КРИСТАЛЛЫ ИЗ БЕЛКА | Наука и жизнь

Участок грани ромбического кристалла лизоцима. Изображение получено с помощью атомно-силового микроскопа.

Так выглядят кристаллы лизоцима в обычном оптическом микроскопе.

На снимке — изображение живой бактерии кишечной палочки, осажденной на поверхности слюды, полученное с помощью атомно-силового микроскопа. Лизоцим для нее — большой враг. Размер изображения — 3×5 мкм

С помощью атомно-силового микроскопа можно увидеть дислокации на поверхности кристалла лизоцима. Размер изображения — 61×11 мкм.

‹

›

Открыть в полном размере

Изучение механизма роста кристаллов необходимо для решения множества практических задач. Особенно полезными в этом плане оказались кристаллы лизоцима — белка-фермента, который помогает организму защищаться от бактерий. Взглянуть на его кристаллическую решетку исследователям удалось с помощью новейшего метода — атомно-силовой микроскопии. Для того чтобы понять, как функционирует та или иная белковая молекула в живой клетке, в первую очередь нужно узнать ее пространственную конфигурацию.

Как же «взглянуть» на устройство одной-единственной молекулы? Чтобы сделать это, необходимо строго упорядочить множество молекул в пространстве, то есть, другими словами, вырастить из белка кристалл.

Долгое время единственным методом изучения белковых кристаллов был рентгеноструктурный анализ. Суть его состоит в следующем: кристалл просвечивают под разными углами рентгеновскими лучами, а затем по картинам дифракции с помощью математических методов восстанавливают расположение отдельных атомов. Совсем недавно появилась и другая возможность исследования кристаллической структуры белка — метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР). При ЯМР кристаллы подвергают воздействию постоянного магнитного поля, затем их облучают электромагнитным излучением в радиочастотном диапазоне. Прибор регистрирует излучение, которое испускают ядра, имеющие магнитные моменты. Для обоих этих методов важны размер и упорядоченность кристалла. Чем больше и совершеннее кристалл, тем полнее и точнее получаемые данные.

Для создания полной картины структуры белковой молекулы в пространстве необходимо вырастить кристаллы размером более 0,1 мм. Получение их — дело очень трудное. Многие белки так и не удалось кристаллизовать до сих пор.

Но непосредственно увидеть, как молекулы белка упакованы на гранях кристалла, стало возможным только после изобретения атомно-силового микроскопа: игла, закрепленная на упругой микропластине, скользит по поверхности исследуемого образца; по величине изгиба микропластины, который регистрирует оптическая система, судят о высоте дефекта на поверхности. Кстати, с помощью такого микроскопа ученые могут не только в деталях рассмотреть одну большую молекулу, но и измерить ее длину и определить количество ответвлений у основной молекулярной цепочки. Атомно-силовая микроскопия позволила также взглянуть на периодическую атомную решетку на поверхности кремния, графита, слюды, различных полупроводников и металлов. Уникальные возможности атомно-силового микроскопа состоят в том, что можно наблюдать за состоянием поверхности образца не только на воздухе или в вакууме, но и в растворе.

Применительно к растущему кристаллу это позволяет, снимая кадр за кадром через небольшие промежутки времени, проследить движение ступеней и изломов и даже измерить скорость роста.

Наблюдать структуру и дефекты решетки необходимо не только для того, чтобы узнать пространственную структуру молекулы, но также для изучения молекулярных механизмов роста кристаллов. Зная их, можно научиться выращивать кристаллы больших размеров и идеальной формы, которые нужны для решения различных прикладных задач, например для получения синтетических драгоценных камней. А в Ливерморской национальной лаборатории (США) ученые пытаются вырастить кристаллы дигидрофосфата калия размером почти один метр в поперечнике, применяемые для нелинейного преобразования лазерного света при создании установки управляемого термоядерного синтеза. (Также кристаллы дигидрофосфата калия сверхбольшого размера выращивают в Институте прикладной физики РАН, см. «Наука и жизнь» № 4, 2003 г. —

Прим. ред.) Чтобы такая установка работала, требуется 190 кристаллов совершенной формы и сверхбольшого размера. Белковые же кристаллы находят свое применение в медицине. Так, при тяжелом недуге — сахарном диабете — поджелудочная железа неспособна самостоятельно производить белок инсулин в достаточных количествах. Больному нужно постоянно вводить в кровь небольшие дозы инсулина. Оказалось, что для этого лучше использовать препарат, содержащий кристаллы инсулина: растворение кристаллов происходит медленно, и действие кристаллического препарата оказывается более продолжительным, чем раствора инсулина.

