Типовые тесты текущего контроля.

№ 1. Выберите уравнение представляющее первое начало термодинамики:

1. 3.

2. 4.

№ 2. Назовите органы или ткани в которых световая энергия превращается в химическую:

1. Мышечные ткани;

2. Внутреннее ухо;

3. Фоторецепторы сетчатки глаза;

4. светящиеся ткани рыб и насекомых;

5. Все клетки биоткани.

№ 3. Потребление одного литра кислорода или выделение одного литра углекислого газа организмом сопровождается выделением:

1. 25,5 кДж теплоты;

2. 21,35 кДж теплоты;

3. 20,08 кДж теплоты.

№ 4. Найдите выражение для свободной энергии (потенциал Гельмгольца):

1. ;

2. ;

3. ;

4. ;

5. .

№ 5. Выберите выражение характеризующее значение удельной теплопроводности:

1. ;

2. ;

3. ;

4. ;

5. .

Лекция 3. Молекулярная биофизика

Жизнь - это строение

белковых тел.

Ф. Энгельс

Организм животных и человека представляет собой сложную систему, состоящую из больших и малых молекул, клеточных органоидов, клеток и тканей. Молекулярная биофизика изучает строение и физико-химические вещества молекул, прежде всего полимеров – белков и нуклеиновых кислот.

Молекулярная биофизика органически вписывается в биофизику клетки, которая рассматривает строение и функциональность клеточных и тканевых систем.

Одним из теоретических аппаратов, как молекулярной биофизики, так и биофизики клетки является равновесная термодинамика, рассмотренная выше.

Живая клетка “живого” организма представляет собой химическую, биохимическую машину. Клетка существует благодаря химическим превращениям веществ, поступающих извне, и выделению веществ в окружающую среду в результате метаболизма. Таким образом, биология и биофизика неразрывно связаны с химией и биохимией. Так, в союзе биологии с физикой возникла молекулярная биофизика. Доказано, что живая природа характеризуется единством химического строения, а основные вещества и основные химические механизмы едины во всей живой природе. Так:

1) все белки строятся из двадцати аминокислот;

2) все нуклеиновые кислоты - из четырех нуклеотидов;

3) одни и те же атомные структуры существуют во всех организмах. Наблюдаются однотипные и фундаментальные биохимические процессы;

4) разнообразие организмов определяется также разнообразием сочетания одних и тех же атомных групп и их взаимодействием;

5) и, наконец, строение и свойства клетки диктуются нуклеиновыми кислотами ДНК и РНК, которые обладают «законодательной властью» в том смысле, что ими задается генетическая программа синтеза белков. В свою очередь, белки обладают «исполнительной властью», так как ни одна химическая реакция в клетке не идет без участия специального фермента.

3.1. Белковые молекулы. Структура белка

Изучение физических механизмов, которые ответственны за биологическую функциональность молекул, за каталитическую активность белков – ферментов, является одной из основных задач молекулярной биофизики. Белки – ферменты катализируют все химические, электрохимические и механические процессы в клетках и организмах. Белки – непрерывные участники всех процессов жизнедеятельности. Они определяют все метаболические процессы.

Молекулы белков – самые сложные из известных науке. Их биологически функциональная пространственная структура, а также структура надмолекулярных систем, содержащих белки, определяются как химическими связями в белковых цепях, так и целой гаммой слабых взаимодействий.

Химические, так называемые ковалентные, связи относятся к сильным взаимодействиям. Сильные связи образуются внешними электронами атомов. Теория ковалентных связей, относящихся к сильным взаимодействиям, основана на квантовой механике.

