Биополиме́ры - класс полимеров, встречающихся в природе в естественном виде, входящие в состав живых организмов: белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды. Биополимеры состоят из одинаковых (или разных) звеньев - мономеров. Мономеры белков - аминокислоты, нуклеиновых кислот - нуклеотиды, в полисахаридах - моносахариды.
Выделяют два типа биополимеров - регулярные (некоторые полисахариды) и нерегулярные (белки, нуклеиновые кислоты, некоторые полисахариды).
Белки
Белки имеют несколько уровней организации - первичная, вторичная, третичная, и иногда четвертичная. Первичная структура определяется последовательностью мономеров, вторичная задаётся внутри- и межмолекулярными взаимодействиями между мономерами, обычно при помощи водородных связей. Третичная структура зависит от взаимодействия вторичных структур, четвертичная, как правило, образуется при объединении нескольких молекул с третичной структурой.
Вторичная структура белков образуется при взаимодействии аминокислот с помощью водородных связей и гидрофобных взаимодействий. Основными типами вторичной структуры являются
α-спираль, когда водородные связи возникают между аминокислотами в одной цепи,
β-листы (складчатые слои), когда водородные связи образуются между разными полипептидными цепями, идущими в разных направлениях (антипараллельно,
неупорядоченные участки
Для предсказания вторичной структуры используются компьютерные программы.
Третичная структура или «фолд» образуется при взаимодействии вторичных структур и стабилируется нековалентными, ионными, водородными связями и гидрофобными взаимодействиями. Белки, выполняющие сходные функции обычно имеют сходную третичную структуру. Примером фолда является β-баррел (бочка), когда β-листы располагаются по окружности. Третичная структура белков определяется с помощью рентгеноструктурного анализа.
Важный класс полимерных белков составляют Фибриллярные белки, самый известный из которых коллаген.
В животном мире в качестве опорного, структурообразующего полимера обычно выступают белки. Эти полимеры построены из 20 α-аминокислот. Остатки аминокислот связаны в макромолекулы белка пептидными связями, возникающими в результате реакции карбоксильных и аминогрупп.
Значение белков в живой природе трудно переоценить. Это строительный материал живых организмов, биокатализаторы – ферменты, обеспечивающие протекание реакций в клетках, и энзимы, стимулирующие определённые биохимические реакции, т.е. обеспечивающие избирательность биокатализа. Наши мышцы, волосы, кожа состоят из волокнистых белков. Белок крови, входящий в состав гемоглобина, способствует усвоению кислорода воздуха, другой белок – инсулин – ответственен за расщепление сахара в организме и, следовательно, за его обеспечение энергией. Молекулярная масса белков колеблется в широких пределах. Так, инсулин – первый из белков, строение которого удалось установить Ф. Сэнгеру в 1953 г., содержит около 60 аминокислотных звеньев, а его молекулярная масса составляет лишь 12 000. К настоящему времени идентифицировано несколько тысяч молекул белков, молекулярная масса некоторых из них достигает 106 и более.
Нуклеиновые кислоты
Первичная структура ДНК - это линейная последовательность нуклеотидов в цепи. Как правило последовательность записывают в виде букв (например AGTCATGCCAG), причём запись ведётся с 5"- на 3"-конец цепи.
Вторичная структура - это структура, образованная за счёт нековалентных взаимодействий нуклеотидов (в большей степени азотистых оснований) между собой, стэкинга и водородных связей. Двойная спираль ДНК является классическим примером вторичной структуры. Это самая распространённая в природе форма ДНК, которая состоит из двух антипаралельных комплементарных полинуклеотидных цепей. Антипараллельность реализуется за счёт полярности каждой из цепей. Под комплементарностью понимают соответствие каждому азотистому основанию одной цепи ДНК строго определённого основания другой цепи (напротив A стоит T, а напротив G располагается C). ДНК удерживается в двойной спирали за счёт комплементарного спаривания оснований - образования водородных связей, двух в паре А-Т и трёх в паре G-C.
В 1868 г. швейцарский учёный Фридрих Мишер выделил из ядер клеток фосфорсодержащее вещество, которое он назвал нуклеином. Позднее это и подобные ему вещества получили название нуклеиновых кислот. Их молекулярная масса может достигать 109, но чаще колеблется в пределах 105-106. Исходными веществами, из которых построены нуклеотиды – звенья макромолекул нуклеиновых кислот, являются: углевод, фосфорная кислота, пуриновые и пиримидиновые основания. В одной группе кислот в качестве углевода выступает рибоза, в другой – дезоксирибоза
В соответствии с природой углевода, входящего в их состав, нуклеиновые кислоты называются рибонуклеиновой и дезоксирибонуклеиновой кислотами. Общеупотребительными сокращениями являются РНК и ДНК. Нуклеиновые кислоты играют наиболее ответственную роль в процессах жизнедеятельности. С их помощью решаются две важнейшие задачи: хранения и передачи наследственной информации и матричный синтез макромолекул ДНК, РНК и белка.
Полисахариды
3-х мерная структура целлюлозы
Полисахариды, синтезируемые живыми организмами, состоят из большого количества моносахаридов, соединённых гликозидными связями. Зачастую полисахариды нерастворимы в воде. Обычно это очень большие, разветвлённые молекулы. Примерами полисахаридов, которые синтезируют живые организмы, являются запасные вещества крахмал и гликоген, а также структурные полисахариды - целлюлоза и хитин. Так как биологические полисахариды состоят из молекул разной длины, понятия вторичной и третичной структуры к полисахаридам не применяются.
Полисахариды образуются из низкомолекулярных соединений, называемых сахарами или углеводами. Циклические молекулы моносахаридов могут связываться между собой с образованием так называемых гликозидных связей путём конденсации гидроксильных групп.
Наиболее распространены полисахариды, повторяющиеся звенья которых являются остатками α-D-глюкопиранозы или её производных. Наиболее известна и широко применяема целлюлоза. В этом полисахариде кислородный мостик связывает 1-й и 4-й атомы углерода в соседних звеньях, такая связь называется α-1,4-гликозидной.
Химический состав, аналогичный целлюлозе, имеют крахмал, состоящий из амилозы и амилопектина, гликоген и декстран. Отличие первых от целлюлозы состоит в разветвленности макромолекул, причем амилопектин и гликоген могут быть отнесены к сверхразветвленным природным полимерам, т.е. дендримерам нерегулярного строения. Точкой ветвления обычно является шестой атом углерода α-D-глюкопиранозного кольца, который связан гликозидной связью с боковой цепью. Отличие декстрана от целлюлозы состоит в природе гликозидных связей – наряду с α-1,4-, декстран содержит также α-1,3- и α-1,6-гликозидные связи, причем последние являются доминирующими.
Химический состав, отличный от целлюлозы, имеют хитин и хитозан, но они близки к ней по структуре. Отличие заключается в том, что при втором атоме углерода α-D-глюкопиранозных звеньев, связанных α-1,4-гликозидными связями, OH-группа заменена группами –NHCH3COO в хитине и группой –NH2 в хитозане.
Целлюлоза содержится в коре и древесине деревьев, стеблях растений: хлопок содержит более 90% целлюлозы, деревья хвойных пород – свыше 60%, лиственных – около 40%. Прочность волокон целлюлозы обусловлена тем, что они образованы монокристаллами, в которых макромолекулы упакованы параллельно одна другой. Целлюлоза составляет структурную основу представителей не только растительного мира, но и некоторых бактерий.
