КНОРРЕ_3227
.pdf
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ НОВОСИБИРСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ФАКУЛЬТЕТ ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК
Д. Г. Кнорре, Т. С. Годовикова, С. Д. Мызина, О. С. Федорова
БИООРГАНИЧЕСКАЯ
ХИМИЯ
Учебное пособие
Новосибирск
2011
УДК 547(075)
ББК Г2я73-1
Б635
Биоорганическая химия: Учебное пособие / Д.Г. Кнорре, Т.С. Годовикова, С.Д. Мызина, О.С. Федорова; Новосиб. гос. ун-т. Новосибирск, 2011. 480 с.
ISBN 978-5-94356-996-8
Предлагаемое учебное пособие рассчитано на читателей, желающих получить представление о современном состоянии биоорганической химии - одной из главных дисциплин, составляющих современную физико химическую биологию и нацеленных на понимание химических и физических основ строения и функционирования живых организмов.
Рецензент д-р хим. наук Э. Г Малыгин
© Новосибирский государственный университет, 2011
ISBN 978-5-94356-996-8 О Кнорре Д. Г., Годовикова Т. С.,
Мызина С. Д., Федорова О. С., 2011
Оглавление |
|
Предисловие........................................................................................................... |
9 |
Введение............................................................................................................... |
11 |
Глава 1. Нуклеиновые кислоты. Строение и главные функции.............. |
15 |
§ 1.1. Мономеры, формирующие нуклеиновые кислоты........................... |
15 |
§ 1.2. Фосфодиэфирные связи. Первичная структура |
|
нуклеиновых кислот. Образование межнуклеотидных связей................. |
17 |
§ 1.3. Комплементарные последовательности нуклеотидов..................... |
20 |
§ 1.4. Прокариоты и эукариоты. Хромосомы и хроматин......................... |
22 |
§ 1.5. Матричные ферменты. Репликация ДНК.......................................... |
23 |
§ 1.6. РНК-полимеразы. Транскрипция....................................................... |
24 |
§ 1.7. Трансляция и генетический код......................................................... |
26 |
§ 1.8. Посттранскрипционные и пострепликационные |
|
превращения нуклеиновых кислот.............................................................. |
29 |
§ 1.9. Вирусы и инфекционные нуклеиновые кислоты............................. |
34 |
Глава 2. Биоорганическая химия нуклеотидов и нуклеиновых кислот.. |
36 |
§ 2.1. Нуклеотиды.......................................................................................... |
36 |
2.1.1. Негенетические нуклеозид-5 ’-трифосфаты. |
|
Нуклеозидциклофосфаты...................................................................... |
36 |
2.1.2. Конформация полинуклеотидной цепи. Взаимная |
|
ориентация пентозного гетероцикла в нуклеиновых кислотах........ |
37 |
2.1.3. Спектральные характеристики нуклеозидов |
|
и нуклеотидов......................................................................................... |
39 |
§ 2.2. Реакции по гетероциклическим основаниям.................................... |
41 |
2.2.1. Реакционные центры в гетероциклических основаниях........... |
41 |
2.2.2. Таутомерные превращения и кислотно-основные свойства |
|
нуклеозидов и нуклеотидов.................................................................... |
43 |
2.2.3. Реакции с электрофшънымиреагентами................................. |
46 |
2.2.4. Присоединение нуклеофильныхреагентов по атомам С6 |
|
и С4 пиримидиновых оснований............................................................ |
48 |
2.2.5. Реакции по атомам N пиридинового типа. |
|
Метилирование гетероциклов............................................................... |
51 |
2.2.6. Реакции по NH-C=0 группам...................................................... |
52 |
2.2.7. Окисление по двойной связи С5=С6............................................ |
53 |
2.2.8. Реакции по экзоциклическим аминогруппам.............................. |
53 |
2.2.9. Реакции с бифункциональнымиреагентами.............................. |
54 |
2.2.10. Фотохимические реакции пиримидиновых гетероциклов..... |
55 |
2.2.11. Реакции гетероциклических оснований со свободными |
|
радикалами.............................................................................................. |
57 |
§ 2.3. Реакции по углеводным остаткам....................................................... |
58 |
4 |
Оглавление |
|
|
§ 2.4. Реакции по остаткам фосфорной кислоты......................................... |
62 |
|
§ 2.5. Расщепление фосфодиэфирных связей в нуклеиновых кислотах .... |
66 |