Ковалентные связи наблюдаются в ходе биохимических реакций, которые катализируются ферментами, вследствие чего происходит перестройка химических связей и электронных оболочек атома. К слабым, не химической природы, молекулярным взаимосвязям можно отнести:

1) ионные связи, которые описываются законом Кулона, согласно которому энергия взаимодействия между двумя ионами с зарядами е₁ и е₂ будет равна:

, (3.1)

где r - расстояние между ионами, Н·м;

. (3.2)

Ионные связи образуются между ионными группами в белках и между фосфатными группами в нуклеиновых кислотах;

2) ион-дипольные взаимодействия, которые образуются между ионами и полярными группами молекул; они определяются зарядом иона и дипольным моментом взаимодействующей с ним атомной группы;

3) ориентационные силы – электростатические взаимодействия между атомами, определяемые электрическим моментом атома , где p – момент диполя, Кл·м; q – заряд, Кл; l – расстояние между зарядами, нм;

4) индукционные силы. Данные силы возникают в том случае, когда диполь атома или молекулы ионизирует в другой молекуле или группе атомов дипольный момент;

5) дисперсионные силы, или силы Ван-дер-Ваальса. Это взаимодействие валентных насыщенных электронных оболочек атомов и молекул. В данном случае силы взаимодействия не зависят от наличия электрических зарядов, дипольных моментов и т.д. Дисперсионные силы имеют квантово-механическую структуру. Они играют значительную роль в межмолекулярных взаимодействиях атомных групп и молекул с насыщенными валентными связями;

6) водородные связи. Это специфические донорно-акцепторные взаимодействия, определяющие строение и свойства воды. Они играют важную роль в формировании структур биополимеров в их взаимодействиях с малыми молекулами;

7) гидрофобные взаимодействия – силы специфического отталкивания между неполярными атомными группами и молекулами воды. Это энтропийный эффект, который определяется особенностями структуры воды как конденсированной системы. Гидрофобные взаимодействия играют важнейшую роль в формировании структуры белков.

В организме животных и человека белки выполняют особые функции. Они служат для хранения и переноса кислорода. Эти функции выполняет миоглобин, гемоглобин и гемоциалин. Низкомолекулярные белки (полипептиды) являются гормонами. Гамма–глобулины защищают организм от чужеродных биополимеров, функционируя в качестве антител в иммунных процессах.

Наконец, белки, входящие в состав соединительной ткани, хрящей и сухожилий, а также белки кожи волос выполняют опорную функцию, обеспечивая надежную и в то же время подвижную взаимосвязь органов, целостность организма и его защиту от внешних взаимодействий.

Таким образом, белки выполняют функцию запаса, передачи, транспортирования и рецепции химических сигналов.

Белки, входящие в состав рецепторных систем организма, обладают свойствами перекодирования внешних сигналов на химический и электротехнический язык.

С помощью специальных методов, в частности электрофореза, можно разделить белки сыворотки крови. Электрофоретическая скорость зависит от суммарного заряда его молекулы при данных значениях pH и ионной силы. Регистрация электрофоретической картины производится с помощью оптических методов (фотоэлектроколириметрии). Получаемая электрофореграмма, как правило, состоит из ряда пиков, которые ответственны за компоненты смеси. Площадь пика характеризует количество соответствующего компонента (рис.3.1).

Рис. 3.1. Электрофореграмма

Для электрофореза белков характерны следующие компоненты: альбумин, белок, имеющий положительный заряд, и глобулины, имеющие отрицательный заряд и которые разделяются на фрагменты [α₁; α₂; β; γ и δ], отличающиеся по массе.

Биологические молекулы и макромолекулы имеют строго определенный состав и строение. Биологические молекулы построены из атомов легких элементов: C, H, O, N, P, S. В организме универсальную роль играют ионы щелочных и щелочно-земельных металлов: Na, K, Ca, Мg, а также определенную роль малые количества металлов: Fe, Zn и т.д.

Организм человека содержит (в атомных процентах): H - 60,56; O - 25,67; C - 10,68; N - 2,44; Ca - 0,23; P - 0,13; S - 0,13; Na - 0,08; K - 0,04; Cl - 0,03; Mg - 0,01 и небольшое количество Fe, Zn, Cu, CO, Se, F.