В животном мире в качестве опорных, структурообразующих полимеров полисахариды «используются» лишь насекомыми и членистоногими. Наиболее часто для этих целей применяется хитин, который служит для построения так называемого внешнего скелета у крабов, раков, креветок. Из хитина деацетилированием получается хитозан, который, в отличие от нерастворимого хитина, растворим в водных растворах муравьиной, уксусной и соляной кислот. В связи с этим, а также благодаря комплексу ценных свойств, сочетающихся с биосовместимостью, хитозан имеет большие перспективы широкого практического применения в ближайшем будущем.
Крахмал относится к числу полисахаридов, выполняющих роль резервного пищевого вещества в растениях. Клубни, плоды, семена содержат до 70% крахмала. Запасаемым полисахаридом животных является гликоген, который содержится преимущественно в печени и мышцах.
Прочность стволов и стеблей растений, помимо скелета из целлюлозных волокон, определяется соединительной растительной тканью. Значительную её часть в деревьях составляет лигнин – до 30%. Его строение точно не установлено. Известно, что это относительно низкомолекулярный (M ≈ 104) сверхразветвленный полимер, образованный в основном из остатков фенолов, замещенных в орто-положении группами –OCH3, в пара-положении группами –CH=CH–CH2OH. В настоящее время накоплено громадное количество лигнинов как отходов целлюлозно-гидролизной промышленности, но проблема их утилизации не решена. К опорным элементам растительной ткани относятся пектиновые вещества и, в частности пектин, находящийся в основном в стенках клеток. Его содержание в кожуре яблок и белой части кожуры цитрусовых доходит до 30%. Пектин относится к гетерополисахаридам, т.е. сополимерам. Его макромолекулы в основном построены из остатков D-галактуроновой кислоты и её метилового эфира, связанных α-1,4-гликозидными связями.
Из пентоз значение имеют полимеры арабинозы и ксилозы, которые образуют полисахариды, называемые арабинами и ксиланами. Они, наряду с целлюлозой, определяют типичные свойства древесины.
Слайд 2
Цель урока: Закрепить и углубить представления учащихся о природных полимерах на примере белков и нуклеиновых кислот. Систематизировать знания о составе, строении, свойств и функции белков. Иметь представление о химическом и биологическом синтезе белков, создании искусственной и синтетической пищи. Расширить представление о составе и строении нуклеиновых кислот. Уметь объяснять построение двойной спирали ДНК по принципу комплементарности. Знать роль нуклеиновых кислот в жизнедеятельности организмов. Продолжить развитие навыков самообразования, умения слушать лекцию, выделять главное. Делать записи по составлению плана или тезисов. Развивать познавательный интерес учащихся, устанавливать межпредметные связи (с биологией).
Слайд 3
Первая группа H, O, N, C (макроэлементы) Вторая группа P, S, Ka, Na, Ca, Mg, Fe, Cl Третья группа Zn, Cu, J, F и др. (микроэлементы) Химические элементы,входящие в состав клетки H N O C Са Ва
Слайд 4
Слайд 5
Значения белков
В составе ныне живущих на Земле организмов содержится около тысячи миллиардов тонн белков. Отличаюсь неисчерпаемым разнообразием структуры, которая в то же время строго специфична для каждого из них, белки создают вместе с нуклеиновыми кислотами материальную основу для существования всего богатства организмов окружающего нас мира. Белкам свойственна способность к внутримолекулярным взаимодействиям, поэтому так динамична структура и изменчива форма белковых молекул. Белки вступают во взаимодействие с самыми различными веществами. Объединяясь друг с другом или с нуклеиновыми кислотами, полисахаридами и липидами, они образуют рибосомы, митохондрии, лизосомы, мембраны эндоплазматической сети и другие субклеточные структуры, в которых осуществляются многообразные процессы обмена веществ. Поэтому именно белки играют выдающуюся роль в явлениях жизни.
Слайд 6
Уровни организации белковый молекулы Первичная Вторичная Третичная Четвертичная Одной из трудных задач химии белков была расшифровка последовательности аминокислотных остатков в полипептидной цепи, т. е. первичной структуры белковой молекулы. Впервые она была решена английским ученым Ф. Сангером и его сотрудниками в 1945- 1956 гг. Они установили первичную структуру гормона инсулина – белка, вырабатываемого поджелудочной железой. За это Ф. Сангеру в 1958 г. была присуждена Нобелевская премия.
Слайд 7
определенная последовательность a-аминокислотных остатков в полипептидной цепи Первичная структура -
Слайд 8
Слайд 9
Четвертичная структура– агрегаты нескольких белковых макромолекул (белковые комплексы), образованные за счет взаимодействия разных полипептидных цепей
Слайд 10
Химические свойства белков(видеофильм)
Характерная реакция белков – денатурация: Свертывание белков при нагревании. Осаждение белков концентрированным спиртом. Осаждение белков солями тяжелых металлов. 2. Цветные реакции белков: Ксантопротеиновая реакция Биуретовая реакция Определение содержания серы в составе белковой молекулы.
Слайд 11
Роль белков в процессах жизнедеятельности
Огромный интерес представляет изучение не только структуры, но и роли белков в процессах жизнедеятельности. Многие из них обла-дают защитными (иммуноглобулины) и токсическими (яды змей, холер-ный, дифтерийный и столбнячный токсины, энтеротоксин. В из стафило-кокка, токсин бутулизма) свойствами, важными для медицинских целей. Но главное - белки составляют важнейшую и незаменимую часть пищи человека. В наше время 10-15% населения Земли голодают, а 40% получают неполноценную пищу с недостаточным содержанием белка. Поэтому человечество вынуждено индустриальными путями производить белок – наиболее дефицитный продукт на Земле. Эту задачу интенсивно решают тремя способами: производством кормовых дрожжей, приготовлением на заводах белково-витаминных концентратов на базе углеводородов нефти и выделением белков из непищевого сырья растительного происхождения. В нашей стране из углеводородного сырья изготовляют белково-витаминный концентрат. В качестве заменителя белка перспективно также промышленное производство незаменимых аминокислот. Познание структуры и функций белков приближает человечество к овладению сокровенной тайной самого явления жизни.
Слайд 12
НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ
Нуклеиновые кислоты - природные высокомолекулярные органические соединения, полинуклеотиды, обеспечивают хранение и передачу наследственной (генетической) информации в живых организмах. Нуклеиновые кислоты открыл в 1869 г. швейцарский ученый Ф. Мишер как составную часть клеточных ядер, поэтому свое название они получили от латинского слова nucleus - ядро. Nycleus»- ядро. Впервые ДНК и РНК были извлечены из ядра клетки. Поэтому их называют нуклеиновыми кислотами. Строение и выполняемые функции нуклеиновых кислот изучили американский биолог Дж. Уотсон и английский физик Ф. Крик.
Слайд 13
СТРУКТУРЫ ДНК И РНК В 1953 г. американский биохимик Дж. Уотсон и английский физик Ф. Крик построили модель пространственной структуры ДНК; которая имеет вид двойной спирали. Она соответствовала данным английских ученых Р. Франклин и М. Уилкинса, которые с помощью рентгеноструктурного анализа ДНК смогли определить общие параметры спирали, ее диаметр и расстояние между витками. В 1962 г. Уотсону, Крику и Уилкинсу за это важное открытие была присуждена Нобелевская премия.
