Биологические молекулы

1. Биологические молекулы

Тема 1
Биологические
молекулы

2. Из чего состоят клетки?

70-80 % – вода
Цитоплазма клетки – водный раствор
различных веществ, большую часть из
которых составляют белки

3. Вещества клетки

Органические
1. Белки
2. Нуклеиновые кислоты
(ДНК и РНК)
3. Углеводы
4. Липиды
5. Витамины, АТФ
Неорганические
Вода,
ионы,
О2,
СО2

4.

Большие
молекулы
Белки
~ 70%
воды
Малые
молекулы и
ионы
ДНК
РНК
Липиды
Углеводы

5. Вещества клетки

Макромолекулы Простые молекулы
(полимеры)
Вся неорганика
Белки
«Кирпичики»
макромолекул
Нуклеиновые кислоты
Витамины, АТФ
Состоят из тысяч
и десятков тысяч
атомов
Углеводы
Липиды

6.

Полимеры
– макромолекулы, состоящие из одинаковых или
сходных структурных единиц – мономеров.
Нерегулярные
(информационные)
Белки
НК
Олигосахариды в
составе белков
Регулярные
АААААА
АБ АБ АБ
гомогетеро-
Углеводы
(полисахариды)

7. Синтез полимеров

Реакция конденсации – отщепление
молекулы воды.
HO
1
3
2
H
Мономер
Полимер
Затрата
энергии
Е
HO
1
H
HO
H2O
2
3
4
H
Синтез
полимера

8. Расщепление полимеров

Реакция гидролиза – присоединение
молекулы воды
HO
1
Выделение
энергии
HO
2
3
4
Е
1
2
H
H2O
Распад
полимера
3
H
HO
H

9. Свойства воды

10.

Процент воды в тканях
Мозг……………….... 70- 85
Мышцы…………….. 75
Кожа……………….... 70
Соединительная…. 60
Кости………………... 25
Жировая……………. 20

11. Уникальные свойства воды

Молекулы полярны – являются диполями
– 0,66 е
+ 0,33 е
+ 0,33 е
–
Диполь
+

12. Водородные связи

электрическое притяжение
между атомами, несущими
частичный отрицательный и
частичный положительный
заряд.
Водородные
связи
очень слабые связи
~ в 10 раз слабее
ковалентной
между молекулами
Благодаря водородным связям вода – жидкость при
обычных на Земле температурах (сравн. с H2S, CH4, NH3)

13.

Полярные
ковалентные
связи
Водородные
связи
Две молекулы воды
Части одной макромолекулы (белка)
водородные связи = силы Ван-дер-Ваальса

14. Полярные группы в органич. молекулах

– ОН
гидроксильная группа
– С=О
кетогруппа
– С=О
Водородные связи
карбоксильная группа
друг с другом и водой
ОН
– NH2
аминогруппа
– Н2РО3
фосфат
Связи
С – С и С – Н – неполярны

15.

Гидрофильные вещества
образуют водородные связи с водой
растворимы
содержат ионы или ковалентные полярные связи

16.

Гидрофобные вещества
не образуют водородных связей
нерастворимы в воде
Ковалентные связи
неполярны
Фобное – к фобному
гидрофобное притяжение

17. Из чего состоят клетки?

Химические элементы
98 %. С, Н, O, N
1.9 %. S, P, Na, K,
Ca, Mg, Fe, Cl
Микроэлементы
Макроэлементы
0,1 %
Сu, Co, Ni, Mn, Mo, Zn, I, F
Ультрамикроэлементы
В, Br, Se,
0,0001 %
Ag, Au, V ...

18.

Жизнь на Земле построена
на основе углерода
Углерод способен
формировать длинные цепочки;
прочные связи со
множеством различных атомов
– Н, О, S, P, N.

19. Б Е Л К И

Тема 1.
Биологические молекулы
БЕЛКИ
Часть 1. Строение.

