Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Лекция - Биомолекулы - файл 1.doc


Лекция - Биомолекулы
скачать (493 kb.)

Доступные файлы (1):

1.doc493kb.15.11.2011 21:22скачать

содержание
Загрузка...

1.doc

Реклама MarketGid:
Загрузка...
Белки


Белки (протеины) – самый большой в количественном отношении класс биомолекул, на их долю приходится не менее половины сухого веса клетки. Протеины в переводе с латинского – первый, главный. Белками называют полипептиды, которые содержат более 50 аминокислот.

Белки при кипячении с крепкими кислотами или щелочами, а также под действием ферментов распадаются на более простые соединения, образуя смесь α-аминокислот. Все белки, независимо от их функций и биологической активности, построены из набора 20 аминокислот, т.е. белки – это полимеры (полипептиды), состоящие из мономеров – аминокислот. 10 аминокислот для человека (9 – для взрослых) являются незаменимыми: аргинин (для новорожденных), гистидин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, фенилаланин, треонин, триптофан, валин.

H2^ N-CHR–COOH → H3N+-CHR–COO- - биполярный ион, амфион, цвиттерион.

Аминокислоты содержат карбоксильные и аминогруппы, являются амфотерными электролитами, т.е. диссоциируют как кислоты и основания. В зависимости от реакции растворителя белок будет диссоциирован либо как кислота (в щелочном растворе), либо как щелочь (в кислом растворе). В щелочном растворе белки заряжены отрицательно, в кислом – положительно. Если через раствор белка пропустить электрический ток, то в щелочном растворе молекулы белка будут двигаться к аноду, в кислом – к катоду.

Аминокислоты, входящие в состав белков, являются L-изомерами.

Классификация белков

  1. По биологической функции

  1. Ферменты – биокатализаторы, самый многообразный и наиболее высокоспециализированный класс белков, обладающих каталитической активностью. Все химические реакции, в которых участвуют присутствующие в клетке органические биомолекулы, катализируются ферментами. Известно несколько тысяч ферментов, причем каждый из них катализирует только одну определенную реакцию. Активны ферменты при определенных значениях температуры и рН. Некоторые ферменты состоят только из полипептидных цепей и не содержат других химических групп. Однако для каталитической активности многих ферментов необходим еще дополнительный химический компонент – кофактор. Роль кофактора могут играть неорганические вещества, например ионы Fe2+, Mn2+, Cu2+, Zn2+, Mg2+, Ni2+.

ионы

ферменты

Fe2+ или Fe3+

Цитохромоксидаза, каталаза, преоксидаза

Cu2+

Цитохромоксидаза

Zn2+

ДНК-полимераза, алкогольдегидрогеназа

Mg2+

Гексокиназа, глюкозо-6-фосфотаза


Кофактором может быть сложное органическое вещество – коферменты, например, витамины.

У одних ферментов коферменты связываются с белком временно и непрочно, а у других эти связи могут быть прочными и постоянными, в последнем случае небелковую часть называют простетической группой. Каталитически активный комплекс называют голофермент.

2. Транспортные белки – связывают и переносят специфические молекулы или ионы из одного органа в другой. Например, гемоглобин при прохождении крови чрез легкие связывает кислород и переносит его к периферическим тканям. Плазма крови содержит липопротеины, осуществляющие перенос липидов из печени в другие органы.

3. Пищевые и запасные белки. В семенах многих растений запасены пищевые белки, потребляемые на первых стадиях развития зародыша. Например яичный альбумин, казеин (белок молока), глиадин (белок зерен пшеницы), ферритин (содержит железо).

4. Сократительные и двигательные белки.

Некоторые белки наделяют клетку или целый организм способностью сокращаться, изменять форму, передвигаться. Например, актин и миозин – нитевидные белки. Или тубулин, из которого построены микротрубочки – важный элемент ресничек и жгутиков, при помощи которых передвигаются бактерии.

5. Структурные белки.

