Биополимеры и их структурные компоненты

 

 

 

 

 

 

 

 

СРС

на тему:

«Биополимеры и их структурные  компоненты».

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Караганды 2013

 

 

Оглавление

Биополимеры. 3

Белки. 4

Нуклеиновые кислоты. 6

Дезоксирибонуклеиновая  кислота (ДНК) 6

Рибонуклеиновая кислота (РНК) 6

Полисахариды. 8

Литература. 10

 

 

Биополимеры.

Биополимеры — класс полимеров, встречающихся в природе в  естественном виде, входящие в состав живых организмов: белки, нуклеиновые кислоты, полисахарид. Биополимеры структурной основой всех живых организмов.

Биополимеры состоят из одинаковых (или схожих) звеньев — мономеров. Мономеры белков — аминокислоты, нуклеиновых  кислот — нуклеотиды, в полисахаридах  — моносахариды.

Выделяют два типа биополимеров — регулярные (некоторые полисахариды) и нерегулярные (белки, нуклеиновые  кислоты, некоторые полисахариды). Известны также смешанные биополимеры, например, липопротеины (комплексы содержащие белки и липиды), гликопротеины (соединения, в которых олиго - или полисахаридные цепи ковалентно связаны с пептидными цепями), липополисахариды ( соединения, молекулы которых построены из липидов, олиго- и полисахаридов).

 

Белки.

Белки - высокомолекулярные органические вещества, состоящие из альфа-аминокислот, соединённых в  цепочку пептидной связью . В живых организмах аминокислотный состав белков определяется генетическим кодом, при синтезе в большинстве случаев используется 20 стандартных аминокислот. Множество их комбинаций создают молекулы белков с большим разнообразием свойств.

Функции белков в клетках  живых организмов более разнообразны, чем функции других биополимеров — полисахаридов и ДНК. Так, белки-ферменты катализируют протекание биохимических  реакций и играют важную роль в  обмене веществ. Некоторые белки  выполняют структурную или механическую функцию, образуя цитоскелет, поддерживающий форму клеток. Также белки играют ключевую роль в сигнальных системах клеток, при иммунном ответе и в клеточном цикле.

Молекулы белков представляют собой линейные полимеры, состоящие  из остатков α-L-аминокислот (которые  являются мономерами), также в состав белков могут входить модифицированные аминокислотные остатки и компоненты неаминокислотной природы. Для обозначения аминокислот в научной литературе используются одно- или трёхбуквенные сокращения. Хотя на первый взгляд может показаться, что использование в большинстве белков «всего» 20 видов аминокислот ограничивает разнообразие белковых структур, на самом деле количество вариантов трудно переоценить: для цепочки из 5 аминокислотных остатков оно составляет уже более 3 миллионов, а цепочка из 100 аминокислотных остатков (небольшой белок) может быть представлена более чем в 10130 вариантах. Белки длиной от 2 до нескольких десятков аминокислотных остатков часто называют пептидами, при большей степени полимеризации — белками, хотя это деление весьма условно.

При образовании белка  в результате взаимодействия α-карбоксильной группы (-COOH) одной аминокислоты с α-аминогруппой (-NH2) другой аминокислоты образуются пептидные связи. Концы белка называют N- и C-концом, в зависимости от того, какая из групп концевого аминокислотного остатка свободна: -NH2 или -COOH, соответственно. При синтезе белка на рибосоме первым (N-концевым) аминокислотным остатком обычно является остаток метионина, а последующие остатки присоединяются к C-концу предыдущего.

Белки имеют несколько  уровней организации — первичная, вторичная, третичная, и иногда четвертичная. Первичная структура определяется последовательностью мономеров, вторичная  задаётся внутри- и межмолекулярными взаимодействиями между мономерами, обычно при помощи водородных связей. Третичная структура зависит  от взаимодействия вторичных структур, четвертичная, как правило, образуется при объединении нескольких молекул  с третичной структурой.

 

Вторичная структура белков образуется при взаимодействии аминокислот  с помощью водородных связей и  гидрофобных взаимодействий. Основными  типами вторичной структуры являются:

1. α-спираль, когда водородные связи возникают между аминокислотами в одной цепи,
2. β-листы (складчатые слои), когда водородные связи образуются между разными полипептидными цепями, идущими в разных направлениях (антипараллельно),
3. неупорядоченные участки

Для предсказания вторичной  структуры используются компьютерные программы.