20.

БЕЛКИ = ПРОТЕИНЫ
(от греч. protos – первый, главный)

21.

Кальмодулин
Гемоглобин
Аденилатциклаза
Гликопротеин
Т-лимфоцитов

22.

Белки – нерегулярные полимеры,
мономерами которых являются аминокислоты
неразветвленные
Мономеры –
20 аминокислот

23. Аминокислота

H
H
N
O
α -атом углерода
С
С
OH
H
Карбоксильная группа
Аминогруппа
R
Радикал

24.

Основа аминокислоты
одинакова у всех аминокислот
H
H
N
α
С
O
С
OH
H
Карбоксильная группа
Аминогруппа
R
Радикал
20 разных

25.

Н+
─
разная у разных а.к.
pH = рI изоэлекрическая точка (общий заряд = 0)
– H+
+ H+
─
Кислотность среды ниже и.точки
Н+
Кислотность среды выше и.точки

26. Хиральная чистота живого

Стереоизомеры
Если группы 1, 2, 3 и 4 - разные
Хиральные объекты –
не равны своему
зеракльному отражению

27.

D-изомер
(лат. dexter — правый)
L-изомер
(лат. laevus — левый)

28. Незаменимые аминокислоты

Организм не может синтезировать сам
→ должны поступать с пищей.
Для человека это:
валин, лейцин, изолейцин, треонин,
метионин, фенилаланин, триптофан,
гистидин, лизин, аргинин.
Этот список приблизительно одинаков у
всех позвоночных, и даже у насекомых.

29. Радикалы аминокислот

N
Радикалы аминокислот
Гидрофобные
(неполярные)
O
Гидрофильные
O
O Полярные O HЗаряженные
CH
C
(ионы)O
2N
Определите Hполярность
радикалов:
CH
C
OH
2N
CH2
CH
H2N C CHOH C
OH
CH2
CH3
CH2
CH2
C
SH
OH─
O

30. Неполярные гидрофобные – 8

Глицин
Гли
Метионин
Мет
Аланин
Ала
Валин
Вал
Фенилаланин
Фен
Лейцин
Лей
Триптофан
Трп
Изолейцин
Иле
Пролин
Про

31. Полярные незаряженные – 7

Серин (Сер)
Треонин (Тре)
Цистеин (Цис)
Аспаргин (Асн)
Глутамин (Глн)
Глицин
Гли
Тирозин (Тир)

32. Заряженные – 5

Аспаргиновая к-та (Асп)
Глутаминовая к-та (Глу)
Аргинин (Арг)
Лизин
Лиз
Гистидин
Гис

33.

Образование цепочки
Энергия
N-конец
Пептидная связь
С-конец

34.

Дипептид
Трипептид
Олигопептид
~ 10
Полипептид

35.

I Первичная структура белка – это
последовательность аминокислот в
полипептидной цепочке, записанная в
порядке N……..C.
(соответствует направлению роста цепочки при
ее синтезе в клетке).
N
Ала
1
Глу
Гис
Гис
Ала
Трп
2
3
4
5
6
Цис
7
Вал
8
Иле
9
C

36.

Первичная структура своя у каждого белка
и определяет все его свойства.
N-конец:
Лей
C-конец:
Глн
Первичная структура мембранного белка
эритроцитов гликофорина А

37.

Белки с одной функцией у родственных
видов имеют сходную I структуру
Количество отличий отражает время их
дивергенции в эволюции
Молекулярная
филогения
Эволюция белка р53 у
позвоночных

38. Эволюция шаперонина-60 за ~1.5 млрд.лет

Растения
и грибы
Животные
Простей
шие
Бактерии
Найдите участки белка, эволюционирующие
быстро и медленно

39.

Сколько разных белков длиной в n
мономеров можно построить из 20
а.к.?
n
20
Средний белок: 300 а.к.
Длина большинства лежит в
пределах 100 – 2 000 а.к.

