Молекулярная биология и биохимия

Разбор темы

Химический состав клетки

Макроэлементы: O, C, H, N (≈ 98 %), а также P, S, K, Na, Ca, Mg, Cl, Fe. Микроэлементы: I (тироксин), Zn (инсулин), Cu, Co (витамин B₁₂), F (эмаль зубов).

Вода (60–95 % массы клетки) — универсальный растворитель, среда реакций, участник гидролиза и фотосинтеза, обладает высокой теплоёмкостью (терморегуляция). Гидрофильные вещества растворяются в воде, гидрофобные — нет.

Минеральные соли: поддерживают осмотическое давление и pH (буферные системы), входят в кости (фосфат кальция), гемоглобин (Fe), хлорофилл (Mg).

Углеводы

Моносахариды: глюкоза и фруктоза (C₆H₁₂O₆), рибоза и дезоксирибоза (C₅). Дисахариды: сахароза (свекловичный сахар), лактоза (молочный), мальтоза. Полисахариды: крахмал (запас у растений), гликоген (запас у животных и грибов), целлюлоза (стенка растительных клеток), хитин (стенка грибов, покров членистоногих).

Функции: энергетическая (1 г → 17,6 кДж), запасающая, структурная.

Липиды

Жиры — сложные эфиры глицерина и жирных кислот; не растворяются в воде.

Функции: энергетическая (1 г → 38,9 кДж — вдвое больше, чем углеводы), запасающая, структурная (фосфолипиды мембран), теплоизоляционная, источник метаболической воды (горб верблюда), регуляторная (стероидные гормоны, холестерин, витамин D).

Белки

Мономеры — 20 видов аминокислот, соединённые пептидными связями (–CO–NH–). Незаменимые аминокислоты организм человека не синтезирует, их нужно получать с пищей.

Структуры: первичная — последовательность аминокислот; вторичная — спираль или складчатый слой (водородные связи); третичная — глобула (дисульфидные мостики, гидрофобные взаимодействия); четвертичная — объединение нескольких цепей (гемоглобин — 4 цепи).

Функции: каталитическая (ферменты), структурная (коллаген, кератин), транспортная (гемоглобин), двигательная (актин, миозин), защитная (антитела, фибриноген), регуляторная (инсулин), рецепторная, энергетическая (1 г → 17,6 кДж).

Денатурация может быть обратимой (ренатурация); необратимая — варёное яйцо.

Ферменты

Ферменты — белковые катализаторы. Ускоряют реакции в миллионы раз, понижая энергию активации, и сами не расходуются.

Специфичность: каждый фермент действует на свой субстрат — модель «ключ — замок» (Э. Фишер) и индуцированного соответствия.

Активность зависит от температуры (оптимум у человека около 37 °C, при нагреве выше ≈ 45 °C белок денатурирует) и pH (пепсин — pH 1,5–2, амилаза слюны — около 7, трипсин — около 8). Многим ферментам нужны кофакторы — ионы металлов или витамины.

Нуклеиновые кислоты

ДНК (Дж. Уотсон и Ф. Крик, 1953, по рентгенограммам Р. Франклин): две антипараллельные цепи, закрученные в двойную спираль; основания А, Т, Г, Ц; сахар дезоксирибоза. Находится в ядре, митохондриях, пластидах. Функция — хранение и передача наследственной информации.

Правило Чаргаффа: количество А равно Т, количество Г равно Ц.

РНК: одна цепь, основания А, У, Г, Ц, сахар рибоза. иРНК (мРНК) переносит информацию от ДНК к рибосомам; тРНК доставляет аминокислоты (форма «клеверного листа», антикодон); рРНК входит в состав рибосом (самая многочисленная).

Репликация ДНК

Удвоение ДНК в S-периоде интерфазы. Фермент геликаза расплетает двойную спираль, ДНК-полимераза строит на каждой старой цепи новую по принципу комплементарности.

Репликация полуконсервативная: каждая дочерняя молекула содержит одну старую и одну новую цепь.

Ошибки при репликации, не исправленные системами репарации, становятся генными мутациями.

Биосинтез белка

Транскрипция (в ядре): РНК-полимераза строит иРНК по одной цепи ДНК (матричной) по принципу комплементарности: А → У, Т → А, Г → Ц, Ц → Г.