Избыток H и O определяется большим содержанием воды. Как уже отмечалось, все белки построены из 20 типов аминокислот. В белках преимущественно фигурируют остатки α-аминокислоты, имеющие строение:

^,

где R - углеводородный радикал, или содержащий помимо C и H и другие атомы: O, S, N.

Как показывает изучение электрических свойств аминокислот, их строение выражается формулой дипольного иона

^.

Образование белковой, или полипептидной, цепи происходит путем конденсации аминокислот, в результате чего образуются пептидные связи NH-CO – 20 канонических аминокислотных остатков -CO-CHR-NH-, которые классифицируются по электрохимическим составам, среди которых углеводородные остатки, остатки, содержащие гидроксид, амидную группу, карбонатную группу, серу и ароматические – π-электронные циклы. Это обусловливает все многообразие свойств и строений белков.

Денатурация белка – это утрата им биологической функциональности при нагревании, воздействии кислот и оснований и т.д. Она состоит в разрушении слабых взаимодействий и, вследствие этого, в превращении апериодического кристалла (глобутерного и фибриллярного) в статистический клубок.

Чаще всего молекулы белков состоят из одного или нескольких идентичных аминокислотных остатков. Характерные молекулярные массы отдельных полипептидных цепей в белках порядка 20000, что соответствует 150…180 остаткам. Молекулы, содержащие менее 100 остатков, считаются не белками, а полипидами. К ним относятся некоторые гармоны. Пептидная связь -CO-NH- соединяет аминокислотные остатки в белки и имеет специфическое строение. Это было установлено рентгеноструктурным анализом. Белок расщепляется на аминокислоты в результате гидролиза, который происходит при действии на белок щелочей, кислот, а также ферментов протеаз, катализирующих разрыв пептидных связей.

Гидролизат – раствор смеси аминокислот, который катализируется методом хроматографии. Протеапептический гидролиз происходит при пищеварении. Белки пищи расщепляются в пищеварительном тракте на аминокислоты, из которых строятся заново белки, которые необходимы организму. Состав белков неравномерен, так как различные аминокислотные остатки представлены в белках с разными частотами.

Последовательность аминокислотных остатков в белковой цепи называется ее первичной структурой. Определение первичной структуры производится путем частичного гидролиза белка с помощью протеаз, катализирующих расщепление пептидной связи лишь между определенными остатками. Зная строение пептидов, полученных при гидролизе различными ферментами, можно установить первичную структуру белков.

Первичная структура белка - это своего рода текст, написанный двадцатибуквенным алфавитом. Смысл и содержание этого текста состоит в биологическом функционировании белка, которое определяется структурой.

В белковых текстах запечатана биологическая эволюция - сопоставление гомологичных белков, которые выполняют одну и ту же функцию в разных видах, позволяющих выявить различия в текстах. Эти различия определяются мутационными замещениями аминокислотных остатков тем больше, чем дальше отстоят друг от друга биологические виды.

Первичная структура белка данного вида может изменяться в результате мутации. Возникают «опечатки» в белковом тексте, отрицательно сказывающиеся на функции белка. Так ряд наследственных заболеваний крови связан с мутациями гемоглобина.

Гемоглобин человека состоит из четырех цепей – двух цепей «α», содержащих по 141 остатку, и двух цепей «β», содержащих по 146 остатков. Таким образом, замена всего лишь двух остатков из 287 приведет к весьма серьезным последствиям. В этом случае некоторые нейтральные остатки изменяются кислотами. В настоящее время известно более 100 мутацитных гемоглобинов человека.

Рассмотрим связь между первичной и пространственной структурами белка.

