Лекции по курсу биохимия и молекулярная биология для студентов направления биология. Молекулярная биология и биохимия

Введение.
Основу жизнедеятельности любого организма составляют химические процессы. Практически все реакции в живом организме протекают с участием природных биокатализаторов, называемых ферментами, или энзимами. Среди множества энергетически возможных реакций ферменты избирательно преобразуют реагенты, называемые субстратами, по физиологически полезному пути. Таким образом, ферменты управляют всеми метаболическими процессами организма.
В научной литературе на русском языке утвердились оба термина: «ферменты» и «энзимы», но предпочтение отдают термину «фермент», хотя наука о ферментах называется энзимология. Слово «фермент» происходит от лат. fermentum - закваска, а «энзим» - от греч. еп - в, внутри и zyme - дрожжи. Данная терминология возникла исторически при изучении ферментативных процессов спиртового брожения.
Становление энзимологии как науки произошло в начале XIX века. Активное её развитие продолжается до настоящего времени. В задачи этой науки входят определение роли отдельных ферментов в ускорении химических реакций, протекающих в организме, выделение и очистка ферментов, установление их структуры, исследование механизма действия, изучение кинетических характеристик и особенностей регуляции активности in vivo.
Для практической медицины важность энзимологии обусловлена тем, что она даёт фармакологам инструмент направленного изменения метаболизма клетки путём воздействия определёнными химическими веществами на активность ферментов. Огромное количество фармацевтических препаратов - ингибиторы ферментов. Другая, не менее важная задача энзимологии для практической медицины - использование методов определения активности ферментов в биологических жидкостях для диагностики заболеваний. Кроме того, выделенные и очищенные ферменты могут использоваться в качестве терапевтических средств.
Ферменты, как было установлено ещё в 1922 г., являются белками. Их роль уникальна: они увеличивают скорость протекания химической реакции, однако при этом не расходуются. В 1926 г. был впервые очищен и выделен в виде белковых кристаллов фермент уреаза, катализирующий реакции расщепления мочевины до аммиака и диоксида углерода. К настоящему времени в кристаллическом виде получены сотни различных ферментов, расшифрованы их аминокислотные последовательности, изучается их роль в метаболических превращениях.
В роли биокатализаторов могут выступать и небелковые соединения. Например, некоторые типы РНК вызывают гидролиз фосфодиэфирных связей нуклеиновых кислот. Такие молекулы РНК с каталитической активностью называют рибозимами, однако их значение в химическом превращении соединений намного меньше, чем у ферментов.
Поскольку ферменты - белковые молекулы, следовательно, они обладают всеми свойствами, характерными для белков. В то же время они имеют особенности строения, характеризующие их как катализаторы. Рассмотрим основные свойства ферментов как биологических катализаторов.
Биологическая функция фермента, как и любого белка, обусловлена наличием в его структуре активного центра. Лиганд, взаимодействующий с активным центром фермента, называют субстратом. В активном центре фермента есть аминокислотные остатки, функциональные группы которых обеспечивают связывание субстрата, и аминокислотные остатки, функциональные группы которых осуществляют химическое превращение субстрата. Условно эти группы обозначают как участок связывания субстрата и каталитический участок.
В участке связывания субстрат при помощи нековалентных связей взаимодействует (связывается) с ферментом, формируя фермент-субстратный комплекс. В каталитическом участке субстрат претерпевает химическое превращение в продукт, который затем высвобождается из активного центра фермента. Схематично процесс катализа можно представить следующим уравнением:
Е + S ↔ ES ↔ ЕР ↔ Е + Р,
где Е - фермент (энзим), S - субстрат, Р - продукт. Данные обозначения являются общепринятыми.
Специфичность - наиболее важное свойство ферментов, определяющее биологическую значимость этих молекул. Различают субстратную и каталитическую специфичности фермента, определяемые строением активного центра.