Слайд 14
НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ МОНОМЕРЫ - НУКЛЕОТИДЫ ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота РНК рибонуклеиновая кислота Состав нуклеотида в ДНК Состав нуклеотида в РНК Азотистые основания: Аденин (А) Гуанин (Г) Цитозин (Ц) Урацил (У): Рибоза Остаток фосфорной кислоты Азотистые основания: Аденин (А) Гуанин (Г) Цитозин (Ц) Тимин (Т) Дезокси- рибоза Остаток фосфорной кислоты Информационная (матричная) РНК (и-РНК) Транспортная РНК (т-РНК) Рибосомная РНК (р-РНК)
Слайд 15
Существует три типа нуклеиновых кислот: ДНК (дезоксирибонуклеиновые кислоты), РНК (рибонуклеиновые кислоты) и АТФ (аденозинтрифосфат). Подобно углеводам и белкам, это полимеры. Как и белки, нуклеиновые кислоты являются линейными полимерами. Однако их мономеры – нуклеотиды – являются сложными веществами, в отличие от достаточно простых сахаров и аминокислот. Строение нуклеиновых кислот
Слайд 16
Сравнительная характеристика ДНК и РНК
ДНК Биологический полимер Мономер – нуклеотид 4 типа азотистых оснований: аденин, тимин, гуанин, цитозин. Комплементарные пары: аденин-тимин, гуанин-цитозин Местонахождение - ядро Функции – хранение наследственной информации Сахар - дезоксирибоза РНК Биологический полимер Мономер – нуклеотид 4 типа азотистых оснований: аденин, гуанин, цитозин, урацил Комплементарные пары: аденин-урацил, гуанин-цитозин Местонахождение – ядро, цитоплазма Функции –перенос, передача наследственной информации. Сахар - рибоза
Слайд 17
Триплет
Триплет – три последовательно расположенных нуклеотида. Последовательность триплетов определяет последовательность аминокислот в белке! Расположенные друг за другом триплеты, обуславливающие структуру одной белковой молекулы, представляют собой ГЕН.
Слайд 18
Репликация –процесс самоудвоения молекулы ДНК на основе принципа комплементарности. Значение репликации: благодаря самоудвоению ДНК, происходят процессы деления клеток.
Слайд 19
Между азотными основаниями пары А и Т образуются 2 водородные связи, а между Г и Ц - 3, поэтому прочность связи Г-Ц выше, чем А-Т: Комплементарные пары
Слайд 20
ДНК В СОСТАВЕ ХРОМОСОМ
Слайд 21
СТРУКТУРЫ ДНК И РНК ДНК
Слайд 22
Значение нуклеиновых кислот
Хранение, перенос и передача по наследству информации о структуре белковых молекул. Стабильность НК- важнейшее условие нормальной жизнедеятельности клеток и целых организмов. Изменение структуры НК- изменение структуры клеток или физиологических процессов- изменение жизнедеятельности.
Слайд 23
Применение НК
Слайд 24
На протяжении жизни человек болеет, попадает в неблагоприятные производственные или климатические условия. Следствие этого – учащение «сбоев» в отлаженном генетическом аппарате. До определенного времени «сбои» себя внешне не проявляют, и мы их не замечаем. Увы! Со временем изменения становятся очевидными. В первую очередь они проявляются на коже. В настоящее время результаты исследований биомакромолекул выходят из стен лабораторий, начиная все активнее помогать врачам и косметологам в повседневной работе. Еще в 1960-х гг. стало известно, что изолированные нити ДНК вызывают регенерацию клеток. Но только в самые последние годы XX столетия стало возможно использовать это свойство для восстановления клеток стареющей кожи.
Слайд 25
Закрепление урока(тестовая контроль)
Вариант 1 1.Двойная полинуклеотидная цепочка характерна для молекул: а) ДНК б) РНК в) оба предыдущих ответа верны. 2. Средняя молекулярная масса, какого типа нуклеиновых кислот больше? а) ДНК б) РНК в) зависит от типа живой клетки 3. Какие вещества не являются составной частью нуклеотида? а) пиримидиновое или пуриновое основание. б) рибоза и дезоксирибоза в) α - аминокислоты г) фосфорная кислота 4. Нуклеотиды ДНК не содержат в качестве оснований остатки: а) цитозина в) гуанина б) урацила г) аденина д) тимина 5. Последовательность нуклеотидов представляет собой структуру нуклеиновых кислот: а) первичную в) третичную б) вторичную г) четвертичную 2 вариант 1. Нуклеиновые кислоты получили свое название от латинского слова: а) ядро в) жизнь б) клетка г) первый 2. Полимерная цепь, какой из нуклеиновых кислот представляет собой последовательность нуклеотидов? а) ДНК б) РНК в) обоих типов нуклеиновых кислот3. Вторичная структура в виде двойной спирали характерна для молекул: а) ДНК в) РНК б) белков г) всех нуклеиновых кислот 4. Пуриновым основанием не является: а) аденин в) гуанин б) тимин г) все являются 5. Молекула нуклеотида не содержит: а) остаток моносахарида в) остаток азотистого основания б) остаток аминокислоты г) остаток фосфорной кислоты
Посмотреть все слайды
Нуклеиновые кислоты – природные органические высокомолекулярные органические соединения, обеспечивающие хранение и передачу наследственной (генетической) информации в живых организмах.
Нуклеиновые кислоты - это ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота). Они были открыты в 1869 году Ф. Мишером в ядрах лейкоцитов и названы нуклеиновыми, т.к. ядро - нуклеус (nucleus).
Биополимер, мономером которого является нуклеотид . ДНК – полинуклеотид с очень большой молекулярной массой. В одну молекулу могут входить 10 8 и более нуклеотидов. В состав нуклеотида входит пятиатомный сахар дезоксирибоза, остаток фосфорной кислоты и одно азотистое основание. Азотистых оснований всего четыре - это аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц) и тимин (Т). Таким образом, нуклеотидов всего четыре: адениновый, гуаниновый, цитозиновый и тиминовый (рис. 10).
Рис. 10. Схема строения ДНК Рис. 11. Строение участка молекулы ДНК
Порядок чередования нуклеотидов в ДНК у разных организмов разный.
В 1953 году Д. Уотсон и Ф. Крик построили пространственную модель ДНК. Этому открытию способствовали два экспериментальных достижения:
1) Чаргафф получил чистые образцы ДНК исделал анализ относительно числа оснований в каждом образце. Оказалось, что из какого бы организма не была выделена ДНК количество аденина равно количеству тимина (А = Т ), а количество гуанина равно количеству цитозина (Г = Ц );
2) Уилкинс и Фрэнклин при помощи рентгенограммы получили хороший снимок ДНК (рис. 12).
Молекула ДНК состоит из двух соединенных друг с другом цепей и походит на веревочную лестницу (рис. 11). Боковые стороны лестницы закручены наподобие электрических проводов. Боковые стороны - это чередующийся сахар и фосфорная кислота. Перекладинами этой лестницы являются азотистые основания, соединенные по принципу комплементарности (А = Т; Г = Ц). Между аденином и тимином двойная водородная связь, гуанином и цитозином тройная.
Рис. 13 Строение нуклеотида
Ширина двойной спирали - 1,7 нм, в один виток входит по 10 пар оснований, длина витка – 3,4 нм, между нуклеотидами расстояние = 0,34нм. При соединении с определенными белками – гистонами – степень спирализации молекулы повышается. Молекула утолщается и укорачивается. В дальнейшем спирализация достигает максимума, возникает спираль еще более высокого уровня – суперспираль. При этом молекула становится различима в световой микроскоп как вытянутое, хорошо окрашиваемое тельце – хромосома.
