Молекулярная биология, биохимия и биофизика являются науками, которые используют различные методы и механизмы для изучения различных аспектов биологии.
Молекулярная биология рассматривает процесс экспрессии гена, который включает транскрипцию ДНК в РНК и перевод РНК в цепи аминокислот, которые образуют белки.
Биофизика применяет физическую теорию к изучению биологических систем и процессов, в том числе молекулярных двигателей и динамики мембран.
Биохимия изучает живые системы на молекулярном уровне. Биохимики изучают компоненты, которые составляют клетки, то как они формируются и как они взаимодействуют.
Студенты курса изучают структуру и функции макромолекул, таких как белки, нуклеиновые кислоты и углеводы, а также биологические системы целых организмов, изучает биологически значимые химические процессы, такие как ферментативный катализ.
Биохимия лежит в основе разработок лекарственных препаратов. Она дополняет области фармакологии.
Курсы областях исследования молекулярной биологии, биохимии и биофизики могут включать в себя также изучение генетических механизмов. Студенты курсов бакалавра в области молекулярной и клеточной биологии, биохимии и биофизики могут работать в качестве младших научных сотрудников. Степень аспирантуры\магистратуры может увеличить карьерные перспективы. Тем не менее, степень доктора философии в молекулярной и клеточной биологии, биохимии и биофизики часто нужна для позиций, которые дают возможность контроля над научно-исследовательскими проектами, и звание профессора или главного научного исследователя.
Как проходит обучение
Большинство курсов совмещают лекции, обучающие программы и практические занятия, где студенты вовлечены в самостоятельную работу, или работу в команде. Первые два года обучения на данном курсе, как правило, включают лекции и практические занятия. В последующие годы, студенты будут проводить больше времени на самостоятельное изучение, и проведение исследований. Студенты работают в лабораторных условиях, с исследовательскими группами.
Оцениваются студенты обычно по результатам курсовых работ, практических занятий, лабораторных отчетов, учебных презентаций и экзаменов. Научно-исследовательский проект или диссертация будет составлять важную часть оценки окончательного года.
Карьерные перспективы
Молекулярные биологи, биохимики и биофизики часто работают в научно-исследовательских лабораториях в университетах или исследовательских институтах. Молекулярные биологи и биохимики могут также трудоустроиться в фармацевтической и биотехнологической промышленности. Примеры конкретных должностей для специалистов данной области, с докторской степенью включают в себя: членство в профессорско-преподавательском составе, работа старшим научным сотрудником национальной лаборатории или директором по исследованиям в фармацевтической или биотехнологической компании.
Молекулярная биология пережила период бурного развития собственных методов исследования, которыми теперь отличается от биохимии. К ним, в частности, относятся методы генной инженерии , клонирования , искусственной экспрессии и нокаута генов . Поскольку ДНК является материальным носителем генетической информации, молекулярная биология значительно сблизилась с генетикой , и на стыке образовалась молекулярная генетика , являющаяся одновременно разделом генетики и молекулярной биологии. Так же, как молекулярная биология широко применяет вирусы как инструмент исследования, в вирусологии для решения своих задач используют методы молекулярной биологии. Для анализа генетической информации привлекается вычислительная техника, в связи с чем появились новые направления молекулярной генетики, которые иногда считают особыми дисциплинами: биоинформатика , геномика и протеомика .
История развития
Это основополагающее открытие было подготовлено длительным этапом исследований генетики и биохимии вирусов и бактерий .
В 1928 году Фредерик Гриффит впервые показал, что экстракт убитых нагреванием болезнетворных бактерий может передавать признак патогенности неопасным бактериям. Исследование трансформации бактерий в дальнейшем привело к очистке болезнетворного агента, которым, вопреки ожиданиям, оказался не белок , а нуклеиновая кислота . Сама по себе нуклеиновая кислота не опасна, она лишь переносит гены, определяющие патогенность и другие свойства микроорганизма.
В 50-х годах XX века было показано, что у бактерий существует примитивный половой процесс, они способны обмениваться внехромосомной ДНК, плазмидами . Открытие плазмид, как и трансформации , легло в основу распространённой в молекулярной биологии плазмидной технологии . Ещё одним важным для методологии открытием стало обнаружение в начале XX века вирусов бактерий, бактериофагов . Фаги тоже могут переносить генетический материал из одной бактериальной клетки в другую. Заражение бактерий фагами приводит к изменению состава бактериальной РНК . Если без фагов состав РНК сходен с составом ДНК бактерии, то после заражения РНК становится больше похожа на ДНК бактериофага. Тем самым было установлено, что структура РНК определяется структурой ДНК. В свою очередь, скорость синтеза белка в клетках зависит от количества РНК-белковых комплексов. Так была сформулирована центральная догма молекулярной биологии : ДНК ↔ РНК → белок.
Дальнейшее развитие молекулярной биологии сопровождалось как развитием её методологии, в частности, изобретением метода определения нуклеотидной последовательности ДНК (У. Гилберт и Ф. Сенгер , Нобелевская премия по химии 1980 года), так и новыми открытиями в области исследований строения и функционирования генов (см. История генетики). К началу XXI века были получены данные о первичной структуре всей ДНК человека и целого ряда других организмов, наиболее важных для медицины, сельского хозяйства и научных исследований, что привело к возникновению нескольких новых направлений в биологии: геномики, биоинформатики и др.