Субстратная специфичность
Под субстратной специфичностью понимают способность каждого фермента взаимодействовать лишь с одним или несколькими определёнными субстратами. Различают:
абсолютную субстратную специфичность;
групповую субстратную специфичность;
стереоспецифичность.
Активный центр ферментов, обладающих абсолютной субстратной специфичностью, комплементарен только одному субстрату. Следует отметить, что таких ферментов в живых организмах мало.
Пример фермента с абсолютной субстратной специфичностью - уреаза, катализирующая гидролиз мочевины до диоксида углерода и аммиака.
Большинство ферментов катализирует однотипные реакции с небольшим количеством (группой) структурно похожих субстратов.
Так, фермент панкреатическая липаза катализирует гидролиз жиров в двенадцатиперстной кишке человека, катализируя превращение любой молекулы жира (триацилглицерола) до молекулы моноацилглицерола и двух молекул высших жирных кислот. Панкреатическая липаза гидролизует эфирную связь у α-атомов углерода глицерола, независимо от того, какие жирные кислоты входят в состав молекулы жира.
Большинство протеолитических ферментов, осуществляющих гидролиз белков, имеют групповую субстратную специфичность, гидролизуя пептидные связи, образованные разными аминокислотами.
При наличии у субстрата нескольких стереоизомеров фермент проявляет абсолютную специфичность к одному из них. В организме человека наблюдают специфичность ферментов к следующим стереоизомерам.
Стереоспецифичность к D-сахарам. Большинство моносахаридов и продуктов их обмена в организме человека и других млекопитающих относят к D-стереоизомерам. Ферменты, осуществляющие их метаболизм, имеют специфичность к D-, а не к L-сахарам.
Стереоспецифичность к L-аминокислотам. Белки человека состоят из аминокислот L-ряда.
Большинство ферментов, обеспечивающих превращение аминокислот, имеет стереоспецифичность к L-аминокислотам.
Стереоспецифичность к цис-транс изомерам.
Фермент фумараза оказывает действие только на фумарат. Малеинат (цис-изомер фумарата) не является субстратом фумаразы.
Исключение составляют только ферменты эпимеразы (рацемазы), катализирующие превращение оптических изомеров.
Стереоспецифичность к α- и β-гликозидным связям. Фермент амилаза действует только на α-гликозидные связи, что позволяет гидролизовать крахмал и гликоген (полимеры глюкозы), остатки глюкозы в которых соединены α-гликозидными связями. Целлюлоза - также полимер глюкозы, однако остатки глюкозы в нём связаны β-гликозидными связями. В результате отсутствия у человека ферментов, специфичных к β-гликозидной связи, целлюлоза не гидролизуется в кишечнике человека и не может служить источником глюкозы.

Каталитическая специфичность
Фермент катализирует превращение присоединённого субстрата по одному из возможных путей его превращения. Это свойство обеспечивается строением каталитического участка активного центра фермента и называется каталитической специфичностью, или специфичностью пути превращения субстрата. Так, молекула глюкозо-6-фосфата в клетках печени человека - субстрат 4 различных ферментов: фосфоглюкомутазы, глюкозо-6-фосфатфосфатазы, фосфоглюкоизомеразы и глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы. Однако из-за особенностей строения каталитических участков этих ферментов происходит различное превращение этого соединения с образованием 4 различных продуктов.