Синтез ДHK
ДНК входит в состав хромосом (комплекс ДНК с белком гистоном составляет 90 % хромосомы. Встает вопрос, почему после деления клетки количество хромосом не уменьшается, а остается таким же. Потому что перед делением клетки, происходит удвоение (синтез) ДНК, а, следовательно, и удвоение хромосом. Под воздействием фермента нуклеазы происходит разрыв водородных связей между азотистыми основаниями на определенном участке ДНК и двойная цепочка ДНК начинает раскручиваться, одна цепь отходит от другой. Из свободных нуклеотидов, которые находятся в ядре клетки под действием фермента ДНК-полимеразы строятся комплементарные нити. Каждая из разделившихся парных нитей молекулы ДНК служат матрицей для образования около неё другой комплементарной её нити. Затем каждая прежняя (материнская) и новая (дочерняя) нити вновь закручиваются в виде спирали. В результате образуются две новые совершенно одинаковые двойные спирали (рис. 14).
Способность к воспроизведению является очень важной особенностью молекулы ДНК.
Рис. 14. «Материнская» ДНК служит матрицей для синтеза комплементарных цепей
Функция ДНК в клетке
Дезоксирибонуклеиновая кислота выполняет чрезвычайно важные функции, необходимые как для поддержания, так и воспроизведения жизни.
Во – первых, - это хранение наследственной информации, которая заключена в последовательности нуклеотидов одной из ее цепей. Наименьшей единицей генетической информации после нуклеотида являются три последовательно расположенных нуклеотида – триплет. Последовательность триплетов в полинуклеотидной цепи определяет последовательность аминокислот в белковой молекуле. Расположенные друг за другом триплеты, обусловливающие структуру одной полипептидной цепи, представляют собой ген.
Вторая функция ДНК – передача наследственной информации из поколения в поколение. Она осуществляется благодаря редупликации (удвоения) материнской молекулы и последующего распределения дочерних молекул между клетками – потомками. Именно двухцепочечная структура молекул ДНК определяет возможность образования абсолютно идентичных дочерних молекул при редупликации.
Наконец, ДНК участвует в качестве матрицы в процессе передачи генетической информации из ядра в цитоплазму к месту синтеза белка. При этом на одной из ее цепей по принципу комплементарности из нуклеотидов окружающей молекулу среды синтезируется молекула информационной РНК.
РНК – так же, как ДНК представляет собой биополимер (полинуклеотид), мономерами которого являются нуклеотиды (рис. 15). Азотистые основания трех нуклеотидов те же самые, что входят в состав ДНК (аденин, гуанин, цитозин), четвертое – урацил – присутствует в молекуле РНК вместо тимина. Нуклеотиды РНК содержат другую пентозу – рибозу (вместо дезоксирибозы). По структуре различают двухцепочечные и одноцепочечные РНК. Двухцепочечные РНК являются хранителями генетической информации у ряда вирусов, т.е. выполняют у них функции хромосом.
РНК переносят информацию о последовательности аминокислот в белках, т.е. о структуре белков, от хромосом к месту их синтеза, и участвуют в синтезе белков.
Существует несколько видов одноцепочечных РНК. Их названия обусловлены выполняемой функцией и местонахождением в клетке. Все виды РНК синтезируются на ДНК, которая служит матрицей.
1. Транспортная РНК
(т-РНК) Самая маленькая, в состав входит 76 - 85 нуклеотидов. Имеет вид клеверного листочка, на длинном конце которого находится триплет нуклеотидов (АЦЦ), куда присоединяются активированная аминокислота.На коротком конце находится азотистое основание - гуанин, он не дает разрушаться т-РНК. На противоположном конце находится антикодон, который строго комплементарен генетическому коду на информационной РНК. Основная функция т-РНК – это перенос аминокислот к месту синтезабелка. Из общего содержания РНК в клетке на долю т-РНК приходится 10 %.
2. Рибосомальная РНК (р-РНК) содержаться в рибосомах, состоят от 3 - 5 тыс. нуклеотидов. Из общего содержания РНК в клетке на долю р-РНК приходится 90 %.
3. Информационная (и-РНК) или матричная (м-РНК ) . Содержится в ядре и в цитоплазме, молекулы информационной РНК могут состоять из 300 – 30000 нуклеотидов. Функция её состоит в переносе информации о первичной структуре белка в рибосомы. На долю и-РНК приходится 0,5 - 1 % от общего содержания РНК клетки.
Генетический код
Генетический код - это система записи информации о последовательности расположения аминокислот в белках с помощью последовательности расположения нуклеотидов в ДНК (рис.16).
Рис.16 Генетический код
Свойства генетического кода
1. Код триплетен. Это означает, что каждая из аминокислот зашифрована последовательностью трех нуклеотидов, называемых триплетом или кодоном . Так, аминокислоте цистеину соответствует триплет АЦА, валину – ЦАА, лизину – ТТТ (рис.).
2 Код вырожден . Всего генетических кодов 64, в то время как кодируется 20 аминокислот, когда они идут на и-РНК синтез белка прекращается. Каждая аминокислота шифруется несколькими генетическими кодами, исключение составляют метионин и триптофан. Эта избыточность кода имеет большое значение для повышения надежности передачи генетической информации. Например, аминокислоте аргинину могут соответствовать триплеты ГЦА, ГЦТ, ГЦЦ и т.д. Понятно, что случайная замена третьего нуклеотида в этих триплетах никак не отразиться на структуре синтезируемого белка.
3. Код универсален . Генетический код один для всех живущих на Земле существ (для человека, животных, растений, бактерий и грибов).
4. Генетический код непрерывный . Нуклеотиды в ДНК не наползают друг на друга, между триплетами (кодонами) отсутствуют пробелы и знаки препинания. Каким же образом участок молекулы ДНК, несущей информацию о структуре одного белка, отграничивается от других участков? Существуют триплеты, функцией которых является запуск синтеза полинуклеотидной цепочки, и триплеты (УАА, УАГ, УГА ), которые прекращают синтез.
5. Генетический код специфичный. Нет случаев, когда один и тот жетриплет соответствовал бы более чем одной аминокислоте.
Биосинтез белка в клетке
Биосинтез белков в клетке состоит из двух этапов:
1. Транскрипция.
2. Трансляция.
1. Транскрипция - это переписывание информации о первичной структуре белка с определенного участка ДНК (гена) на и-РНК по принципу комплементарности при помощи фермента РНК - полимеразы.
Считываниенаследственной информации начинается с определенного участка ДНК, который называется промотор. Он располагается перед геном и включает около 80 нуклеотидов. Фермент РНК - полимераза узнает промотор, прочно с ним связывается и расплавляет его, разъединяя, нуклеотиды комплементарных цепей ДНК, затем этот фермент начинает
двигаться вдоль гена и по мере разъединения цепей ДНК на одной из них, которая называется смысловой, синтезируется и-РНК. Готовая и-РНК через поры ядерной оболочки выходит в цитоплазму и пронизывает малую субъединицу рибосомы, а те участки гена, на которых полимераза образовала и-РНК, вновь закручиваются в спираль, и-РНК может пронизывать сразу несколько рибосом и этот комплекс называется полисома.
В цитоплазме аминокислоты активизируются ферментом аминоацил-т-синтетаза и присоединяются к длинному концу т-РНК (рис.17). 2. Трансляция - это перевод наследственной информации с языка нуклеотидов на язык аминокислот.