Третичная структура или  «фолд» образуется при взаимодействии вторичных структур и стабилируется нековалентными, ионными, водородными связями и гидрофобными взаимодействиями. Белки, выполняющие сходные функции обычно имеют сходную третичную структуру. Примером фолда является β-баррел (бочка), когда β-листы располагаются по окружности. Третичная структура белков определяется с помощью рентгеноструктурного анализа. Важный класс полимерных белков составляют фибриллярные белки, самый известный из которых коллаген.

Значение белков в живой  природе трудно переоценить. Это  строительный материал живых организмов, биокатализаторы — ферменты, обеспечивающие протекание реакций в клетках, и  энзимы, стимулирующие определённые биохимические реакции, то есть обеспечивающие избирательность биокатализа. Наши мышцы, волосы, кожа состоят из волокнистых белков. Белок крови, входящий в состав гемоглобина, способствует усвоению кислорода воздуха, другой белок — инсулин — ответственен за расщепление сахара в организме и, следовательно, за его обеспечение энергией. Молекулярная масса белков колеблется в широких пределах. Так, инсулин — первый из белков, строение которого удалось установить Ф. Сэнгеру в 1953 г., содержит около 60 аминокислотных звеньев, а его молекулярная масса составляет лишь 12 000. К настоящему времени идентифицировано несколько тысяч молекул белков, молекулярная масса некоторых из них достигает 106 и более.

 

Нуклеиновые кислоты.

Дезоксирибонуклеиновая  кислота (ДНК) — макромолекула (одна из трёх основных, две другие — РНК и белки), обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов. ДНК содержит информацию о структуре различных видов РНК и белков.

С химической точки зрения ДНК — это длинная полимерная молекула, состоящая из повторяющихся  блоков — нуклеотидов. Каждый нуклеотид  состоит из азотистого основания, сахара (дезоксирибозы) и фосфатной группы. Связи между нуклеотидами в цепи образуются за счёт дезоксирибозы и фосфатной группы (фосфодиэфирные связи). В ДНК встречается четыре вида азотистых оснований (аденин, гуанин, тимин и цитозин). Азотистые основания одной из цепей соединены с азотистыми основаниями другой цепи водородными связями согласно принципу комплементарности: аденин соединяется только с тимином, гуанин — только с цитозином. В подавляющем большинстве случаев (кроме некоторых вирусов, содержащих одноцепочечную ДНК) макромолекула ДНК состоит из двух цепей, ориентированных азотистыми основаниями друг к другу. Эта двухцепочечная молекула спирализована. В целом структура молекулы ДНК получила название «двойной спирали».

Дезоксирибонуклеиновая  кислота (ДНК) представляет собой биополимер (полианион), мономером которого является нуклеотид.

Каждый нуклеотид состоит  из остатка фосфорной кислоты, присоединённого  по 5'-положению к сахару дезоксирибозе, к которому также через гликозидную связь (C—N) по 1'-положению присоединено одно из четырёх азотистых оснований. Именно наличие характерного сахара и составляет одно из главных различий между ДНК и РНК, зафиксированное в названиях этих нуклеиновых кислот (в состав РНК входит сахар рибоза). Пример нуклеотида — аденозинмонофосфат, у которого основанием, присоединённым к фосфату и рибозе, является аденин.

Исходя из структуры молекул, основания, входящие в состав нуклеотидов, разделяют на две группы: пурины (аденин [A] и гуанин [G]) образованы соединёнными пяти- и шестичленным гетероциклами; пиримидины (цитозин [C] и тимин [T]) — шестичленным гетероциклом.

Рибонуклеиновая кислота (РНК) — одна из трёх основных макромолекул (две другие — ДНК и белки), которые содержатся в клетках всех живых организмов. Так же, как ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота), РНК состоит из длинной цепи, в которой каждое звено называется нуклеотидом. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара рибозы и фосфатной группы.

Азотистые основания в  составе РНК могут образовывать водородные связи между цитозином и гуанином, аденином и урацилом, а также между гуанином и урацилом. Однако возможны и другие взаимодействия, например, несколько аденинов могут образовывать петлю, или петля, состоящая из четырёх нуклеотидов, в которой есть пара оснований аденин — гуанин.

Важная структурная особенность  РНК, отличающая её от ДНК — наличие  гидроксильной группы в 2' положении  рибозы, которая позволяет молекуле РНК существовать в А, а не В-конформации, наиболее часто наблюдаемой у ДНК. У А-формы глубокая и узкая большая бороздка и неглубокая и широкая малая бороздка. Второе последствие наличия 2' гидроксильной группы состоит в том, что конформационно пластичные, то есть не принимающие участие в образовании двойной спирали, участки молекулы РНК могут химически атаковать другие фосфатные связи и их расщеплять. Многие типы РНК, например, рРНК и мяРНК в клетке функционируют в виде комплексов с белками, которые ассоциируют с молекулами РНК после их синтеза или (у эукариот) экспорта из ядра в цитоплазму. Такие РНК-белковые комплексы называются рибонуклеопротеиновыми комплексами или рибонуклеопротеидами.