См. также
- Молекулярная биология (журнал)
- Транскриптомика
- Молекулярная палеонтология
- EMBO - Европейская организация молекулярных биологов
Литература
- Сингер М., Берг П. Гены и геномы. - Москва, 1998.
- Стент Г., Кэлиндар Р. Молекулярная генетика. - Москва, 1981.
- Sambrook J., Fritsch E.F., Maniatis T. Molecular Cloning. - 1989.
- Патрушев Л. И. Экспрессия генов. - М.: Наука, 2000. - 000 с., ил. ISBN 5-02-001890-2
Ссылки
- Материалы по молекулярной биологии от Российской Академии Наук
Wikimedia Foundation . 2010 .
- Ардатовский район Нижегородской области
- Арзамасский район Нижегородской области
Смотреть что такое "Молекулярная биология" в других словарях:
МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ - изучает осн. свойства и проявления жизни на молекулярном уровне. Важнейшими направлениями в М. б. являются исследования структурно функциональной организации генетического аппарата клеток и механизма реализации наследственной информации… … Биологический энциклопедический словарь
МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ - исследует основные свойства и проявления жизни на молекулярном уровне. Выясняет, каким образом и в какой мере рост и развитие организмов, хранение и передача наследственной информации, превращение энергии в живых клетках и др. явления обусловлены … Большой Энциклопедический словарь
МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ Современная энциклопедия
МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ - МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ, биологическое изучение строения и функционирования МОЛЕКУЛ, из которых состоят живые организмы. К основным сферам изучения относятся физические и химические свойства белков и НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ, таких как ДНК. см. также… … Научно-технический энциклопедический словарь
молекулярная биология - раздел биол., который исследует основные свойства и проявления жизни на молекулярном уровне. Выясняет, каким образом и в какой мере рост и развитие организмов, хранение и передача наследственной информации, превращение энергии в живых клетках и… … Словарь микробиологии
молекулярная биология - — Тематики биотехнологии EN molecular biology … Справочник технического переводчика
Молекулярная биология - МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ, исследует основные свойства и проявления жизни на молекулярном уровне. Выясняет, каким образом и в какой мере рост и развитие организмов, хранение и передача наследственной информации, превращение энергии в живых клетках и… … Иллюстрированный энциклопедический словарь
Молекулярная биология - наука, ставящая своей задачей познание природы явлений жизнедеятельности путём изучения биологических объектов и систем на уровне, приближающемся к молекулярному, а в ряде случаев и достигающем этого предела. Конечной целью при этом… … Большая советская энциклопедия
МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ - изучает явления жизни на уровне макромолекул (гл. обр. белков и нуклеиновых к т) в бесклеточных структурах (рибосомы и др.), в вирусах, а также в клетках. Цель М. б. установление роли и механизма функционирования этих макромолекул на основе… … Химическая энциклопедия
молекулярная биология - исследует основные свойства и проявления жизни на молекулярном уровне. Выясняет, каким образом и в какой мере рост и развитие организмов, хранение и передача наследственной информации, превращение энергии в живых клетках и другие явления… … Энциклопедический словарь
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
КАФЕДРА ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЙ БИОЛОГИИ
ЛЕКЦИИ ПО КУРСУ
БИОХИМИЯ И МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ
ДЛЯ СТУДЕНТОВ НАПРАВЛЕНИЯ БИОЛОГИЯ
КРАСНОЯРСК, 2008
ОГЛАВЛЕНИЕ
| Введение ……………………………………………………………. | 4 |
| Модуль I. Статическая биохимия ………………………………. | 6 |
| Лекция 1. моно- и олигосахаридов……………………………………………………... | |
| Лекция 2. Строение, свойства, биологическая роль гомо- и гетерополисахаридов………………………………………………. | |
| Лекция 3. Строение, свойства, биологическая роль простых липидов………………………………………………....................... | |
| Лекция 4. Строение, свойства, биологическая роль сложных липидов……………………………………………………………... | |
| Лекция 5. Аминокислотный состав белков……………………… | 36 |
| Лекция 6. Уровни структурной организации белков…………… | 47 |
| Лекция 7. Физико-химические свойства белков………………… | 59 |
| Лекция 8. Классификация белков. Простые и сложные белки… | 65 |
| Лекция 9. Сложные белки………………………………………… | 77 |
| Лекция 10. Строение, свойства, биологическая роль нуклеотидов………………………………………………………… | |
| Лекция 11. Строение, свойства, биологическая роль нуклеиновых кислот……………………………………………….. | |
| Лекция 12. Витамины – биологическая роль, классификация. Водорастворимые витамины………………………………………. | |
| Лекция 13. Жирорастворимые витамины……………………….. | 116 |
| Лекция 14. Ферменты − строение, свойства, механизм действия. | 122 |
| Лекция 15. Регуляция ферментативной активности. Классификация ферментов.………………………………………. | |
| Модуль II. Динамическая биохимия …………………………… | 169 |
| Лекция 16. Обмен веществ и энергии в живых системах. Расщепление углеводов в пищеварительном тракте…………….. | |
| Лекция 17. Анаэробный катаболизм углеводов…………………. | 185 |
| Лекция 18. Аэробный катаболизм углеводов (часть I)…………. | 201 |
| Лекция 19. Аэробный катаболизм углеводов (часть II)………… | 208 |
| Лекция 20. Биосинтез углеводов…………………………………. | 221 |
| Лекция 21. Расщепление пищевых и тканевых липидов……….. | 227 |
| Лекция 22. Катаболизм жирных кислот…………………………. | 235 |
| Лекция 23. Биосинтез жирных кислот и триацилглицеролов….. | 248 |
| Лекция 24. Биосинтез холестерина и желчных кислот…………. | 261 |
| Лекция 25. Биологическое окисление……………………………. | 269 |
| Лекция 26. Субстратное и окислительное фосфорилирование. Дыхательная цепь………………………………………………….. | |
| Лекция 27. Механизмы образования и использования АТР в живых системах…………………………………….......................... | |
| Лекция 28. Интеграция клеточного обмена……………………... | 300 |
| Модуль III. Молекулярная биология ………………...……….... | 309 |
| Лекция 29. Репликация ДНК...……………………………………. | 309 |
| Лекция 30. Транскрипция (биосинтез РНК)……………………... | 320 |
| Лекция 31. Трансляция (биосинтез белка)………………………. | 334 |
| Библиографический список……………………………………... | 348 |
ВВЕДЕНИЕ
Биохимия,
или биологическая химия,
– это наука, которая изучает состав, строение, свойства веществ живой природы, а также их превращения в процессе жизнедеятельности живых объектов с целью познания молекулярных основ жизни.
