КУРСЫ ПОВЫШЕНИЯ КВАЛИФИКАЦИИ
Педагогический университет "Первое сентября"

АСЕЕВ В.В.

Курс «Молекулярные основы процессов жизнедеятельности»

УЧЕБНЫЙ ПЛАН КУРСА

№ газеты

Учебный материал

34

Лекция № 1. Основные виды биополимеров

36

Лекция № 2. Внутримолекулярные и межмолекулярные взаимодействия в биополимерах

38

Лекция № 3. Нуклеиновые кислоты
Контрольная работа № 1 (срок выполнения – до 15 ноября 2004 г.)

40

Лекция № 4. Механизмы функционирования белков

42

Лекция № 5. Генетический код
Контрольная работа № 2 (срок выполнения – до 15 декабря 2004 г.)

44

Лекция № 6. Биосинтез нуклеиновых кислот

46

Лекция № 7. Предварительные этапы биосинтеза белка

48

Лекция № 8. Биосинтез белка и его локализация в клетке

Итоговая работа – разработка урока.
Итоговые работы, сопровождаемые справками из учебного заведения (актами о внедрении), должны быть направлены в Педагогический университет не позднее 28 февраля 2005 г.

Лекция № 2. Внутримолекулярные и межмолекулярные взаимодействия в биополимерах

Из всех органических и неорганических веществ живые организмы в наибольшем количестве содержат воду. Ее содержание колеблется от 60 до 95% по массе. Вода важна для всех живых организмов по двум причинам. Во-первых, составляя основную массу организма, она является той средой, в которой существуют все другие компоненты живого. Во-вторых, вода участвует в большинстве биохимических реакций, приводящих к образованию или распаду многих органических соединений. В связи с этим необходимо рассмотреть физические и химические свойства воды.

Одной из основных особенностей молекул воды является их полярность. Она возникает из-за того, что две связи O–H расположены под углом 104,5° и электроны заметно смещены к кислороду (рис.1). В результате на атоме кислорода образуется небольшой отрицательный заряд, а на атомах водорода – положительный. Благодаря такой структуре вода является прекрасным растворителем. При растворении соединений с ионной связью молекулы воды окружают ионы, ориентируясь к отрицательным ионам своими положительными концами, а к положительным ионам – отрицательными, что приводит к их диссоциации и растворению вещества. Аналогично происходит взаимодействие воды с веществами, содержащими полярные группы, такими, например, как сахара и спирты.

Помимо полярных взаимодействий вода способна образовывать водородные связи. При этом отрицательно заряженный атом кислорода одной молекулы воды притягивает положительно заряженный атом водорода другой молекулы. Расстояние между атомами в водородной связи почти в два раза больше, чем в ковалентной связи O–H, а энергия связи примерно в 25 раз меньше. Максимально возможное число водородных связей молекулы воды равно 4 (две связи образует кислород и по одной каждый атом водорода). Такая структура реализуется в кристаллической форме воды, которой является лед. В жидкой воде часть водородных связей разрывается из-за теплового движения молекул и каждая молекула в среднем связана с 3,4 других молекул (рис.1). Вещества, содержащие электроотрицательные атомы (главным образом кислород и азот), также способны образовывать водородные связи с молекулами воды, что облегчает их растворение.

Рис. 1

Рис. 1

Таким образом, вокруг молекул веществ, растворенных в воде, образуется оболочка из ориентированных вокруг них молекул воды – гидратная оболочка. При ее образовании выделяется некоторое количество энергии, компенсирующее затраты энергии на разрушение водородных связей между молекулами воды и взаимодействия между молекулами растворяемого вещества. Если же выделяющейся энергии недостаточно для разрушения связей между молекулами вещества, вещество не растворяется в воде, а смачивается ею, как, например, целлюлоза. Растворимые или смачиваемые водой вещества называются гидрофильными.

Другая группа веществ не содержит заряженных и поляризующихся групп и не способна образовывать водородные связи. При взаимодействии молекул такого вещества с водой гидратные оболочки не образуются и энергия не выделяется. Внедрение таких молекул между молекулами воды приводит к разрыву водородных связей и требует затрат энергии извне. Поэтому энергетически выгодно вытолкнуть такие молекулы из воды и максимально реализовать водородные связи между молекулами воды. К таким веществам относятся, например, углеводороды. Поэтому, как бы тщательно мы ни смешивали с водой бензин или керосин, они все равно достаточно быстро образуют отдельную фазу. Соединение неполярных молекул между собой за счет их выталкивания из водной фазы получило название «гидрофобное взаимодействие», а участвующие в нем вещества названы гидрофобными. Гидрофобные свойства могут быть характерны не для всей молекулы вещества, а для некоторой ее части, тогда как другая часть является гидрофильной. Молекулы с такой структурой называются амфифильными. К таким веществам относятся детергенты, входящие в состав моющих средств, например додецилсульфат натрия: CH3–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–SO3–, где углеводородный радикал является гидрофобной частью («хвост»), а SO3 – гидрофильной («голова»).

