Біополімери Енциклопедія БСЕ
Значення слова "Біополімери"
Біополімери, високомолекулярні природні сполуки, що є структурною, основою всіх живих організмів і відіграють визначальну роль у процесах життєдіяльності. До Б. відносяться білки, нуклеїнові кислоти та полісахариди; відомі також змішані Би. - глікопротеїди, ліпопротеїди, гліколіпіди та ін.
Біологічні функції Б.Нуклеїнові кислотивиконують у клітині генетичні функції. Послідовність мономерних ланок (нуклеотидів) в дезоксирибонуклеїновій кислоті - ДНК (іноді в рибонуклеїновій кислоті - РНК) визначає (у формі генетичного коду ) послідовність мономерних ланок (амінокислотних залишків) у всіх синтезованих білках і, т. о., будова організму та протікають у ньому біохімічні процеси. При розподілі кожної клітини обидві дочірні клітини отримують повний набір генів завдяки попередньому самоподвоєнню (реплікації) молекул ДНК. Генетична інформація з ДНК переноситься на РНК, що синтезується на ДНК як на матриці (транскрипція). Ця т.з. інформаційна РНК (і-РНК) служить матрицею при синтезі білка, що відбувається на особливих органоїдах клітини - рибосомах (трансляція) за участю транспортної РНК (т-РНК). Біологічна мінливість, необхідна для еволюції, здійснюється на молекулярному рівні за рахунок змін до ДНК (див.Мутація).
Білкивиконують у клітці ряд найважливіших функцій. Білки-ферменти здійснюють усі хімічні реакції обміну речовин у клітині, проводячи їх у необхідній послідовності та з потрібною швидкістю. Білки м'язів, джгутиків мікробів, клітинних ворсинок та ін виконують скорочувальну функцію, перетворюючи хімічну енергію на механічну роботу та забезпечуючи рухливість організму в цілому або його частин. Білкиосновний матеріал більшості клітинних структур (у т. ч. у спеціальних видах тканин) всіх живих організмів, оболонок вірусів та фагів. Оболонки клітин є ліпопротеїдними мембранами,рибосомипобудовані з білка та РНК і т.д. Структурна функція білків тісно пов'язана з регуляцією надходження різних речовин у субклітинні органели (активний транспорт іонівта ін) та з ферментативним каталізом. Білки виконують і регуляторні функції (репресори), «забороняючи» або «дозволяючи» прояв того чи іншого гена. У вищих організмах є білки - переносники тих чи інших речовин (наприклад, гемоглобін - переносник молекулярного кисню) та імунні білки, що захищають організм від чужорідних речовин, що проникають в організм (див. імунітет ).Полісахаридивиконують структурну, резервну та деякі інші функції. Білки та нуклеїнові кислоти утворюються в живих організмах шляхом матричного ферментативногобіосинтезу. Є тепер і біохімічні системи позаклітинного синтезу Б. за допомогою ферментів, виділених із клітин. Розроблено методи хімічного синтезу білків та нуклеїнових кислот.
Первинна структура Б. Склад та послідовність мономерних ланок Б. визначають їх т.з. первинну структуру. Всі нуклеїнові кислоти є лінійними гетерополімерами - сахарофосфатними ланцюжками, до ланок яких приєднані бічні групи - азотисті основи: аденін і тимін (РНК - урацил), гуанін і цитозин; у деяких випадках (головним чином т-РНК) бічні групи можуть бути представлені іншими азотистими основами. Білки також гетерополімери; молекули їх утворені одним або декількома поліпептидними ланцюжками, з'єднаними дисульфідними містками. До складу поліпептидних ланцюгів входить 20 видів різних мономерних ланок.залишків амінокислот. Молекулярна маса ДНК варіює від декількох млн. (у дрібних вірусів та бактеріофагів) до ста млн. і більше (у більших фагів); Бактеріальні клітини містять по одній молекулі ДНК з молекулярною масою в кілька млрд. ДНК вищих організмів може мати і велику молекулярну масу, але виміряти її поки не вдалося через розриви в молекулах ДНК, що виникають при їх виділенні. Рибосомні РНК мають молекулярну масу від 600 тис. до 1,1 млн., інформаційна (і-РНК) – від сотень тисяч до кількох мільйонів, транспортна (т-РНК) – близько 25 тис. Молекулярна маса білків варіює від 10 тис. ( і менше) до мільйонів; в останньому випадку, однак, зазвичай можливий поділ білкової частинки на субодиниці, з'єднані між собою слабкими, переважно гідрофобними, зв'язками.