Многие белки образуют волокна, навитые друг на друга или уложенные плоским слоем, они выполняют опорную или защитную функцию, скрепляя биологические структуры и придавая им прочность. Главным компонентом хрящей и сухожилий являются фибриллярный белок коллаген, имеющий высокую прочность на разрыв. Выделанная кожа представляет собой почти чистый коллаген. Связки содержат структурный белок, способный растягиваться в двух измерениях. Волосы, нити и перья состоят из прочного нерастворимого белка кератина. Главным компонентом шелковых нитей и паутины является белок фиброин.

  1. Защитные белки.

Иммуноглобулины или антитела – специализированные белки, защищающие организм от вторжения других организмов или предохраняющие от повреждений. Вырабатываемые в лимфоцитах, они обладают способностью распознавать проникшие в организм бактерии, вирусы, чужеродные белки, нейтрализовать их или связываться с ними, вызывая образование осадка. Фибриноген и тромбин – белки, участвующие в процессе свертывания крови, они предохраняют организм от потери крови. Змеиные яды, антибиотики, бактериальные токсины или токсичные белки растений (рицин) выполняют, по-видимому, также защитные функции.

  1. Регуляторные белки.

А) Белки-гормоны участвуют в системе регуляции клеточной или физиологической активности. Например, инсулин, регулирующий обмен глюкозы; гормон роста, синтезируемый в гипофизе; паратиреоидный гормон, регулирующий транспорт ионов кальция и фосфатов.

Б) Белки-репрессоры регулируют синтез ферментов в бактериальных клетках.

9. Другие белки.

Имеется много других белков, функции которых необычны, что затрудняет их классификацию. Монеллин – белок, образующийся в одном из африканских растений, имеет очень сладкий вкус. Плазма крови некоторых арктических и антарктических рыб содержит белки-антифризы, предохраняющие кровь этих рыб от замерзания. «Шарниры» в местах прикрепления крыльев у ряда насекомых состоят из белка резилина, обладающего почти идеальной эластичностью. Энкефалины – короткие пептиды, синтезируемые в центральной нервной системе. Связывание энкефалинов со специфичными рецепторами некоторых клеток мозга приводит к аналгезии, т.е. ослаблению болевых ощущений. Энкефалины представляют собой наркотические вещества (опиаты), вырабатываемые самим организмом. Они связываются с теми же участками мозга, что и морфин, героин и др.

  1. Классификация по форме молекул

Глобулярные и фибриллярные.

В глобулярных белках полипептидные цепи свернуты в плотную компактную структуру сферической или глобулярной формы. Обычно глобулярные белки растворимы в воде, легко диффундируют, они легко подвижны, динамичны. К глобулярным белкам относятся почти все ферменты, транспортные белки, антитела. Фибриллярные белки представляют собой нерастворимые в воде длинные нитевидные молекулы, полипептидные цепи которых вытянуты вдоль одной оси. Большинство фибриллярных белков выполняют структурные или защитные функции.


Образование полипептидов (белков)

Аминокислоты связаны друг с другом пептидной связью

H2^ N-CHR-CO-OH + H2N-CHR-CO-OH → H2N-CHR-CO-NH-CHR-CO-OH +H2O

2 аминокислоты образуют дипептид. Пептидная связь образуется путем отщепления молекулы воды от карбоксильной группы (-СООН) одной аминокислоты и α-аминогруппы (Н2N-) другой аминокислоты под действием сильных конденсирующих агентов. -CO-NH- - пептидная связь. Аминокислотные звенья, входящие в состав пептида, обычно называют остатками. Аминокислотный остаток, находящийся на том конце пептида, где имеется свободная α-аминогруппа, называется аминоконцевым (N-концевым остатком), остаток с противоположного конца, несущий свободную карбоксильную группу – карбоксиконцевым или С-концевым остатком.

Аминокислотная последовательность полипептидной цепи белка называется первичной структурой белка.


Углеводы

Углеводы – это органические соединения, содержащие в молекуле одновременно альдегидную или кетонную группу и несколько спиртовых групп. Углеводы – многоатомные альдегидоспирты (полигидроксиальдегиды) или многоатомные кетоспирты (полигидроксикетоны). Общая формула CmH2nOn

Углеводы входят в состав клеток и тканей всех растительных и животных организмов и по массе составляют основную часть органического вещества на Земле. На долю углеводов приходится около 80% сухого вещества растений и около 20% животных. Растения синтезируют углеводы из неорганических соединений - углекислого газа и воды (СО2 и Н2О).

