5 Водородная связь.

Наряду с силами Ван-дер-Ваальса, водородная связь и электростатические взаимодействия играют важнейшую роль в стабилизации макромолекулярных структур. В частности, водородная связь стабилизирует внутреннюю структуру полинуклеотидных цепей. Водородная связь осуществляется между атомом водорода одной молекулы и электроотрицательным атомом кислорода (О), азота (N), фтора (F), или хлора (Cl), принадлежащего другой молекуле (известны случаи образования и внутримолекулярных водородных связей). Природа водородной связи сложна и не сводится только к электростатическому притяжению, хотя оно и дает основной вклад в энергию водородной связи. Наряду с взаимодействиями Ван-дер-Ваальса и электростатическими силами, в энергию водородной связи (U_H) вносит вклад энергия делокализации (U_делок.) 2^-х электронов связи (А-Н) и неподеленной пары электронов другого атома. (А - какой-либо из 4^-х электроотрицательных элементов). Энергия делокализации приводит к тому, что длина связи уменьшается. Например, для димера муравьиной кислоты:

Для большинства полимеров энергия водородной связи  оценивается:

U_н=_{Uэл/стат}+U_дисп+U_делок+U_отталк, =>

U=-25.2-12.6-33.6+35.3=-36.1 кДж/моль.

Как правило, для большинства биополимеров U_н связи лежит в пределах 1235 кДж/моль.

Физическая природа водородной связи.

Экспериментальные и квантомеханические исследования показывают, что потенциальная энергия водородной связи имеет вид асимметричной кривой с двумя минимумами, локализованными вблизи отрицательных атомов, между которыми протон совершает туннельные переходы.

Потенциальная энергия водородной связи, соответствующая локализации протона около 2-^х различных атомов азота.

Проявление водородной связи в спектрах, приводя к расширению инфракрасных полос поглощения А - Н групп, частоты колеблющихся групп, содержащих водородную связь, снижаются по отношению к их свободному состоянию.

Лекция 2 Биофизики белка.

План

1 Биофизика белка

2 Пространственная организация белка

Белки́ (протеи́ны, полипепти́ды— высокомолекулярные органические вещества, состоящие из соединённых в цепочку пептидной связью альфа-аминокислот. В живых организмах аминокислотный состав белков определяется генетическим кодом, при синтезе в большинстве случаев используется 20 стандартных аминокислот. Множество их комбинаций создают молекулы белков с большим разнообразием свойств. Кроме того, аминокислотные остатки в составе белка часто подвергаются посттрансляционным модификациям, которые могут возникать и до того, как белок начинает выполнять свою функцию, и во время его «работы» в клетке. Часто в живых организмах несколько молекул разных белков образуют сложные комплексы, например, фотосинтетический комплекс.

Кристаллы различных белков, выращенные на космической станции «Мир» и во время полётов шаттлов НАСА. Высокоочищенные белки при низкой температуре образуют кристаллы, которые используют для изучения пространственной структуры данного белка

Функции белков в клетках живых организмов более разнообразны, чем функции других биополимеров — полисахаридов и ДНК. Так, белки-ферменты катализируют протекание биохимических реакций и играют важную роль в обмене веществ. Некоторые белки выполняют структурную или механическую функцию, образуя цитоскелет, поддерживающий форму клеток. Также белки играют ключевую роль в сигнальных системах клеток, при иммунном ответе и в клеточном цикле.

Белки — важная часть питания животных и человека (основные источники: мясо, птица, рыба, молоко, орехи, бобовые, зерновые; в меньшей степени: овощи, фрукты, ягоды и грибы), поскольку в их организмах не могут синтезироваться все необходимые аминокислоты и часть должна поступать с белковой пищей. В процессе пищеварения ферменты разрушают потреблённые белки до аминокислот, которые используются для биосинтеза собственных белков организма или подвергаются дальнейшему распаду для получения энергии.

Биологические функции белков.

Все важнейшие процессы в клетке и организме происходят при обязательном участии белков. Белки-ферменты катализируют все биохимические процессы в клетке, поэтому каталитическая (или ферментативная) функция белков является основной. Ферменты являются необходимыми участниками биосинтеза белков, запрограммированного на генетическом уровне, и одновременно с этим белки служат регуляторами генетических функций нуклеиновых кислот. Механохимическая функция сократительных белков лежит в основе мышечного сокращения. Сократительные белки - это ферменты, в результате каталитической деятельности которых химическая энергия превращается в механическую работу. Существование клетки и целостного организма требует пространственного разграничения мембранами, которые характеризуются различными проницаемостями. Белки, входящие в состав мембран в комплексе с липидами, обеспечивают активный транспорт, как в клетке, так и из нее в направлении против градиента концентрации. Переходя от клетки к многоклеточному организму, мы встречаем новые специфические функции белков.