Номенклатура и классификация
Международный союз биохимии и молекулярной биологии в 1961 г. разработал систематическую номенклатуру, согласно которой все ферменты разбиты на 6 основных классов в зависимости от типа катализируемой химической реакции. Каждый класс состоит из многочисленных подклассов и подподклассов с учётом преобразуемой химической группы субстрата, донора и акцептора преобразуемых группировок, наличия дополнительных молекул и т.д. Каждый из 6 классов имеет свой порядковый номер, строго закреплённый за ним.
Оксидоредуктазы
Катализируют различные окислительно-восстановительные реакции с участием 2 субстратов (перенос ē или атомов водорода с одного субстрата на другой).
Трансферты
Катализируют перенос функциональных групп от одного соединения к другому. Подразделяют в зависимости от переносимой группы.
Гидролизы
Катализируют реакции гидролиза (расщепления ковалентной связи с присоединением молекулы воды по месту разрыва). Подразделяют в зависимости от расщепляемой связи.
Лиазы
К лиазам относят ферменты, отщепляющие от субстратов негидролитическим путём определённую группу (при этом могут отщепляться СО2, Н2О, NH2, SH2 и др.) или присоединяющие чаще всего молекулу воды по двойной связи.
Изомеразы
Катализируют различные внутримолекулярные превращения.
Лигазы (синтетазы)
Катализируют реакции присоединения друг к другу двух молекул с образованием ковалентной связи. Этот процесс сопряжён с разрывом фосфоэфирной связи в молекуле АТФ (или других нуклеозидтрифосфатов) или с разрывом макроэргических связей других соединений. В первом случае (при использовании энергии гидролиза АТФ) такие ферменты называют лигазами, или синтетазами. В случае, когда источником энергии служит любое другое макроэргическое соединение (не АТФ), ферменты называют синтазами.
Каждый фермент имеет 2 названия. Первое - короткое, так называемое рабочее, удобное для повседневного использования. Второе (более полное) - систематическое, применяемое для однозначной идентификации фермента.
Рабочее название.
В названии большинства ферментов содержится суффикс «аза», присоединённый к названию субстрата реакции, например уреаза, сахараза, липаза, нуклеаза или к названию химического превращения определённого субстрата, например лактатдегидрогеназа, аденилатциклаза, фосфоглюкомутаза, пируваткарбоксилаза. Однако в употреблении сохранился ряд тривиальных, исторически закреплённых названий ферментов, которые не дают представления ни о субстрате, ни о типе химического превращения, например трипсин, пепсин, ренин, тромбин.
Систематическое название.
В соответствии с классификацией каждый фермент получил систематическое название, однозначно характеризующее катализируемую им химическую реакцию.
В 1972 г. комиссией по номенклатуре биохимических соединений Международного союза теоретической и прикладной химии были предложены «Правила номенклатуры ферментов», имеющие кодовое четырёхзначное цифровое обозначение, где первая цифра обозначает класс фермента, вторая цифра (подкласс) уточняет преобразуемую группировку, третья (подподкласс) - уточняет дополнительных участников реакции (например, донора и акцептора) и четвёртая - порядковый номер фермента в данной подгруппе. Так, фермент малатдегидрогеназа имеет систематическое название L-малат: NAD-оксидоредуктаза и кодовый шифр 1.1.1.38. Шифр означает, что этот фермент относят к первому классу ферментов - оксидоредуктаз, окисляемая группа - гидроксильная группировка (1) в присутствии кофермента NAD+ (1) и порядковый номер фермента в этой подгруппе - 38. Кодовую номенклатуру ферментов в основном используют в научной литературе.

Кофакторы и коферменты
Большинство ферментов для проявления ферментативной активности нуждается в низкомолекулярных органических соединениях небелковой природы (коферментах) и/или в ионах металлов (кофакторах).
Термин «кофермент» был введён в начале XX века и обозначал часть некоторых ферментов, которая легко отделялась от белковой молекулы фермента и удалялась через полупроницаемую мембрану при диализе. Несколько позже было выяснено, что большинство ферментов состоит из термолабильной белковой части и термостабильного небелкового фактора - кофермента. Белковая часть получила название «апофермент», который в отсутствие кофермента не обладает каталитической активностью. Кофермент с белковой молекулой (апоферментом) формируют молекулу холофермента, обладающую каталитической активностью.
Более 25% всех ферментов для проявления полной каталитической активности нуждается в ионах металлов.

Особенности ферментов, как катализаторов биологической природы
Фермент, выполняя функцию катализатора химической реакции, подчиняется общим законам катализа и обладает всеми свойствами, характерными для небиологических катализаторов, однако имеет и отличительные свойства, связанные с особенностями строения ферментов.
Сходство ферментов с небиологическими катализаторами заключается в том, что:
ферменты катализируют энергетически возможные реакции;
энергия химической системы остаётся постоянной;
в ходе катализа направление реакции не изменяется;
ферменты не расходуются в процессе реакции.
Отличия ферментов от небиологических катализаторов заключаются в том, что:
скорость ферментативных реакций выше, чем реакций, катализируемых небелковыми катализаторами;
ферменты обладают высокой специфичностью;
ферментативная реакция проходит в клетке, т.е. при температуре 37 °С, постоянном атмосферном давлении и физиологическом значении pH;
скорость ферментативной реакции может регулироваться.