Трансляция (на рибосомах в цитоплазме): рибосома движется по иРНК; тРНК с антикодоном, комплементарным кодону, приносит свою аминокислоту; между аминокислотами образуется пептидная связь. Начало — со стартового кодона АУГ (метионин), окончание — на стоп-кодоне.

Это реакции матричного синтеза; на них расходуется энергия АТФ.

Генетический код

Свойства: триплетность (одну аминокислоту кодируют три нуклеотида); вырожденность (избыточность: 64 кодона на 20 аминокислот — одну аминокислоту может кодировать несколько кодонов); однозначность (каждый кодон — только одна аминокислота); неперекрываемость; универсальность (един для всех организмов).

61 смысловой кодон и 3 стоп-кодона (УАА, УАГ, УГА), которые не кодируют аминокислот.

Таблицу кодонов читают по иРНК: первое основание — слева, второе — сверху, третье — справа.

АТФ и обмен веществ

АТФ = аденин + рибоза + три остатка фосфорной кислоты, связанных макроэргическими связями. АТФ → АДФ + Ф выделяет около 40 кДж/моль.

Обмен веществ (метаболизм) = ассимиляция (пластический обмен — синтез, расходует энергию: фотосинтез, биосинтез белка) + диссимиляция (энергетический обмен — расщепление с выделением энергии: дыхание, брожение).

Подробнее об энергетическом обмене — в теме 4, о фотосинтезе — в теме 2.

Свойства воды 7, 10 класс

Молекула воды полярна, между молекулами — водородные связи. Отсюда: вода — универсальный растворитель, высокая теплоёмкость (смягчает перепады температуры), поверхностное натяжение (капиллярность в сосудах растений), лёд легче воды (водоёмы не промерзают до дна).

Механизм работы ферментов 11 класс

Фермент + субстрат → фермент-субстратный комплекс → фермент + продукт. Модели: «ключ — замок» (Фишер) и «индуцированного соответствия» (Кошланд) — активный центр слегка подстраивается под субстрат.

Активность зависит от температуры, pH, концентрации субстрата и фермента, наличия ингибиторов и кофакторов (витамины, ионы металлов).

Классификация белков и денатурация 10 класс

По составу белки бывают простыми — только из аминокислот (альбумины, глобулины, коллаген, кератин), и сложными (протеидами) — с небелковой частью: гликопротеины (углевод; слизь, многие гормоны), липопротеины (липид; переносят холестерин в крови), нуклеопротеины (нуклеиновая кислота; хроматин, рибосомы), хромопротеины (пигмент; гемоглобин с железосодержащим гемом), металлопротеины.

По форме молекулы: глобулярные (клубок, растворимы в воде — ферменты, антитела, гемоглобин) и фибриллярные (нити, нерастворимы — коллаген, кератин, фиброин шёлка). Денатурацию вызывают нагрев, сильные кислоты и щёлочи, соли тяжёлых металлов, спирт, излучение: разрушаются четвертичная, третичная и вторичная структуры, первичная сохраняется. Белок теряет функцию.

Ренатурация — восстановление структуры после устранения фактора; возможна, если денатурация была мягкой (опыт К. Анфинсена с ферментом рибонуклеазой). Сваренный белок яйца не ренатурирует — денатурация необратима. Белок в продуктах обнаруживают биуретовой реакцией: с CuSO₄ в щелочной среде появляется фиолетовое окрашивание (реагируют пептидные связи); ксантопротеиновая реакция с концентрированной HNO₃ даёт жёлтое окрашивание.

Как найти вещества в пище: качественные реакции 7–8 класс

Крахмал: раствор йода окрашивает картофель, хлеб, рис в сине-фиолетовый цвет. Восстанавливающие сахара (глюкоза, фруктоза, мальтоза, лактоза): реактив Бенедикта при нагревании меняет цвет с голубого на зелёный, жёлтый и кирпично-красный — чем больше сахара, тем краснее. Сахароза восстанавливающим сахаром не является: проба отрицательна, пока её не прокипятят с кислотой (гидролиз до глюкозы и фруктозы).

Жиры: пятно на бумаге остаётся прозрачным после высыхания (вода испаряется, жир — нет); эмульсионная проба — вещество растворяют в спирте и добавляют воду, появляется белая муть; краситель Судан III окрашивает жир в оранжево-красный цвет. Белки: биуретовая проба — фиолетовый цвет.