Белки служат для запасания (примером является миоглобин) и переноса (гемоглобин) кислорода. Эта функция белков сходна с ферментативной, но отличается от нее тем, что молекулярный кислород не испытывает превращений в этих процессах. Специализированные белки высших организмов - гаммаглобулины - защищают организм от чужеродных биополимеров, выполняя тем самым иммунологическую функцию. Специальные (фибриллярные) белки входят в состав кожи, костей, волос, сухожилий и выполняют опорную функцию, обеспечивая не жесткую, но надежную взаимосвязь органов, а также их механическую целостность и защиту.

Реакция организма на большинство внешних воздействий любой природы сводится к перекодированию внешних сигналов на язык белковых взаимодействий.

Основные задачи биофизики белка

Теоретические и экспериментальные исследования белковых молекул, а также надмолекулярных систем, которые ими образованы.

Установление связей первичной структуры белка, т.е. последовательности аминокислотных остатков, и пространственного строения молекул белков.

Изучение физических механизмов биосинтеза белка.

Исследование физических процессов, лежащих в основе биологических функций белков.

Пространственная организация белка

Наиболее часто используемым методом для установления пространственной структуры белковых молекул является рентгено-структурный анализ. В последнее десятилетие достаточно часто используется для этой цели также ЯМР-спектроскопия.

Первым белком, пространственная структура которого была установлена на основе анализа картины диффракции рентгеновских лучей на кристалле этого белка, был фибриллярный белок фиброин шелка (Герцог Р., Янке В., 1920 г.).

Определение пространственных структур глобулярных белков оказалось более трудной задачей. Для этого необходимо было преодолеть проблему получения качественных белковых кристаллов и решить методологические проблемы получения и интерпретации создаваемых ими диффракционных картин. Д. Берналу и Д. Крауфорту первым удалось получить удовлетворительную диффракционную картину глобулярного белка [ Bernal JD et al, 1934 ]. Кристаллы белков необычны в том отношении, что они содержат примерно 50% воды. При длительной экспозиции образец высыхал и кристалличность белка терялась. Авторы разработали метод получения увлажненных кристаллов и получили четкую диффракционную картину от кристаллического пепсина.

Первыми глобулярными белками, элементы пространственной структуры которых были определены с помощью рентгено-структурного анализа их кристаллов, были эдестин , альбумин и эксельстин.

Общие черты пространственных структур различных белков были установлены в работах Л.Полинга и Р.Кори:

1. Длины связей и величины валентных углов всех пептидых груп - одинаковы.

2. Все атомы пептидной группы расположены в одной плоскости и предпочтительной конфигурацией пептидной группы является транс-конфигурация

3. Полипептидная цепь полностью насыщена водородными связями

4. Двухгранные углы вращения вокруг связей N - Cа и Cа - С' отвечают минимумам торсионных потенциалов, а расстояния между всеми валентно не связанными атомами превышают суммы ван-дер-ваальсовых радиусов.

5. Конформационные состояния всех звеньев полипептидной цепи эквивалентны.

Полинг и Кори , проанализировав большой экспериментальный материал по пространственным структурам фибриллярных, глобулярных белков и синтетических пептидов, пришли к заключению об их структурной общности и сформулировали гипотезу, согласно которой альфа-спираль и складчатая бэта-структура имеют фундаментальное значение в пространственной организации белковых молекул и что структуры фибриллярных, глобулярных белков и синтетических пептидов могут быть описаны с помощью небольшого числа канонических форм - некоторых структурных блоков.

Количественные исследования кристаллографических моделей белков позволили получить новые опытные данные об упаковке атомов в глобуле и об атомной плотности белковых молекул. Нативное состояние белковой молекулы имеет очень высокий коэффициент упаковки, в среднем 75% ( с вариацией от 68 до 82 %; Lee B et al, 1971 ]). Для сравнения, - у правильных сферических тел этот коэффициент равен 74 % , а у молекул жидкой воды и жiдкого циклогексана cоставляет соответственно 58 и 44 %.

По плотности упаковки белки очень близки кристаллам малых органических молекул (70-78 %) , связанных между собой дисперсионными, лондоновскими силами. Из-за высокой плотности упаковки белки отличабтся слабой сжимаемостью. Так их коэффициент сжимаемости меньше, чем у масла, и практически совпадает с коэффициентами сжимаемости олова и каменной соли.