В воде такие вещества образуют сферические мицеллы, в которых гидрофобные «хвосты» спрятаны внутрь, а гидрофильные «головы» обращены в воду.

Важным свойством воды является ее способность к диссоциации с образованием ионов H+ и OH, в результате чего в водной среде хорошо идут реакции с участием протонов.

Рассмотренные типы нековалентных взаимодействий возможны не только между молекулами воды и растворенных в ней веществ, но и между отдельными молекулами растворенных веществ, а при большом размере молекул – и между частями молекулы. Так, в молекулах полисахаридов содержится большое число полярных гидроксильных групп. Кислород в них может взаимодействовать с водородами других групп с образованием водородной связи. В целлюлозе соседние остатки глюкозы повернуты на 180°, что позволяет им образовать 2 такие связи. Это делает невозможным перемещение этих остатков относительно друг друга, и молекула целлюлозы представляет собой жесткую негнущуюся нить (рис. 2). Такие нити образуют водородные связи между собой, формируя мицеллы – прочные палочкообразные структуры, которые отличаются высокой механической прочностью, примерно такой же, как у стали. Это позволяет целлюлозе выполнять механические функции в клетках растений.

Рис. 2

Рис. 2

Совершенно другая картина наблюдается в амилозе. Другая конфигурация связей между мономерами приводит к тому, что водородные связи образуются между остатками глюкозы, находящимися в цепи далеко друг от друга. Поэтому амилоза образует спиральные структуры, в которых на один виток приходится 6 остатков глюкозы, т.е. водородными связями соединены первый и шестой остатки, второй и седьмой, третий и восьмой и т.д. (рис. 3).

Рис. 3

Рис. 3

Еще более сложные взаимодействия наблюдаются в молекулах белков. Это связано с многообразием взаимодействующих групп в их составе. Связанные аминогруппы и карбоксильные группы образуют пептидную группу, в которой электроотрицательный атом кислорода может служить акцептором, а N–H – донором в водородной связи. Пептидная группа жесткая и плоская, поэтому водородные связи образуются в полипептиде между достаточно удаленными друг от друга группами. Таким образом каждая пептидная группа может образовать две водородные связи.

Другими взаимодействующими группами в белках являются боковые радикалы аминокислот. Напомним, что встречается более 20 типов аминокислот. По своим свойствам они делятся на три группы. В первую входят аминокислоты с неполярными боковыми радикалами. Это аланин, валин, лейцин, изолейцин, метионин, пролин, фенилаланин и триптофан. В водной среде эти радикалы ведут себя так же, как углеводороды, т.е. стремятся «слипнуться» друг с другом и образовать отдельную фазу. Вторая группа – аминокислоты с заряженными радикалами. В их состав входят способные к ионизации в физиологических условиях группы. К этой группе относятся две отрицательно заряженные аминокислоты – аспарагиновая и глутаминовая и три положительно заряженные – лизин, аргинин и гистидин. Радикалы этих аминокислот способны к довольно сильным электростатическим взаимодействиям: одноименные радикалы отталкиваются и стремятся максимально разойтись в пространстве, а разноименные притягиваются и стремятся максимально сблизиться. Третья группа – полярные незаряженные аминокислоты. Они содержат гидроксильные, амидные, тиольные группы. В эту группу входят серин, треонин, тирозин, цистеин, оксипролин, аспарагин и глутамин. Эти группы способны образовывать водородные связи между собой, с пептидными группами или водой.

За счет таких взаимодействий полипептидная цепь сворачивается строго определенным образом. В одной молекуле белка может образовываться несколько десятков ионных и несколько сотен водородных связей. Это делает пространственную структуру белковой молекулы достаточно прочной и устойчивой. Большинство белков образует плотную компактную структуру, называемую глобулой. Часто считают, что они имеют форму, близкую к шару, но это не совсем верно. Большинство глобул асимметрично, а отношение короткой оси таких частиц к длинной может достигать 1 : 5.

В структурной организации белковой молекулы принято выделять четыре уровня. Первичная структура белка – это последовательность аминокислот в полипептидной цепочке. Она индивидуальна для каждого белка. Даже одинаковые белки разных видов живых организмов различаются первичной структурой, причем чем дальше родство организмов, тем сильнее различия. Первичная структура белка задана генетически, т.е. последовательность аминокислот в полипептиде записана в соответствующем гене.