Углеводы принято делить на три основных группы: моносахариды (монозы), олигосахариды и полисахариды (полиозы).


^ Биологические функции углеводов

В растениях моносахариды являются первичными продуктами фотосинтеза и служат исходными соединениями для биосинтеза разнообразных гликозидов, полисахаридов, а также веществ др. классов (аминокислот, жирных кислот, полифенолов и т.д.). У. запасаются в виде крахмала в высших растениях, в виде гликогена в животных, бактериях и грибах и служат энергетическим резервом для жизнедеятельности организма (брожение, гликолиз, окисление биологическое). Многочисленные полисахариды или более сложные углеводсодержащие полимеры выполняют в живых организмах опорные функции. Жёсткая клеточная стенка у высших растений построена из целлюлозы и гемицеллюлоз, у бактерий — из пептидогликана; в построении клеточной стенки грибов и наружного скелета членистоногих принимает участие хитин.

Углеводы - запасное и питательное вещество; углеводы входят в состав нуклеотидов, из которых построены ДНК и РНК

  ^ Практическое значение углеводов. У. составляют большую (часто основную) часть пищевого рациона человека. В связи с этим они широко используются в пищевой и кондитерской промышленности (крахмал, сахароза, пектиновые вещества, агар). Их превращения при спиртовом брожении лежат в основе процессов получения этилового спирта, пивоварения, хлебопечения; др. типы брожения позволяют получить глицерин, молочную, лимонную, глюконовую кислоты и др. вещества. Глюкоза, аскорбиновая кислота, сердечные гликозиды, углеводсодержащие антибиотики, гепарин широко применяются в медицине. Целлюлоза служит основой текстильной промышленности, получения искусственного целлюлозного волокна, бумаги, пластмасс (этролы), взрывчатых веществ (нитраты целлюлозы) и др.

^ Физико-химические свойства углеводов. Благодаря обилию полярных (гидроксильных, карбонильной и др.) групп в молекулах моносахаридов они хорошо растворимы в воде и нерастворимы в неполярных органических растворителях (бензоле, петролейном эфире и др.). Полисахариды являются гидрофильными полимерами, молекулы которых способны к ассоциации с образованием высоковязких растворов (растительной слизи, гиалуроновая кислота); при определённом соотношении свободных и ассоциированных участков молекул полисахариды дают прочные гели (агар, пектиновые вещества). В отдельных случаях молекулы полисахаридов образуют высокоупорядоченные надмолекулярные структуры, нерастворимые в воде (целлюлоза, хитин).

К наиболее типичным моносахаридам относятся D-глюкоза, D-манноза, D-галактоза, D-фруктоза, D-ксилоза, L-арабиноза.

Моносахариды изображаются в виде проекционных формул Фишера, т.е. в виде проекции тетраэдрической модели атомов углерода на плоскость чертежа. Углеродная цепь в них записывается вертикально. У альдоз наверху помещают альдегидную группу, у кетоз – соседнюю с карбонильной первичноспиртовую группу. Атом водорода и гидроксильную группу при асимметрическом атоме углерода располагают на горизонтальной прямой. Асимметрический атом углерода находится в образующемся перекрестье двух прямых и не обозначается символом. С групп, расположенных вверху, начинают нумерацию углеродной цепи. (Дадим определение асимметрическому атому углерода: это атом углерода, связанный с четырьмя различными атомами или группами).

Относительная конфигурация моносахаридов определяется по конфигурационному стандарту – глицериновому альдегиду, которому произвольно были приписаны определенные конфигурации, обозначенные как D- и L- глицериновые альдегиды. С конфигурацией их асимметрических атомов углерода сравнивается конфигурация наиболее удаленного от карбонильной группы асимметрического атома углерода моносахарида. В пентозах таким атомом является четвертый атом углерода (С4), в гексозах – пятый (С5), т.е. предпоследние в цепи углеродных атомов. При совпадении конфигурации этих атомов углерода с конфигурацией D- глицеринового альдегида моносахарид относят к D- ряду. И, наоборот, при совпадении с конфигурацией L- глицеринового альдегида считают, что моносахарид принадлежит к L- ряду. Символ D означает, что гидроксильная группа при соответствующем асимметрическом атоме углерода в проекции Фишера располагается справа от вертикальной линии, а символ L- что гидроксильная группа расположена слева.