Плотность белка не одинакова во всех частях глобулы. Y. Козман [ Kauzmann W, 1959 ] , например, нашел , что плотность центральеной части ниже кажущейся плотности белковой молекулы в растворе. Низкая плотность и даже " пустоты", т.е. области, не заполненные атомами белка , встречаются в различных частях глобулы. Как правило, в них находятся единичные молекулы воды, связанные с аминокислотными остатками водородными связями. Молекулы воды обнаруживаются рентгеноструктурным анализом и составляют с белком как бы единое целое.

Интересно, что белки, содержащие большое число дисульфидных связей, не отличаются повышенными коэффициентами упаковки и большей плотностью. Аминокислотная последовательность в состоянии статистического клубка ( денатурированное состояние ) характеризуется большой гибкостью. Обычно полагают, что остаток в свободном состоянии обладает в среднем десятью приблизительно равновероятными конформациями. В нативной структуре белка из них у каждого остатка реализуется только одна, а в статистическом клубке могут попеременно присутствовать все десять. Поэтому у развернутой полипептидной цепи возможно огромное количество примерно изоэнергетических конформаций ( приблизительно 10ⁿ , где n - число остатков в цепи)

Лекция 3 Биофизика нуклеиновых кислот

План

1 Биофизика нуклеиновых кислот

2 Структура и особенности организации нуклеиновых кислот

3 Физический смысл генетического кода

1 Биофизика нуклеиновых кислот

Нуклеи́новая кисло́та (от лат. nucleus — ядро) — высокомолекулярное органическое соединение, биополимер (полинуклеотид), образованный остатками нуклеотидов. Нуклеиновые кислоты ДНК и РНК присутствуют в клетках всех живых организмов и выполняют важнейшие функции по хранению, передаче и реализации наследственной информации.

Нуклеиновые кислоты (НК).

НК являются обязательными участниками процессов синтеза белков. Основная цепь НК состоит из чередующихся звеньев фосфорной кислоты и сахара (рибозы в РНК; дезоксирибозы в ДНК). К сахарам присоединяются азотистые основания, которые уже не повторяют друг друга.

Общая схема строения цепи:

Рибоза

Дезоксирибоза

Подобно тому, как в белках фигурируют 20 аминокислотных остатков, так в ДНК и РНК фигурируют 4 азотистых основания. Но это правило менее строгое и наряду с каноническими основаниями встречаются производные от них - минорные основания. В ДНК фигурируют цитозин (Ц), тимин (Т), аденин (А), гуанин (Г); в РНК - цитозин (Ц), тимин (Т), аденин (А), урацил (У).

Цитозин

Тимин

Для всех азотистых оснований характерно наличие центрального кольца по типу бензольного. Наличие двойных связей приводит к наличию делокализованных электронов, принадлежащих всему кольцу.

Соединения азотистых оснований с рибозой и дезоксирибозой называются нуклеозидами ( соответственно, рибонуклеозиды и дезоксирибонуклеозиды).

Пример.

Аденозин

Аналогичные нуклеозиды Г, Т, У называются соответственно: гуанозин, тимидин, уридин.

В результате фосфорелирования образуются ди- и трифосфаты. Эти мономерные соединения играют важнейшую роль в биоэнергетических процессах.

Структурная схема.

Вместо R:

Аденозиндифосфат (АДФ):

Аденозинтрифосфат (АТФ):

Образование нуклеиновой кислоты происходит путем поликонденсации нуклеозидтрифосфата. При включении в цепь каждого нуклеозида отщепляется одна молекула дифосфата - пирофосфорная кислота.

Нуклеиновые кислоты подобно белковым цепям являются линейными неразветвленными цепями. Первичная структура нуклеиновой кислоты определяется последовательностью азотистых оснований. Первичная структура ДНК была расшифрована в 1962 году, и сегодня существует правило синтеза полинуклеотидных цепей. Одно из нескольких экспериментальных правил, справедливых для ДНК, - правило Чаргаффа (с точностью 3 - 5%):

ДНК содержится в основном в хромосомах клетки и ее молекулярный вес достигает миллиардов (самые длинные биополимеры). РНК содержится в цитоплазме ядер клеток, в растительных вирусах и фагах.

Принято различать четыре типа РНК:

Рибосомальная РНК (молекулярный вес - 2*10⁶);

Матричная РНК (3*10⁴ - 7*10⁴) {так как средний вес рибонуклеотида равен 224, то самые короткие цепи матричной РНК содержат более 150 нуклеотидов;

Транспортная РНК (2*10⁴) (около 80 нуклеотидов);

Вирусная РНК.