Рис. 4

Рис. 4

Вторичная структура формируется за счет образования водородных связей между пептидными группами. Так как эти группы одинаковы во всех белках, то и вторичные структуры, образующиеся в них, также одинаковы и характеризуются определенной регулярностью. Основными видами вторичных структур являются -спирали и
-структуры. -спирали образуются за счет водородных связей между первой и четвертой, второй и пятой, третьей и шестой и т.д. пептидными группами (рис. 4.) Это наиболее близкие из возможных партнеров, поэтому упаковка получается очень плотной. Водородные связи направлены вдоль оси спирали, причем каждая пептидная группа участвует в образовании двух водородных связей, направленных в противоположные стороны. Внутри -спирали нет свободного пространства, т.к. оно заполнено атомами, образующими пептидную цепочку. Боковые радикалы аминокислот торчат в стороны от оси спирали и могут участвовать в дополнительных взаимодействиях. Такое строение делает -спираль жесткой, почти негнущейся. -структуры образуются при изгибании цепи полипептида. При этом водородные связи образуются между пептидными группами расположенных параллельно друг другу участков цепи (рис. 5). Каждый участок может связываться с двумя другими, расположенными в пространстве с противоположных сторон от него. Таким образом формируются слои. Число параллельно расположенных участков в слое может быть от двух до десяти и более. Они не всегда плоские, могут образовывать небольшие изгибы, а в некоторых белках даже сворачиваться в цилиндр. -структуры и -спирали встречаются не во всех белках. Так, в гемоглобине 70% всей полипептидной цепи свернуто в -спирали, а -структур нет. В других белках, например в фиброине шелка, большая часть молекулы образует -структуры, а
-спирали отсутствуют. Большинство же белков содержит как
-спирали, так и -структуры. Между участками, образующими вторичную структуру белка, находятся нерегулярные области.

 

Рис. 5

Рис. 5

Третичная структура – это плотная пространственная укладка полипептидной цепи в глобулу. Основу этой укладки составляют гидрофобные взаимодействия боковых радикалов аминокислот. Гидрофобные радикалы стремятся избежать контакта с водой и собираются в центре молекулы. Образуется гидрофобное ядро глобулы. Остальная часть молекулы окружает это ядро гидрофильной оболочкой. Образно говоря, внутри белковой глобулы находится «жирная капля». Боковые радикалы гидрофильных аминокислот образуют между собой максимально возможное количество водородных и ионных связей, что дополнительно стабилизирует глобулу. Третичная структура зависит от того, в какой последовательности аминокислоты расположены в полипептидной цепи, следовательно, она, как и первичная структура, является уникальной для каждого белка. Однако имеются некоторые элементы третичной структуры, сходные в разных белках. Большое количество взаимодействий, стабилизирующих третичную структуру, делает ее очень устойчивой. Кроме того, устойчивость третичной структуры повышается за счет образования между сближенными участками цепи так называемых дисульфидных мостиков. Они образуются путем окисления двух радикалов аминокислоты цистеина:

–C2H–SH + HS–C2H– <---> –C2H–S–S–C2H– .

Такое окисление осуществляется в клетке специальной системой ферментов, которая может разрывать неправильно образованные мостики и образовывать правильные, закрепляя наиболее выгодную с энергетической точки зрения конформацию белка.

В некоторых белках содержится несколько полипептидных цепей. Каждый полипептид при этом образует свою глобулу. Такие глобулы затем соединяются вместе за счет гидрофобных взаимодействий, водородных и ионных связей. Полученная надмолекулярная структура называется четвертичной структурой белка. Отдельные полипептиды, входящие в четвертичную структуру, называются субъединицами белка. Не все белки имеют четвертичную структуру. Такие ферменты, как рибонуклеаза, трипсин, пепсин, состоят из одной полипептидной цепи. Белки, имеющие четвертичную структуру, могут состоять из одинаковых субъединиц. Например антивирусный белок интерферон состоит из двух идентичных субъединиц, а фермент глицеральдегидфосфатдегидрогеназа – из четырех идентичных субъединиц. Часто в состав одного белка входят разные субъединицы. Так, молекула гемоглобина содержит две 11.gif (92 bytes)- и две 12.gif (99 bytes)-субъединицы. Некоторые крупные белки состоят из нескольких десятков субъединиц. Пируватдегидрогеназа, например, содержит 60 субъединиц трех разных типов в соотношении 24 : 24 : 12. Субъединицы в белках принято обозначать буквами греческого алфавита, а их число в молекуле подстрочными индексами. Так, формула четвертичной структуры гемоглобина 11.gif (92 bytes)212.gif (99 bytes)2, а пируватдегидрогеназы – 11.gif (92 bytes)2412.gif (99 bytes)2412. Наиболее сложную четвертичную структуру имеют белки, осуществляющие матричный синтез и преобразование энергии в клетке. РНК-полимераза кишечной палочки состоит из четырех видов субъединиц и имеет формулу 11.gif (92 bytes)212.gif (99 bytes)12.gif (99 bytes), а в митохондриальную АТФ-синтетазу входит как минимум 13 типов субъединиц. Сложность структуры этих ферментов связана со сложностью выполняемых ими функций.

Вопросы и задания для самостоятельной работы

1. К каким типам нековалентных взаимодействий способны молекулы воды?
2. Что такое гидрофобные и гидрофильные вещества? Приведите примеры.
3. В чем различия пространственной структуры молекул целлюлозы и амилозы?
4. Какие взаимодействия играют основную роль в формировании пространственной структуры белков?
5. На какие группы делятся аминокислоты?
6. Что такое первичная структура белка и чем она обусловлена?
7. Каковы основные виды вторичной структуры белка?
8. Что является основой третичной структуры белка?
9. Какими бывают четвертичные структуры белка?

 

Рейтинг@Mail.ru
Рейтинг@Mail.ru