Конформація, тобто та чи інша просторова форма молекул Би., визначається їх первинною структурою. Залежно від хімічної будови та зовнішніх умов молекули Б. можуть перебувати або в одній або в кількох переважних конформаціях (звичайно зустрічаються в природних умовах нативні стани Б.: наприклад, глобулярна будова білків, подвійна спіраль ДНК), або приймати багато більш менш рівноймовірні конформації. Білки ділять за просторовою структурою на фібрилярні (ниткоподібні) та глобулярні; білки-ферменти, білки-переносники, імунні та деякі інші мають, як правило, глобулярну структуру. Для ряду білків - гемоглобін, міоглобін, лізоцим, рибонуклеазу та ін. - Ця структура встановлена у всіх деталях (з визначенням за допомогою рентгеноструктурного аналізу розташування кожного атома). Вона визначається послідовністю амінокислотних залишків і утворюється та підтримується щодо слабкими взаємодіями між мономерними ланками.поліпептидних ланцюгів у водно-сольовому розчині (кулонівські та дипольні сили, водневі зв'язки, гідрофобні взаємодії), а також дисульфідними зв'язками. Глобула білка формується так, що більшість полярних амінокислотних гідрофільних залишків виявляється зовні і контактує з розчинником, а більшість неполярних (гідрофобних) залишків знаходиться всередині і ізольовано від взаємодії з водою. Молекули білка, які мають надлишок неполярних груп, коли частина їх виявляється лежить на поверхні глобули, утворюють високу, т. зв. четвертинну структуру, за якої кілька глобул агрегують, взаємодіючи між собою переважно неполярними ділянками (рис. 1 ). Просторова структура кожного білка-ферменту унікальна і забезпечує необхідне його функціонування розташування у просторі всіх ланок Би., особливо т. зв.активних центрів. У той же час вона не є абсолютно жорсткою і допускає необхідні в процесі функціонування (при взаємодії з субстратами, інгібіторами та іншими речовинами) конформаційні зрушення та зміни.
Просторова структура нативної ДНК утворена двома комплементарними нитками і є подвійною спіраль Крику — Вотсона; в ній протилежні азотисті основи попарно пов'язані водневими зв'язками - аденін з тиміном та гуанін з цитозином. Стійкість подвійної спіралі забезпечується, поряд з водневими зв'язками, також гідрофобною взаємодією між плоскими кільцями азотистих основ, розташованих чаркою (стопова взаємодія, або стакінг). Нитки РНК спіралізовані лише частково. ДНК вірусів, бактеріофагів, бактерій, а також мітохондріальна у ряді випадків є замкненим кільцем; при цьому поряд зі спіраллю Крику - Вотсона спостерігається ще додаткова т.з.надспіралізація.
Денатурація Б. Порушення нативної просторової структури Б. при різних впливах (підвищення температури, зміна концентрації металів, кислотності розчину та ін.) називається денатурацією і в ряді випадків оборотно (зворотний процес називається ренатурацією;рис. 2 ). Молекули Б. — кооперативні системи: поведінка залежить від взаємодій складових частин. Кооперативність молекул Би. визначається тим, що повороти окремих ланок через внутрішньомолекулярну взаємодію залежать від конформації сусідніх ланок. В основі денатурації Б. при зміні зовнішніх умов зазвичай лежать кооперативні конформаційні перетворення (наприклад, переходи a -спіраль - b -структура, a -спіраль - клубок, b -структура - клубок для поліпептидів, перехід глобула - клубок для глобулярних білків, перехід спіраль - Клубок для нуклеїнових кислот). На відміну від фазових переходів (кипіння рідини, плавлення кристала), що є граничним випадком кооперативних процесів і відбуваються стрибком, кооперативні переходи Б. відбуваються в кінцевому, хоча і порівняно вузькому інтервалі змін зовнішніх умов. У цьому інтервалі одномірні, лінійні молекули (нуклеїнові кислоти, поліпептиди), що зазнають перехід спіраль - клубок, розбиваються на спіральні і клубкоподібні ділянки, що чергуються (рис. 3 ).
Перехід спіраль - клубок в ДНК спостерігається при підвищенні температури, додаванні в розчин кислоти або луги, а також під впливом інших агентів, що денатурують. Цей перехід у гомополінуклеотидах відбувається при нагріванні в інтервалі десятих часток °С, у фагових та бактеріальних ДНК — в інтервалі 3—5°С (рис. 3 ), у ДНК вищих організмів — в інтервалі 10—15° З. Чим вища гетерогенність ДНК, тим ширший інтервал переходу і меншездатність молекул ДНК до ренатурації Перехід спіраль - клубок у різних видах РНК носить менш кооперативний характер (рис. 4 ) і відбувається в ширшому інтервалі температурних або інших впливів, що денатурують.