Первым белком, для которого установили (методом рентгеноструктурного анализа) пространственное строение, или, как говорят биологи, третичную структуру, был фермент лизоцим. Он же неожиданным образом и пришел на помощь ученым при изучении механизма роста кристаллов. Поскольку законы роста у неорганических и органических кристаллов одни и те же, лучше выбирать такие кристаллы, «строительные блоки» которых имеют больший размер. Тогда в атомно-силовой микроскоп можно увидеть дефекты на поверхности кристалла, их ступени и изломы. У большинства неорганических кристаллов строительными кирпичиками служат отдельные атомы, размеры которых составляют доли нанометра. (Нанометр — это мера длины в микромире, 1 нм = 10^-9 м.) Другое дело молекулы лизоцима — они почти в 10 раз больше. Поэтому лизоцим очень удобен для наблюдения роста кристаллов с помощью атомно-силового микроскопа.

Лизоцим — белок примечательный во многих отношениях. Это фермент, то есть биологический катализатор, благодаря которому в клетке происходят химические превращения. Лизоцим обнаружен практически во всех живых организмах. У позвоночных его можно найти в слезах, слюне, селезенке, легких, почках, лейкоцитах и других составляющих организма. А всем он нужен потому, что защищает организм от самых разных бактерий. Лизоцим разрушает (лизирует) клеточную стенку бактерий и микробов, тем самым уничтожая их. Благодаря перечисленным выше свойствам лизоцим используют в медицине как противомикробное средство, в том числе в качестве добавки в продукты детского питания. Большое количество лизоцима входит в состав куриного белка. И что особенно важно для химиков, структура лизоцима полностью расшифрована и точно известно, как расположены в пространстве его атомы.

Молекула лизоцима состоит из повторяющихся звеньев — аминокислотных остатков, которые служат строительными единицами всех белков. Аминокислоты лизоцима, чередуясь, образуют длинную цепь. Итак, лизоцим — полимер или, точнее, учитывая его биологическое происхождение, биополимер. Биологические свойства белковых молекул зависят не только от их аминокислотного состава, но и от того, как составляющие белок полимерные цепи расположены в пространстве. Оказывается, незначительный сдвиг в укладке этих цепей может радикально изменить биологическую активность белка. Для полноценного функционирования белка точность местоположения отдельных функциональных групп должна достигать сотых долей нанометра. Размер одной молекулы лизоцима, выделенного из яичного белка, составляет 2,5ґ3ґ4 нм³.

Интересно, что сама молекула лизоцима имеет форму куриного яйца, только слегка сплющенного. Правда, по размеру она меньше яйца в десять миллионов раз.

На поверхности молекулы куриного лизоцима есть косая щель, в которой находится так называемый гидрофобный «карман». Слово «гидрофобный» означает «боящийся воды», что отражает свойства этой щели: в водных растворах молекула белка ориентируется таким образом, чтобы избежать контакта «кармана» с водой. Молекулы лизоцима самопроизвольно поворачиваются одна к другой гидрофобными участками благодаря значительным силам притяжения между ними. «Карман» — активный центр лизоцима. Именно в нем происходит катализ биохимических реакций. Гидрофобные силы притяжения компенсируются электростатическими силами отталкивания, поэтому в природе кристаллы лизоцима практически никогда не образуются. Однако можно подобрать концентрации солей так, чтобы нарушить это равновесие и добиться кристаллизации белка.

Кристаллы лизоцима вырастают из его насыщенного раствора только в строго определенных условиях: в узком температурном интервале и в присутствии поваренной соли.

Кроме того, для успешного роста кристалла необходимо добавить некоторое количество соляной кислоты (НСl), чтобы поддержать оптимальную кислотность.

Кстати, с помощью атомно-силового микроскопа достаточно просто получить даже трехмерное изображение бактериальной клетки. Для этого свежевыращенные на питательной среде бактерии переносят в дистиллированную воду, а затем каплю полученного препарата помещают на поверхность слюды. Через 5-10 минут, когда вода испарится, можно рассмотреть приготовленный образец в атомно-силовой микроскоп и увидеть бактерию. С точки зрения химика, поверхность бактерии состоит всего из нескольких полимерных молекул. Расщепляя одну из них, а именно ту, которая обеспечивает жесткость каркаса клеточной стенки, лизоцим разрушает всю бактерию. Ученые говорят: «Лизоцим катализирует гидролиз (1,4)-гликозидной связи между N-ацетилмурамовой кислотой и N-ацетилглюкозаминовыми остатками му копептида в клеточных стенках бактерий».

