WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |
УДК 004.65 С. А. Клюев Sergey_Klyuev@mail.ru ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ПРИРОДНЫХ МАКРОМОЛЕКУЛ Учебное пособие 2011 СОДЕРЖАНИЕ Введение.

1. Основные понятия. Классификация. Особенности структуры и свойств макромолекул. Идентификация и исследование макромолекул.

2. Природные макромолекулы.

3. Использование информационных систем для изучения моделей природных макромолекул.

3.1. Понятие информационной системы.

3.2. Методологии и технологии проектирования информационных систем.

3.3. Применение информационных систем для изучения природных макромолекул и надмолекулярных структур.

3.3.1. Использование технологии “клиент – сервер”.

3.3.2. Информационные модели природных макромолекул и надмолекулярных структур.

Список литературы 2 Введение.

В настоящее время возрастает интерес исследователей к макромолекулам.

Природные макромолекулы, такие как белки, нуклеиновые кислоты и полисахариды, являются важными составными частями организмов. Уникальность свойств макромолекул обусловлена их цепной структурой. Для идентификации и исследования макромолекул применяют химические, физические и физико-химические методы.

В настоящем учебном пособии значительное внимание уделяется применению информационных технологий в решении задач поиска необходимой информации о природных макромолекулах и графическому представлению макромолекул для изучения их структуры. Широкое внедрение информационных технологий во все сферы человеческой деятельности привело к созданию большого количества информационных систем, с помощью которых можно своевременно обеспечивать пользователей необходимой информацией. Экспериментаторы, изучая объекты или системы объектов различными методами, занимаются и построением информационных моделей, которые представляются в информационные системы. Какие-то информационные модели могут заинтересовать пользователя информационной системы. В таком случае у него имеется возможность скопировать информационную модель на свой персональный компьютер и заняться исследованием этой модели (проводить компьютерный эксперимент). Информация, полученная при проведении компьютерного эксперимента c последующим правильном перенесении на объект, может значительно углубить наши знания об объекте (опосредованное изучение объекта).

В настоящее время имеется большое число информационных систем, касающихся природных макромолекул (белков, полисахаридов, ДНК, РНК). Структурные модели позволяют четко представить трехмерную структуру указанных природных соединений. Есть возможность выделять и детально изучать отдельные фрагменты больших молекул. При этом используется программное обеспечение, предоставляемое информационной системой или же программы, полученные из других источников. В предлагаемом учебном пособии основное внимание будет уделяться анализу структуры макромолекул. Хотя возможна и другая работа с информационными системами.

Примеры некоторых информационных систем: The Protein Data Bank, Bacterial Polysaccharide Gene Database, Bioinformatics Database. Данный перечень может быть продолжен.

Современные информационные системы являются автоматизированными. Отметим, что понятие автоматизированной информационной системы (АИС) есть частный случай более общего понятия, не включающего прилагательное “автоматизированная”. В настоящее время, часто, не делают различия между указанными понятиями.

Учебное пособие предназначено для читателей, которые интересуются структурой макромолекул и знают основы органической химии, физической химии, информатики. Автор предлагает изучать материал о структуре того или иного высокомолекулярного соединения через призму информационной модели, предоставляемой информационной системой.

Излагаемый материал может быть использован как для подготовки специалистов в области органической химии, так и биохимии.

1. Основные понятия. Классификация. Особенности структуры и свойств макромолекул. Идентификация и исследование макромолекул.

Макромолекулы – это молекулы высокомолекулярных соединений.

Макромолекулы, как правило, имеют цепную структуру.

Высокомолекулярные соединения – это соединения, состоящие из большого числа атомов и имеющие значительную молекулярную массу (более 5000), что обусловлено наличием в их структуре повторяющихся фрагментов.

Например, …-А-А-А-А-А-А-… или …–А-В-А-В-А-В-А-...

Полимеры тоже состоят из большого числа атомов, имеют значительную молекулярную массу, но содержат одинаковые (иногда однотипные) повторяющиеся фрагменты.

Например, …-А-А-А-А-А-А-… или –(А) n – число повторяющихся фрагментов n-, или степень полимеризации.

Пример биополимера с однотипными повторяющимися фрагментами – белок.

Термин “высокомолекулярные соединения” является более общим, чем термин “полимеры”, но указанные термины могут и отождествлять.

Структура сополимеров представляется следующим образом: …-А-B-А-B-А-B-…, …-А-А-А-В-В-В-…, …-А-А-А(-B-B-B-)-А-А-А-...

Повторяющиеся фрагменты называются элементарными звеньями.

Высокомолекулярные соединения (полимеры) могут быть полидисперсными. В полимерном образце имеются макромолекулы различной молекулярной массы. Поэтому вводится такая характеристика, как молекулярно-массовое распределение. Для описания молекулярно-массового распределения используют дифференциальные и интегральные функции. Для полидисперсных полимеров вместо термина “молекулярная масса” целесообразно использовать термин “средняя молекулярная масса”. Полидисперсные полимеры можно фракционировать.



