Версия Расписание лекций ХБ весенний семестр 2014 г. Проф. Копылов А.М., асс. Завьялова Е.Г. 21 фев. – ? апр г. Вт – (501 ауд), пт – (501 ауд) 13? занятий 1. Пт Что такое жизнь с точки зрения химика. 2. Вт Вода. Биологические мембраны 3. Пт Структура и функция белка. 4. Обмен веществом. Превращение энергии. 5. Вт Контрольная пт Разбор контрольной вт Структура нуклеиновых кислот 8. вт Биосинтез нуклеиновых кислот. 9. Пт Биосинтез белка. 10. вт Контрольная пт Разбор контрольной Геном, плазмиды, вирусы. 13. вт Регуляция экспрессии генов. Система передачи сигнала. 14. Пт Контрольная вт Разбор контрольной 3.

Медицина (реаниматология) Биология (единство разнообразия) Химия (задача ХБ – создание химических принципов функционирования биологических систем. От описательной биохимии к системной химической биологии) От разглядывания и описания к пониманию «почему» и «зачем», и далее к попыткам предсказания свойств и поведения Физика (порядок и хаос) Математика (теория автоматов) Что такое жизнь?

Что такое жизнь? Медицина (реаниматология) Биология (единство разнообразия, эволюция) Химия (задача ХБ) Физика (порядок и хаос) Математика (теория автоматов) химия физхимия (т/д) физика математика

Что такое жизнь с точки зрения химика Биология: Многообразие, систематика, эволюция Клеточная теория Строение клеток Химия: -Химическая организация: низкомолекулярные вещества и биологические макромолекулы -Системное определение живого с точки зрения химии

Систематика разнообразия форм живого «Эдем» Ван Кессель Многоклеточные Одноклеточные видимые глазомневидимые глазом

Разнообразие формы клеток c – стебель растения d – сперматозоиды человека e – эритроциты человека f – эмбрион человека, 1 деление РАЗЛИЧИЯ В МАСШТАБЕ!

Разнообразие размеров клеток Куриный желток – мкм (5 м в данном масштабе) Эритроцит Кишечная палочка – 2 мкм Микоплазма – 0,3 мкм Эритроцит – 7 мкм (V «пробирки» = 4 х л)

Клетка бактерий - один компартмент

Клетки животных растений - несколько компартментов ядро митохондрии ядро митохондрии хлоропласты

«Прокариоты и эукариоты» безъядерные и ядерные е

Эволюция трех клеточных царств прокариоты эукариоты эубактерии архебактерии растения: ядро, мт, хл животные: ядро, мт ядро мт ядро хлоропласт митохондрия прогенота

Минимальная единица биологии – клетка Вирус не является живым, это химический супрамакромолекулярный комплекс Минимальная единица химии - атом, молекула

Сокращение отдельной клетки сердца Функция органа – функция клетки

Что справедливо для слона – справедливо и для бактерии (ЖМ) (не во всем - АК) Единообразие структурной химии живого

Единообразие функциональной химии живого Что справедливо для слона – справедливо и для бактерии (ЖМ) (не во всем - АК)

Что такое жизнь с точки зрения химика Биология: Многообразие и систематика Клеточная теория Строение клеток Химия: -Химический состав клетки: биологические макромолекулы и низкомолекулярные вещества -Системное определение живого с точки зрения химии

Макромолекулы (25) Белки 15 Нуклеиновые кислоты 7 Полисахариды 3 Низкомолекулярные соединения (75) Вода 70 Липиды 2 Органические и неорганические 3

МАКРОМОЛЕКУЛЫ (25) Белки 15 Нуклеиновые кислоты 7 Полисахариды 3 Почему макромолекулы? МОЛЕКУЛЫ(75) Вода 70 липиды 2 органические и неорганические 3 Почему именно эти молекулы? ФУНКЦИОНАЛЬНОСТЬ ХИМИИ ЖИВОГО - ЗАЧЕМ ОНО ТАМ?

МАКРОМОЛЕКУЛЫ (25) Белки 15 Нуклеиновые кислоты 7 Полисахариды 3 МОЛЕКУЛЫ(75) Вода 70 липиды 2 органические и неорганические 3 Почему вода? ФУНКЦИОНАЛЬНОСТЬ ХИМИИ ЖИВОГО - ЗАЧЕМ ОНО ТАМ?