40.

Как из линейной структуры получается
глобула?
?
Сворачивание
в несколько этапов:
уровни нашего изучения
структуры белка
Первичная
Вторичная
Третичная
Четвертичная

41.

I
II
III
IV

42.

Вторичная структура – сворачивание за счет
водородных связей между атомами основы
цепочки. Одинакова у разных белков.
слой
С
H
O
Аминокислоты
N
C
R
C
C
C C
O
H
O
C
N
H
δ+
H
O
H
N
O
N
O
C
R H
H
N
O
O
C
N
C
N
H
C
R H
H
N
C
H
O
C
N
C
H
R
R
C
O
C
C
R
H
C
R
H
H
O
H C N
O
H
C
C
H
N H C
N
H
H
H
O
H
R
C
C
N
N
C C
R
H
N
C
N
C C
R
O H H
O
R
C
H
O
H
O
H
C
C
R
C
N
H
H
H C N
O
R
O
H
C
C
R
H
C
O
H
N
O
C
C
H
C
H
R
H
C
H
C
C C
R
R
R
N
R
R
C
C
N
H
O
H
N
R
C
H
C
N
R
–
δ
О
H
O
H
спираль
II
C
N
H
H
H C N
O

43.

спираль

44.

слой

45.

46.

В белках сочетаются разные типы вторичной структуры

47.

Встречаемость в белках разных
вторичных структур
Нет II структуры
28% – 35%
18% – 26%
40% – 50%

48.

спирали
~ 30 %
Участки без
вторичной
структуры
~ 50 %
-слои
~ 20 %

49. Лайнус Полинг

Открыл
α-спираль
в 1951

50.

Итак, у нас есть цепочка с
элементами II структуры

51. Третичная структура

III
Третичная структура
Сворачивание за счет взаимодействий
между радикалами аминокислот.
полностью определяется
первичной структурой
Уникальна
для каждого белка

52. Третичную структуру формируют 4 типа связей между радикалами:

1. Ковалентная: S-S мостики
(два цистеина)
И три слабых:
2. Гидрофобное притяжение
3. Ионные
–COO –
4. Водородные
–C=O - - - HO–
+NH
3–

53.

Образование S-S
связей между двумя
остатками цистеина

54.

55.

Гидрофобное притяжение
Гидрофобные –
внутрь
Гидрофильные –
на поверхность,
к воде

56.

Гидрофобное
притяжение
Основа
пептидной
цепочки
Водородная
Дисульфидный
мостик
Ионная

57.

Глобулярный белок
Глобула - шарик
Фибриллярный белок
Фибрилла - нить

58. Образование третичной структуры из элементов вторичной

Домен
Мотив
петля
бочонок

59.

Доменная структура Src белка

60.

Домен – часть белка
пространственно обособленная
сворачивается независимо
выполняет одну функцию
В эволюции домены –
функциональные блоки
из которых строятся
новые белки

61.

Базовых типов
доменов мало –
не более 1 000
Из них
построено
все огромное
многообразие
белков всех
организмов
Holm and Sander. PROTEINS: Structure, Function, and Genetics 33:88–96 (1998)

62.

Белки разных биологических видов
с одной функцией – похожи
по пространственной форме
Хотя первичная последовательность может сильно отличаться

63.

Транспортный белок железа – ферритин
человека (зеленый) и лошади (голубой)

64. Четвертичная структура

IV
Четвертичная структура
Объединение двух и более (до 20)
полипептидных цепочек в один белок.
Одна цепочка = субъединица
Связи – те же, что при
формировании третичной.
Четвертичную структуру
имеют не все белки
(меньше половины)
+

65.

IV
Четвертичная структура
Разные цепочки –
разным цветом

66. Домашнее задание

Уметь нарисовать аминокислоту и
пептидную связь.
Знать, что такое I, II, III и IV
структура
всё!

67.

Английские обозначения аминокислот