Трансляция начинается со стартового кодона АУГ, к которому своим антикодоном УАЦ присоединяется нагруженная метионином т-РНК. В большой субъединице рибосомы имеется аминоацильный и пептидильный центры. Сначала I аминокислота (метионин) попадает в аминоацильный центр, а затем вместе со своей т-РНК перемешается в пептидильный центр. Аминоацильный центр освобождается и может принять следующую т-РНК со своей аминокислотой. Вторая т-РНК, нагруженная 2-ой аминокислотой, поступает в большую субъединицу рибосомы и своим антикодоном соединяется с комплементарным кодоном и-РНК. Сразу же при помощи фермента пептидил - трансферазы предшествующая аминокислота своей карбоксильной группой (СООН) соединяется с аминогруппой (NH 2) вновь пришедшей аминокислоты. Между ними образуется пептидная связь (-CO-NH-). В результате т-РНК, принесшая метионин, освобождается, а в аминоацильном центре к т-РНК присоединяются две аминокислоты (дипептид). Для дальнейшего процесса роста полипептидной цепи требуется освободить аминоацильный центр. Большая и малая субъединица рибосомы прокручивается относительно друг друга (по типу завода часов) триплет нуклеотидов на и-РНК продвигается вперед, на его место становится следующий триплет нуклеотидов. В освободившийся аминоацильный центр следующая т-РНК приносит в соответствии с кодономи и-РНК аминокислоту, которая при помощи пептидной связи соединяется с предыдущей, а вторая т-РНК уходит из рибосомы. Далее рибосома снова продвигается на один кодон и процесс повторяется. Происходит последовательное присоединение аминокислот к полипептидной цепи в строгом соответствии с последовательностью колонов на и-РНК.
Тип урока - комбинированный
Методы: частично-поисковый, про-блемного изложения, объясни-тельно-иллюстративный.
Цель:
Формирование у учащихся целостной системы знаний о живой природе, ее системной организации и эволюции;
Умения давать аргументированную оценку новой информации по биоло-гическим вопросам;
Воспитание гражданской ответственности, самостоятельности, инициативности
Задачи:
Образовательные : о биологических системах (клетка, организм, вид, экосистема); истории развития современных представлений о живой природе; выдающихся открытиях в биологической науке; роли биологической науки в формировании современной естественнонаучной картины мира; методах научного познания;
Развитие творческихспособностей в процессе изучения выдающихся достижений биологии, вошедших в общечеловеческую культуру; сложных и противоречивых путей развития современных научных взглядов, идей, теорий, концепций, различных гипотез (о сущности и происхождении жизни, человека) в ходе работы с различными источниками информации;
Воспитание убежденности в возможности познания живой природы, необходимости бережного отношения к природной среде, собственному здоровью; уважения к мнению оппонента при обсуждении биологических проблем
Личностные результаты обучения биологии :
1. воспитание российской гражданской идентичности: патриотизма, любви и уважения к Отечеству, чувства гордости за свою Родину; осознание своей этнической принадлежности; усвоение гуманистических и традиционных ценностей многонационального российского общества; воспитание чувства ответственности и долга перед Родиной;
2. формирование ответственного отношения к учению, готовности и способности обучающихся к саморазвитию и самообразованию на основе мотивации к обучению и познанию, осознанному выбору и построению дальнейшей индивидуальной траектории образования на базе ориентировки в мире профессий и профессиональных предпочтений, с учётом устойчивых познавательных интересов;
Метапредметные результаты обучения биологии:
1. умение самостоятельно определять цели своего обучения, ставить и формулировать для себя новые задачи в учёбе и познавательной деятельности, развивать мотивы и интересы своей познавательной деятельности;
2. овладение составляющими исследовательской и проектной деятельности, включая умения видеть проблему, ставить вопросы, выдвигать гипотезы;
3. умение работать с разными источниками биологической информации: находить биологическую информацию в различных источниках (тексте учебника, научно популярной литературе, биологических словарях и справочниках), анализировать и
оценивать информацию;
Познавательные : выделение существенных признаков биологических объектов и процессов; приведение доказательств (аргументация) родства человека с млекопитающими животными; взаимосвязи человека и окружающей среды; зависимости здоровья человека от состояния окружающей среды; необходимости защиты окружающей среды; овладение методами биологической науки: наблюдение и описание биологических объектов и процессов; постановка биологических экспериментов и объяснение их результатов.
Регулятивные: умение самостоятельно планировать пути достижения целей, в том числе альтернативные, осознанно выбирать наиболее эффективные способы решения учебных и познавательных задач; умение организовывать учебное сотрудничество и совместную деятельность с учителем и сверстниками; работать индивидуально и в группе: находить общее решение и разрешать конфликты на основе согласования позиций и учёта интересов; формирование и развитие компетентности в области использования информационно-коммуникационных технологий (далее ИКТ-компетенции).
Коммуникативные: формирование коммуникативной компетентности в общении и сотрудничестве со сверстниками, понимание особенностей гендерной социализации в подростковом возрасте, общественно полезной, учебно-исследовательской, творческой и дру-гих видов деятельности.
Технологии: Здоровьесбережения, проблем-ного, раз-вивающего обучения, групповой деятельно-сти
Приемы: анализ, синтез, умозаключение, перевод информации с одного вида в другой, обобщение.
Ход урока
Задачи
Сформулировать знания об особой роли нукле-иновых кислот в живой природе, — хранении и пе-редаче наследственной информации.
Охарактеризовать особенности строения моле-кул нуклеиновых кислот как биополимеров; лока-лизацию этих соединений в клетке
Раскрыть механизм удвоения ДНК, роль этого механизма в передаче наследственной информации.
Сформировать умение схематично изображать процесс удвоения ДНК.
Основные положения
Важнейшим событием добиологической эволюции явля-ется возникновение генетического кода в виде последова-тельности кодонов РНК, а затем и ДНК, которая оказалась способной сохранять информацию о наиболее удачных ком-бинациях аминокислот в белковых молекулах.
Появление первых клеточных форм ознаменовало нача-ло биологической эволюции, начальные этапы которой ха-рактеризовались появлением эукариотических организмов, полового процесса и возникновением первых многоклеточ-ных организмов.
Нуклеиновые кислоты преимущественно локализованы в клеточном ядре.
Дезоксирибонуклеиновая кислота * лярный линейный полимер, состоящи полинуклеотидных цепей.
Наследственная информация зак, последовательности нуклеотидов ДНК
Редупликация ДНК обеспечивает наследственной информации из пок поколение.
Вопросы для обсуждения
В чем заключается биологическая роль двухцепочечности молекул ДНК, выполняющих функции хранителя наследственной информации?
Какой процесс лежит в основе передачи наследственной информации из поколения в поколение? из ядра в цитоплазму к месту синтеза белка?
Биополимеры. Нуклеиновые кислоты
Типы нуклеиновых кислот. В клетках имеются два типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). Эти биополимеры состоят из мономеров, называемых нуклеотидами. Мономеры-нуклеотиды ДНК и РНК сходны в основных чертах строения. Каждый нуклеотид состоит из трех компонентов, соединенных прочными химическими связями.
Каждый из нуклеотидов, входящих в состав РНК, содержит пятиуглеродный сахар — рибозу; одно из четырех органических соединений, которые называют азотистыми основаниями, — аденин, гуанин, цитозин, урацил (А, Г, Ц, У); остаток фосфорной кислоты.
Нуклеотиды, входящие в состав ДНК, содержат пятиуглеродный сахар — дезоксирибозу, одно из четырех азотистых оснований: аденин, гуанин, цитозин, тимин (А, Г, Ц, Т); остаток фосфорной кислоты.
В составе нуклеотидов к молекуле рибозы (или дезоксирибозы) с одной стороны присоединено азотистое основание, а с другой — остаток фосфорной кислоты. Нуклеотиды соединяются между собой в длинные цепи. Остов такой цепи образуют регулярно чередующиеся остатки сахара и фосфорной кислоты, а боковые группы этой цепи — четыре типа нерегулярно чередующихся азотистых оснований.