Глава 3. Первичная структура нуклеиновых кислот................................. |
69 |
|
|
§ 3.1. Общие принципы установления первичной структуры |
|
|
биополимеров................................................................................................ |
69 |
|
§ 3.2. Фрагментация ДНК............................................................................. |
70 |
|
§ 3.3. Прямое секвенирование полидезоксирибонуклеотидов.................. |
73 |
|
§ 3.4. Сборка полной структуры полидезоксирибонуклеотида (генома).. 78 |
|
|
§ 3.5. Банки данных для последовательностей нуклеотидов |
|
|
в нуклеиновых кислотах............................................................................... |
79 |
Глава 4. Пространственная структура нуклеиновых кислот. |
|
|
Ее значение для функционирования нуклеиновых кислот....................... |
82 |
|
|
§ 4.1. Двуспиральные нуклеиновые кислоты. А-, В- и Z-формы |
|
|
нуклеиновых кислот. Суперспирализация.................................................. |
82 |
|
4.1.1. Уотсон-криковские взаимодействия.......................................... |
82 |
|
4.1.2. Стекинг-взаимодействия. Интеркаляция. Плавление |
|
|
дуплексов. Гибридизация........................................................................ |
84 |
|
4.1.3. Искажения структуры дуплекса. Суперспирализация............. |
88 |
|
4.1.4. Трех- и четырехнитевые структуры......................................... |
92 |
|
§ 4.2. Однонитевые нуклеиновые кислоты. Шпилечные структуры. |
|
|
Псевдоузлы.................................................................................................... |
93 |
|
§ 4.3. Применение химической модификации для изучения |
|
|
пространственной структуры нуклеиновых кислот................................... |
97 |
Глава 5. Химико-ферментативный синтез нуклеиновых кислот.......... |
100 |
|
|
§ 5.1. Общая стратегия синтеза нуклеиновых кислот. Защитные |
|
|
группы.......................................................................................................... |
100 |
|
§ 5.2. Методы образования межнуклеотидных связей............................. |
102 |
|
§ 5.3. Синтез олигорибонуклеотидов........................................................ |
105 |
|
§ 5.4. Твердофазный метод синтеза олиго- и полинуклеотидов. |
|
|
Автоматические методы в олигонуклеотидном синтезе......................... |
107 |
|
5.4.1. Твердофазный синтез олигонуклеотидов................................ |
107 |
|
5.4.2. Олигонуклеотидные микрочипы................................................ |
111 |
|
§ 5.5. Полимеразная цепная реакция......................................................... |
113 |
|
§ 5.6. Соединение олигонуклеотидов, расположенных |
|
|
стык в стык на комплементарной матрице............................................... |
116 |
|
§ 5.7. Производные и аналоги олигонуклеотидов.................................... |
119 |
Глава 6. Белки. Основные принципы строения и функции................... |
123 |
|
|
§ 6.1. Аминокислоты и полипептиды........................................................ |
123 |
|
6.1.1. Аминокислотный состав белков и первичная структура..... |
123 |
|
6.1.2. Конформации и пространственная структура...................... |
128 |
|
6.1.3. Кислотно-основные свойства аминокислот и белков. |
|
|
Изоэлектрические точки..................................................................... |
128 |
|
6.1.4. Спектральные свойства аминокислот и белков..................... |
130 |
|
§ 6.2. Основные функции белков............................................................... |
130 |
|
5 |
6.2.1. Белки как катализаторы (ферменты) |
130 |
6.2.2. Регуляторные функции белков. Основные регуляторные |
|
системы животных............................................................................. |
131 |
6.2.3. Основные белки иммунной системы......................................... |
134 |
6.2.4. Белковые факторы транскрипции и трансляции................... |
137 |
6.2.5. Специальные функции белков.................................................... |
138 |
Глава 7. Биоорганическая химия аминокислот и белков....................... |
141 |
§ 7.1. Пептидная связь. Установление аминокислотного состава |
|
пептидов и белков........................................................................................ |
142 |
§ 7.2. Определение концевых амино- и карбоксильных групп............... |
144 |
§ 7.3. Химическая модификация функциональных групп белков........... |
146 |
7.3.1. Химическая модификация белков.............................................. |