Термин биохимия был введен Карлом Нейбергом в 1903 г. Название этой науки свидетельствует о том, что она связана как с биологией, так и с химией: биохимия – это химия, поскольку она изучает строение, состав, свойства и превращение веществ, а биологическая потому, что изучает только те вещества, которые встречаются и подвергаются превращениям в живой природе.
В зависимости от подхода к изучению живой материи биохимию делят на статическую, динамическую и функциональную. Статическая изучает химический состав организмов – состав, строение, количественное содержание в тех или иных биологических объектах. Динамическая изучает превращения химических соединений и взаимосвязанных с ними превращений энергии в процессе жизнедеятельности живых организмов. Функциональная выясняет взаимосвязь между строением химических соединений и процессами их превращений с одной стороны и функцией субклеточных структур , специализированных клеток, тканей или органов, включающих в состав упомянутые вещества – с другой. Деление это в значительной мере условно и три раздела тесно переплетаются друг с другом.
В зависимости от объекта или направления исследований современная биохимия распадается на следующие самостоятельные разделы: 1) общая биохимия; 2) биоорганическая химия; 3) биохимия животных; 4) биохимия растений; 5) биохимия микроорганизмов; 6) медицинская биохимия; 7) ветеринарная биохимия; 8) техническая биохимия; 9) эволюционная биохимия; 10) радиационная биохимия; 11) космическая биохимия; 12) энзимология; 13)
молекулярная биология.
В развитии биохимии выделяют три периода. Донаучная биохимия – период накопления практических знаний (сыроварение, приготовление вин, выделка кож, выпечка хлеба т др.), длящийся с древних времен до середины XIX столетия.
Классическая биохимия – период выделения из физиологии в качестве самостоятельной науки (вторая половина XIX века). Ее возникновение связано со стремлением объяснить физиологические процессы с помощью химических реакций. Исследования физиологических процессов в этот период осуществлялись на организменном, тканевом и клеточном уровнях. Важнейшее достижениие – установление общего плана строения главных биополимеров (белков и нуклеиновых кислот) и основных путей химических превращений веществ в живых организмах.
Современная биохимия возникла на базе классической во второй половине XX века в связи с переходом биохимических исследований на качественно новый уровень – молекулярный. Этому способствовало в первую очередь применение новых физико-химических методов (рентгеноструктурный анализ, электронная микроскопия, газовая, жидкостная хроматография, метод меченых атомов, ИК- и УФ-спекрофотометрия, флюоресцентный, биолюминесцентный анализ, электрофорез, масс-спектрометрия, ультрацентрифугирование, ЯМР, ЭПР и др.).
Выдающиеся достижения этого периода – открытие двухцепочечной спирали ДНК, расшифровка генетического кода, определение трехмерной структуры ряда белков, описание основных путей метаболизма углеводов, липидов и белков, механизма образования АТР в клетках, разработка методов определения первичной структуры белков и нуклеиновых кислот , синтез гена и др.
В свою очередь это привело к возникновению нового направления современной биохимии – молекулярной биологии , которое интегрировало усилия биологов, биохимиков, химиков и физиков в области изучения молекулярных основ эволюции, дифференцировки, биоразнообразия, развития и старения, канцерогенеза, иммунитета и др.
Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод о том, что биохимия и молекулярная биология в целом изучает химические и физико-химические процессы, лежащие в основе развития и функционирования живых систем всех уровней организации.
Объединение биохимии и молекулярной биологии в одном курсе лекций оправдано. Предметы их изучения очень близки, а последние достижения и история развития современной биохимии и молекулярной биологии не позволяют однозначно ответить на вопрос о том, где заканчивается сфера интересов одной и начинается сфера интересов другой науки. С развитием методов генетической и белковой инженерии, биоинформатики биохимия и молекулярная биология идут параллельным курсом, дополняя и обогащая друг друга.
Биохимия и молекулярная биология переживают сегодня этап стремительного развития. Достижения именно этих и некоторых смежных наук позволили человеку вплотную приблизиться к возможности реконструкции геномов, воспроизведению по сути, любых организмов с заданными свойствами.