глюкоза и другие моносахариды в водных растворах существуют в виде циклических полуацеталей, образующихся в результате внутримолекулярной реакции соответствующих функциональных групп. Наиболее устойчивые полуацетали образуются за счет гидроксильных групп при четвертом и пятом углеродных атомах. Возникающие при этом пятичленные и шестичленные кольца называют соответственно фуранозной и пиранозной формами моносахаридов. Эти названия происходят от названий пяти- и шестичленных гетероциклических соединений с атомом кислорода в цикле – фурана и пирана.




Моносахариды, имеющие циклическую форму, удобно изображать перспективными формулами Хеуорса. Они представляют собой идеализированные плоские пяти- и шестичленные циклы с атомом кислорода в цикле, дающие возможность видеть взаимное расположение всех заместителей относительно плоскости кольца.







Проекции Хеуорса - и -форм D-глюкопиранозы


Дисахариды

 

Дисахариды (биозы) при гидролизе образуют два одинаковых или разных моносахарида. Для установления строения дисахаридов необходимо знать: из каких моносахаридов он построен, какова конфигурация аномерных центров у этих моносахаридов (- или -), каковы размеры цикла (фураноза или пираноза) и с участием каких гидроксилов связаны две молекулы моносахарида.

Дисахариды подразделяются на две группы: восстанавливающие и невосстанавливающие. К восстанавливающим дисахаридам относится, в частности, мальтоза (солодовый сахар), содержащаяся в солоде, т.е. проросших, а затем высушенных и измельченных зернах хлебных злаков.

 

 (мальтоза)


К невосстанавливающим дисахаридам относится сахароза (свекловичный или тростниковый сахар). Она содержится в сахарном тростнике, сахарной свекле (до 28% от сухого вещества), соках растений и плодах. Молекула сахарозы построена из , D- глюкопиранозы и , D- фруктофуранозы.


 

(сахароза)


Полисахариды

 

Важнейшие из полисахаридов – это крахмал и целлюлоза (клетчатка). Они построены из остатков глюкозы. Общая формула этих полисахаридов (C6H10O5)n. В образовании молекул полисахаридов обычно принимает участие гликозидный (при С1 -атоме) и спиртовой (при С4 -атоме) гидроксилы, т.е. образуется (1–4) -гликозидная связь.

   Полисахариды — высокомолекулярные, линейные или разветвленные соединения, молекулы которых построены из моносахаридов, связанных гликозидными связями. В состав полисахаридов могут входить также заместители неуглеводной природы (остатки фосфорной, серной и жирных кислот). В свою очередь цепи полисахаридов могут присоединяться к белкам с образованием гликопротеидов. Отдельную группу составляют биополимеры, в молекулах которых остатки моно- или олигосахаридов соединены друг с другом не гликозидными, а фосфодиэфирными связями; к этой группе относятся тейхоевые кислоты из клеточных стенок грамположительных бактерий, некоторые полисахариды дрожжей, а также нуклеиновые кислоты, в основе которых лежит полирибозофосфатная (РНК) или поли-2-дезоксирибозофосфатная (ДНК) цепь.

Крахмал

 

Крахмал представляет собой смесь двух полисахаридов, построенных из , D- глюкопиранозных звеньев: амилозы (10-20%) и амилопектина (80-90%). Крахмал образуется в растениях при фотосинтезе и откладывается в виде "резервного" углевода в корнях, клубнях и семенах. Например, зерна риса, пшеницы, ржы и других злаков содержат 60-80% крахмала, клубни картофеля – 15-20%. Родственную роль в животном мире выполняет полисахарид гликоген, "запасающийся", в основном, в печени.

