Макромолекулы как основа организации биологических структур. Принципы образования вторичной, троичной и четвертичной структуры биомакромолекул и надмолекулярных структур

Основу структурной организации живого составляют макромолекулы, прежде всего важнейшие биополимеры – белки и нуклеиновые кислоты. В макромолекулах происходят сложные процессы трансформации энергии, включающие миграцию энергии электронного возбуждения и транспорт электронов. В основе функционирования макромолекул лежит электронно-конформационные взаимодействия, которые проявляются в самых различных процессах, где участвуют биологически активные макромолекулярные комплексы. Тепловые движения атомов, входящие в полипептидную цепь, их повороты и вращения вокруг связей приводят к созданию большого количества внутренних степеней свободы. Это приводит к свертыванию цепи и образованию клубков макромолекул – макроскопические системы, в которых проявляются статический характер параметров (размеры, формы, степень свертывания). Как физический объект их своеобразие проявляются в сочетании как статических так и механических особенностей поведения макромолекул. С одной стороны большое число взаимодействий атомов создают большое количества степеней свободы и возможны создания различных конформаций, с другой стороны наличие химической связи между атомами ограничено -возможно образование конформеров. Взаимодействия атомов химической ковалентной связи определяет:

1. цепное строение биополимеров.

2. соединения друг с другом мономеров.

Клетки и их органоиды – гетерогенные системы. Их существование и функционирование определяется межмолекулярными взаимодействиями нековалентного характера (взаимодействуют слабо, потому что сильные взаимодействия создали бы устойчивые жестские структуры, лишенные молекулярной подвижности, а молекулярная подвижность необходимо для выполнения различных задач (регуляция химических реакций, трансформация энергии).

Слабое взаимодействие в биологических системах:

1) Вандервальсовы силы

2) Ионные связи

3) Водородные связи

4) Гидрофобные взаимодействия

Первичная структура – линейная. Важную роль в конформации полипептидов играют вандевальсовые силы, гидрофбные взаимодействия, водородные связи.

Вторичная структура. Пептидная цепь в белках имеет спиральную конфигурацию ( -спираль). Каждый атом H₂ имеет избыточный положительный заряд, притягивающийся к отрицательно заряженному атому О₂ в следущем витке спирали. Внутри образуются пептидные связи, а боковые радикалы аминокислот обращены наружу и могут взаимодействовать с молекулами окружающей среды. Спиральная конфигурация – вторичная. Структура полипептидной цепи спирализована неполностью. Инсулин – 60%. Причиной нарушения спирали являются:

1) Образование дисульфидных связей, которые могут соединить несколько спиралей между собой. В местах образования их ослабляется водородная связь и нарушется спирализация.

2) Наличие радикалов некоторых аминокислот, которые не укладываются в спираль и образуют отдельные складки, скрещивания водородных связей.

Такие параллельно расположенные участки - - структура, - конфигурация представляет собой складчатую структуру, которая включает параллельные цепи, связанные водородной связью. Исследования показали, если в полипептидной цепи есть остатки Глу, Ала, Лей- образуются ά – спираль, а если Мет, Вал, Изолей, то - структура. В зависимости от характера вторичной структуры белки делятся на три группы:

1) Белки с преобладанием - структуры (гемоглобин, миоглобин)

2) Белки, упакованы по типу - структуры

3) Смешанная вторичная структура

Третичная структура – строго упорядоченная в пространстве укладка спирали и несколько участков цепи.

Каждый белок имеет свою конфигурацию. Это связано с тем, что свободные карбоксильные, гидроксильные, аминные и другие группы боковых радикалов, взаимодействующих между собой с образованием амидных сложных эфирных связей. Водородные связи соединяют остатки двух соседних цепей и образуются дусульфидные мостики. Это делает структуру полужесткой.

Четвертичная структура: Объединенные двух и более субъединиц.

