lec2_3_2015

Структура курса ХОБП –
часть 1 – Химическая биология
10. 02 Что такое жизнь с точки зрения химика - 1
12. 02 Молекулы клетки. Вода. Биологические мембраны - 2
Структура и функция белка - 3
Обмен веществом. Преобразование энергии - 4
Контрольная 1
Разбор контрольной 1
Структура нуклеиновых кислот - 5
Биосинтез нуклеиновых кислот - 6
Биосинтез белка - 7
Контрольная 2
Разбор контрольной 2
Регуляция экспрессии генов. Система передачи сигнала. Рак - 8
Геном, плазмиды, вирусы. ВИЧ - 9
Генетическая инженерия. ГМО - 10
Контрольная 3
02.04 Разбор контрольной 3
Что такое жизнь с точки зрения химика
Биология:
• Многообразие и систематика
• Клеточная теория
• Строение клеток
Химия:
- Химический состав клетки:
низкомолекулярные вещества
и макромолекулы
Системное определение живого с
точки зрения химии
Минимальная единица
биологии – клетка
Вирус не является живым,
это химический
супрамакромолекулярный комплекс
Минимальная единица
химии - атом, молекула
Функция органа – функция клетки
Сокращение отдельной клетки сердца
Систематика разнообразия форм живого
«Эдем» Ван Кессель
1626-1679
Многоклеточные
видимые глазом
Одноклеточные
невидимые глазом
Разнообразие
продолжительности существования
организмов/клеток
Растения (сосна) – 4-5 х 103 лет
2
Рыбы/черепахи – 2 х 10 лет
Насекомые –
Бактерии -
3 х 10-3 лет (1 д)
2 х 10-6 лет (10 мин)
Разнообразие формы клеток
c – стебель растения
d – сперматозоиды человека
e – эритроциты человека
f – эмбрион человека, 1 деление
РАЗЛИЧИЯ В МАСШТАБЕ!
Разнообразие размеров клеток
Микоплазма – 0,3 мкм
Кишечная палочка – 2 мкм
(V «пробирки» = 4 х 10-15 л)
Эритроцит
Эритроцит
Куриный желток – 10 000 мкм
– 7 мкм
(5 м в данном масштабе)
Клетка бактерий один компартмент
Клетки
животных
растений
- несколько компартментов
ядро
митохондрии
ядро
митохондрии
хлоропласты
«Прокариоты” и “эукариоты»
безъядерные и ядерныее
земля
4.6
млрд
прогенота
3.5
фотосинтез
эу
2.4
1.6
Мн клет
0.9
Жив
0.6
Млеко
0.2
шимп
0.005
Эволюция трех клеточных царств
прокариоты
эукариоты
бактерии
эукариоты
мт
хлоропласт
прогенота
ядро
архебактерии
растения:
ядро, мт, хл
митохондрия
ядро
животные:
ядро, мт
ЖИВЫЕ ОРГАНИЗМЫ представляют собой открытые
(т.е. обменивающиеся с окружающей средой веществом
и энергией), саморегулирующиеся и
самовоспроизводящиеся сложные системы; для
функции которых критическими молекулами являются
вода, нуклеиновые кислоты и белки.
Живому свойственен ряд совокупных признаков, таких,
как способность к воспроизведению (репродукции),
трансформация энергии, метаболизм, чувствительность,
изменчивость. Совокупность этих признаков можно
обнаружить уже на клеточном уровне.
Единица живого - это клетка.
Вирус не является живым!
Единообразие структурной химии
живого
Что справедливо для слона
– справедливо и для бактерии (не во всем)
Единообразие функциональной химии
живого
Что справедливо для слона
– справедливо и для бактерии (не во
всем)
Макромолекулы
(25)
Белки
Нуклеиновые
кислоты
Полисахариды
15
7
3
Низкомолекулярные соединения
Вода
Липиды
Органические и неорганические
(75)
70
2
3
МАКРОМОЛЕКУЛЫ
(25)
Белки
15
Нуклеиновые кислоты 7
Полисахариды
3
Почему макромолекулы?
ФУНКЦИОНАЛЬНОСТЬ ХИМИИ ЖИВОГО
- ЗАЧЕМ ОНО ТАМ?
МОЛЕКУЛЫ
Вода
липиды
органические и неорганические
Почему именно эти молекулы?
(75)
70
2
3
Типы и энергия химической связи
Ковалентная связь
О-Н
P-O
C-O
C-C
461
419
352
348
kJ/моль
(4,2 J = 1 кал)
Нековалентная связь (взаимодействие)
кулоновские взаимодействия
42
водородная связь
8-21
ван-дер-ваальсовы взаимодействия 2-8
Ковалентная донорно-акцепторная связь:
Аммиак – ион аммония: NH3 + H+ = NH4+
R-NH2 + H+ = R-NH3+
Нековалентная водородная связь
6 группа: O и 2 период: C N O F
S
Образована атомом водорода, частично распределенным между
двумя электроотрицательными атомами,
за счет слабого дипольного взаимодействия между акцептором
(O или N) и донором – атомом Н, ковалентно связанным со
вторым атомом (-ОН или –NH)
МАКРОМОЛЕКУЛЫ
(25)
Белки
Нуклеиновые кислоты
Полисахариды
15
7
3
ФУНКЦИОНАЛЬНОСТЬ ХИМИИ ЖИВОГО
- ЗАЧЕМ ОНО ТАМ?
