Молекулярная биофизика. Пространственная организация биополимеров

1.

Раздел: Молекулярная биофизика
Тема: Пространственная
организация биополимеров

2.

РАЗДЕЛЫ БИОФИЗИКИ
БИОФИЗИКА
Биофизика
сложных систем
Молекулярная
биофизика
Строение и физико-химические
свойства биологически
функциональных молекул
Общие биолого-физические
проблемы и математическое
моделирование биологических
(биофизических) процессов
Биофизика
клетки
Строение и функционирование
клеточных и тканевых систем. Задачи –
изучение физики клеточных мембран и
биоэнергетики

3. Молекулярная биология (развитие генетики и цитологии)

• Объекты исследования:
биологические молекулы (белки,
нуклеиновые кислоты, углеводы), их
строение и свойства
• Методы исследования:
- Биологические
- Физические
- Химические

4. Молекулярная биофизика

Область молекулярной
биологии
Область молекулярной
физики
Изучает:
Исследует:
Строение и функции
биологических объектов и
систем на основе физических
методов и подходов
Молекулярно-физические
основы важнейших
жизненных процессов

5.

Биополимеры
–
это
класс
полимеров,
встречающихся в природе в естественном виде и
входящие в состав живых организмов. К
биополимерам относятся белки, нуклеиновые
кислоты, полисахариды. Биополимеры состоят из
одинаковых (или разных) звеньев – мономеров.
Мономеры белков – аминокислоты, нуклеиновых
кислот – нуклеотиды, в полисахаридах –
моносахариды.
Выделяют два типа биополимеров – регулярные
(некоторые полисахариды) и нерегулярные
(белки,
нуклеиновые
кислоты,
некоторые
полисахариды).

6.

Биополимеры обладают рядом
особенностей:
1. Состоят из большого числа
атомов
2. Имеют большое число
функциональных групп
3. Значительное число степеней
свободы

7.

Подвижность полимеров может иметь
статистический и детерминированный
(механический) характер.
Статистическая подвижность биополимера это
варианты отдельных элементов структуры, повороты
вокруг одинарных связей. Форма и размеры
молекулы зависит от статистической подвижности
биополимера.
Детерминированный характер движения
обуславливает функциональные изменения в молекуле.
Задача молекулярной биофизики: исходя из характера
взаимодействия атомных групп, раскрыть природу
внутримолекулярной динамики макромолекул

8.

Двойственность свойств макромолекул
Статистические
Детерминистические
Большое число
внутримолекулярных
степеней свободы
вследствие теплового
движения, поворотов и
вращения вокруг
единичных связей
Химические связи,
ближние и дальние
взаимодействия
Задача молекулярной биофизики: исходя из характера
взаимодействия атомных групп, раскрыть природу
внутримолекулярной динамики макромолекул.

9. Гибкость полимерной цепи

Какова характерная форма молекулярной цепи в различных
полимерных веществах (какова конформация)?
Прямолинейная
конформация
Конформация
запутанного клубка

10. Модели гибкости полимерных цепей

• Персистентная
модель
(червеобразная)
h=N*l
• Свободно сочлененная модель

11.

К определению персистентной длины и
эффективного сегмента
где L -полная контурная длина
полимерной цепи, R2 среднеквадратичное значение
вектора R, соединяющего
концы полимерной цепи (рис).
Ф-ла (2) показывает, что
полимерную цепь можно
представить системой
свободно сочленённых друг с
другом эффективных жёстких
сегментов длины l, число
таких сегментов в цепи равно .

12.

Макромолекулярная
структура ДНК.
(а)—Модель Уотсона —
Крика;
(6)—параметры
спиралей В-, С- и Тформ ДНК (проекции
перпендикулярно оси
спирали);
(в)—поперечный разрез
спирали ДНК в В-форме
(заштрихованные
прямоугольники
изображают пары
оснований);
(г)—параметры спирали
ДНК в А-форме;
(д)—поперечный разрез
спирали ДНК в Аформе.