146 |
7.3.2. Реакции нуклеофильного замещения......................................... |
148 |
7.3.3. Реакции нуклеофильного присоединения-отщепленш |
|
(элиминирования)................................................................................. |
157 |
7.3.4. Реакции электрофшъного замещения...................................... |
161 |
7.3.5. Реакции по гуанидиновой группе аргинина.............................. |
161 |
7.3.6. Окислительно-восстановительные реакции........................... |
162 |
§ 7.4. Посттрансляционная модификация белков..................................... |
164 |
Глава 8. Первичная структура пептидов и белков.................................... |
174 |
§ 8.1. Общие принципы установления первичной структуры белков. |
|
Специфическая фрагментация полипептидных цепей............................ |
174 |
§ 8.2. Секвенирование пептидов. Метод Эдмана. |
|
MS/MS-секвенирование.............................................................................. |
181 |
§ 8.3. Банки данных для последовательностей аминокислот в белках... |
185 |
Глава 9. Пространственная структура белков........................................... |
187 |
§ 9.1. Вторичная, третичная и доменная структура белков..................... |
187 |
9.1.1. Глобулярные белки. Формирование их |
|
пространственной структуры. Шапероны. Прионы....................... |
187 |
9.1.2. Вторичная структура белков. а-Спирали и /3-складки.......... |
189 |
9.1.3. Третичная структура белков................................................... |
193 |
9.1.4. Фибриллярные белки................................................................... |
197 |
§ 9.2. Белки, состоящие из нескольких полипептидных цепей |
|
(четвертичная структура белков). Нуклеопротеиды............................... |
198 |
Глава 10. Химический синтез пептидов и белков..................................... |
203 |
§ 10.1 Общие проблемы химического синтеза полипептидов................ |
203 |
§ 10.2 Методы образования пептидных связей. Метод смешанных |
|
ангидридов................................................................................................... |
205 |
§ 10.3. Карбодиимидный метод синтеза................................................... |
208 |
§ 10.4. Метод активированных сложных эфиров..................................... |
211 |
§ 10.5. Защитные группы в пептидном синтезе. Блокирование |
|
а-аминогрупп............................................................................................... |
214 |
§ 10.6. Блокирование а-карбоксильных групп.......................................... |
218 |
§ 10.7. Блокирование боковых групп в аминокислотах........................... |
219 |
6 |
Оглавление |
|
§ 10.8. Механизм рацемизации производных аминокислот и пептидов. 236 |
||
§ 10.9. Твердофазный синтез пептидов. Автоматизация синтеза.......... |
239 |
|
§ 10.10. Образование дисульфидных мостиков в синтетических |
|
|
пептидах....................................................................................................... |
243 |
|
Глава 11. Химические методы получения производных белков |
|
|
и нуклеиновых кислот (дериватизация). Методы и задачи.................... |
247 |
|
§ 11.1. Иммобилизация биополимеров на нерастворимых носителях.... |
247 |
|
§ 11.2. Введение меток в белки и нуклеиновые кислоты для их |
|
|
последующей детекции.............................................................................. |
252 |
|
Глава 12. Специфические взаимодействия биополимеров. |
|
|
Природа и применение в биоорганической химии.................................... |
255 |
|
§ 12.1. Аффинные сорбенты....................................................................... |
255 |
|
§ 12.2. Аффинная модификация биополимеров. Необратимые |
|
|
ингибиторы ферментов и рецепторов....................................................... |
257 |
|
§ 12.3. Антисмысловые нуклеиновые кислоты и их аналоги.................. |
267 |
|
§ 12.4. Установление областей контакта нуклеиновой кислоты. |
|
|
Футпринтинг................................................................................................ |
272 |
|
§ 12.5. Основные структурные элементы белков, ответственные |
|
|
за взаимодействия с нуклеотидами и нуклеиновыми кислотами. |
|
|
Цинковые пальцы........................................................................................ |
274 |
|
§ 12.6. Молекулярная селекция нуклеиновых кислот. Аптамеры.......... |
276 |
|
