ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 17.12.2021
Просмотров: 306
Скачиваний: 3
Основи біофізики і біомеханіки
53
ГЛАВА 3
МОЛЕКУЛЯРНА БІОФІЗИКА
Живий організм – це відкрита, самоврегульована гетерогенна система,
що самовідтворюється і розвивається. В той же час він є складною
хімічною системою: існує завдяки хімічним перетворенням речовин,
що надходять ззовні, і виділенню речовин у навколишнє середовище
завдяки метаболізму. ЇЇ найважливішими функціональними речовинами
є вода і біополімери (білки й нуклеїнові кислоти). При чому будова й
властивості клітини й організму диктуються нуклеїновими кислотами
(ДНК і РНК), що задають генетичну програму синтезу білків. У свою
чергу, жодна хімічна реакція в клітині не відбувається без участі
спеціальних ферментів – білків. А усі біохімічні реакції здійснюються
у водному середовищі.
Молекулярна біофізика вивчає фізико-хімічні властивості й
функціональну роль біологічних макромолекул (біополімерів) та
молекулярних комплексів (ультраструктур) живих організмів (рис. 3.1.),
які створюють функціональні одиниці клітин, характер взаємодії їх з
іонами, молекулами і радикалами, їх просторової будови й енергетики
процесів, що в них відбуваються.
Основне завдання цього розділу – з’ясування зв’язків фізичної
структури і властивостей біологічно важливих молекул з виконуваними
ними в організмі функціями.
Рис. 3.1.
Фізична ієрархія біосистем
Біополімери
– це біологічно важливі макромолекули, які
побудовані в основному з азоту, вуглецю, водню, кисню, фосфору і
сірки. Велику роль відіграють такі іони, як Na
+
, K
+
, Ca
2+
, Mg
2+
, Cu
2+
.
Л. І. Григор’єва, Ю. А. Томілін
54
Крім того, значний вплив на живі системи здійснюють малі кількості
таких металів як Fe, Zn, Cu, Mg та інші. У процентному відношенні
людський організм містить елементи: H – 60 %, O – 26 %, C – 11 %, N –
2,5%, Ca – 0,2 %, P – 0,13 %, S – 0,13 %, Na – 0,08 %, Cl – 0,03 %, Mg –
0,01 %.
Основна функція біомолекул – побудова клітин і забезпечення
біоенергетичних процесів (у природі у всіх видів хребетних налічується
близько 200 типів клітин).
Рис. 3.2.
Молекулярний склад живих систем
§ 3.1. КОРОТКА ХАРАКТЕРИСТИКА ОСНОВНИХ
БІОПОЛІМЕРІВ
Амінокислоти.
Хімічна будова амінокислот, залишки яких фігурують
в білках і поліпептидах (білкові ланцюги завдовжки до 100 ланок), має
наступний вигляд:
де
R
– радикал, як правило вуглеводневий, або містить, окрім атомів C
і H, інші атоми (в основному, O, S, N).
Усі білки складаються, в основному, з 20 канонічних аміно-
кислотних залишків (АКЗ). Ряд амінокослот, що не фігурують у
білках, бере участь у метаболізмі. Розглянемо деякі приклади:
Основи біофізики і біомеханіки
55
1. Залишок – Гліцил (Gly).
Амінокислота (АК) – Гліцин (G).
2. Проліл (Pro):
Амінокислота (АК) – Пролін.
Із 20 залишків 14 є нейтральними, 3 – кислими, 3 – лужними. Окрім
20 канонічних залишків, у білках зустрічаються похідні від них
(неканонічні залишки). Ряд фактів свідчить про те, що в нейтральному
середовищі амінокислоти є диполярними іонами. Усе різноманіття
білків визначається різноманіттям амінокислот, які у свою чергу
відрізняються лише будовою радикалу
R
. При поліконденсації
амінокислот у білковий ланцюг утворюється пептидний зв’язок – CO –
NH -, і виділяється вода.
Нуклеїнові кислоти (НК).
НК є обов’язковими учасниками процесів
синтезу білків. Нуклеїнові кислоти – це складні високомолекулярні
біополімери, мономерами яких є нуклеотиди.
Уперше їх було виявлено в ядрі клітин, звідки й походить назва цих
сполук (від лат.
нуклеус
– ядро). Основний ланцюг нуклеїнових кислот
складається з ланок фосфорної кислоти і цукру (рибоза в РНК;
дезоксирибоза в ДНК). До цукрів приєднуються азотисті основи, які
вже не повторюють один одного.
Загальна схема будови ланцюга:
Рибоза:
Л. І. Григор’єва, Ю. А. Томілін
56
Дезоксирибоза
:
Нуклеїновим кислотам, як і білкам, притаманна первинна структура –
певна послідовність розташування нуклеотидів, а також складніша
вторинна і третинна структури, які формуються завдяки водневим
зв’язкам, електростатичним та іншим взаємодіям. Окремі нуклеотиди
сполучаються між собою у ланцюг за допомогою особливих «містків»
між залишками пентоз двох сусідніх нуклеотидів. Ці «містки» є
різновидом міцних ковалентних зв’язків.
Подібно до того, як у білках фігурують 20 амінокислотних
залишків, так у ДНК і РНК фігурують 4 азотистих основ. Але поряд з
канонічними основами зустрічаються похідні від них – мінорні основи.
У ДНК фігурують цитозин (Ц), тимін (Т), аденін (А), гуанін (Г); у РНК –
цитозин (Ц), тимін (Т), аденін (А), урацил (У).
Цитозин:
Тимін:
Для всіх азотистих основ характерна наявність центрального кільця
за типом бензолового. Наявність подвійних зв’язків призводить до
наявності делокалізованних електронів, що належать усьому кільцю.
Сполуки азотистих основ з рибозою і дезоксирибозою називаються
нуклеозідами
(відповідно, рібонуклеозіди і дезоксирібонуклеозіди).
Основи біофізики і біомеханіки
57
Приклад:
Аденозин
Аналогічні нуклеозіди Г, Т, У називаються відповідно: гуанозін,
тимідин, уридин. У результаті фосфорилювання утворюються ді- і
тріфосфати. Ці мономерні з’єднання відіграють найважливішу роль у
біоенергетичних процесах.
Структурна схема
:
Замість
R
:
Аденозиндифосфат (АДФ):
Аденозинтрифосфат (АТФ):