13.

14.

Полимерная цепь, где
взаимодействуют только
соседние звенья
Клубок
Свойства клубка
Переход между конформациями в результате
микроброуновского движения частей цепи.
He обладает внутренней структурой, все время «дышит» с
амплитудой порядка размера клубка.
Взаимное положение отдельных частей подчиняется
статистическим закономерностям.

15.

Полимерная цепь, где имеются
объемные взаимодействия
между атомами, далеко
отстоящими друг от друга в
цепи
Глобула с
плотной
сердцевиной
Свойства глобулы
Имеет структуру
Сердцевина большой глобулы
пространственно однородна с
постоянной концентрацией
звеньев (большей по сравнению с
наружными слоями)
Распределение плотности
звеньев в глобуле в зависимости
от расстояния от центра
глобулы R0 — радиус глобулы, n0
— число звеньев

16.

17.

Переходы глобула-клубок
(порядок-беспорядок)
Происходят в относительно малом интервале
температур – подобны фазовым переходам 1-го
рода (напр. лед-вода)
Сопровождаются значительным изменением
теплоемкости макромолекулы – структурные
перестройки

18.

Объёмные взаимодействия

19.

Типы объемных взаимодействий
1
Ближние все типы взаимодействий на расстоянии 1-4 а.о.
2
Средние –
все типы взаимодействий на расстоянии 5-15 а.о.
3
Дальние –
все типы взаимодействий на расстоянии >15 а.о.

20.

21.

4.
Гидрофобные взаимодействия

22.

23.

Водородная связь - разновидность донорноакцепторной связи, невалентное взаимодействие
между атомом водорода Н, ковалентно связанным
с атомом А группы А-Н (О-H, N-H, F-H, Cl-H)
молекулы RA-H и электроотрицательным атомом
В (O, N, F, Cl) другой молекулы (или
функциональной группы той же молекулы) BR‘ за
счет электростатических и ван-дер-ваальсовых
взаимодействий). Результатом таких
взаимодействий являются комплексы RA-H ***
BR' различной степени стабильности, в которых
атом водорода выступает в роли «моста»,
связывающего фрагменты RA и BR'.

24.

Особенностями водородной связи, по которым ее
выделяют в отдельный вид, является:
1. Не очень высокая прочность (энергия составляет
от 4 до 30 кДж/моль).
2. Высокая распространенность и важность в
органических соединениях.
3. Малые размеры
4. Отсутствие дополнительных электронов у
водорода
Водородные связи во многом определяют строение и
свойства воды, играют важнейшую роль в
формировании структуры белков и ДНК.

25.

Белок
ДНК
Целлюлоза

26.

Молекула воды
А . Кислород имеет р.электронные орбитами, оси которых
перпендикулярны друг другу.
Б . В силу отталкивания электронных облаков, угол между осями
р.орбиталей увеличивается от 90о до почти 120о. В результате молекула
воды приобретает структуру тетраэдра, в центре которого
расположетнатом кислорода, по двум углам . атомы водорода, а по двум
другим . вакансии, где электронные орбитали кислорода могут
взаимодействовать с атомами водорода соседних молекул воды, образуя
с ними водородные связи

27.

28.

Свойства молекулы воды
1. Полярная жидкость: значительный
дипольный момент р 0,6*10-29 Клм;
высокая диэлектрическая
проницаемость 81
2. Между молекулами воды могут
образовываться водородные связи
Uтепловая (0,03эВ)<UН(0,1эВ)<Uковал(1-10эВ)
3. Свойства растворителя

29.

Сетка водородных связей - вода

30.

Сетка водородных связей - лед

31.

32.

Полости в кристаллической
решетке водных кластеров

33.

Гидрофобные взаимодействия
способствуют отталкиванию друг
от друга неполярных незаряженных
групп и молекул воды. Эти силы
определяют формирование
структуры биологических мембран
и глобулярных белков, а также
растворимость различных веществ
в воде

34.

35.

