до 75 нм и в среднем составляет 38 нм, чаще они расположены нерегулярно. Выделяют также слои лигнинных частиц, взаимосвязанных и ориентированных в направлении оси клетки [4]. Мономерные звенья макромолекулы лигнина называют фенилпропановыми единицами, поскольку эти структурные единицы являются производными фенилпропана. Макромолекулы лигнина, выделенного из древесины пихты, сосны, ели, лиственницы, относятся к одному и тому же классу хаотически разветвленных полимеров [6–8]. При этом макромолекулы различной молекулярной массы имеют форму, которую с точки зрения геометрии принято называть самоподобной или фрактальной. Макромолекулы лигнина являются фрактальными агрегатами. Фрактальная размерность равна ~ 2,5 в случае роста по механизму кластер – частица и ~ 1,8 по механизму кластер – кластер. Молекулы лигнина в водной среде могут состоять из разного числа фенилпропановых звеньев. Нами исследованы плотности раствора дегидрогенизационного полимера (ДГП) или искусственного лигнина, полученного из кониферилового спирта по методике, приведенной в работе [2]. Показано, что при разбавлении раствора искусственного лигнина в ДМСО плотность уменьшается. Это объясняется тем, что в концентрированных растворах ДГП находится в виде фрактальной глобулы комка, а в разбавленных растворах ДПГ имеет более открытое строение.

Выводы

1. Показано, что гликоген имеет дендритное строение.

2. Установлено, что в присутствии бензойной кислоты хитозан образует пленку, кластеры которого имеют фрактальную размерность от 1,55 до 1,9.

3. На основе анализа фрактальных свойств поверхности различных белковых семейств, например глобулярные белки, ДНК-связывающие, показано что белковая поверхность проявляет двухуровневую организацию. Показано, что макро- и микроуровни поверхности обладают разными фрактальными размерностями. Фрактальные размерности микроуровня колеблются около 2,1, а макроуровня для разных белковых семейств – от 2, 2 до 2,8.

4. Установлено, что ДНК образует складчатую фрактальную глобулу, в которой цепь просто свертывается множество раз и ни разу не завязывается в узел.

5. Показано, что макромолекулы лигнина являются фрактальными агрегатами, фрактальная размерность которых равна ~ 2,5 в случае роста по механизму кластер – частица и ~ 1,8 по механизму кластер – кластер.

6. Установлено, что при разбавлении раствора искусственного лигнина в ДМСО плотность уменьшается. Это объясняется тем, что в разбавленных растворах ДПГ имеет более открытое строение, а в концентрированных растворах ДГП находится в виде фрактальной глобулы.


Библиографическая ссылка

Симонян Г.С., Симонян А.Г. ФРАКТАЛЬНОСТЬ БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ. I ФРАКТАЛЬНОСТЬ БИОПОЛИМЕРОВ // Успехи современного естествознания. – 2015. – № 11-1. – С. 93-97;
URL: http://www.natural-sciences.ru/ru/article/view?id=35679 (дата обращения: 22.04.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074