Глава 13. Биоорганическая химия углеводов............................................ |
278 |
|
§ 13.1. Моносахариды. Номенклатура. Способы изображения............... |
278 |
|
|
13.1.1. Проекционные формулы Фишера........................................... |
279 |
|
13.1.2. Альдозы и кетозы..................................................................... |
281 |
|
13.1.3. Циклические формы моносахаридов. Перспективные |
|
|
формулы Хеуорса................................................................................. |
284 |
|
13.1.4. Конформация фуранозных циклов........................................... |
286 |
|
13.1.5. Конформация пиранозных циклов........................................... |
288 |
§ 13.2. Окисленные и восстановленные формы моносахаридов............. |
290 |
|
§ 13.3. Другие превращения сахаров......................................................... |
293 |
|
§ 13.4. Олигосахариды и полисахариды................................................... |
296 |
|
§ 13.5. Гликопротеины и протеогликаны.................................................. |
303 |
|
§ 13.6. Химический синтез олигосахаридов............................................. |
307 |
|
Глава 14. Биоорганическая химия липидов............................................... |
315 |
|
§ 14.1. Жирные кислоты - гидрофобные компоненты омыляемых |
|
|
липидов......................................................................................................... |
315 |
|
§ |
14.2. Простые омыляемые липиды. Триацилглицерины. |
|
Алкильные производные жирных кислот. Воска..................................... |
320 |
|
§ 14.3. Сложные липиды............................................................................. |
322 |
|
§ 14.4. Неомыляемые липиды..................................................................... |
328 |
|
|
7 |
Глава 15. Биологические мембраны............................................................ |
331 |
§ 15.1. Основные функции и принципы строения биологических |
|
мембран............................................................................ ............................ |
331 |
§ 15.2. Мембранные рецепторы.................................................................. |
333 |
§ 15.3. Транспортные белки мембран....................................................... |
336 |
§ 15.4. Трансмембранные потенциалы...................................................... |
339 |
Глава 16. Химия ферментов.......................................................................... |
342 |
§ 16.1. Ферментативный катализ................................................................ |
342 |
§ 16.2. Белки как кислотно-основные и нуклеофильные катализаторы.. |
349 |
§ 16.3. Ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные |
|
реакции.......................................................................................................... |
352 |
§ 16.4. Химия кофакторов некоторых лиаз, трансфераз и лигаз............. |
363 |
§ 16.5. Рибозимы.......................................................................................... |
368 |
Глава 17. Гормоны.......................................................................................... |
378 |
§ 17.1. Эндокринная регуляция физиологических процессов. |
|
Гормоны и вторичные посредники............................................................ |
378 |
§ 17.2. Гормоны - производные аминокислот.......................................... |
379 |
§ 17.3. Белково-пептидные гормоны............................. ............................ |
382 |
§ 17.4. Гормональные функции окиси азота............................................. |
383 |
§ 17.5. Стероидные гормоны...................................................................... |
384 |
§ 17.6. Простагландины.............................................................................. |
388 |
Глава 18. Витамины........................................................................................ |
390 |
§ 18.1. Витамины и их биологическое значение....................................... |
390 |
§ 18.2. Витамины как кофакторы, коферменты и их предшественники.... |
391 |
§ 18.3. Витамин В п...................................................................................... |
396 |
§ 18.4. Витамин С (аскорбиновая кислота).............................................. |
398 |
§ 18.5. Жирорастворимые витамины......................................................... |
400 |
§ 18.6. Витаминоподобные вещества........................................................ |
