Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Молекулярная биология для биоинформатиков Академический университет Ефимова Ольга Алексеевна
Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Лекция 1 Основы химии
Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Необходимость в биоинформатических методах обусловлена: Накоплением знаний в различных областях биологии, необходимость в систематизации и обработке Закончено секвенирование человеческого генома. Следующий этап – описание всех белков и их взаимодействий Необходимость моделирования в процессе создания новых лекарств
Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Материя Из чего сделаны живые организмы и Вселенная Все что имеет массу и занимает место Виды материи Твердая – имеет определенный объем и форму Жидкая – имеет определенный объем и меняющуюся форму Газовая – имеет меняющуюся форму и объем
Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Энергия Способность выполнять какую-либо работу Типы энергии Кинетическая – энергия в действии Потенциальная – энергия позиции; неактивная энергия запаса
Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Формы энергии Химическая – энергия, запасенная в химических связях Электрическая – происходит в результате движения заряженных частиц Механическая – прямо включена в движение материи Электромагнетическая – энергия, передвигающаяся в виде волн (например, видимый свет, ультрафиолетовый свет, рентгеновские лучи
Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Трансформация энергии Одна форма энергии может легко переходить в другую В процессе такой трансформации, часть энергии может быть потеряна в виде «тепла» Клетка – поддерживает внутреннюю упорядоченность как неизолированная система, выделяющая часть энергии в виде тепла
Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Состав материи Элементы – уникальные вещества, которые не могут быть разрушены обыкновенными химическими способами Атомы – более или менее идентичные составные части всех элементов Одна или две латинские буквы обозначают каждый элемент
Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Свойства элемента Каждый элемент имеет уникальные химические и физические свойства Физические свойства – могут быть восприняты органами чувств Химические свойства – описывают как атомы реагируют между собой
Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Основные элементы живой материи Кислород (O) Углерод (C) Водород (H) Азот (N)
Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Кислород (O) Углерод (C) Водород (H) Азот (N) Основные элементы живой материи (~95%)
Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Менее часто встречающиеся элементы Составляют до 3,9% организма человека: Кальций (Ca), фосфор (P), калий (K), сера (S), натрий (Na), хлор (Cl), магний (Mg), йод (I), железо (Fe)
Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Следовые элементы Составляют менее 0,01% Часто являются частями ферментов или ко- ферментов Примеры: кобальт, медь
Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Структура атома Ядро атома состоит из протонов и нейтронов Нейтроны – не имеют заряда и имеют вес (массу) =1 amu Протоны – имеют положительный заряд и вес = 1 amu Электроны – вращаются вокруг ядра Электроны – имеют отрицательный заряд и вес = 1/2000 массы протона (0 amu)
Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Модели атома Планетная – электроны вращаются вокруг ядра по фиксированным орбитам i Орбитальная (более точная) – участки вокруг ядра, где вероятность нахождения электронов повышена
Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Модели атома Figure 2.1
Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Идентификация элементов Номер атома – равен числу протонов Вес атома – равен массе протонов и нейтронов Атомная масса – среднее масс (веса) всех изотопов
Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Идентификация элементов Изотоп – атомы с одинаковым количеством протонов и различным количеством нейтронов Радиоизотопы – атомы, подвергающиеся спонтанному разложению, называемому радиоактивностью Примеры – P 31, P 32, ….
Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Структура различных атомов Figure 2.2
Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Изотопы водорода Figure 2.3
Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Молекулы и вещества Молекула – два или более атомов, соединенных химическими связями Вещество – складывается из молекул
Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Смеси и растворы Смеси – два или более компонента, смешанных физически (не связанных химическими связями) Растворы – равномерные смеси веществ Растворитель – присутствует в большем количестве Растворенное вещество – присутствует в меньших количествах
Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Концентрация веществ Молярность – количество молей на литр (M) 1 моль вещества = молекулярному весу (сумме весов всех его атомов) в граммах Например, молекулярный вес NaCl=58: = grams/mole 50 M раствор - ? %, или часть на 100 частей (например, 0,9% раствор NaCl– это?)
Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Коллоидные растворы и суспензии Коллоидные растворы и эмульсии – гетерогенные смеси, где растворенные вещества не выпадают из раствора Суспензии – гетерогенные смеси, где растворенные вещества заметно выпадают из раствора
Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Сравнение смесей и веществ В смесях нет химических связей Большинство смесей могут быть разделены физическими методами Вещества – не могут быть разделены физически Вещества – только гомогенные
Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Химические связи Ядро атома окружено электронной оболочкой Связи формируются с использованием электронов наиболее внешнего уровня Валентная оболочка – внешний уровень, содержащий химически активные электроны Валентность – количество химических связей, образуемых атомами данного вещества Примеры - ….
Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Tипы химических связей Ионная Ковалентная Водородная
Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Ионные связи Ионы – это заряженные атомы, полученные путем потери или приобретения электронов 2 типа Анионы – приобретают электроны Катионы – теряют электроны
Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Образование ионных связей Ионные связи образуются путем отдачи или приобретения одного и более электронов между двумя атомами Ионные вещества образуют кристаллы вместо индивидуальных молекул Пример: хлорид натрия (NaCl)
Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Образование ионных связей Figure 2.5a
Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Кристалл NaCl (в отсутствии воды) Figure 2.5b
Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Ковалентные связи Ковалентные связи образуются совместным использованием одного и более электронов Это образует молекулы, например С 2 Н 5 ОН
Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Образование ковалентных связей Figure 2.7a
Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Двойные ковалентные связи Figure 2.7b
Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Тройные ковалентные связи Figure 2.7c
Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Полярные и неполярные молекулы Электроны, равно поделенные между атомами, образуют неполярные молекулы Электроны, неравно поделенные между атомами, образуют полярные молекулы Атомы с 6-7 электронами валентной оболочки – электронегативные Атомы с 1-2 электронами валентной оболочки - электропозитивные
Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Сравнение ионных, полярных ковалентных и неполярных ковалентных связей Figure 2.9
Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Водородные связи Слишком слабые, чтобы связать 2 атома вместе Но часто встречающиеся в воде Отвечают за поверхностное натяжение воды Важны для образования 3-х мерных молекул (интра-молекулярные связи)
Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Водородные связи Figure 2.10a
Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Гидрофильные молекулы
Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Гидрофобные молекулы
Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Химические реакции Происходят, когда химические связи образуются, разрушаются или реорганизуются Пишутся с использованием химических символов Уравнение химической реакции содержит: Номер и количество реагентов и названия продуктов реакции Относительное количество реагентов и продуктов
Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Примеры химических реакций
Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Типы химических реакций Реакции соединения: реакции синтеза, включающие образование химических связей A + B AB
Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Типы химических реакций Реакции разложения: Молекулы разрушаются до более маленьких молекул AB A + B
Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Типы химических реакций Реакции обмена: Связи образуются и разрушаются одновременно AB + C AC + B
Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Реакции окисления-восстановления Вещества, теряющие электроны, называются электронными донорами и они ОКИСЛЯЮТСЯ Вещества, принимающие электроны, называются электронными акцепторами, и они ВОССТАНАВЛИВАЮТСЯ Важно в процессе генерации клеточной энергии – т.н. электронно-транспортная цепь
Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Перенос энергии в химических реакциях Экзотермические реакции – реакции, которые выделяют энергию Эндотермические реакции – реакции, в которых продукты реакции содержат больше энергии, чем реагенты
Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Обратимость в химических реакциях Все химические реакции теоретически обратимы A + B AB AB A + B Если не одно из направлений не доминантное, то устанавливается химическое равновесие
Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Факторы, влияющие на скорость химических реакций Температура – химические реакции идут с более высокой скоростью при высоких температурах Размер частиц – чем меньше частицы, тем быстрее идет реакция Концентрация – чем больше концентрация, тем быстрее идут реакции
Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Факторы, влияющие на скорость химических реакций Катализаторы – увеличивают скорость реакции, сами при этом не претерпевая химические изменения Ферменты– биологические катализаторы
Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Биохимия Органические вещества Содержат углерод, ковалентные связи, и часто очень большие Углерод может образовать 4 ковалентные связи и уникально подходит для создания больших молекул Неорганические компоненты Не содержат углерод Вода, соли, многие кислоты и основания
Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Свойства воды Высокая способность сохранять и выделять тепло Высокая температура испарения Полярный растворитель – растворяет ионные вещества, образует водородные связи с полярными молекулами и является основным транспортным средством в живых организмах Живые существа на 70-90% состоят из воды, почему?
Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Свойства воды Реактивность – участвует в реакциях гидролиза и дегидратации – важные реакции в метаболизме Образует защитную «подушку» в некоторых органах
Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Соли Содержат катионы (не H + ) и анионы (не OH – ) Электролиты – проводят электрический ток
Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Кислоты и основания Кислоты выделяют Н + и следовательно являются донорами протонов HCl H + + Cl – Основания выделяют ОН - и следовательно являются акцепторами протонов NaOH Na + + OH – Примеры кислот и оснований
Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Концентрация кислот-оснований - pH pH= - lg [H + ], измерение кислотности раствора Кислотные растворы имеют более высокое содержание H + и следовательно более низкий рН Основные растворы имеют более низкое содержание H + и следовательно более высокий рН
Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings pH Кислота: pH 0–6.99 Основание: pH 7.01–14 Нейтральный раствор: pH 7.00 Figure 2.13
Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Буферные растворы Растворы, удерживающие свое значение кислотности в ответ на значительные изменения pH в жидкостях организма
Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Осмос
Copyright © 2006 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Органические вещества Молекулы уникальные для живых существ Полимеры: Углеводы Липиды Белки Нуклеиновые кислоты И их составные части – мономеры: ….