Курс лекций состоит из трех модулей, два из которых – статическая и , касающиеся строения, свойств и метаболизма основных органических соединений, встречающихся в биообъектах. В третьем модуле охарактеризованы закономерности воспроизведения наследственной информации и механизмы экспрессии генов.
Модуль 1. СТАТИЧЕСКАЯ БИОХИМИЯ
ЛЕКЦИЯ 1
СТРОЕНИЕ, СВОЙСТВА, БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ
МОНО – И ОЛИГОСАХАРИДОВ
Углеводы, или сахара, – это органические соединения, которые содержат в молекуле одновременно карбонильную (альдегидную или кетонную) и несколько гидроксильных (спиртовых) групп. Другими словами, углеводы – это альдегидоспирты (полиоксиальдегиды) или кетоноспирты (полиоксикетоны).
Углеводы играют чрезвычайно важную роль в живой природе, и являются самыми распространенными веществами в растительном мире, составляя до 80 % сухой массы растений. Важное значение углеводы имеют и для промышленности, поскольку они в составе древесины широко используются в строительстве, производстве бумаги, мебели и других товаров.
Более подробно о биологическом значении углеводов мы поговорим позднее, а пока рассмотрим их номенклатуру и классификацию.
Название «углеводы» было предложено в 1844 г. профессором Дерптского (Тартуского) университета К. Шмидтом. Оно обязано своим появлением соотношению водорода и кислорода, которое было обнаружено в молекулах первых открытых углеводов. Оно такое же, как и у воды. Поэтому первые исследователи углеводов рассматривали их как соединения углерода с водой. Это название сохранилось и широко используется в настоящее время. Используется оно и в английском языке, в котором углеводы обозначаются словом Carbohydrates
.
Классификация углеводов
Все углеводы можно разделить на две большие группы: простые углеводы (моносахариды, или монозы) и сложные углеводы (полисахариды, или полиозы).
Простые углеводы не подвергаются гидролизу с образованием других, еще более простых углеводов. При разрушении молекул моносахаридов можно получить молекулы лишь других классов химических соединений. В зависимости от числа атомов углерода в молекуле , различают тетрозы (четыре атома), пентозы (пять атомов), гексозы (шесть атомов), и т.д. Если моносахариды содержат альдегидную группу, то они относятся к классу альдоз (альдегидоспиртов), если кетонную – к классу кетоз (кетоноспиртов).
Сложные углеводы, или полисахариды, при гидролизе распадаются на молекулы простых углеводов.
Сложные углеводы, в свою очередь, делятся на олиго – и полисахариды.
Олигосахариды – это низкомолекулярные сложные углеводы, растворимые в воде и сладкие на вкус. Полисахариды – это высокомолекулярные углеводы, образованные более чем из 20 остатков моносахаридов, не растворимые в воде и не сладкие на вкус.
В зависимости от состава, сложные углеводы можно разделить на две группы:
1) гомополисахариды, состоящие из остатков одного и того же моносахарида;
2) гетерополисахариды, состоящие из остатков различных моносахаридов.
Кроме того, в живых организмах широко распространены соединения углеводов с веществами других классов. Аминосахара – соединения углеводов с аминами (например, глюкозамин). Гликопротеины и протеогликаны – соединения углеводов с белками, гликолипиды – соединения углеводов с липидами. Наконец, нуклеиновые кислоты ДНК и РНК также представляют собой сложные молекулы, в состав которых входит углеводный компонент.
Моносахариды
Общая формула моносахаридов – С n H 2n O n . Названия моносахаридов образуют из греческого числительного, соответствующего числу углеродных атомов в данной молекуле, и окончания -оза
. Чаще всего в живой природе встречаются моносахариды с пятью и шестью углеродными атомами – пентозы и гексозы. В зависимости от характера карбонильной группы, входящей в состав моносахаридов (альдегидная или кетонная), моносахариды делятся на альдозы (альдегидоспирты) и кетозы (кетоноспирты). Из гексоз наиболее широко распространены глюкоза (виноградный сахар) и фруктоза (фруктовый сахар). Глюкоза – это представитель альдоз, а фруктоза – кетоз.
Глюкоза и фруктоза являются изомерами, т.е. они имеют один и тот же атомарный состав и их молекулярная формула одинакова (С 6 Н 12 О 6). Однако пространственное строение их молекул различается:
СН 2 ОН-СНОН-СНОН-СНОН-СНОН-СНО
Глюкоза (альдогексоза)
СН 2 ОН-СНОН-СНОН-СНОН-СО-СН 2 ОН
Фруктоза (кетогексоза)
Несмотря на то, что приведенные выше формулы дают представление о различиях между глюкозой и фруктозой, из них нельзя понять, как относительно друг друга и углеродного скелета ориентированы в пространстве атомы водорода и гидроксильные группы в обеих молекулах. Э.Фишер разработал пространственные формулы , названные его именем. Примеры даны ниже.
В этих формулах углеродные атомы нумеруют с того конца цепи, к которому ближе карбонильная группа. В частности, в альдозах первый номер присваивается углероду альдегидной группы.
