Иллюстрационный материал к лекции в формате Microsoft Point.
advertisement
Химические основы жизни (элективный курс) Лектор: Маркин Вадим Иванович markin@chem.asu.ru http://www.chem.asu.ru/org/chemps/index.html 1 Общие положения курса • Лекции - 28 ч • Семинары - 20 ч - зачет • Контрольные работы • Реферат • Форма контроля http://www.chem.asu.ru/org/chemps/index.html 2 Химические основы жизни «Бесчисленными путями, наука (своими разнообразными дисциплинами – химией, биологией, медициной, токсикологией, экологией и компьютерными науками) вовлечена в изучение взаимодействия органических соединений со всеми формами жизни, биообразованиями и биомолекулами. Размах этих работ значительно более грандиозен, чем это обычно представляется. … Как назвать эту новую область науки не совсем ясно, но ее гигантскую, все более возрастающую важность отрицать невозможно». Corwin Hansch (1993) 3 Основные разделы • Биомолекулы • Биокатализ Аминокислоты – пептиды – белки Моносахариды – олигосахариды – полисахариды Нуклеозиды – нуклеотиды – нуклеиновые кислоты Жиры – фосфолипиды Витамины и микроэлементы • Метаболизм • Биополимеры и наследственность • Молекулярные аспекты физиологии человека 4 Место дисциплины «Химические основы жизни» в ряду других наук 5 «Химические основы жизни» в ряду других наук Биоорганическая химия изучает строение и Биологическая химия – а) «наука о структуре химических функции важнейших компонентов живой веществ, входящих в состав живой материи,биологические их материи, в первую очередь биополимеров и превращении и физико-химических процессах, лежащих в низкомолекулярных основе жизнедеятельности» [Строев Е.А.соединений // Биологическая Химия природных – область биорегуляторов, уделяя главное внимание выяснению закономерностей взаимосвязи химия. М., 1986. C. 5.]; органической химии, которая связана с между структурой и биологическим действием б) «наука, изучающая химическую природу веществ, полифункциональными производными Медицинская (Medicinal chemistry) – область [Овчинников А. // Биоорганическая химия. М., 1987. входящих в состав живых организмов, иххимия превращения, аЮ. углеводородов, составляющими основной органической химии, С. связанная 8.].органов также связь этих превращений с деятельностью ис проблемой массив веществ живой материи [Племенков конструирования лекарственных препаратов (drug тканей» [Березов Т. Т., Коровкин Б. Ф. // [от Биологическая В.В. Химия природных соединений. Казань, «Фармакология греческого Pharmakon (лекарство) и «Фармацевтическая химия – наука, которая, базируясь design) [Зефирова О.Н., Зефиров Н.С. // вестн. Моск. унхимия. М., 1990. С. 6.]. 2001. 376(учение)] с.]. Logos – наука о взаимодействии лекарственных на Сер. общих химических наук, исследует способы та. 2. законах Химия. 2000. Т. 41. № 1. С. 43.]. веществ с организмом и о путях изыскания новых получения, строение, физические и химические свойства лекарственных средств. Основными разделами лекарственных веществ, взаимосвязь между их химической фармакологии являются фармакодинамика и структурой и действием на организм, методы контроля фармакокинетика» [Краткая медицинская энциклопедия. качества лекарств и изменения, происходящие при ихТ. 3. М., 1990. С. [Беликов 288.]. хранении» В. Г. // Фармацевтическая химия. М., «Фармакология – наука о лекарствах» [Маркова И. В., 1993. 1. C. 5.]. Нижинцев М. В. // Фармакология. СПб.,1997. С. 4.]. 6 Особенности живой материи Вирус иммунодефицита человека (ВИЧ) Вирус табачной мозаики 7 Химия – основа биологических явлений Особенности живых систем • Способность к росту • Способность к перемещению • Участвуют в процессах метаболизма (обмен веществ) • Реагируют на воздействие окружающей среды • Воспроизводят себе подобных с исключительной точностью Животные болота и птицы в Речной Гамбии, c. 1912. Harry Hamilton Johnston (1858-1927). (Королевское географическое общество, Библиотека Искусства London/The Bridgeman) 8 Иерархия «биомолекул»: Простые молекулы являются исходными для строительства сложных структур Неорганические соединения (Mr=18―64) (оксид углерода (IV), вода, азот, ион аммония, нитрат-ион и др.) Оксид углерода (IV) Метаболиты (Mr=50―200) (пирувоат, цитрат, сукцинат, глицерилальдегид-3-фосфат, фруктоза-1,6-дифосфат и др.) Пирувоат Строительные блоки (Mr=100―350) (аминокислоты, нуклеотиды, моносахариды, глицерин и др.) Аланин Макромолекулы (Mr=103―109) (пептиды, белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды, липиды и др.) Белок 9 Иерархия «биомолекул»: Простые молекулы являются исходными для строительства сложных структур Супрамолекулярные комплексы (Mr=106―109) (рибосомы, мульти-энзимные комплексы и др.) Органеллы (митохондрии, ядро, лизосомы, пероксисомы и др.) Клетка 10 Клетка – основной структурный элемент живой материи • «Клетки являются обязательными