406 |
Глава 19. Антибиотики.................................................................................. |
409 |
§ 19.1. Общие представления об антибиотиках. Принципы их |
|
классификации............................................................................................. |
409 |
§ 19.2. Антибиотики, ингибирующие синтез бактериальной клеточной |
|
стенки............................................................................................................ |
410 |
§ 19.3. Антибиотики, нарушающие функционирование |
|
плазматических мембран............................................................................ |
420 |
§ 19.4. Антибиотики - ингибиторы трансляции....................................... |
425 |
§ 19.5. Антибиотики - ингибиторы репликации и транскрипции........... |
431 |
Глава 20. Биоинформатика........................................................................... |
452 |
§ 20.1. Представление последовательностей в компьютерном формате 453 |
|
§ 20.2. Сравнение последовательностей макромолекул.......................... |
455 |
§ 20.3. Алгоритм BLAST быстрого поиска локального сходства........... |
458 |
§ 20.4. Поиск мотивов и функциональных сайтов |
|
в базе данных PROSITE............................................................................. |
458 |
8 |
Оглавление |
|
|
§ 20.5. Предсказание вторичной структуры РНК..................................... |
460 |
|
§ 20.6. Банк данных PDB............................................................................ |
461 |
|
§ 20.7. Программы визуализации пространственных структур |
|
|
макромолекул.............................................................................................. |
463 |
Приложение...................................................................................................... |
466 |
|
Список рекомендуемой литературы........................................................... |
470 |
|
Предметный указатель |
471 |
|
Предисловие
Настоящее учебное пособие написано группой сотрудников Института химической биологии и фундаментальной медицины (изначально Новоси бирский институт биоорганической химии) Сибирского отделения Россий ской академии наук (ИХБФМ СО РАН). Оно создано по материалам лекций, которые на протяжении ряда лет читаются авторами пособия студентам фа культета естественных наук Новосибирского государственного университета.
Вторая половина XX века характеризуется глубоким прорывом методов
иконцепций химии и физики в изучении живых организмов, строения и ме ханизмов, лежащих в основе их функционирования. До середины XX века эти вопросы были прерогативой биологической химии. По мере ее развития, в первую очередь, широкого введения в исследование биополимеров рентге ноструктурного анализа для установления их пространственной структуры
иустановления принципов хранения и реализации наследственной информа ции, эта область знания трансформировалась в физико-химическую биоло гию. Наряду с биохимией она включила в себя биологическую физику и мо лекулярную биологию. Биоорганическая химия получила признание в каче стве самостоятельной научной дисциплины как наука, изучающая структуру биологически значимых органических соединений и ее связь с биологической функцией.
Вданное время в России по этому важному разделу физико-химической биологии написана и издана лишь фундаментальная монография Юрия Ана тольевича Овчинникова «Биоорганическая химия», вышедшая в 1987 году.
Вэтой монографии биоорганическая химия определяется как дисциплина, «которая изучает строение и биологические функции важнейших компонен тов живой материи, в первую очередь, биополимеров и низкомолекулярных биорегуляторов, уделяя главное внимание выяснению закономерностей взаи мосвязи между структурой и биологическим действием». Монография на пе риод ее написания исчерпывающим образом осветила состояние этой области науки. Однако за прошедший период времени произошло много важных со бытий, связанных как с существенным развитием экспериментальных мето дов и методологии исследований, так и с бурным ростом возможностей вы числительной техники.
Так, на рубеже XX и XXI веков было закончено установление полной структуры генома человека и успешно развиваются подходы к быстрому и достаточно экономичному установлению этой структуры для отдельных индивидуумов. Возможность установления полного геномного паспорта лю бого человека открывает огромные возможности для диагностики и терапии, а также для криминалистики. Среди новых методологий особенно эффектив