Рис 1. Схема строения ДНК. Многоточием обозначены водородные связи
Молекула ДНК представляет собой структуру, состоящую из двух нитей, которые по всей длине соединены друг с другом водородными связями (рис. 7). Такую структуру, свойственную только молекулам ДНК, называют двойной спиралью. Особенностью структуры ДНК является то, что против азотистого основания А в одной цепи лежит азотистое основание Т в другой цепи, а против азотистого основания Г всегда расположено азотистое основание Ц. Схематически сказанное можно выразить следующим образом:
А (аденин) — Т (тимин)
Т (тимин) — А (аденин)
Г (гуанин) — Ц (цитозин)
Ц (цитозин) — Г (гуанин)
Эти пары оснований называют комплементарными основаниями (дополняющими друг друга). Нити ДНК, в которых основания расположены комплементарно друг другу, называют комплементарными нитями. На рисунке 8 приведены две нити ДНК, которые соединены комплементарными участками.
Участок двуспиральной молекулы ДНК
Модель строения молекулы ДНК предложили Дж. Уотсон и Ф. Крик в 1953 г. Она полностью подтверждена экспериментально и сыграла исключительно важную роль в развитии молекулярной биологии и генетики.
Порядок расположения нуклеотидов в молекулах ДНК определяет порядок расположения аминокислот в линейных молекулах белков, т. е. их первичную структуру. Набор белков (ферментов, гормонов и др.) определяет свойства клетки и организма. Молекулы ДНК хранят сведения об этих свойствах и передают их поколениям потомков, т. е. являются носителями наследственной информации. Молекулы ДНК в основном находятся в ядрах клеток и в небольшом количестве в митохондриях и хлоропластах.
Основные виды РНК. Наследственная информация, хранящаяся в молекулах ДНК, реализуется через молекулы белков. Информация о строении белка передается в цитоплазму особыми молекулами РНК, которые называются информационными (иРНК). Информационная РНК переносится в цитоплазму, где с помощью специальных органоидов — рибосом идет синтез белка. Именно информационная РНК, которая строится комплементарно одной из нитей ДНК, определяет порядок расположения аминокислот в белковых молекулах. В синтезе белка принимает участие и другой вид РНК — транспортная (тРНК), которая подносит аминокислоты к месту образования белковых молекул — рибосомам, своеобразным фабрикам по производству белков.
В состав рибосом входит третий вид РНК, так называемая рибосомная (рРНК), которая определяет структуру и функционирование рибосом.
Каждая молекула РНК в отличие от молекулы ДНК представлена одной нитью; вместо дезоксирибозы она содержит рибозу и вместо тимина — урацил.
Итак, нуклеиновые кислоты выполняют в клетке важнейшие биологические функции. В ДНК хранится наследственная информация о всех свойствах клетки и организма в целом. Различные виды РНК принимают участие в реализации наследственной информации через синтез белка.
Самостоятельная работа
Рассмотрите рисунок 1 и скажите, в чем особенность строения молекулы ДНК. Какие компоненты входят в состав нуклеотидов?
Почему постоянство содержания ДНК в разных клетках организма считается доказательством того, что ДНК представляет собой генетический материал?
Используя таблицу, дайте сравнительную характеристику ДНК и РНК.
Фрагмент одной цепи ДНК имеет следующий состав: —А—А—А—Т—Т—Ц—Ц—Г—Г—. Достройте вторую цепь.
В молекуле ДНК тиминов насчитывается 20% от общего числа азотистых оснований. Определите количество азотистых оснований аденина, гуанина и цитозина.
В чем сходство и различие между белками и нуклеиновыми кислотами?
Вопросы и задания для повторения
Что такое нуклеиновые кислоты? Какие органические соединения служат эле-ментарной составной частью нуклеиновых кислот?
Какие типы нуклеиновых кислот Вы знаете
Чем отличается строение молекулы ДНК и РНК?
Назовите функции ДНК.
Какие виды РНК имеются в клетке?
Выберите правильный на ваш взгляд вариант ответа.
1. Где содержится генетическая информация?
В хромосомах
В генах
В клетках
2. Сколько процентов ДНК необходимо для того, чтобы закодировать все белки тела человека?
3. Как называется последний этап синтеза белка?
Трансляция
4. Что является носителем всей информации клетки?
5. Где находится ДНК?
В цитоплазме клетки
В ядре клетки
В вакуолях клетки
6. Важной частью какого процесса является синтез белков клетки?
Ассимиляции
Аккумуляции
Прострации
7. Затрат чего требует синтез белка?
Энергии
8. Что является источником энергии?
9. Чем определяется функция белка?
Первичной структурой
Вторичной структурой
Третичной структурой
10. Как называется участок ДНК, в котором содержится информация о первичной структуре белка?
Геном
Урок биологии. Нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК).
Нуклеиновые кислоты
Строение и функции нуклеиновых кислот
Нуклеиновые кислоты и их роль в жизнедеятельности клетки. Строение и функции ДНК
Ресурсы
В. Б. ЗАХАРОВ, С. Г. МАМОНТОВ, Н. И. СОНИН, Е. Т. ЗАХАРОВА УЧЕБНИК «БИОЛОГИЯ» ДЛЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ УЧРЕЖДЕНИЙ (10-11класс) .
А. П. Плехов Биология с основами экологии. Серия «Учебники для вузов. Специальная литература».
Книга для учителя Сивоглазов В.И., Сухова Т.С. Козлова Т. А. Биология: общие закономерности.
http://tepka.ru/biologia10-11/6.html
Хостинг презентаций
ПРИРОДНЫЕ ПОЛИМЕРЫ: полисахариды, белки, нуклеиновые кислоты Молекулы полимеров построены из многократно повторяющихся структурных единиц – элементарных звеньев (мономеров)
Полисахариды Полисахариды представляют собой продукты поликонденсации моносахаридов, которые связаны друг с другом гликозидными связями. Таким образом, по химической природе они являются полигликозидами (полиацеталями). В полисахаридах растительного происхождения в основном присутствуют (1→ 4)- и (1→ 6)-гликозидные связи, а в полисахаридах животного и бактериального происхождения дополнительно имеются (1→ 3)- и (1→ 2)-гликозидные связи.
Гликозидная природа полисахаридов обусловливает их способность к гидролизу в кислой среде. Полный гидролиз приводит к образованию моносахаридов и их производных, а неполный к образованию олигосахаридов, в том числе дисахаридов. В щелочной среде полисахариды обладают высокой устойчивостью и не подвергаются распаду.
Крахмал (резервный гомополисахарид растений) представляет собой белое аморфное вещество, нерастворимое в холодной воде. При быстром нагревании крахмала за счет содержания в нем влаги происходит гидролитическое расщепление полимерной цепи на более мелкие осколки, называемые декстринами. Декстрины растворяются в воде лучше, чем крахмал. Крахмал представляет собой смесь двух полимеров, построенных из D-глюкопиранозных остатков – амилозы (1020%) и амилопектина (80 -90%).
В амилозе D-глюкопиранозные остатки связаны α-(1→ 4)-гликозидными связями, т. е. дисахаридным фрагментом амилозы является мальтоза. Цепь амилозы неразветвленная. Она включает 2001000 глюкозидных остатков. Макромолекула амилозы свернута в спираль. При этом на каждый виток спирали приходится шесть моносахаридных звеньев.
Амилопектин отличается от амилозы высокоразветвленным строением. В линейных участках этого полисахарида D-глюкопиранозные остатки связаны α-(1→ 4)-гликозидными связями, а в точках разветвления имеются дополнительные α-(1→ 6)гликозидные связи. Между точками разветвления располагаются 20 -25 остатков глюкозы.
Гликоген (резевный гомополисахарид животных организмов) является структурным и функциональным аналогом крахмала. По строению подобен амилопектину, но отличается от него большей разветвленностью и более жесткой упаковкой молекулы. Сильное разветвление способствует выполнению гликогеном энергетической функции, поскольку при наличии большого числа концевых остатков обеспечивается быстрое отщепление нужного количества глюкозы.