Механизм действия ферментов
Тот факт, что ферменты обладают высокой специфичностью, позволил в 1890 г. выдвинуть гипотезу, согласно которой активный центр фермента комплементарен субстрату, т.е. соответствует ему как «ключ замку». После взаимодействия субстрата («ключ») с активным центром («замок») происходят химические превращения субстрата в продукт. Активный центр при этом рассматривался как стабильная, жёстко детерминированная структура.
В 1959 г. был предложен другой вариант гипотезы, т.н. «перчатка-рука», объясняющий события в активном центре фермента. По этой гипотезе активный центр является гибкой структурой по отношению к субстрату. Субстрат, взаимодействуя с активным центром фермента, вызывает изменение его конформации, приводя к формированию фермент-субстратного комплекса, благоприятного для химических модификаций субстрата. При этом молекула субстрата также изменяет свою конформацию, что обеспечивает более высокую эффективность ферментативной реакции. Эта «гипотеза индуцированного соответствия» впоследствии получила экспериментальное подтверждение.

Этапы ферментативного катализа
Процесс ферментативного катализа условно можно разделить на 4 этапа.
Первый, второй и четвёртый этапы катализа непродолжительны и зависят от концентрации субстрата (для первого этапа) и констант связывания лигандов в активном центре фермента (для первого и третьего этапов). Изменения энергетики химической реакции на этих стадиях незначительны.
Третий этап наиболее медленный; длительность его зависит от энергии активации химической реакции. На этой стадии происходят разрыв связей в молекуле субстрата, образование новых связей и формирование молекулы продукта.

Кинетика ферментативных реакций
Кинетика ферментативных реакций - раздел энзимологии, изучающий зависимость скорости химических реакций, катализируемых ферментами, от химической природы реагирующих веществ, а также от факторов окружающей среды.
Для измерения каталитической активности ферментов используют такие показатели, как скорость реакции или активность фермента. Скорость ферментативной реакции определяется изменением количества молекул субстрата или продукта за единицу времени. Скорость ферментативной реакции - мера каталитической активности фермента, её обозначают как активность фермента.
Математически скорость ферментативной реакции выражается в изменении концентрации субстрата (уменьшение) или продукта (увеличение) за единицу времени:
V= D[S]/t = D[P]/t.
Скорость ферментативной реакции зависит от ряда факторов, таких как количество и активность ферментов, концентрация субстрата, температура среды, pH раствора, присутствие
регуляторных молекул (активаторов и ингибиторов). Рассмотрим влияние этих факторов на скорость ферментативной реакции.
Повышение температуры до определённых пределов оказывает влияние на скорость ферментативной реакции, подобно влиянию температуры на любую химическую реакцию. С повышением температуры ускоряется движение молекул, что приводит к повышению вероятности взаимодействия реагирующих веществ. Кроме того, температура может повышать энергию реагирующих молекул, что также приводит к ускорению реакции. Однако скорость химической реакции, катализируемая ферментами, имеет свой температурный оптимум, превышение которого сопровождается понижением ферментативной активности, возникающим из-за термической денатурации белковой молекулы.
Для большинства ферментов человека оптимальна температура 37-38°С. Однако в природе существуют и термостабильные ферменты. Например, Taq-полимераза, выделенная из микроорганизмов, живущих в горячих источниках, не инактивируется при повышении температуры до 95°С. Этот фермент используют в научно-практической медицине для молекулярной диагностики заболеваний с использованием метода полимеразной цепной реакции (ПЦР).
Активность ферментов зависит от pH раствора, в котором протекает ферментативная реакция. Для каждого фермента существует значение pH, при котором наблюдается его максимальная активность. Отклонение от оптимального значения pH приводит к понижению ферментативной активности.
При увеличении количества субстрата начальная скорость возрастает. Когда фермент становится полностью насыщенным субстратом, т.е. происходит максимально возможное при данной концентрации фермента формирование фермент-субстратного комплекса, наблюдают наибольшую скорость образования продукта. Дальнейшее повышение концентрации субстрата не приводит к увеличению образования продукта, т.е. скорость реакции не возрастает. Данное состояние соответствует максимальной скорости реакции Vmax.
Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата выражается следующим уравнением (математическое выведение этой формулы можно найти в пособиях по ферментативной кинетике):

ν = (V_max [S])/(K_m+[S])

Это уравнение получило название уравнения Михаэлиса-Ментен.
В случае, когда скорость реакции равна половине максимальной, Km=[S]. Таким образом, константа Михаэлиса численно равна концентрации субстрата, при которой достигается половина максимальной скорости.
Уравнение Михаэлиса-Ментен - основное уравнение ферментативной кинетики, описывающее зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата.