Типы и энергия химической связи Ковалентная связь О-Н 461 P-O 419 C-O352 C-C 348 Нековалентная связь (взаимодействие) Ионные взаимодействия 42 Водородная связь 8-21 Ван дер Ваальсовы взаимодействия 2-8 kJ/моль (4,2 J = 1 кал)

Необычные свойства водных растворов: системообразующая роль Водородная связь и необычные свойства самой воды Водородная связь с полярным растворенным веществом Электростатические взаимодействия с заряженным веществом Гидратация ионов «Гидрофобные взаимодействия» для неполярных веществ (гидрофобный эффект)

«Гидрофобные взаимодействия» (гидрофобный эффект) неполярных и амфипатических веществ Мицелла Электростатические взаимодействия с заряженным веществом Гидратация ионов

МАКРОМОЛЕКУЛЫ (25) Белки 15 Нуклеиновые кислоты 7 Полисахариды 3 Почему макромолекулы? МОЛЕКУЛЫ(75) Вода 70 липиды 2 органические и неорганические 3 ФУНКЦИОНАЛЬНОСТЬ ХИМИИ ЖИВОГО - ЗАЧЕМ ОНО ТАМ?

Макромолекула (некорр. полимер) – химическое соединение, молекулы которого состоят из большого числа повторяющихся звеньев (структурных звеньев) Мономер – низкомолекулярное вещество, из которого полимеризацией (или поликонденсацией) получается полимер Поликонденсация - полимеризация, при которой, кроме полимера, образуются низкомолекулярные вещества Если в полимеризации (поликонденсации) участвуют разные молекулы, то получается сополимер, структурное звено которого состоит из остатков каждой молекулы, участвующей в реакции

Природные макромолекулы – белки нуклеиновые кислоты (ДНК, РНК - НК) [полисахариды – не инфо!] - получаются поликонденсацией - линейные, неразветвленные - асимметричные (векторные, полярные) (N- и C-концы белка, 3- и 5-концы НК) Белки и нуклеиновые кислоты: - информационные (текст из 20 ак или 4 н) - самоорганизующиеся в пространстве

Уровни сложности структурной организации Клетка Супрамакромол. Макромол. Повтор. ед. комплекс %

Жизнь использует именно макромолекулы НК и белка как предельный случай упорядоченной химической организации молекул и информации в пространственно – временном континууме клетки

Обучение использует лекции как предельный случай упорядоченной организации информации в пространственно – временном континууме

ЖИВЫЕ ОРГАНИЗМЫ представляют собой открытые (т.е. обменивающиеся с окружающей средой веществом и энергией), саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся сложные системы, важнейшими функционирующими веществами которых являются белки и нуклеиновые кислоты. Живому свойственен ряд совокупных признаков, таких, как способность к воспроизведению (репродукции), трансформация энергии, метаболизм, чувствительность, изменчивость. Совокупность этих признаков можно обнаружить уже на клеточном уровне. Нет меньшей единицы живого, чем клетка. Вирус не является живой системой!

Клетка – это ограниченная активной мембраной, упорядоченная, структурированная система биополимеров (белков, нуклеиновых кислот и др.) и их молекулярных комплексов, участвующих в единой совокупности метаболических и энергетических процессов, осуществляющих поддержание и воспроизведение всей системы в целом. Нет меньшей единицы живого, чем клетка. Вирус не является живой системой!

Лекция 2 границы системы живого (клетки) 1. Биологические мембраны 2. Липиды 3. Липосомы

Биологическая мембрана = липидный бислой + белки

Биологические мембраны – сложные высокорганизованные системы, состоящие из липидных бислоёв и белков Мембраны окружают все живые клетки и ее компартменты (ядра, митoхондрии, хлоропласты) Функции биологических мембран: -образование динамичных границ раздела -селективный транспорт -сенсорные

СВОЙСТВА БИОЛОГИЧЕСКОЙ МЕМБРАНЫ - Двумерная - Гибкая (движение) - Самоорганизация (деление и слияние клеток) - Встроенные белки (свойства и «лицо» клетки) - Селективно (избирательно) проницаема (обмен веществом, трансформация энергии)

Микроскопия биологических мембран

Липиды λιπος (греч. – жир) Растворимые в жирах и жирорастворителях (и нерастворимые в воде) низкомолекулярные органические соединения, в том числе жиры, стеролы и изопреноиды например, триглицериды, холестерин, каротин

Жирные кислоты: предельные и непредельные С 15 Н 31 СООН – пальмитиновая С 17 Н 35 СООН – стеариновая С 17 Н 33 СООН – олеиновая

Жирная кислота Q

Триглицерид Q

Фосфолипид фосфатидилхолин

Фосфолипид

Классификация липидов Группы крови Жиры

(Гидрофобные взаимодействия) Гидрофобные эффекты неполярных веществ в воде

Липопротеиды (ЛПП) крови переносят жиры и холестерин Встраивание холестерина в мембрану меняет ее свойства Медицинский анализ ЛПП: НП переносят, а ВП удаляют холестерин Атеросклеротические бляшки сосудов сердца (много НП и мало ВП)

Липидная мицелла, бислой, липосома Свойства бислоя зависят от липидного состава: предельные и непредельные кислоты, холестерин

Фосфолипидный бислой Молекулярная динамика на суперкомпьютере (Головин АВ, МГУ) Lomonosov Top 31 (06/2013) Cores: 78,660; Rmax (901.9 TFlop/s)