Однако моносахариды существуют не только в виде открытых форм, но и в виде циклов. Эти две формы – цепная и циклическая – являются таутомерными и способны самопроизвольно переходить одна в другую в водных растворах. Цепная форма содержит в свободном виде альдегидную или кетонную группу, циклическая форма таких групп не содержит. Циклическую форму часто называют полуацетальной из-за ее сходства с полуацеталями – веществами, которые образуются при взаимодействии альдегидов со спир-тами:
Глюкоза в водном растворе существует в трех формах, способных переходить одна в другую: открытой, альдегидной, и двух циклических (шести – и пятичленной). Фруктоза в водном растворе существует в виде открытой, кетонной формы, и в виде двух циклических (шести – и пятичленной). Образование четырехчленной циклической формы моносахаридов невозможно из-за ограничений на угол изгиба молекулы.
Циклические формулы моносахаридов называют формулами Хеуорзса.
Равновесие трех форм углеводной молекулы может наблюдаться только в водных растворах, тогда как в кристаллическом состоянии моносахариды имеют строение преимущественно шестичленных циклических форм. В водных растворах моносахариды также находятся преимущественно в циклических формах. Так, например, в водном растворе глюкозы на долю открытой формы приходится лишь 0,024% молекул.
Циклическая форма образуется при переходе атома водорода гидроксильной группы пятого или четвертого атома углерода молекулы моносахарида к кислороду карбонильной группы. При этом образуется новая гидроксильная группа, получившая название полуацетальной, или гликозидной. Эта гидроксильная группа отличается повышенной реакционной способностью по сравнению с другими гидроксильными группами молекулы.
В пространстве циклическая форма моносахаридов имеет несколько изогнутый вид, напоминающий форму кресла, из-за чего такая конформационная структура получила название «кресло». Кроме того, возможны и другие конформационные структуры моносахаридов, см. рис. 1.1 а – в
а б в
Рис. 1.1. Конформационные структуры моносахаридов: а – кресло; б – лодка (ванна); в – твист
Шестичленные циклические молекулы моносахаридов называют пиранозами , а пятичленные – фуранозами. Эти названия происходят от названий соответственно шестичленного гетероцикла пирана и пятичленного гетероцикла фурана:
От того, в какой форме находится молекула моносахарида – открытой или циклической, – зависят ее химические свойства. Монозы в открытой форме вступают в реакции как альдегиды либо кетоны, а для молекул, находящихся в циклической форме, будут характерны свойства спиртов.
Строение моносахаридов, находящихся в циклической форме, удобно изображать с помощью несколько измененных формул Хеуорзса, когда грани плоскости кольца, приближенные к читателю, выделяются более жирными линиями. При этом символы атомов углерода, составляющих скелет молекулы, обычно не пишут:
Литература к курсу биохимии Основной 1. Основы биохимии / Под ред. А. А. Анисимова. М. , 1986. 2. Березов Т. Т. , Коровкин Б. Ф. Биологическая химия. М. , 1982 – 2002. 3. Кнорре Д. Г. , Мызина С. Д. Биологическая химия. М. , 2003. 4. Филиппович Ю. Б. Основы биохимии. М. , 1985 – 2000. 5. Коничев А. С. , Севастьянова Г. А. Молекулярная биология. М. , 2003. Дополнительный 1. Эллиот В. , Эллиот Д. Биохимия и молекулярная биология. М. , 2002. 2. Ленинджер А. Биохимия. М. , 1976, 1985 3. Филиппович Ю. Б. Биохимия белка и нуклеиновых кислот. М, 1976.
Биохимия – это наука о веществах, из которых построены живые организмы и о химических процессах, протекающих в них. Биохимия – это часть биологии, охватывающая те ее области, которые требуют для изучения процессов жизнедеятельности применения физико-химических и химических подходов, приемов и методов. Два этапа развития биохимии: СТАТИЧЕСКИЙ И ДИНАМИЧЕСКИЙ. Статическая или описательная биохимия изучает состав живой материи, структуру и свойства выделяемых биологических соединений. Динамическая биохимия исследует химические превращения веществ в организме и значение этих превращений для процессов жизнедеятельности.
Основные задачи биохимии: исследовани е взаимосвязи строения веществ и их функций; изучение превращения химичес ких соединений и преобразования энергии в живом организме; выявление молекулярных механизмов переноса генетической информации в живых организмах и т. д.
Открытия, подготовившие возникновение биохимии 1748 год – М. В. Ломоносов открыл закон сохранения материи и показал его применимость, как к живой, так и к неживой природе. В том же веке был открыт кислород (Шееле и Пристли), и доказана необходимость его для дыхания человека и животных (Пристли, Лавуазье). Был открыт фотосинтез (Пристли, Инген-Хуз, Сенебье). Абу Али-ибн-Сина (Авиценна) (980 -1037) труд “Канон врачебной науки”. .
История биохимии В В 1828 году немецкий химик Вёлер синтезировал в лаборатории мочевину из из циановой кислоты и аммиака. . 1828 год можно считать годом основания биохимии как науки. Фридрих Вёлер 31. VII. 1800 — 23. IX. 18821814 г. российский академик К. С. Кирхгоф обнаружил фермент – амилазу в проросшем зерне.
1880 г. – возникает учение о витаминах — — начало которому положили работы русского ученого Н. И. Лунина 19 век – открытие аминокислот как составных компонентов белков – Н. Э. Лясковский и А. Я. Данилевский В 1869 году открытие ДНКДНК швейцарским ученым Джоаном Мишером В 1863 году в России раньше — других европейских государств — было введено преподавание биологической (медицинской) химии.