Ингибирование фермента
Под термином «ингибирование ферментативной активности» понимают снижение каталитической активности в присутствии определённых веществ - ингибиторов. К ингибиторам следует относить вещества, вызывающие снижение активности фермента. Следует отметить, что все денатурирующие агенты также вызывают уменьшение скорости любой ферментативной реакции, вследствие неспецифической денатурации белковой молекулы, поэтому денатурирующие агенты к ингибиторам не относят.
Ингибиторы вызывают большой интерес для выяснения механизмов ферментативного катализа, помогают установить роль отдельных ферментов в метаболических путях организма.
В основе действия многих лекарственных препаратов и ядов лежит ингибирование активности ферментов, поэтому знание механизмов этого процесса крайне важно для молекулярной фармакологии и токсикологии.
Ингибиторы способны взаимодействовать с ферментами с разной степенью прочности. На основании этого различают обратимое и необратимое ингибирование. По механизму действия ингибиторы подразделяют на конкурентные и неконкурентные.
Обратимые ингибиторы связываются с ферментом слабыми нековалентными связями и при определённых условиях легко отделяются от фермента. Обратимые ингибиторы бывают конкурентными и неконкурентными.
Конкурентное ингибирование
К конкурентному ингибированию относят обратимое снижение скорости ферментативной реакции, вызванное ингибитором, связывающимся с активным центром фермента и препятствующим образованию фермент-субстратного комплекса. Такой тип ингибирования наблюдают, когда ингибитор - структурный аналог субстрата, в результате возникает конкуренция молекул субстрата и ингибитора за место в активном центре фермента. В этом случае с ферментом взаимодействует либо субстрат, либо ингибитор, образуя комплексы фермент-субстрат (ES) или фермент-ингибитор (EI). При формировании комплекса фермента и ингибитора (Е1) продукт реакции не образуется.
Неконкурентное ингибирование
Неконкурентным называют такое ингибирование ферментативной реакции, при котором ингибитор взаимодействует с ферментом в участке, отличном от активного центра. Неконкурентные ингибиторы не являются структурными аналогами субстрата.
Неконкурентный ингибитор может связываться либо с ферментом, либо с фермент-субстратным комплексом, образуя неактивный комплекс. Присоединение неконкурентного ингибитора вызывает изменение конформации молекулы фермента таким образом, что нарушается взаимодействие субстрата с активным центром фермента, что приводит к снижению скорости ферментативной реакции.
Необратимое ингибирование наблюдают в случае образования ковалентных стабильных связей между молекулой ингибитора и фермента. Чаще всего модификации подвергается активный центр фермента. В результате фермент не может выполнять каталитическую функцию.
К необратимым ингибиторам относят ионы тяжёлых металлов, например ртути (Hg2+), серебра (Ag+) и свинца (Pb2+), которые в малых концентрациях блокируют сульфгидрильные группы активного центра. Субстрат при этом не может подвергаться химическому превращению. При наличии реактиваторов ферментативная функция восстанавливается. В больших концентрациях ионы тяжёлых металлов вызывают денатурацию белковой молекулы фермента, т.е. приводят к полной инактивации фермента.

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.

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

Настоящее издание является частью электронного учебно-методического комплекса по дисциплине «Биохимия и молекулярная биология», включающего учебную программу, лабораторный практикум, методические указания к самостоятельной работе, контрольно-измерительные материалы «Биохимия и молекулярная биология. Банк тестовых заданий», наглядное пособие «Биохимия и молекулярная биология. Презентационные материалы». Изложены современные представления о структуре и функциях белков, нуклеиновых кислот, углеводов и липидов. путях биосинтеза и распада этих биополимеров, механизме ферментативного катализа, его регуляции. Даны сведения о важнейших группах ферментов и коферментов. их структуре, участии окислительных ферментов в осуществлении процессов тканевого дыхания, его энергетической эффективности. Особое внимание уделено структуре и механизму действия на обмен веществ витаминов. Предназначен для студентов направления подготовки бакалавров 020200.62 «Биология» укрупненной группы 020000 «Естественные науки».

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.

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).

Бесплатно скачать электронную книгу в удобном формате, смотреть и читать:
Скачать книгу Биохимия и молекулярная биология, Титова Н.М., Савченко А.А., Замай Т.Н., 2008 - fileskachat.com, быстрое и бесплатное скачивание.

Скачать pdf
Ниже можно купить эту книгу по лучшей цене со скидкой с доставкой по всей России.

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