В растворе разрушенная бактерия принимает округлую форму, превращаясь в сферопласт — клетку, почти полностью лишенную стенки. Этот процесс ученым также удалось увидеть в атомно-силовой микроскоп. Результаты такого исследования сотрудники нашей Объединенной группы атомно-силовой микроскопии химического и физического факультетов МГУ недавно представили на международной конференции в Гейдельберге (Германия).

См. в номере на ту же тему

Е. ЛОЗОВСКАЯ — Атомно-силовая микроскопия.

Математики рассчитали, как вырастить кристаллы с заданными свойствами

30 января, 2020 11:25

Источник: Пресс-служба УрФУ

Группа исследователей лаборатории многомасштабного математического моделирования ИЕНиМ УрФУ расширила математическую модель для выращивания кристаллов. В модели можно задавать параметры (к примеру, количество зародышей, их размер или то, как они будут распределяться в системе) и таким образом выращивать кристаллы заданной формы, размера и с необходимыми свойствами.

Поделиться

Это крайне полезно в решении прикладных задач: в биологии, промышленности, материаловедении. К примеру, для выращивания синтетических драгоценных камней или преобразователей света для установки управляемого термоядерного синтеза; для формирования требуемых свойств высокопрочных сталей. Кроме того, модель можно использовать в биомедицинских приложениях: например, при синтезе инсулина, гемоглобина или белков.

Исследование поддержал Российский научный фонд («Кинетика фазовых переходов в метастабильных системах: нуклеация и рост кристаллов с приложениями к кристаллизации биохимических соединений​»; 18-19-00008). Одни из последних результатов представлены в Physics Letters A.

«Формулы новые, они обобщают произвольные законы роста, произвольные частоты нуклеации, произвольное начальное распределение кристаллов в системе, — перечисляет руководитель гранта и лаборатории Дмитрий Александров. — Мы описали динамический процесс выращивания кристаллов в пересыщенных растворах. Нашли одну из главных характеристик процесса — функцию распределения частиц по размерам в зависимости от момента времени, что позволяет определить, сколько кристаллов конкретного размера существует в системе в каждый момент времени».

Рост кристаллов математики рассчитали для промежуточной стадии. Всего стадии три. Начальная — когда образуется большое количество жизнеспособных ядер небольших размеров, расположенных далеко друг от друга. Вторая — промежуточная стадия — это быстрый рост уже существующих частиц и зарождение новых; по сути, процесс роста кристалла. Заключительная стадия наступает, когда ядра достигают макроскопических размеров, и процесс зарождения новых частиц останавливается; иными словами, кристаллы практически не растут.

«В кристаллизаторах — установках по выращиванию кристаллов — как правило, процесс протекает на промежуточной стадии. Берут раствор, добавляют туда примесь, кристаллики растут, забирая на себя пересыщение. Их отводят и затем снова добавляют примесь и так далее. Примерно так же растут кристаллы в пещерах, — рассказывает Дмитрий Александров. — При выращивании кристаллов в лабораторных условиях важно, чтобы гранулы кристалла формировались определенного размера и с заданными свойствами. Рассчитать это можно с помощью нашей модели».

В планах математиков — обобщить теорию нуклеации и роста кристаллов в бинарных расплавах, когда усложняется математическая модель процесса (дополнительно учитывается массоперенос растворенного в расплаве примесного компонента). Кроме того, планируется сформулировать более сложную постановку задачи и разработать методы ее решения.

В группу исследователей входят сотрудники лаборатории многомасштабного математического моделирования и кафедры теоретической и математической физики ИЕНиМ УрФУ.

Теги

Инженерные науки

Набор для выращивания кристаллов — Etsy.de

Etsy больше не поддерживает старые версии вашего веб-браузера, чтобы обеспечить безопасность пользовательских данных. Пожалуйста, обновите до последней версии.

Воспользуйтесь всеми преимуществами нашего сайта, включив JavaScript.

Найдите что-нибудь памятное, присоединяйтесь к сообществу, делающему добро.