В 20 веке биохимия достигла подлинного расцвета. В 1902 году Эмиль Фишер с сотрудниками впервые осуществил искусственный синтез пептидов, разработал пептидную теорию строения белка. . 3 мая 1922 г. на заседании Российского ботанического общества доложил существо своей теории происхождения жизни Опарин А. И. , 1894 -1980 Академик В. А. Энгельгардт (1894 -1984 гг.). Академик Энгельгардт открыл явление окислительного фосфорилирования – синтез а АТФ в митохондриях. В 1953 году Уотсон и Крик открыли вторичную структуру ДНК, что позволило понять способ передачи наследственной информации. 2002 год — создана практически полная генетическая карта человека.
Особенности химического состава живой материи Общая масса всех живых организмов, населяющих земной шар, 10 13 – 10 15 тонн. В организме человека и животных 76 элементов таблицы Д. И. Менделеева, которые по количественному содержанию делятся на 4 группы: макробиогенные – O 2 , C, N 2 , H 2 , Ca, P (выше 99%), олигобиогенные – K , Na , Cl 2 , S , Mg , Fe (от 0, 1% до 1%) микробиогенные – Zn , Mn, Cо, Cu, F, Br, I (менее 0, 01%) ультрамикробиогенные – остальные – (менее 10 -4 – 10 -6)
В организме человека содержится свыше 50 000 индивидуальных белков Ферменты Регуляторные белки Рецепторные белки. Транспортные белки Структурные белки Защитные белки Сократительные белки
Пролин – единственная иминокислота, у которой радикал которой связан как с α -углеродным атомом, так и с аминогруппой
Приняты три классификации аминокислот: биологическая или физиологическая, т. е. по степени незаменимости для организма. Делят на заменимые, незаменимые (для человека восемь: валин, лейцин, изолейцин, треонин, лизин, метионин, фенилаланин, триптофан) и полузаменимые – (для человека три: аргинин, тирозин, гистидин). структурная, т. е. по строению бокового радикала; электрохимическая – по кислотно-основным свойствам аминокислот;
Аминокислоты, содержащие дополнительную группу – CO-NH
Типы связей, возникающих между радикалами аминокислот при формировании третичной структуры белка 1 — ионные связи; 2 — водородные связи; 3 — гидрофобные связи; 4 — дисульфидные связи
Комбинации вторичных структур часто называют супервторичной или надвторичной структурой β -сэндвич β -бочонок β -изгиб α -спираль-поворот- α -спираль Лейциновая застежка-молния
1. α -белки – белки, состоящие главным образом из α -спиралей, которые обычно образуют общее гидрофобное ядро (22%); 2. β -белки состоят в основном из β -цепей, сгруппированных в β -листы, стабилизированные множеством водородных связей. Эти белки обычно имеют несколько слоёв с общим гидрофобным ядром (16%); 3. α / β -белки, которые состоят из перемежающихся α — и β -структур (примерно 15%). 4. α + β -белки, в которых также присутствуют как α -, так и β -структуры, но в отличии от α / β -белков, в этой категории разные вторичные структуры пространственно удалены друг от друга. По наличию α-спиралей и β-структур глобулярные белки могут быть разделены на четыре категории:
Различают четыре уровня молекулярной организации белка: Первичная структура – последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи. Вторичная структура – укладка участков полипептидной цепи в регулярные структуры, α -спирали и b-складчатые структуры (или b-пластинки). Третичная структура – укладка полипептидной цепи, включая α -спирали, β -пластинки и неупорядоченные полипептидные петли, в более или менее компактное образование, которое может либо само по себе быть белковой глобулой, либо входить в состав более сложной глобулы в качестве субъединицы. Четвертичная структура – белковая глобула, состоящая из нескольких полипептидных цепей. Каждая такая цепь образует в составе глобулы относительно обособленную структуру, называемую субъединицей.
Нативный белок – белок, находящийся в природном состоянии, сохраняющий структуру, присущую ему в живой клетке. Денатурация белка – потеря нативной конформации за счет разрыва большого количества связей, сопровождающийся утратой специфической функции. Ренатурация белка – восстановление нативной структуры. Гидролиз белка связан с разрывом пептидных связей, т. е. приводит к разрушению первичной структуры белка.
Физико-химические свойства белков Гидрофильность, способность образовывать коллоидные растворы. Растворы белков имеют низкое осмотическое давление и высокую вязкость. Способность к светорассеянию (количественное определение белков методом нефелометрии). Способность к поглощению УФ-лучей при 280 нм (используется для количественного определения белков) Молекулы белка не способны проникать через полупроницаемые искусственные мембраны, а также биомембраны растительных и животных тканей. Белки амфотерны благодаря наличию свободных NH 2 — и СООН-групп. Для них характерны все свойства кислот и оснований.
Методы выделения и очистки белков дробление биологического материала и разрушение клеточных мембран; фракционирование органелл, содержащих те или иные белки; экстракция белков (перевод их в растворённое состояние); разделение смеси белков на индивидуальные белки.