Высокомолекулярные соединения могут находиться в аморфном, кристаллическом и жидкокристаллическом состояниях. Для высокомолекулярных соединений характерно высокоэластическое состояние, характеризующееся большими обратимыми деформациями.

Аморфные полимеры хорошо растворяются и их растворы обладают большой вязкостью, которая резко возрастает с увеличением концентрации раствора.

Высокомолекулярные соединения делятся на природные и синтетические. Примеры природных ВМС: полисахариды (крахмал животный и растительный, целлюлоза, хитин), белки (цитохромы, миоглобин, гемоглобин), нуклеиновые кислоты (ДНК, РНК). Примеры синтетических ВМС: полиэтилен, полипропилен, полистирол, полиэтилентерефталат, полипиррол.

Методы идентификации и исследования макромолекул:

Схема:

определение простейших функциональный анализ элементный физических констант химическими методами анализ методы абсорбционной ВМС дифракционные спектроскопии методы электрохимические вискозиметрия хроматографические методы методы При изучении структуры макромолекул приоритет отдается такому абсорбционному методу, как ядерный магнитный резонанс (ЯМР) и дифракционным методам (например, дифракции х-лучей). Структурные информационные модели строятся именно на основе данных, полученных этими методами. Вискозиметрия является удобным методом изучения поведения макромолекул в растворе. Вязкость ВМС, содержащих кислотные и основные группы, зависит от кислотности среды. Среди хроматографических методов анализа смесей макромолекул выделяют высокоэффективную жидкостную хроматографию (ВЭЖХ), как наиболее информативный метод. Некоторые макромолекулы обладают электрохимической активностью (способностью восстанавливаться на катоде и окисляться на аноде). Для изучения их электрохимической активности удобно использовать вольтамперометрию.

Информация о структуре многих макромолекул содержится в сети “Интернет” (например, существует банк данных по белкам “The Protein Data Bank”). К настоящему времени разработаны программы для графического представления (визуализации) данных о структуре макромолекул.

Вопросы:

1. Перечислите методы идентификации и исследования веществ, состоящих из макромолекул.

2. Каким методам отдается предпочтение при изучении структуры макромолекул 3. Вязкость каких полимеров зависит от кислотности среды 2. Природные макромолекулы.

К природным макромолекулам относятся макромолекулы белков, полисахаридов и нуклеиновых кислот.

Белки — это высокомолекулярные соединения, содержащие большое число фрагментов аминокислот, а также некоторое количество других химических соединений.

Белки делятся на простые и сложные. При полном гидролизе простых белков образуются только аминокислоты, а в случае полного гидролиза сложных белков – и другие вещества.

Первичная структура — последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи — образуется за счет пептидных связей.

Вторичная структура — способ укладки полипептидной цепи в -спираль или - структуру.

Третичная структура — пространственная укладка -спирали или полипептидной цепи в определенную конформацию. Третичная структура есть субъединица (например, глобула).

Четвертичная структура — объединение в определенном порядке двух и большего количества субъединиц в ассоциат или комплекс субъединиц, способных к диссоциации.

Например, макромолекула гемоглобина состоит из четырех субъединиц (по 17000 Д каждая).

Роль белков в организме человека:

1) ферментативная (в клетке участвуют в биохимических реакциях 2000 различных ферментов – биокатализаторов);

2) гормональная (в организме человека 50% всех гормонов имеют белковую природу);

3) рецепторная (избирательное связывание различных регуляторов — гормонов, биогенных аминов, простагландинов, медиаторов, циклических мононуклеотидов, протекает с помощью белков-рецепторов);

4) структурная или пластическая (мембраны всех клеток и субклеточных единиц представляют собой бислой: белки и фосфолипиды, т. е. белки играют роль в формировании всех клеточных структур);

5) иммунологическая (гуморальный иммунитет организма человека связан с наличием -глобулинов - антител);

6) гомеостатическая (свертывание крови связано с наличием в крови белков свертывания крови - факторов);

7) противосвертывающая (антитромбиновая, антитромбопластиковая и фибринолитическая системы связаны с наличием в крови соответствующих белков);

8) геннорегуляторная (белки-гистоны, кислые белки играют роль в регуляции процесса трансляции);

9) транспортная (перенос О, липидов, стероидов, витаминов, лекарственных веществ осуществляют различные фракции белков крови);

10) сократительная (в работе мышц участвуют белки: актин, миозин, тропонин и тропомиозин);

11) обезвреживающая (при отравлениях солями тяжелых металлов и алкалоидами противоядием являются некоторые белки);

12) опорная или механическая (прочность соединительной, хрящевой и костной ткани обусловлена наличием коллагена, эластина);

13) энергетическая (1 г белка, окисляясь до конечных продуктов — мочевины, углекислого газа и воды - дает 4,1 ккал энергии).