Вывод формулируют аккуратно: отрицательная проба значит «вещества нет или его меньше, чем может обнаружить реактив». В контрольную пробирку вместо продукта наливают воду — так проверяют, что цвет дал именно продукт. Пример: молоко даёт положительную биуретовую пробу (белок казеин) и положительную пробу Бенедикта (лактоза).

Созревание иРНК и этапы трансляции 11 класс

У эукариот ген прерывистый: кодирующие участки (экзоны) чередуются с некодирующими (интронами). РНК-полимераза сначала переписывает весь ген — получается пре-иРНК. Затем в ядре идёт процессинг: к 5′-концу присоединяется «кэп» (защита и узнавание рибосомой), к 3′-концу — поли-А-хвост (стабильность); интроны вырезаются, а экзоны сшиваются — это сплайсинг. Только зрелая иРНК выходит через поры ядра в цитоплазму.

Альтернативный сплайсинг — разные комбинации экзонов одного гена — позволяет получить с одного гена несколько разных белков; поэтому около 20 тыс. генов человека кодируют гораздо больше белков. У прокариот интронов нет, а трансляция начинается ещё до окончания транскрипции.

Трансляция: инициация — малая субъединица рибосомы садится на иРНК и находит старт-кодон АУГ, к нему подходит тРНК с метионином, присоединяется большая субъединица; элонгация — следующая тРНК входит в рибосому, образуется пептидная связь, рибосома сдвигается на один триплет; терминация — на стоп-кодоне (УАА, УАГ, УГА) белок освобождается, рибосома распадается. Одну иРНК одновременно читают несколько рибосом — полисома.

Ингибирование и регуляция ферментов 11 класс

Конкурентный ингибитор похож на субстрат и занимает активный центр, не давая субстрату присоединиться. Его действие ослабевает, если добавить много субстрата: субстрат вытесняет ингибитор. Пример: малоновая кислота тормозит фермент цикла Кребса сукцинатдегидрогеназу, потому что похожа на её субстрат — янтарную кислоту; сульфаниламидные лекарства — конкурентные ингибиторы ферментов бактерий.

Неконкурентный ингибитор присоединяется не к активному центру, а к другому участку фермента (аллостерическому центру) и меняет форму активного центра. Избыток субстрата не помогает. Так действуют ионы тяжёлых металлов (Hg²⁺, Pb²⁺). Необратимые ингибиторы связываются прочно и навсегда (цианид блокирует дыхательный фермент, нервно-паралитические яды — фермент синапсов).

Клетка регулирует ферменты сама: конечный продукт цепи реакций часто ингибирует первый фермент этой цепи (ретроингибирование, отрицательная обратная связь), и лишний продукт не производится. Иммобилизованные ферменты закрепляют на нерастворимом носителе (гель, гранулы): их можно использовать многократно, они устойчивее и не загрязняют продукт — так получают безлактозное молоко и глюкозо-фруктозные сиропы.

Хроматография пигментов и значение Rf 11 класс

Хроматография разделяет смесь веществ. Листья растирают со спиртом или ацетоном, каплю вытяжки наносят на линию старта на полоске бумаги и опускают её край в растворитель. Растворитель поднимается по бумаге и несёт пигменты: лучше растворимые и слабее связанные с бумагой уходят дальше.

Rf = расстояние, пройденное пигментом / расстояние, пройденное фронтом растворителя (оба от линии старта). Rf всегда от 0 до 1 и для данного растворителя постоянен, поэтому по нему узнают пигмент. Сверху вниз на хроматограмме обычно: каротины (оранжево-жёлтые, Rf ≈ 0,9–0,95), ксантофиллы (жёлтые), хлорофилл a (сине-зелёный), хлорофилл b (жёлто-зелёный, ниже всех).

Основной пигмент фотосинтеза — хлорофилл a; хлорофилл b и каротиноиды — вспомогательные: расширяют спектр поглощаемого света и защищают от его избытка. Хлорофиллы поглощают в основном синий и красный свет, а зелёный отражают. Осенью хлорофилл разрушается, и становятся видны жёлтые и оранжевые каротиноиды.