МОЛЕКУЛЫ
Вода
липиды
органические и неорганические
Почему вода?
(75)
70
2
3
Необычные свойства водных
растворов:
системообразующая роль
Водородная связь
и необычные свойства воды
Гидрофильные взаимодействия.
Водородная связь
с растворенным веществом
Электростатические
взаимодействия
с заряженным веществом
Гидратация ионов
«Гидрофобные эффекты» для
неполярных веществ
1. Гидрофильные
взаимодействия:
этанол с водой
3. «Гидрофобные
(Н-связи)
эффекты»
неполярных и
амфифильных
веществ
Мицелла
2. Электростатические взаимодействия с заряженным веществом
Гидратация ионов
МАКРОМОЛЕКУЛЫ
(25)
Белки
15
Нуклеиновые кислоты 7
Полисахариды
3
Почему макромолекулы?
ФУНКЦИОНАЛЬНОСТЬ ХИМИИ ЖИВОГО
- ЗАЧЕМ ОНО ТАМ?
МОЛЕКУЛЫ
Вода
липиды
органические и неорганические
(75)
70
2
3
Макромолекула (некорр. полимер) –
химическое соединение, молекулы которого
состоят из большого числа повторяющихся
звеньев (структурных звеньев)
Мономер – низкомолекулярное вещество, из которого
полимеризацией (или поликонденсацией) получается полимер
Поликонденсация
- полимеризация, при которой, кроме
полимера, образуются низкомолекулярные вещества
Если в полимеризации (поликонденсации) участвуют разные
молекулы, то получается сополимер, структурное звено
которого состоит из остатков каждой молекулы, участвующей в
реакции
Природные макромолекулы –
белки и нуклеиновые кислоты (ДНК, РНК) получаются поликонденсацией
- линейные, неразветвленные
- асимметричные (векторные)
- информационные (текст из 20 ак или 4 н)
- самоорганизующиеся в пространстве
Уровни сложности молекулярной организации клетки
Клетка
Супрамакромол.
комплекс
Макромол. Единица
%
7
15
3
Жизнь
использует именно
макромолекулы НК и белка
как предельный случай
упорядоченной
химической организации
вещества и информации
в пространственно – временном
континууме клетки
Обучение использует
лекции
как предельный случай
упорядоченной организации
информации в
пространственно –
временном континууме
ЖИВЫЕ ОРГАНИЗМЫ представляют собой открытые
(т.е. обменивающиеся с окружающей средой веществом
и энергией), саморегулирующиеся и
самовоспроизводящиеся сложные системы, важнейшими
функционирующими веществами которых являются
белки и нуклеиновые кислоты.
Живому свойственен ряд совокупных признаков, таких,
как способность к воспроизведению (репродукции),
трансформация энергии, метаболизм, чувствительность,
изменчивость. Совокупность этих признаков можно
обнаружить уже на клеточном уровне.
Нет меньшей единицы живого, чем клетка.
Вирус не является живой системой!
Клетка – это ограниченная активной
мембраной, упорядоченная,
структурированная система биополимеров
(белков, нуклеиновых кислот и др.) и их
молекулярных комплексов, участвующих
в единой совокупности метаболических и
энергетических процессов,
осуществляющих поддержание и
воспроизведение всей системы в целом.
Нет меньшей единицы живого, чем клетка.
Вирус не является живой системой!
Границы системы живого
(клетки)
1. Биологические мембраны
2. Липиды
3. Липосомы
Биологическая мембрана =
липидный бислой + белки
Биологические мембраны –
сложные высокорганизованные системы, состоящие из
липидных бислоёв и белков
Мембраны окружают все живые клетки и клеточные компартменты
(ядра, митoхондрии, хлоропласты)
Функции биологических мембран:
-образование динамичных границ раздела
-селективный транспорт
-сенсорные
СВОЙСТВА БИОЛОГИЧЕСКОЙ
МЕМБРАНЫ
- Двумерная
- Гибкая (движение)
- Самоорганизация
(деление и слияние клеток)
- Встроенные белки
(свойства и «лицо» клетки)
- Селективно (избирательно)
проницаема (биоэнергетика)
Микроскопия
биологических
мембран
Липиды
λιπος (греч. – жир)
Растворимые в жирах и
жирорастворителях
(и нерастворимые в воде)
низкомолекулярные органические
соединения, в том числе
жиры, стеролы и изопреноиды
например,
триглицериды, холестерин, каротин
Жирные
кислоты:
предельные и
непредельные
С15Н31СООН –
пальмитиновая
С17Н35СООН –
стеариновая
С17Н33СООН –
олеиновая
Жирная кислота
Q0272301
Триглицерид
Q0235301
Классификация липидов
Жиры
Группы крови
Фосфолипид
фосфатидилхолин
Фосфолипид
Гидрофобные эффекты
неполярных веществ
в воде
(“Гидрофобные взаимодействия”
- не прав.)
Липидная
мицелла, бислой, липосома
Свойства бислоя зависят от липидного состава:
предельные и непредельные кислоты, холестерин