Среди белков можно выделить ферменты. Ферменты (энзимы) – биологические катализаторы, ускоряющие биохимические реакции обмена веществ в организме. До последнего времени считалось, что абсолютно все ферменты являются веществами белковой природы. Но в 80-ые годы была обнаружена каталитическая активность у некоторых РНК.

Сложные ферменты помимо полипептидных цепей могут содержать небелковый компонент (кофактор). Белковая часть двухкомпонентного фермента называется апоферментом.

Кофакторы могут иметь различную прочность связи с апоферментом. Если кофактор прочно связан с полипептидной цепью, то он называется простетической группой. Между простетической группой и апоферментом имеется ковалентная связь.

Если кофактор легко отделяется от апофермента и способен к самостоятельному существованию, то такой кофактор называется коферментом.

Между апоферментом и коферментом связи слабые (например, водородные).

Активный центр фермента – это часть его макромолекулы, непосредственно взаимодействующая с субстратами.

Активный центр фермента формируется на уровне третичной структуры. Поэтому при денатурации, когда третичная структура нарушается, фермент теряет свою каталитическую активность.

Современная классификация ферментов разработана в 1961 г. Комиссией по ферментам Международного биохимического союза. В основу классификации положен тип катализируемой реакции, которая является специфичным для каждого фермента.

Согласно этой классификации все ферменты делят на шесть главных классов:

1) оксидоредуктазы – катализируют окислительно-восстановительные реакции;

2) трансферазы – катализируют реакции межмолекулярного переноса групп атомов и радикалов;

3) гидролазы – катализируют реакции расщепления при участии воды;

4) лиазы – катализируют реакции внутримолекулярного негидролитического расщепления, с образованием двойной связи или присоединения по двойной связи;

5) изомеразы – катализируют реакции изомеризации;

6) лигазы (синтетазы) – катализируют реакции синтеза с затратой энергии.

По специфичности действия ферменты делят на две группы: обладающие абсолютной специфичностью и относительной специфичностью. Абсолютная специфичность проявляется тогда, когда фермент действует лишь на одно – единственное вещество и катализирует лишь определенное превращение данного вещества. Например: фермент уреаза катализирует гидролиз мочевины; сахараза - катализирует превращение только сахарозы. Относительная (групповая) специфичность наблюдается, когда фермент катализирует реакции одного типа с более чем одним структуроподобным субстратом. Например, пепсин расщепляет белки животного происхождения, хотя они могут различаться друг от друга, как по химическому строению, так и по свойствам. Однако он не расщепляет углеводы, так как местом действия пепсина является пептидная связь. Действие этих ферментов распространяется на большое число субстратов, что позволяет организму обойтись небольшим числом пищеварительных ферментов - иначе их потребовалось бы намного больше.

Стереоспецифичность - фермент катализирует превращение только одного из возможных стереоизомеров субстрата.

Основу регуляции каталитической активности ферментов составляет их конформационная лабильность. Различают пять основных путей регуляции каталитической активности ферментов:

1) путь ковалентной модификации;

2) путь нековалентной модификации;

3) ингибирование ферментов;

4) репрессия или индукция генов: изменение биосинтеза ферментов;

5) компартментализация.

Регуляция путём ковалентной модификации.

К этому пути относятся:

1) частичный протеолиз;

2) ассоциация – диссоциация;

3) фосфорилирование - дефосфорилирование.

Некоторые ферменты первоначально синтезируются в клетке в неактивной форме и, будучи секретированными из клетки, переходят в активную форму. Неактивный предшественник фермента называется проферментом, или зимогеном. Проферменты неактивны, так как в них не сформирован активный центр: аминокислотные остатки, его образующие, присутствуют, но они не расположены должным образом.

Активация профермента заключается в формировании активного центра фермента, которое происходит в результате отщепления участка полипептидной цепи, что приводит к изменению первичной структуры белка с одновременным изменением его трехмерной структуры.

Синтез в форме неактивных проферментов является характерным свойством пищеварительных ферментов, а также ферментов системы свертывания крови и фибринолиза.

Некоторые ферменты-олигомеры могут изменять свою активность за счет ассоциации — диссоциации протомеров, входящих в их состав. Например, фермент протеинкиназа является олигомером, состоящим из четырех протомеров двух типов: каталитического и регуляторного. В одном протомере находится активный центр, а в другом — регуляторный, который может связываться с цАМФ. В ассоциированном виде фермент неактивен, так как его активный центр закрыт регуляторной субъединицей, а в диссоциированном виде активный центр открывается и может реагировать с субстратом. Когда в клетке образуется цАМФ, то происходит его связывание с регуляторным центром, фермент диссоциирует на субъединицы, что приводит к его активации. При уменьшении концентрации цАМФ он покидает регуляторный центр, что вызывает объединение субъединиц (ассоциацию) и инактивацию фермента.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.