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. Сr – 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.