Методы очистки белков Грубое фракционирование: Очистка белков избирательной денатурацией Высаливание Осаждение в изоэлектрической точке
В 1958 г. была присуждена Нобелевская премия по химии «за установление структур белков, особенно инсулина» (Biochem J. 1951 September; 49(4): 463– 481). Ф. Сенгер В 1980 г. часть Нобелевской премии по химии «за вклад в установлении основных последовательностей в нуклеиновых кислотах»
Определение аминокислотного состава белков: аминокислотный анализатор. Деградация по Сенгеру 1 -фтор-2, 4 -динитробензол (FDNB) FDNB- производное аминокислоты Современный аминокислотный анализатор
Автоматическая процедура последовательного отщепления и идентификации N-концевых аминокислот в виде их фенилтиогидантоиновых производных (деградация по Эдману) Следующий подход предложил В. Эдман (1967)
Классификация белков по форме молекул (глобулярные или фибриллярные); по молекулярной массе (низкомолекулярные, высокомолекулярные и др.); по химическому строению (наличие или отсутствие небелковой части); по выполняемым функциям (транспортные, защитные, структурные белки и др.); по локализации в клетке (ядерные, цитоплазматические, лизосомальные и др.); по локализации в организме (белки крови, печени, сердца и др.); по возможности адаптивно регулировать количество данных белков: белки, синтезирующиеся с постоянной скоростью (конститутивные), и белки, синтез которых может усиливаться при воздействии факторов среды (индуцибельные); по продолжительности жизни в клетке (от очень быстро обновляющихся белков, с Т 1/2 менее 1 ч, до очень медленно обновляющихся белков, Т 1/2 которых исчисляют неделями и месяцами); по схожим участкам первичной структуры и родственным функциям (семейства белков).
Классификация белков по форме молекул глобулярные соотношение продольной и поперечной осей не превышает 1: 10, а чаще составляет 1: 3 или 1: 4; хорошо растворимы в воде. Гемоглобин, миоглобин фибриллярные. соотношение продольной и поперечной осей составляет более 1: 10; высокая регулярность структуры; большинство плохо растворимы в воде. Коллаген, кератин, фиброин шелка, фибриноген
Классификация белков по функциям 1. Ферменты. 2. Регуляторные белки (инсулин, кальмодуллин, ДНК-связывающие белки). 3. Транспортные белки (альбумин сыворотки крови, гемоглобин). 4. Структурные белки (коллаген, эластин). 5. Защитные белки (иммуноглобулины, фибриноген, токсины бактерий). 6. Сократительные белки (актин, миозин, тубулин). 7. Рецепторные белки и др….
Классификация белков по химическому составу Простые Состоят только из аминокислот Сложные Содержат кроме аминокислот еще небелковые компоненты Небелковая часть – простетическая группа
Простые белки Альбумины — глобулярные белки 40 -70 к. Да, растворимы в воде. Глобулины — нейтральные глобулярные белки св. 150 к. Да, нерастворимы в воде, но растворимы в слабых солевых растворах. Проламины и глютелины – кислые белки растительного происхождения от 20 до 145 к. Да, растворимы в 70%-ном этанолее; в составе много аспарагиновой и глутаминовой кислот. Протамины и гистоны – осн ó вные белки (в составе много аргинина и лизина), М. м. не выше 10 к. Да. Не содержат триптофана, растворимы в разбавленных кислотах (0, 2 М HСl), осаждаются аммиаком и этанолом Протеиноиды (склеропротеины) — плотноупакованные белки, нерастворимые в воде и большинстве растворителей; в состав входит 12 -13 типов аминокислот.
Сложные белки Гликопротеины (содержат углеводы). Липопротеины (содержат липиды). Фосфопротеины (содержат фосфорную кислоту). Хромопротеины (содержат окрашенную простетическую группу). Металлопротеины (содержат ионы различных металлов). Нуклеопротеины (содержат нуклеиновые кислоты).
Гликопротеины Содержат от 1 до 30 % углеводов (моносахариды, их ацетил-амино-производные, дезоксисахариды, нейраминовые и сиаловые кислоты). большинство белков на внешней поверхности животных клеток (рецепторы); большая часть синтезируемых клеточных белков (интерфероны); большая часть белков плазмы крови (кроме альбуминов): – иммуноглобулины; – групповые вещества крови; – фибриноген, протромбин; – гаптоглобин, трансферрин; – церулоплазмин; – мембранные ферменты; – гормоны (гонадотропин, кортикотропин).
Протеогликаны Содержат до 95% углеводов. Простетическая группа представлена высокомолекулярными гетерополисахаридами (гиалуроновой и хондроитиновой кислотами, гепарином…). Основное вещество межклеточного матрикса соединительной ткани (могут составлять до 30% сухой массы ткани). Компоненты плазматических мембран клеток. Участвуют в формировании тургора различных тканей и др.
Хромопротеины (от греч. chroma – краска) Простетическая группа – окрашенный компонент: гемопротеины или железопорфирины (простетическая группа – гем, содержащий железо(II)), магнийпорфирины (простетическая группа – гем, содержащий магний) флавопротеины (содержат производные изоаллоксазина).
Гемопротеины эритроциты, заполненные гемоглобином, мышечные клетки, имеющие миоглобин, клетки печени из-за высокого содержания в них цитохрома Р 450. дыхание, транспорт кислорода и диоксида углерода, окислительно-восстанов ительные реакции… Гем гемоглобина
Магнийпорфирины Простетическая группа содержит тетрапиррольные кольца и структурно близка гему. Комплекс с Mg 2+ Участвует в осуществлении фотосинтеза.
Флавопротеины Простетическая группа – производные изоаллоксазина Входят в состав оксидоредуктаз - ферментов, катализирующих окислительно-восстановительные реакции в клетке. Некоторые флавопротеины содержат ионы металлов. Играют важную роль в биоэнергетике клетки.