Целлюлоза или клетчатка представляет собой наиболее распространенный структурный гомополисахарид растений. Она состоит из остатков D-глюкопиранозы, которые связанны β-(1→ 4)-гликозидными связями. Т. о. , дисахаридным фрагментом целлюлозы является целлобиоза. Полимерная цепь целлюлозы не имеет разветвлений. В ней содержится 250012000 остатков глюкозы, что соответствует молекулярной массе от 400000 до 1 -2 млн.
Макромолекула целлюлозы имеет строго линейное строение. Благодаря этому внутри цепи, а также между соседними цепями образуются водородные связи. Такая упаковка молекулы обеспечивает высокую механическую прочность, нерастворимость в воде и химическую инертность. Целлюлоза не расщепляется в желудочно-кишечном тракте, поскольку в организме отсутствует фермент, способный гидролизовать β-(1→ 4)гликозидные связи. Несмотря на это, она является необходимым балластным веществом для нормального питания.
Хитин является структурным гомополисахаридом наружного скелета членистоногих и некоторых других беспозвоночных животных, а также клеточных мембран грибов. хитин Хитин построен из остатков N-ацетил D-глюкозамина, связанных между собой α-(1→ 4)-гликозидными связями. Макромолекула хитина не имеет разветвлений, а его пространственная упаковка подобна целлюлозе.
Аминокислоты - гетерофункциональные соединения, молекулы которых содержат одновременно амино– и карбоксильную группы. Пример:
В твёрдом состоянии -аминокислоты существуют в виде диполярных ионов; в водном растворе – в виде равновесной смеси диполярного иона, катионной и анионной форм (обычно используемая запись строения -аминокислоты в неионизированном виде служит лишь для удобства). анион диполярный ион катион
Положение равновесия зависит от р. Н среды. Общим для всех -аминокислот является преобладание катионных форм в сильнокислых (р. Н 1 -2) и анионных – в сильнощелочных (р. Н 13 -14) средах. Положение равновесия, т. е. соотношение различных форм аминокислоты, в водном растворе при определённых значениях р. Н существенно зависит от строения радикала, главным образом наличия в нём ионогенных групп, играющих роль кислотных и основных центров.
Значение р. Н, при котором концентрация диполярных ионов максимальна, а минимальные концентрации катионных и анионных форм -аминокислоты равны, называется изоэлектрической точкой (p. I).
Специфические свойства аминокислот Образование пептидов. Одновременное присутствие в молекулах α–аминокислот аминной и карбоксильной групп обусловливает их способность вступать в реакции поликонденсации, которые приводят к образованию пептидных (амидных) связей между мономерными звеньями. В результате такой реакции образуются пептиды, полипептиды и белки. пептидные связи
Номенклатура пептидов N-концевой аминокислотный остаток (имеющий свободную аминогруппу) пишут с левой стороны формулы, а С-концевой аминокислотный остаток (имеющий свободную карбоксильную группу) с правой стороны: трипептид глицилаланилфенилаланин
Последовательность расположения аминокислотных остатков в одной или нескольких полипептидных цепях, составляющих молекулу белка, – это первичная структура белка.
Кроме первичной, в белковых молекулах выделяют вторичную, третичную и четвертичную структуры. Под вторичной структурой белка подразумевают конформацию полипептидной цепи, т. е. способ её скручивания или складывания в соответствии с программой, заложенной в первичной структуре, в –спираль или β–структуру.
Ключевую роль в стабилизации этой структуры играют водородные связи, которые в α–спирали образуются между карбонильным атомом кислорода каждого первого и атомом водорода NH –группы каждого пятого –аминокислотных остатков
В отличие от –спирали β–структура образована за счёт межцепочечных водородных связей между соседними участками полипептидной цепи
Под третичной структурой белка (субъединицей) подразумевают пространственную ориентацию или способ укладки полипептидной цепи в определенном объеме, которая включает элементы вторичной структуры. Она стабилизируется за счет различных взаимодействий, в которых участвуют боковые радикалы –аминокислотных остатков, находящихся в линейной полипептидной цепи на значительном удалении друг от друга, но сближенные в пространстве за счет изгибов цепи.
а - электростатическое взаимодействие б - водородная связь в - гидрофобные взаимодействия неполярных групп г - диполь-дипольные взаимодействия д - дисульфидная (ковалентная)связь.
Под четвертичной структурой белка подразумевают ассоциированные между собой две или более субъединиц, ориентированных в пространстве. Четвертичная структура поддерживается за счет водородных связей и гидрофобных взаимодействий. Она характерна для некоторых белков (гемоглобин).
Пространственная структура белковой молекулы способна нарушаться под влиянием изменения p. H–среды, повышенной температуры, облучения УФ–светом и т. д. Разрушение природной (нативной) макроструктуры белка называется денатурацией. В результате денатурации исчезает биологическая активность и снижается растворимость белков. Первичная структура белка при денатурации сохраняется.
Биологические функции белков 1. Строительная (структурная). Белки – основа протоплазмы любой клетки, основной структурный материал всех клеточных мембран. 2. Каталитическая. Все ферменты являются белками. 3. Двигательная. Все формы движения в живой природе осуществляются белковыми структурами клеток.
4. Транспортная. Белки крови транспортируют кислород, жирные кислоты, липиды, гормоны. Специальные белки переносят различные вещества через биомембраны. 5. Гормональная. Ряд гормонов относятся к белкам. 6. Запасная. Белки способны образовывать запасные отложения.
7. Опорная. Белки входят в состав костей скелета, сухожилий, суставов и т. д. 8. Рецепторная. Рецепторные белки играют важную роль в передаче нервного или гормонального сигнала в клетку – мишень.
Классификация белков 1. По форме молекул различают фибриллярные (волокнистые) и глобулярные (корпускулярные) белки. Фибриллярные белки нерастворимы в воде. Глобулярные белки растворимы в воде или водных растворах кислот, оснований или солей. Из-за большого размера молекул образующиеся растворы являются коллоидными.
Молекулы фибриллярных белков вытянуты в длину, нитеобразны и склонны группироваться одна около другой с образованием волокон. В некоторых случаях они удерживаются рядом благодаря многочисленным водородным мостикам. Молекулы глобулярных белков сложены в компактные клубочки. Водородные связи в этом случае внутримолекулярные, и площадь соприкосновения между отдельными молекулами невелика. В этом случае межмолекулярные силы относительно слабы.
Фибриллярные белки служат основным строительным материалом. К их числу относят следующие белки: кератин – в коже, волосах, ногтях, рогах и перьях; коллаген – в сухожилиях; миозин – в мускулах; фиброин – в шёлке.
Глобулярные белки выполняют ряд функций, связанных с поддержанием и регуляцией жизненных процессов, - функций, требующих подвижности и, следовательно, растворимости. К их числу относят следующие белки: все ферменты, многие гормоны, например инсулин (из поджелудочной железы), тироглобулин (из щитовидной железы), адренокортикотропныйгормон (АКТГ) (из гипофиза); антитела, ответственные за аллергические реакции и обеспечивающие защиту от чужеродных организмов; альбумин яиц; гемоглобин, являющийся переносчиком кислорода из лёгких в ткани; фибриноген, который превращается в нерастворимый фибриллярный белок фибрин, что вызывает свёртывание крови.
2. По степени сложности белки разделяют на простые и сложные. При гидролизе простых белков получаются только аминокислоты. Сложные белки (протеиды) помимо собственно белковой части содержат небелковые остатки, называемые коферментами и простетическими группами.