Доказано, что построение молекулярных и немолекулярных структур всегда происходит в два этапа: 1) биосинтез соответствующих больших и малых молекул и 2) самосборка структуры. Биосинтез и самосборка, как показали эксперименты, основаны на «молекулярном узнавании», которое осуществляется благодаря слабым взаимодействиям. Самосборка осуществляется генетически, то есть кодируется биосинтез, формируется первичная структура белка. Причем естественный отбор белков идет по пространственным, третичным и четвертичным структурам. Все современные научно-исследовательские работы, как правило, посвящены структуре так называемой глобулы, то есть образованию апериодического кристалла, являющегося конечным результатом самосборки белка.

Доказано, что белок может быть разделен на спиральные формы с изгибами и петлями. Два или три соседних по цепи структурных сегмента, как правило, образуют элементарные комплексы – «шпильки» из аминокислотных α-спиралей. Так же возникают β-«шпильки», прикрытые α-спиралью. Далее возникает «домен», то есть компактная структура, построенная из нескольких элементарных комплексов и структурных сегментов. Глобулы малых белков состоят из одного домена.

Самосборка глобулы характеризуется двумя основными путями. Это формирование плоской β-структуры, с последующим прилипанием к ней α-спирали, и, наконец, формирование β-«шпильки», с последующим изломом.

Доказано, что одному и тому же пространственному строению белка могут отвечать различающиеся последовательности аминокислотных остатков. Таким образом, можно предположить, что биологическая физика белка в какой- то степени определяется его пространственным строением, а α-спирали и β-формы являются вторичными структурами белка.

Доказано, что α-спирали и β-формы представлены в белке лишь частично. Они перемежаются неупорядоченными участками, благодаря которым белковая макромолекула сворачивается в глобулу, приобретая определенную пространственную, третичную структуру. В некоторых случаях белок обладает четвертичной структурой. В данном случае белковая система состоит из ряда глобул. Так, молекула гемоглобина состоит из четырех глобул, а белковая оболочка вируса табачной мозаики - из 2000 идентичных глобул.

Таким образом, белок – это многоуровневая система. Характер структуры ее на каждом уровне организации определяется геометрическими свойствами структур предыдущего уровня, силами взаимодействия их элементов и взаимодействия этих элементов с окружающей средой.

Доказано, что глобула белка формируется слабыми силами – электростатическими, Ван-дер-Ваальсовыми, а также водородными связями и, прежде всего, гидрофобными взаимодействиями. Глобулярные белки функционируют только в водном окружении. Вода влияет на водородную связь. Молекулы белка содержат как полярные, так и неполярные группы и располагаются таким образом, что первые группы контактируют с водой, а вторые удаляются из водного окружения белка. Среди аминокислотных остатков, из которых состоит белок, имеются полярные, неполярные и гидрофобные. Предполагают, что центральная часть глобулы белка - ее сердцевины должна быть гидрофобной («жирной»), а внешняя поверхность – гидрофильной («мыльной»). Водное окружение белка стабилизирует его электростатические солевые связи. Взаимодействие воды на солевую связь отличается от гидрофобного: солевые связи усиливаются, а гидрофобные ослабляются при добавлении неводных растворов.

Опыты показывают, что возможны фазовые переходы статического клубка в глобулу и обратно, то есть глобула является конденсированной кристаллической системой. Фазовый переход «белковая глобула – клубок» является переходом первого рода. Этот переход происходит при денатурации белка. Экспериментальное и теоретическое изучение денатурации белков дает информацию о степени стабильности белка (изменение его свободной энергии), таким образом, денатурация белков дает информацию об устойчивости внутренних связей, об электронно-конформационных взаимосвязях.

Существует корреляция между денатураций белков и температурой белка организма. Чем ниже температура тела, тем слабее внутримолекулярные взаимодействия, ответственные за жесткость молекулы, и тем ниже должна быть температура денатурации. Здесь особо важную роль играют междоменные взаимодействия в глобуле и электростатическое взаимодействие в солевых мостиках. С денатурацией белка хорошо коррелирует протеолиз, то есть гидролитическое расщепление белка осуществляют с помощью протеолитических ферментов; чем выше термостабильность белка, тем труднее он расщепляется.