Третичная структура приводит к созданию сложной активной белковой молекулы. Гемоглобин: 4 глобулы . В случае глобулы полипептидная цепь свернутая в клубок – третичная. Наличие нескольких сшивок S-S накладывает ограничение на конформацию.

Глобула формирует слабые взаимодействия (гидрофобные→ взаимодействия цепных молекул друг с другом). Собранные в пачки рассматриваются и образуются фибриллярные структуры, которые функционируют вне раствора и формируют надмолекулярные белковые структуры, которые состоят из большего количества макромолекул с невалентными взаимодействиями- это клеточные мембраны, хромосомы, глобулы, нити в молекулах.

Нуклеиновые кислоты.

Уотсон Крик – структура ДНК, которая представляет собой правовинтовую спираль, из двух полинуклеиновых цепей, при этом одна цепь обвита вокруг другой. Таким образом, пары гетероциклических оснований нах-ся внутри. Обе цепи соеденены между собой водородными связями, которые возникают между гетероциклическими основаниями.

5.2 Темновая стадия фотосинтеза. С₃ – путь фотосинтеза (цикл Кальвина) его этапы, конечные продукты. С_r – путь фотосинтеза, предпосылки его возникновения. Сам – фотосинтез.

В результате фотохимических реакций создается необходимый уровень АТР и NADPH. Это конечные продукты световой фазы фотосинтеза, стодят на входе в темновую фазу, где СО₂ восстанавливается до углевода. Однако сами по себе АТФ и NADPH не в состоянии восстановить углекислый газ. В настоящее время известны т.н. С₃ и С₄ – пути фиксации СО₂, фотосинтез по типу толстостянковых и фотодыхание.

С₃ – путь (цикл Бенсона- Кальвина) присущ всем растениям. Был открыт Кальвином в 1946–56 гг. Этот цикл весьма напоминает обращенный пентозофосфатный путь дыхания, состоит из трех этапов: карбоксилирование, восстановление, регенерация.

Карбоксилирование. Молекулы рибулозо – 5 – фосфата, фосфорилирующиеся с участием АТФ и фосфорибулокитазы, образуют молекулы рибулозо1,5 дифосфата, к которым в свою очередь присоединяются СО₂ с помощью рибулозадифосфаткарбоксилазы. Полученный продукт расщепляется на две триозы: 2 молекулы 3 фосфоглицериновой кислоты (3-ФГК).

Восстановление. 3-ФГК восстанавливается до 3-фосфоглицеринового альдегида (3-ФГА) в два этапа. Сначала происходит фосфорилирование 3-ФГК при участии АТФ и фосфоглицерокиназы до 1,3 – дифосфоглицериновой кислоты, а затем восстановление 1,3 ФГК с помощью NADPH и дегидрогнназы до фосфоглицеринового альдегида.

Регенерация. В результате этих реакций при фиксации трех молекул СО₂ и образовании 6 мол. вост-х 3-фосфотриоз пять из них используются для регенерации рибулозо – 5 – фосфата, а один – для синтеза глюкозы. 3- ФГА под действием триозофосфатизомеразы изомеризуются с фосфодиоксиацетоном. При участии альдолазы 3-ФГА и фосфодиоксиацетоном конденсируются с образованием фруктозо – 1,6 – дифосфата, у которого отщепляется один фосфат с помощью фруктозо – 1,6 – дифосфотазы. В дальнейших реакциях, связанных с регенерацией первичного акцептора СО₂, последовательно принимают участие транскектолазы и альдолазы. Транскетолаза катализирует перенос содержащего 2 углерода гликолевого альдегида от кетозы на альдозу: альдолаза затем осуществляет перенос 3х углеродного остатка фосфодиоксиацетона на альдозу. В рез-те чего синтезируется седогептулоза-1,7дифосфат, последний фосфолирируется под действием транскетолазы, из него и 3-ФГА образуется ксилулоза-5ф и рибулоза-5ф. 2 мол ксилулозы-5ф при участии рибулозофосфатэпимеразы и 1 мол. рибозо-5ф с участием рибозофосфатизомеразы превращаются в 3 мол. рибулозо-5ф, с кот. начинается новый цикл фиксации углерода.