 

Полисахариды.

Полисахариды — общее  название класса сложных высокомолекулярных углеводов, молекулы которых состоят  из десятков, сотен или тысяч мономеров  — моносахаридов.

Полисахариды необходимы для жизнедеятельности животных и растительных организмов. Они являются одним из основных источников энергии, образующейся в результате обмена веществ  организма. Они принимают участие  в иммунных процессах, обеспечивают сцепление клеток в тканях, являются основной массой органического вещества в биосфере. Полисахариды являются продуктом реакции поликонденсации моносахаридов.

В живой природе они  выполняют важные биологические  функции, выступая в качестве:

• структурных компонентов клеток и тканей,
• энергетического резерва,
• защитных веществ.

Структурные полисахариды придают  клеткам, oрганам и целым организмам механическую прочность. Водорастворимые полисахариды высоко гидратированы и предохраняют от высыхания клетки и ткани. Наконец, резервные полисахариды служат энергетическим ресурсом, из которого номере необходимости в организм поступают моносахариды, являющиеся клеточным "топливом". Благодаря полимерной природе резервные полисахариды осмотически неактивны и поэтому могут накапливаться в клетках в больших количествах.

Полисахариды, построенные  из моносахаридных звеньев одного типа, называются гомогликаны, а построенные из различных моносахаридных звеньев — гетерогликаны. Оба полимера могут быть линейными или разветвленными.

Примерами полисахаридов, которые  синтезируют живые организмы, являются запасные вещества крахмал и гликоген, а также структурные полисахариды — целлюлоза и хитин. Так как  биологические полисахариды состоят  из молекул разной длины, понятия  вторичной и третичной структуры  к полисахаридам не применяются.

Полисахариды образуются из низкомолекулярных соединений, называемых сахарами или углеводами. Циклические  молекулы моносахаридов могут связываться  между собой с образованием так называемых гликозидных связей путём конденсации гидроксильных групп.

Степень полимеризации полисахаридов составляет от 10-20 до нескольких тысяч остатков. Каждый моносахаридный остаток в составе полисахаридов может находиться в пиранозной или фуранозной форме и иметь а- или р-конфигурацию гликозидного центра. Моносахаридный остаток способен образовывать одну гликозидную связь с соседним моносахаридом, но может предоставить нескольких гидроксильных групп для присоединения других моносахаридов. В соответствии с этим, как и в случае олигосахаридов, молекулы полисахаридов могут быть линейными или разветвленными. Линейные полисахариды имеют один невосстанавливающий и один восстанавливающий конец; в разветвленных полисахаридах также м. б. только один восстанавливающий конец, тогда как число невосстанавливающих концевых моносахаридных остатков на 1 превышает число разветвлений. Благодаря гликозидной гидроксигруппе восстанавливающего конца молекулы полисахариды могут присоединяться к молекулам неуглеводной природы, направляются к белкам и пептидам с образованием гликопротеинов и протеогликанов, к липидам с образованием липополисахаридов и гликолипидов и т.д.; в сравнительно редких случаях наблюдается образование циклических полисахаридов.

Гидрокси-, карбокси- и аминогруппы моносахаридных остатков, входящих в полисахариды, в свою очередь могут служить местами присоединения неуглеводных группировок, таких, как остатки органических кислот и неорганических кислот (с образованием ацетатов, сульфатов, фосфатов и др.), пировиноградной кислоты (образующей циклич. ацетали), метанола (образующего сложные эфиры с уроновыми кислотами) и т.д. Полисахариды, построенные из остатков только одного моносахарида, называются гомополисахаридами (гомогликанами); в соответствии с природой этого моносахарида различают глюканы, маннаны, галактаны, ксиланы, арабинаны и др.

Полисахариды, построенные  из остатков двух и более моносахаридов, называются гетерополисахаридами (гетерогликанами). К ним относятся глюкоманнаны, арабиногалактаны, араби-ноксиланы и др. Строгие названия гетерогликанов (а также и гомополисахаридов, содержащих разветвления или нескольких типов связей) громоздки и неудобны в употреблении; обычно пользуются широко распространенными тривиальными названиями (напр., гепарин, гликоген, инулин, ламтаран, хитин), а для изображения структурных формул часто применяют сокращенную запись.