К простым белкам относят: - альбумины – водорастворимые белки, составляют 50% всех белков плазмы крови человека, содержатся в белке яиц, молоке, растениях; - глобулины – нерастворимые в воде белки, составляющие большую часть белков семян растений, особенно бобовых и масличных; - проламины – характерны исключительно для семян злаков. Они играют роль запасных белков. В их составе много пролина и глутаминовой кислоты;
- глютелины – содержатся в семенах злаков и бобовых растений; - гистоны – присутствуют в ядрах клеток животных и растений, преобладают в белках хромосом; - протамины – содержатся в половых клетках человека, животных и растений; - протеиноиды – трудно растворимые белки с высоким содержанием серы – фибриллярные белки (фиброин – белок шёлка, кератины белки волос, рогов, копыт, коллагены – белки соединительной ткани).
К сложным белкам относят: - липопротеины = белок + липид. Образуются за счёт водородных связей и гидрофобного взаимодействия. Обязательные компоненты клетичных мембран, крови, мозга; - фосфопротеины = белок + PO 43(остаток фосфорной кислоты связан с серином и треонином). Играют важную роль в питании молодых организмов (казеин молока, вителлин и фосвитин яичного желтка, ихтулин икры рыб);
- металлопротеины = белок + металл (Cu, Ca, Fe, Mn, Zn, Ni, Mo, Se); - гликопротеины = белок + углевод. К ним относятся фибриноген, протромбин (факторы свёртывания крови), гепарин (антисвёртывающее вещество), гормоны, интерферон (ингибитор размножения вирусов животных).
Полимерные цепи нуклеиновых кислот построены из мономерных единиц – нуклеотидов, в связи с чем нуклеиновые кислоты называют полинуклеотидами.
Мономерное звено представляет собой трёхкомпонентное образование, включающее: - гетероциклическое основание, - углеводный остаток, - фосфатную группу.
Входящие в состав нуклеиновых кислот гетероциклические основания пиримидинового и пуринового рядов называют нуклеиновыми основаниями.
Заместители в гетероциклическом ядре нуклеиновых оснований: оксогруппа аминогруппа одновременно обе эти группы
Азотистое основание и углевод связаны между собой N-гликозидной связью. При этом N-гликозидная связь осуществляется между атомом углерода С-1 рибозы (дезоксирибозы) и атомом азота N-1 пиримидинового и N-9 пуринового оснований.
N-гликозиды нуклеиновых оснований с рибозой или дезоксирибозой – нуклеозиды. В зависимости от природы углеводного остатка различают рибонуклеозиды и дезоксирибонуклеозиды. В составе нуклеиновых кислот обнаруживаются только β-нуклеозиды.
РНК Нуклеиновое Урацил основание Цитозин Аденин Гуанин Углевод Рибоза ДНК Тимин Цитозин Аденин Гуанин Дезоксирибоза
Номенклатура нуклеозидов Цитозин + рибоза цитидин Цитозин + дезоксирибоза дезоксицитидин Аденин + рибоза аденозин Аденин + дезоксирибоза дезоксиаденозин -идин у пиримидиновых, -озин у пуриновых нуклеозидов
Нуклеозиды достаточно устойчивы к гидролизу в слабощелочной среде. В кислой среде они подвергаются гидролизу. При этом пуриновые нуклеозиды гидролизуются легче, чем пиримидиновые.
Нуклеотиды - фосфаты нуклеозидов Реакция этерификации между фосфорной кислотой и нуклеозидом обычно осуществляется при С-5 или С-3 атоме в остатке рибозы (рибонуклеотиды) или дезоксирибозы (дезоксирибонуклеотиды).
Номенклатура нуклеотидов Азотистые основания Нуклеозиды (основание + углевод) Мононуклеотиды (нуклеозиды + Н 3 РО 4) Сокращенное обозначение Пуриновые Аденин Аденозин АМФ Гуанин Гуанозин Аденозинмонофосфат (адениловая кислота) Гуанозинмонофосфат (гуаниловая кислота) Пиримиди- Урацил Уридин новые Цитозин Цитидин Тимидин ГМФ Уридинмонофосфат УМФ (уридиловая кислота) Цитидинмонофосфат ЦМФ (цитидиловая кислота) Тимидинмонофосфат ТМФ (тимидиловая кислота)
Аденозин-5"-монофосфат (АМФ) Аденозин-5"-дифосфат (АДФ) Аденозин-5"-трифосфат (АТФ)
циклический 3", 5"-АМФ (ц. АМФ) является естественно встречающимся рибонуклеотидом (он образуется из АТФ в процессе реакции, катализируемой ферментом аденилатциклазой). ц. АМФ наделен рядом уникальных функций и высокой биологической активностью в регуляции процессов обмена, выполняя роль медиатора внеклеточных сигналов в клетках животных.
ДНК в основном содержится в ядрах клеток, а РНК находится в рибосомах и в протоплазме клеток. 3 вида клеточных РНК (различаются по местоположению в клетке, составу и размерам, а также по функциям): - транспортная (т. РНК) - матричная (м. РНК) - рибосомная (р. РНК)
Дж. Уотсон, Ф. Крик 1953 г. Вторичная структура ДНК в виде двойной спирали Молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, правозакрученных вокруг общей оси с образованием двойной спирали, имеющей диаметр 1, 8 – 2, 0 нм. Две нуклеотидные цепи антипараллельны другу (противоположные направления образования фосфодиэфирных связей 5’-3’ и 3’-5’). Пуриновые и пиримидиновые основания направлены внутрь спирали. Между пуриновым основанием одной цепи и пиримидиновым основанием другой цепи возникают водородные связи. Эти основания составляют комплементарные пары.
Основания, располагающиеся внутри спирали, прочно упакованы и не контактируют с водой. Вода контактирует лишь с ОН – группами углевода и фосфатными группами. Водородные связи между комплементарными основаниями – один из видов взаимодействий, стабилизирующих двойную спираль. Две цепи ДНК, образующие двойную спираль, не идентичны, но комплементарны между собой.
Т. е. первичная структура (нуклеотидная последовательность) одной цепи предопределяет первичную структуру второй цепи.
Правила Чаргаффа Количество пуриновых оснований равно количеству пиримидиновых оснований Количество аденина равно количеству тимина; количество гуанина равно количеству цитозина Сумма аденина и цитозина равна сумме гуанина и тимина
Роль комплементарных взаимодействий в осуществлении биологической функции ДНК Комплементарность цепей составляет химическую основу важнейшей функции ДНК – хранения и передачи наследственных признаков. Сохранность нуклеотидной последовательности – залог безошибочной передачи генетической информации.
Однако нуклеотидная последовательность ДНК под действием различных факторов может подвергаться изменениям – мутациям. Мутация – изменение наследственности. Наиболее распространённый вид мутации – замена какой-либо пары оснований на другую. Одной из причин может быть сдвиг таутомерного равновесия. Другие причины – воздействие химических факторов или излучений.
Мутагены – вещества, вызывающие мутации: - мутагены прямого действия, - промутагены, которые сами по себе неактивны, но в организме под действием ферментов превращаются в мутагенные продукты. Типичные мутагены – нитриты и азотистая кислота, которые могут образовываться в организме из нитратов.
Третичная структура ДНК У всех живых организмов двухспиральные молекулы ДНК плотно упакованы с образованием сложных трехмерных структур. Двухцепочечные ДНК прокариот и эукариот суперспирализированы. Суперспирализация необходима для компактной упаковки молекулы в небольшом объеме пространства, а также немаловажно для начала процессов репликации (“снятия копии”), а также для процесса биосинтеза белка (транскрипция). Третичная структура ДНК эукариот в отличие от прокариот функционирует только в комплексе с белками хромосом.