Липопротеины Простетическая группа – липиды: нейтральные жиры, свободные жирные кислоты, фосфолипиды, стерины и др. Входят в состав клеточных мембран, миелиновой оболочки нервных волокон и т. п. (структурированные фосфолипиды). В свободном виде – в плазме крови (транспорт триацилглицеридов и холестерина).
Нуклеопротеины Дезоксирибонуклео-про теины (ДНП) Простетическая группа – ДНК. Входят в состав хроматина (5 классов гистонов и негистоновые белки). Защитная, структурная, регуляторная и ферментативная функции Рибонуклеопротеины (РНП) Простетическая группа – РНК. Нуклеопротеидные комплексы рибосомальных РНК (р. РНП). Малые ядерные рибонуклеопротеиды (мя. РНП). Матричные рибонуклеопротеиды (м. РНП) –информосомы.
Фосфопротеины Простетическая группа — остатки фосфорной кислоты, соединенные с белковой частью сложноэфирными связями через гидрокси-группы серина и треонина. Источник энергетического и пластического материала. казеиноген молока (1% фосфорной кислоты); вителлин, вителлинин и фосвитин, из желтка куриного яйца; овальбумин, открытый в белке куриного яйца; ихтулин, содержащийся в икре рыб, и др.
Металлопротеины Белки, содержащие негемовое железо Ферритин – «депо» железа в селезенке, печени, костном мозге (17 -23% Fe). Трасферрин – гликопротеин, физиологический переносчик железа (0, 13% Fe). Белки, координационно связанные с металлом Металлоферменты. Участвуют в образовании фермент-субстратно го комплекса. Простетическая группа – ионы металлов
Молекулярные механизмы регуляции развития
Механизмы контроля раннего развития многоклеточного организма: регуляция дифференциальной активности генов во времени и пространстве зародыша, обеспечивающая координацию формирования общего плана строения организма и процесса спецификации клеток и зачатков. Понятие морфогенов и градиентов их концентраций. Роль межклеточной сигнализации в компартментализации зародыша на ряд клеточных доменов, различающихся набором зиготических транскрипционных факторов, и в возникновении эмбриональной индукции. Иерархический принцип активации генов, контролирующих развитие.
Протеомика и современные проблемы белковой инженерии
Методическое обеспечение современной белковой инженерии. Структурно-функциональные аспекты конструирования белковых молекул. Современные подходы моделирования структуры и функции белков.
Современные методы исследования генома
Геномная революция конца XX века: технологические инновации и их результаты. Современные методы секвенирования ДНК (секвенаторы II и III поколения, их возможности и области применения). Вычислительные и экспериментальные подходы к идентификации генов в геномных последовательностях и определению их функций. Постгеномные подходы к биологическим исследованиям. Функциональная геномика и протеомика. Синтетическая геномика: достижения и возможности.
Проблемы иммунитета растений
Главные итоги изучения устойчивости растений к инфекционным заболеваниям в цитологическом, физиолого-биохимическом и популяционно-генетическом аспектах, теория ген-на-ген. Молекулярно-биологический анализ структуры и функций генов авирулентности (Avr ) патогенов и резистентности (R ) растений. Специфичность взаимодействия в системе растение-патоген, индукция и супрессия реакции сверхчувствительности (апоптоза) и реакции некроза, вызываемые токсин-продуцирующими патогенами. Врожденный иммунитет, двухуровневая система распознавания чужеродного. Иные онтогенетические функции R -генов растений. Дупликация и кластеризация R -генов и расположение на хромосомах. Системная иммунизация растений, ее механизмы. Современное понимание фитоиммунитета как эволюционной разновидности общебиологического феномена. Новые подходы к использованию достижений в области исследований иммунитета растений в растениеводстве и медицине.
ГЕНЕТИКА, ФИЗИОЛОГИЯ И МЕДИЦИНСКАЯ БИОЛОГИЯ
Геном человека, молекулярная природа наследственных заболеваний
Геном человека: общая характеристика. Основные структурно-функциональные компоненты митохондриального и ядерного генома человека. Структурная организация ядерных генов человека. Геномная организация ядерных генов человека. Псевдогены, усеченные гены, фрагменты генов, интроны. Внегенная ДНК человека. Уникальные, низко-, умеренно- и высокоповторяющиеся последовательности ядерного генома человека: структурная организация, функции.
2.2. Молекулярная природа наследственных заболеваний и
современные подходы к их лечению
Классификация моногенных и мультифакторных заболеваний человека и их молекулярная основа. Принципы молекулярной диагностики наследственных и ненаследственных заболеваний человека на разных этапах онтогенеза. Генная и клеточная терапия моногенных и мультифакторных заболеваний. Молекулярная геномика. Понятие о генетическом паспорте человека. Развитие молекулярной диагностики заболеваний человека и Беларуси.
РНК-интерференция: теоретические и практические аспекты
История открытия РНК-интерференции. Малые РНК как индукторы
РНК-интерференции. Структурно-функциональная организация микроРНК, коротких интерферирующих РНК и других малых РНК. Биогенез малых РНК. Организация неактивного и активного RISC-комплекса. Функциональная роль РНК-интерференции. Использование явления РНК-интерференции и малых РНК в функциональной геномике и экспериментальной генотерапии.