Б. — полімерні електроліти, їх просторова конформація та кооперативні переходи залежать як від ступеня іонізації молекули, так і від концентрації іонів у середовищі, що впливає на електростатичні взаємодії між окремими частинами молекули, так і між Б. і розчинником.
Будова та біологічні функції Б. Будова Б. – результат тривалої еволюції на молекулярному рівні, внаслідок чого ці молекули ідеально пристосовані до виконання своїх біологічних завдань. Між первинною структурою, конформацією Б. та конформаційними переходами, з одного боку, та їх біологічними функціями – з іншого, існують тісні зв'язки, дослідження яких – одне з головних завдань молекулярної біології. Встановлення таких зв'язків у ДНК дозволило зрозуміти основні механізмиреплікації,транскрипціїтатрансляції, а такожмутагенезута деяких інших найважливіших біологічних процесів. Лінійна структура молекули ДНК забезпечує запис генетичної інформації, її подвоєння при матричному синтезі ДНК та одержання (також шляхом матричного синтезу) багатьох копій з одного й того ж гена, тобто молекул і-РНК. Сильні ковалентні зв'язки між нуклеотидами забезпечують безпеку генетичної інформації при всіх цих процесах. У той же час відносно слабкі зв'язки між нитками ДНК і можливість обертання навколо простих хімічних зв'язків забезпечують гнучкість і лабільність просторової структури, необхідні для поділу ниток при реплікації та транскрипції, а також рухливість молекули-РНК, що служить матрицею прибіосинтез білка (трансляція). Дослідження просторової структури та конформаційних змін білків-ферментів на різних стадіях ферментативної реакції при взаємодії з субстратами та коферментами дає можливість встановити механізми біокаталізу та зрозуміти природу величезного прискорення хімічних реакцій, що здійснюється ферментами.
Методи дослідження Б. При дослідженні будови та конформаційних перетворень Б. широко використовуються як очищені природні Б., так і їх синтетичні моделі, які простіше за будовою та легше піддаються дослідженню. Так, при вивченні білків моделями служать гомогенні або гетерогенні поліпептиди (із заданим чи випадковим чергуванням амінокислотних залишків). Моделями ДНК та РНК є відповідні синтетичні гомогенні або гетерогенні полінуклеотиди. До методів дослідження Б. та їх моделей відносяться рентгеноструктурний аналіз, електронна мікроскопія, вивчення спектрів поглинання, оптичної активності, люмінесценції, методи світлорозсіювання та динамічного подвійного променезаломлення, седиментаційний метод, віскозиметрія, фізико-хімічні методи поділу та очищення та очищення. розроблені для вивчення синтетичних полімерів, застосовні і до Б. При трактуванні властивостей Б. та їх моделей, закономірностей їх конформаційних перетворень використовуються також методи теоретичної фізики (статистичної фізики, термодинаміки, квантової механіки та ін.).
Бреслер С. Е., Введення в молекулярну біологію, М.-Л., 1966; Волькенштейн М. Ст, Молекули і життя, М., 1965; Вотсон Дж., Молекулярна біологія гена, пров. з англ., М., 1967; фізичні методи дослідження білків та нуклеїнових кислот, М., 1967.
Мал. 1. Утворення четвертинної структури глобулярних білків. Заштриховані рідко – полярні(гідрофільні) частини білкових глобул, густо неполярні (гідрофобні) області.
Мал. 3. Схема переходу спіраль - клубок для ДНК: 1 - нативний стан (замість подвійної спіралі для простоти зображені «мотузкові сходи»); 2 - стан ДНК в області переходу; 3 - денатурований стан (однониткові клубки).
Мал. 2. Схема денатурації та ренатурації глобулярного білка (на прикладі ферменту рибонуклеази).
Велика Радянська Енциклопедія М.: "Радянська енциклопедія", 1969-1978
Читайте також у БСЕ :
Біо-Савара законБіо - Савара закон - закон, що визначає напруженість магнітного поля, створюваного електричним струмом. Б.-С. з. був відкритий французькими вченими Ж. Б. Біо (J. В. Biot) та Ф. Саваром (F.
БіосинтезБіосинтез (від біологічних і синтез), утворення органічних речовин з більш простих сполук, що протікає в живих організмах або поза ними під дією біокаталізаторів - ферментів. Би. - год.
БіосистематикаБіосистематика, розділ ботаніки, що вивчає таксономічну та популяційну структуру виду, його морфологогеографічну, екологічну та генетичну диференціацію, походження та еволю.