Крахмал – это белый порошок, состоящий из мелких зерен, не растворимый в холодной воде. При обработке крахмала теплой водой удается выделить две фракции: фракцию, растворимую в теплой воде и состоящую из полисахарида амилозы, и фракцию, лишь набухающую в теплой воде с образованием клейстера и состоящую из полисахарида амилопектина. Амилоза имеет линейное строение, , D- глюкопиранозные остатки связаны (1–4) -гликозидными связями. Молекула амилопектина построена подобным образом, однако имеет в цепи разветвления, что создает пространственную структуру. В точках разветвления остатки моносахаридов связаны (1–6) -гликозидными связями.

Целлюлоза (клетчатка)

 

Целлюлоза – наиболее распространенный растительный полисахарид. Она обладает большой механической прочностью и исполняет роль опорного материала растений. Древесина содержит 50-70% целлюлозы, хлопок представляет собой почти чистую целлюлозу.

Как и у крахмала, структурной единицей целлюлозы является D- глюкопираноза, звенья которой связаны (1-4) -гликозидными связями. Однако, от крахмала целлюлоза отличается - конфигурацией гликозидных связей между циклами и строго линейным строением.


^

Липиды и Жиры




 Строение липидов. Липиды – жироподобные вещества, входящие в состав всех живых клеток и выполняющие важную функцию в процессах жизнедеятельности. К липидам относятся жиры и жироподобные вещества – липоиды. Молекулы липидов состоят из атомов С, Н, О. В зависимости от состава и структуры липиды делятся на две группы. Основное свойство всех липидов – неполярность (или гидрофобность) их молекул. Благодаря этому липиды легко растворяются в неполярных жидкостях: бензине, эфире, хлороформе, а в воде почти не растворяются. Гидрофобность липидов имеет важное значение для жизни клеток, поскольку промежуточный слой клеточной мембраны состоит из молекул фосфолипидов. Молекулы фосфолипидов препятствуют проникновению в клетку ненужных веществ и одновременно удерживают необходимые вещества в клетке. Благодаря этому химический состав клетки остается неизменным.

Наиболее важные и распространенные среди липидов – триацилглицеролы. Химическая структура жиров сложна. Образование молекулы жира из трехатомного спирта – глицерина – и высокомолекулярных жирных кислот показано ниже:



 ^ Функции липидов. Липиды входят в состав всех живых клеток и выполняют в организме следующие функции: строительную, энергетическую, питательную, защитную и метаболическую.

 ^ Липиды – источник энергии. Основным источником энергии в живом организме являются жиры. 25-30% всей энергии, необходимой организму, дают именно жиры. При полном расщеплении 1г. жира высвобождается 38,9 кДж энергии, что вдвое превышает количество энергии, образующейся при расщеплении такого же количества белка и углевода.

Фосфолипиды

- полярные липиды. Фосфолипиды являются одними из основных компонентов биомембран, среди них есть биологически активные вещества, они довольно широко используются в пищевой и фармацевтической промышленности.

Рассмотрим кратко некоторые фосфолипиды.

Фосфатидилхолин - главный фосфолипид большинства типов животных. Его содержание обычно составляет не менее 50% суммы фосфолипидов. Вторым по значению фосфолипидом у животных обычно является фосфатидилэтаноламин. В большинстве бактерий фосфатидилхолина нет, а более 60-70% их фосфолипидов составляет фосфатидилэтаноламин. Оба липида присутствуют в большинстве растений, для этих организмов очень важен фосфатидилглицерин. Это единственный фосфолипид синезеленых водорослей, главный фосфолипид фотосинтетического аппарата всех растений. Сфингомиелин является важным компонентом клеток эволюционно продвинутых типов животных. В эритроцитах некоторых млекопитающих, в частности овец, он заменяет фосфатидилхолин в качестве главного фосфолипида. Заслуживают упоминания и несколько других фосфолипидов: фосфатидилинозит, дифосфатидилглицерин (кардиолипин), фосфатидилсерин, фосфатидная кислота.







^ Нуклеиновые кислоты


ДНК выделил из ядер клеток Ф.Мишер в 1868г. Прямое доказательство, что ДНК – носитель генетической информации получено в 1943г. (открытие Освальда и Эвери).