структурными единицами всех известных живых организмов» Матиас Шлейдок и Теодор Шванн 1837—1839 11 Клетка – основной структурный элемент живой материи • «Каждая клетка образуется только из клетки» Рудольф Вирхов, 1855 12 Клетка – основной структурный элемент живой материи • «Область науки, изучающая клетки, их структуру и функции, традиционно называлась Цитология» • Клеточная биология 13 Клетка – основной структурный элемент живой материи • Клеточная дифференцировка • Репарация ДНК • Метаболизм 14 Клетка – основной структурный элемент живой материи O O O P O O P O O P O O O O O O P O O P O O P O Ado Аденозинтрифосфат ― АТФ O Guo Гуанозинтрифосфат ― ГТФ O 15 Клетка – основной структурный элемент живой материи Фотохимический процесс 2H2O h 4H+ + 4e- + O2 фотосинтез 6CO2 + 24H+ + 24eÀÄÔ ÀÒÔ C6H12O6 + 6H2O фотосинтетическое фосфорилирование 16 Структура клеток 17 Структура клеток Клетка бактерии Escherichia coli 18 Структура клеток Тонкий срез клетки E. Coli Светлый центральный район содержит нуклеоид. В более плотной области на периферии клетки находятся рибосомы и протекают метаболические реакции клетки. Размер клетки — примерно 3х0,7µm. 19 Структура клеток Клетки E. Coli Одна из клеток имеет реснички (пили, Р) и два жгутика (F). Отрезок соответствует 0,5µm. 20 Структура клеток 21 Структура клеток Структура животной клетки Образование плазматической мембраны и секреторных пузырьков Репликация ДНК; синтез различных видов РНК и некоторых ядерных белков Синтез липидов; синтез стероидов; канализирование продуктов биосинтеза Цикл лимонной кислоты; перенос электронов и окислительное фосфорилирование; окисление жирных кислот; катаболизм аминокислот Энергозависимые транспортные системы, например система транспорта аминокислот и система транспорта ионов Обеспечивают изоляцию Na+ и K+ при помощи гидролитических АТРазы ферментов, таких, как рибонуклеаза и кислая фосфатаза Экзосомы и эндосомы — пузыреобразные органеллы (везикулы), участвующие в процессе обмена веществ между Синтез клеткой и еебелка окружением Транспорт веществ, содержит многочисленные растворимые компоненты 22 Структура клеток 23 Структура клеток Поперечный срез клетки листа гороха (Pisum sativum) прошел через два хлоропласта. От цитоплазмы хлоропласт отграничен двумя мембранами — наружной и внутренней. Наружная мембрана — гладкая, внутренняя образует выросты — ламеллы. На ламеллах располагаются стопками тилакоиды. На снимке хорошо видны стопки тилакоидов граны. В тилакоидах гран между слоями белков и липидов сосредоточены молекулы хлорофилла. Он способен улавливать энергию солнечного света, с помощью которой происходит образование углеводов из воды и углекислого газа. Скопления углеводов видны на снимке как темные пятнышки. Трансмиссионный микроскоп, 70 000х 24 Компоненты бактериальной клетки 25 Содержимое бактериальной клетки 26 Биохимические функции цитоплазмы 27 Вода как растворитель 28 Вода как растворитель 29 Вода как растворитель 30 Гидрофобные взаимодействия 31 Гидрофобные взаимодействия 32 Гидрофобные взаимодействия 33 Гидрофобные взаимодействия 34 Особенности поведения природных соединений R R R R OH S S C C R R R C R NH2 S S CH3 RO O HN COOCH3 R C CH2 S C R R H OR O R Классы органических соединений Esperamicin A1 Противоопухолевый антибиотик (экспериментальный) 35 Особенности поведения природных соединений YC X C H C X C C O O C H+ HO H C Y Y C C H C Y HO 36 Особенности поведения природных соединений [H] in vivo R H C R C R' OH R H (+) è ë è (-) O R [H] in vitro C R' + OH R H C HO R' Базируясь на основных различиях химии органических соединений «в колбе» и «в живой клетке», можно определить дисциплину химические основы жизни так: химия органических полифункциональных молекул, стереоспецифических реакций и многоцентровых механизмов в живых организмах. 37 Особенности поведения природных соединений Ñâî é ñòâà ê è ñë î ò (X) R Ñâî é ñòâà ê åòî í î â (Y) R COOH Ñâî é ñòâà ê è ñë î ò (X) C Ñâî é ñòâà ê åòî í î â (Y) O R C CH2 COOH Ñâî é ñòâà åí î ë î â (Z) Ñóì ì à ñâî é ñòâ = X + Y + Z O R Ñóì ì à ñâî é ñòâ = X + Y «Целое — это нечто большее, чем сумма частей» Аристотель 38 Классификация природных соединений Химическая классификация Биохимическая классификация 39 Методология в химии природных соединений • Теоретический аппарат • Экспериментальные подходы 40 Синтез природных соединений OAc O H3C O Ph C Ph NH CH H O CH C OH CH3 O CH3 OH HO AcO Ph C O CH2 O O Таксол Выделены участки химической модификации Тихоокеанский тисс (Taxus spp.) 41 Некоторые статистические данные Изменение числа химических соединений зарегистрированных в CAS в 2000-2007 гг 80000000 60000000 40000000 20000000 2006 2004 2002 2000 Го ти Ор не гани и д орга чес со руг нич кие, ед ие ес ки ин ен ия ле до в ат ел ьн ос Вс е го 0 ды 2005 Би оп ос единений Количество со 100000000 42