( 27 релевантных результатов, с рекламой Продавцы, желающие расширить свой бизнес и привлечь больше заинтересованных покупателей, могут использовать рекламную платформу Etsy для продвижения своих товаров. Вы увидите результаты объявлений, основанные на таких факторах, как релевантность и сумма, которую продавцы платят за клик. Узнать больше. )

Как растут кристаллы? Изучение особенностей кристаллов

Ромбические кристаллы кальцита имеют правильную форму, образующуюся при нормальных атмосферных температурах. The Arkenstone Gallery of Fine Minerals, www.irocks.com

При описании минералов важно, как растут кристаллы. Существует шесть признанных кристаллических систем: изометрическая, гексагональная, моноклинная, триклинная, тетрагональная и орторомбическая. Вы можете встретить седьмую систему, тригональную. Это подсистема, основанная на двух основных кристаллических формах в гексагональной системе.

Образцы минералов обычно описываются как дендритные, игольчатые, столбчатые, полосатые, ботриоидные, полосчатые и призматические, игольчатые.

Эти термины являются прямым результатом двух вещей: внутренней атомной структуры минерала и роли, которую она играет в развитии минерала, а также воздействия окружающей среды на минерал во время образования.

Как формируются кристаллы

Скаленоэдры, подобные этому образцу из Цумеба, являются лишь одним кристаллическим привычкой родохрозита.

Кристаллы развиваются из-за притяжения электронов между металлами и неметаллами, которые одалживают, заимствуют или делят электроны. Это совместное использование ионов во время роста кристаллов создает дисбаланс зарядов электронов. Дисбаланс притягивает больше молекул во время роста кристалла.

Притяжение не распространяется во всех направлениях. Это может определить направление роста. Если рост кристалла преобладает в одном направлении, рост развивается в призматическую форму, которую мы наблюдаем в турмалине и кварце. Если рост происходит исключительно в одном направлении, кристаллы имеют игольчатую форму, которую мы видим в некоторых цеолитах, рутиле и некоторых антимонитах.

Самородная медь

Когда мы описываем минерал, мы можем начать с названия его кристаллической системы. Но нам нужно использовать термины, которые описывают образец гораздо более подробно, описывая характер кристаллов минерала. Примером этого является самородная медь. Это кубический или изометрический минерал.

Кубические кристаллы меди с шестью гранями встречаются очень редко. Более распространены кристаллы меди, которые образуют двенадцатигранный додекаэдр. В этой форме он может выглядеть почти как округлый шар, когда лица крошечные.

Чаще всего мы находим медь в древовидной или дендритной кристаллической форме. Это развивается из-за влияния окружающей среды.

В богатом растворе, когда медь кристаллизуется, быстрое молекулярное электрическое притяжение и рост могут создать небольшие неровности в элементарных ячейках. Это вызывает многократное разветвление и удлинение кристаллизующейся меди и древовидный рост. Если пространство роста ограничено двумя измерениями, как в узкой трещине, возникает дендритная форма.

Время, давление и температура

Высокая температура, при которой образуются кристаллы, также определяет образование. Некоторые кристаллы развиваются из паров. Другие образуются в твердой породе, когда она находится в жидком или пластичном состоянии. Это позволяет молекулам медленно мигрировать навстречу друг другу и соединяться, образуя кристалл.

Закрепите этот пост, чтобы сохранить эту информацию на потом.

Большинство минералов образуются в водных растворах, которые сильно различаются по содержанию минералов, богатству, температуре и давлению. Даже направление движения раствора может влиять на то, как растет кристалл и какую форму он принимает.

Месторождения полезных ископаемых всегда описываются как месторождения с низкой, средней или высокой температурой. Это важно, поскольку эта энергия оказывает глубокое влияние на то, какие частицы первыми кристаллизуются из раствора.

Каждый вид имеет свою температуру кристаллизации. Некоторые виды сначала формируются в кармане или открытом шве, а затем кристаллизуются при более низкой температуре.

Цеолиты являются позднеобразующими породами. Часто обнаруживается, что они сформировались последними в остывающем пегматитовом кармане, полном видов, которые образовались первыми при более высоких температурах.

Предпочтения формаций

Если вы возьмете достаточное количество образцов минералов, вы узнаете, какие минералы предпочитают определенный способ роста кристаллов. Например, антимонит всегда встречается в виде длинных тонких игольчатых кристаллов. Это указывает на быстрый или более постоянный рост в одном направлении из-за молекулярного притяжения.

Драгоценные турмалины почти всегда исчерчены из-за колебательного роста. Это происходит, когда две разные кристаллические формы соперничают за господство.

Гематит, с другой стороны, часто встречается в ботриоидной форме. Он имеет склонность к очень быстрому росту, образуя расходящиеся иголки из общей исходной точки.