Для синтеза одной молекулы глюкозы в цикле Кальвина необходимо 12 НАДФН и 18 АТФ, получаются в результате фотохимических реакций фотосинтеза.

С-4 путь (Хэтча- Слэка). В работах 1957 г. было установлено, что при коротких эксплуатациях листьев кукурузы на свету ¹⁴С из ¹⁴СО₂ обнаруживается в аспарагиновой кислоте. В 1960 г. Карнилов и другие ученые представили данные о раннем образовании яблочной кислоты в листьях кукурузы. Корчак (1965 г.) впервые показал, что дикарбоновые кислоты являются первичными продуктами фиксации СО₂ и сахарного тростника. Затем этот цикл впервые описали Хетч и Слэк (1966) в Австралии. К группе растений с С₄ – путем фотосинтеза относят сахарный тростник, кукуруза и др. Листья этих растений содержат два разных типа хлоропластов: хлоропласты обычного вида – в клетках мезофилла и много крупных хлоропластов, часто не имеющих гранул в клетках обкладки. СО2 диффундирует в листья через устица, попадает в цитоплазму клеток мезофилла, где при участии ФЭП-карбоксилазы вступает в реакцию с ФЭП- образуется ЩУК. Затем уже в хл-х вост-ся до малата (яблочн к-ты) за счет НАДФН, образуещегося в световую фазу фотосинтеза. ЩУК в присутствии NH4 может обращаться в аспартат, а затем малат или аспартат переносится в хлоропласты кл.-обкладки, где он декарбоксилируется до пирувата и СО2. Возникающий при расщеплении малата в хлоропластах кл-обкладки пируват перемещается назад в хлоропласты клеток мезофилла, где может снова превращаться в первичный акцептор СО2 – ФЭП. Таким образом С₄ – растения имеет преимущества перед С₃ – растениями в засушливых местах обитания, благодаря интенсивности фотосинтеза даже при закрытых устьицах. Фиксация СО₂ с участием ФЕП и образование малата служит как бы насосом для поставки СО₂ в хлоропласты клеток обкладки, функционирующие по пути С₃.

САМ фотосинтез.

Суккуленты также приспособились осуществлять фотосинтез в условиях резко засушливого климата. Для них характерен суточный цикл метаболизма С₄ – кислот с образованием яблочной кислоты ночью.

В соответствии с английским выражением Сrassulacea acid metabolisim. – САМ метаболизм, т.е. метаболизм сем-ва толстянковых. Устица этих растений днем обычно закрыты, что предотвращает потерю воды, и открываются ночью. СО₂ поступает в листья, где при участии содержащийся в цитоплазме ФЕП – карбоксплазы взаимодействует с ФЭП, образуя ЩУК. Источником ФЕП служит крахмал. Тоже самое происходит и с СО₂, который освобождается в клетках в процессе дыхания. Образовавшийся ЩУК восстанавливается под действием НАДН – зависимой малатдегидрогеназы до яблочной кислоты, которая накапливается в вакуолях клеток листа. Это приводит к закислению клеточного сока в ночное время. Как и у С₄ - растений оксалоцетат может быть источником аспартата, однако этот путь здесь менее выражен.

Днем в условиях высокой температуры, когда устьица закрыты, малат транспотируется из вакуолей в цитоплазму и там декарбоксилируется при участии малатдегидрогеназы, с образованием СО₂ и пирувата. СО₂ поступает в хлоропласты и включается в них в цикл Кальвина, учавствуя в синтезе сахаров.

Таким образом в САМ-фотосинтезе фиксация СО₂ с образованием малата (ночью) и декарбоксилирование малата с высвобождением О₂ и пирувата (днем) разделены во времени. У С₄ – растений эти же реакции разграничены в пространстве: первая идет в хлоропласте мезофилла, вторая в клетках обкладки.