Строение глобулы
по Фишеру
Ve – гидрофильная часть
Vi – гидрофобная часть
Vt – объем всей глобулы

36.

37.

вещества
• Полярные=
гидрофильные
• Неполярные =
гидрофобные
• Амфифильные
полярная «голова»+ неполярный «хвост»

38.

вода-растворитель
Полярное вещество
→притяжение
(диполь - дипольное
взаимодействие)
• Неполярное вещество
→ отталкивание
(искажения, разрыв Нсвязей)
• Амфифильное
вещество

39.

Вода + амфифильное вещество
воздух
жир
вода
жир
вода

40.

Сферические мицеллы

41.

Параллельные цилиндрические
мицеллы

42.

Ламелли (параллельные слои)

43.

Цилиндрические обращенные
мицеллы

44.

Сферические мицеллы

45.

Липосома

46.

Электростатические силы
(разновидность – ионные взаимодействия)
Электростатические взаимодействия образуются за счёт
взаимодействия электростатически - заряженных групп в
молекуле биополимера. В молекулах белков роль
электростатически- заряженных центров играют
положительно (аргинин, лизин, гистидин) и отрицательно
заряженные (глутаминовая и аспарагиновая кислота)
радикалы аминокислот. В молекуле ДНК
электростатически - Заряжены остатки фосфорной кислоты.
Энергия электростатических взаимодействий (U эл.стат)
составляет от 40 до 400 кДж/моль и вычисляется по формуле
где qi и qk – заряды на атомах (i и k), е – диэлектрическая постоянная (для
белков 3,5), rik– расстояние между атомами

47.

Ион-дипольные взаимодействия возникают
между ионами и молекулами или атомными
группами, обладающими дипольным
моментом, например, между ионами Na+ и
молекулами воды. Энергия ион-дипольных
взаимодействий составляет от 4 до 40
кДж/моль.

48.

Атомы, находящиеся на небольшом расстоянии
друг от друга, взаимодействуют за счет ван-дерваальсовых взаимодействий:

49.

Ориентационные (диполь-дипольные)
связи возникают между молекулами,
обладающими дипольным моментом.
Энергия диполь-дипольного
взаимодействия равна:

50.

Молекула, имеющая постоянный дипольный
момент, способна индуцировать его в соседней
молекуле. Энергия индукционного
взаимодействия равна:
Энергия ориентационных и индукционных связей
составляет 0,4-4 кДж/моль (формулы справедливы для
точечных диполей).

51.

52.

53.

Конформация - такое распределение
атомов в пространстве, которое можно
изменить вращением вокруг одинарных
связей (возможен разрыв и образование
водородных связей).
Конфигурация - такое распределение
атомов в пространстве, которое можно
изменить только за счет разрыва и
образования химических связей.

54.

Пептидная
связь
1. Компланарность – все атомы, входящие в пептидную
группу, находятся в одной плоскости.
2. Способность к существованию в двух резонансных
формах: кето- или енольная.
3. Транс-положение заместителей по отношению к С-N-связи.
4. Способность к образованию водородных связей.

55.

Общее строение полипептидной цепи
Характеризуется тремя углами: ω, ψ, φ

56.

Общее выражение для конформационной энергии

57.

Характеризуется тремя углами: ω, ψ, φ
Однако, двойной характер пептидной
связи препятствует вращению вокруг
нее: (ω =const=180°
В полипептидной цепи имеет место
только попарное кооперативное
взаимодействие при вращении
вокруг единичных связей при одном
α-атоме.

58.

59.

Вопросы для самоконтроля
1. Чем отличаются свойства биополимера в состоянии клубка
от свойств в состоянии глобулы?
2. Какими взаимодействиями удерживается первичная
структура биополимеров? Вторичная? Третичная?
3. Какие взаимодействия являются причиной появления сил
Ван-дер-Ваальса? Между какими группами они возникают?
4. Что такое конформация биополимера? Конфигурация?
5. Вращение вокруг каких связей определяет
конформационную энергию полипептидной цепи?