Малахит предпочитает образовываться в виде бархатистых игольчатых покрытий, а не в виде дискретных длинных призм. Дискретные призмы являются обычным явлением для многих видов, таких как эпидот, кианит, берилл и кварц.

Уникальный рост кристаллов кальцита

Одним из наиболее интересных распространенных видов минералов, демонстрирующих особенности роста кристаллов, является кальцит. Он встречается во всех минеральных средах как с низкими, так и с высокими температурами и климатом. Он также встречается в приповерхностных осадочных отложениях и гораздо более глубоких местах.

В районе Viburnum Trend, штат Миссури, обычная форма кристаллов кальцита была классической гексагональной формы.

Из-за этого кальцит может развиваться как минимум в пяти основных кристаллических формах. Это одна из причин, почему сбор кальцита широко распространен и разнообразен.

Эти различные формы кристаллов, все в гексагонально-тригональной системе, контролируются главным образом температурой окружающей среды. Пять основных форм, которые кальцит принимает в кристаллах, представляют собой скаленоэдры или собачий зуб, пластинчатую, простую шестиугольную, ромбическую или дискообразную форму или форму фишек для покера. Все они шестиугольные, но их не всегда легко распознать.

Растворы с более высокой температурой склонны к образованию кальцита, который имеет скаленоэдрическую форму или форму покерных фишек. Растворы с несколько более низкой температурой дают кристаллы кальцита таблитчатой ​​формы кристаллов кальцита. В несколько более низкотемпературных отложениях встречается простой гексагональный кальцит. Ромбические кристаллы могут образовываться из растворов, температура которых равна температуре окружающей среды.

Растворы при температуре около 25°C и ниже образуют кристаллы собачьего зуба. Они распространены в приповерхностных осадочных отложениях. Это объясняет, почему мы находим маленькие ромбовидные кристаллы и кристаллы собачьих зубов, часто встречающиеся в известняковых отложениях Среднего Запада.

Это не означает, что конкретное месторождение производит исключительно один кристаллический габитус. Температура в пределах данного месторождения может меняться со временем, что приводит к разным формам кристаллов.

Формирование кристаллов флюорита

Высокотемпературные месторождения полезных ископаемых часто образуют очень сложные кристаллы флюорита. The Arkenstone Gallery of Fine Minerals, www.irocks.com

Другим популярным минералом, кристаллическая форма которого отличается большим разнообразием, является флюорит. Основное влияние на форму кристалла флюорита оказывает межплоскостное расстояние, на которое влияет энергия, доступная во время кристаллизации.

Как и в случае с кальцитом и другими видами, изменение энергии от низкой к высокой также влияет на сложность формирования кристаллов флюорита.

Так получилось, что для образования октаэдров флюорита требуется меньше энергии, поэтому мы находим их как обычную форму этого фторида кальция. Кубы требуют больше энергии, поэтому нередко в одном и том же месторождении можно найти и октаэдры, и кубы флюорита.

Месторождения, производящие флюорит из высокотемпературных гидротермальных растворов, будут давать несколько более сложные додекаэдры. В очень высокотемпературных месторождениях металлов встречаются более сложные кристаллы флюорита, некоторые из которых имеют до 24 или даже 48 граней.

Молекулярное притяжение и рост кристаллов

Кристаллы воронки хорошо подходят для объяснения молекулярного притяжения и роста кристаллов. Бункерный кристалл начинает расти в растворе обычным образом. Он притягивает к себе подобные молекулы, как только начинает расти.

Таблитчатый кальцит развивает эту кристаллическую форму в месторождениях полезных ископаемых при высокой температуре.

Рост продолжается постоянно, но прекращается, когда в растворе не остается молекул минерала. Это происходит с кристаллом воронки, прежде чем он сможет завершить себя. По мере того как молекулы притягиваются к растущему кристаллу, они последовательно прикрепляются от граней призмы внутрь. Они не растут изнутри наружу. Они растут изнутри.

Молекулы сначала прикрепляются к верхнему внешнему краю растущего кристалла, затем продолжают рост, заполняя промежутки. Внезапная остановка доступности молекул оставляет кристалл с частично заполненной короной. В некоторых случаях отсутствие молекул приводит к образованию кристаллов вокруг верхних краев граней призмы и оставляет незавершенным центр окончания.

Несовершенства при росте кристаллов

Существуют и другие факторы, такие как несовершенства, которые могут влиять на рост кристаллов.