Нуклеиновые кислоты – высокомолекулярные гетерополимеры. Мономерами являются нуклеотиды, состоящие из азотистых оснований, остатка пентозы (рибозы или дезоксирибозы) и фосфорной кислоты. В зависимости от типа пентозы нуклеиновые кислоты делятся на ДНК (дезоксирибонуклеиновые) и РНК (рибонуклеиновые).

Основное место локализации ДНК – структуры клеточного ядра – хромосомы. ДНК локализуется в ядре, митохондриях, хлоропластах. У бактерий есть кольцевые ДНК – плазмиды.

Ядерная ДНК несет генетическую информацию, необходимую для кодирования структуры всех белков и всех РНК каждого вида организма, регулирует биосинтез, определяет деятельность организма в течение его жизни и обеспечивает его индивидуальность.

  • РНК бывает трех классов: матричная, рибосомная и транспортная.

  • Матричная РНК служит матрицей при переводе информации в аминокислотную последовательность белков. Транспортная РНК переносит к рибосомам аминокислоты. Рибосомные РНК – это компоненты рибосом.

  • Нуклеотид = нуклеозид + фосфорная кислота = азотистое основание+ пентоза+фосфорная кислота.

  • В РНК пентоза - рибоза. В ДНК - дезоксирибоза.

  • В молекуле ДНК специфическим образом повторяются 4 азотистых основания А, Г, Ц, Т. Это символы для кодирования генетической информации. ДНК – это матрица для синтеза новой ДНК и РНК.





  • Нуклеотиды соединяются друг с другом в полимерную цепочку с помощью фосфодиэфирных связей. Азотистые основания не принимают участия в соединении нуклеотидов одной цепи.










Существует два класса азотистых оснований.

Пурины: аденин (А) и гуанин (Г) - содержат два гетероцикла.

Пиримидины: тимин (Т), цитозин (Ц) и урацил (У) - содержат один гетероцикл.




Чаргафф обнаружил, что 4 азотистых основания встречаются в разных соотношениях. Число адениновых остатков = числу тимина, гуанин = цитозину.

А + Г = T + Ц

ДНК разных клеток одного организма имеют одинаковый нуклеотидный состав. Нуклеотидный состав у разных видов различен.

ДНК имеет первичную, вторичную и третичную структуру.

^ Первичная структура ДНК – последовательность дезоксирибонуклеотидов в полинуклеотидной цепи. Секвенирование – метод определения нуклеотидной последовательности. Сейчас это можно сделать с помощью прибора для автоматического анализа.

^ Вторичная структура ДНК – двухцепочечная правозакрученная спираль. Две цепи ДНК антипараллельны. Внутри цепи точно пригнаны пары оснований А-Т и Г-Ц. Между ними возникают водородные связи. Они комплиментарны друг другу. Между аденином и тимином возникает 2 водородные связи, между цитозином и гуанином – три. Диаметр двойной цепи 2 нм. На каждый оборот приходится 10 нуклеотидных остатков. Дуплекс стабилен за счет водородных связей и гидрофобных взаимодействий.





^ Третичная структура ДНК – плотная упаковка двухспиральных молекул ДНК в пространстве в сложную трехмерную структуру.

  • Длинные молекулы ДНК подвергаются суперспирализации для упаковки в малом объеме клетки. Длина клетки 5 мкм, длина ДНК от 1 мм до 1 м.

  • ДНК образует комплексы с белками (гистонами) - нуклеосомные нити. В результате нуклеосомной организации хроматина двойная спираль ДНК диаметром 2 нм приобретает диаметр 10-11 нм и укорачивается в 7 раз. Затем происходит образование из нуклеосомной нити хроматиновой фибриллы диаметром 20-30 нм. Хроматиновые фибриллы укладываются в петли. Размеры ДНК уменьшаются в 200 раз.

  • Генетический материал расположен в хромосомах. Хромосомы структурируются во время деления клетки – митоза.

  • При нагревании выше 80◦С, изменении рН и ионной силы, действии мочевины ДНК разрушается (расплетается), денатурирует. При денатурации происходит разрушение вторичной и третичной структуры. Разрушение первичной структуры – гидролиз, при этом происходит разрыв ковалентных связей между нуклеотидами.








Таблица генетического кода



Скачать файл (493 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации