СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ БИОМАКРОМОЛЕКУЛ

организации

атомов и атомных групп. Их тепловое движение, повороты и вращения

вокруг единичных связей обусловливают большое число внутримолекулярных степеней свободы, что придает макромолекуле статистические свойства. Одновременно в той же макромолекуле между атомами существуют химические связи, ближние и дальние взаимодействия которых придают вполне определенный детерминистский характер ее конформационным перестройкам. Таким образом, биологическая макромолекула обладает своеобразными свойствами, в основе которых лежит тесное взаимодействие статистических и детерминистских (механических) степеней свободы.

- имеет первоочередное значение для понимания их функций в живых

организмах, выяснение молекулярной природы живого. На протяжении XX века был пройденный сложный и очень интересный путь в направлении раскрытия структуры и функций биополимеров.

полимерами (от греч. "поли" - много, "мерос" - часть).
Полимеры -

вещества, молекулы которых состоят из большого числа повторяющихся группировок, соединенных между собой химическими связями
Молекула полимера называется макромолекулой (от греч. "макрос" - большой, длинный).

n X→ ( -X- )n Х – мономер, (-Х-) – структурное звено, n - степень полимеризации. (- Х- )n - макромолекулы полимеров.

(-CH2-CHCl-)n
Группа атомов, многократно повторяющаяся в

цепной макромолекуле, называется ее структурным звеном.

соединилось в макромолекулу.

белки, каучук,
нуклеиновые кислоты,


2) искусственные - полученные

из природных путем химических превращений (целлулоид, ацетатное, медноаммиачное, вискозное волокна);
3) синтетические - полученные из мономеров (синтетические каучуки, волокна (капрон, лавсан), пластмассы).

Линейная форма (полиэтилен низкого давления, невулканизованный натуральный каучук)



Разветвленная
форма (полиэтилен )
высокого давления

Пространственная
(трехмерная или сетчатая)
вулканизированный каучук

одинаковые мономерные звенья);

n CH2=CH2   →    (–CH2–CH2–)n
2) гетерополимеры, или сополимеры (содержат разные мономерные звенья).

которых состоят из определенным способом соединенных между собой звеньев с

одинаковым или разным, но закономерно периодически повторяющимся расположением атомов в пространстве. Конфигурация звена макромолекулы определяется пространственным расположением заместителей вокруг центров стереоизомерии - тетраэдрического атома С, двойной связи или цикла.
Стереорегулярные полимеры способны кристаллизоваться, они обладают большей прочностью и теплостойкостью

(таксис — располагаться в порядке, а — отрицание).
  Если углеродные атомы главной цепи

располагаются в виде плоского зигзага, то атактическому полимеру будет соответствовать беспорядочное чередование заместителей R над или под плоскостью.
Атактические полимеры не способны кристаллизоваться и уступают по большинству эксплуатационных свойств стереорегулярным полимерам такого же химического состава.

Имеют длинные Состояние:
стереорегулярные высокоэластичное
молекулы вязкотекучее
стеклообразное

По физическим свойствам

Кристаллические

Аморфные

распасться некоторой группировке атомов, характеризуемой своими отличительными свойствами”.
Химическая связь

образуется тогда и только тогда, когда при сближении атомов потенциальная энергия электронов и ядер понижается. В основном, взаимодействия в молекулах определяются электрическими зарядами, в меньшей степени –
магнитными силами, обусловленными наличием ядерного и электронного спинов. В основе образования химической связи в молекуле лежит баланс межъядерного отталкивания и притяжения электрона одновременно обоими ядрами.

атомами (молекулами).
Межмолекулярные взаимодействия определяют отличие реальных газов от идеальных, существование жидкостей и молекулярных

кристаллов. От межмолекулярных взаимодействий зависят многие структурные, спектральные, термодинамические, теплофизические и другие свойства веществ.

для относительно маленьких расстояний, важными есть сильные силы отталкивания, вызваны

ковалентным и кулоновским взаимодействием(1-4 а.о).
Область II – для промежуточных расстояний, где достигается минимум потенциальной энергии, силы отталкивания и силы притяжения, вызваны ковалентными, электростатическими и другими силами, являются одного порядка (5-15 а.о.)
Область III – на относительно больших расстояниях начинают преобладать силы притяжения, вызваны электростатическими мультипольными и дипольными (индукционными и дисперсными) силами (>.15 а.о.)

U

I

II

III

r

электронами атомов. Понятие ковалентной связи было предложено Льюисом в 1916

году, который повязал его с сотворением электронной пары, что принадлежит одновременно двум атомам. Квантово-механический расчет ковалентной связи в молекуле водорода на основе уравнения Шредингера был проведен Гайтлером и Лондоном в 1927 году.

  x — расстояние
  h — постоянная Планка,
  m, E и U — соответственно масса, полная энергия и потенциальная энергия частицы.

– спины параллельные (кривая 1), так и притяжения – спины

антипараллельные (кривая 2).

В случае притяжения равновесное положение двух атомов достигается тогда, когда расстояние между ними равно r0. Ковалентная связь в двух одинаковых атомах характеризируется симметричной волновой функцией электронов и асимметричной спиновой волновой функцией – неполярная связь.
Ковалентное взаимодействие вызвано связями, которые возникают между двумя одинаковыми атомами за счет спаренных электронов с обратно направленными спинами. Если атомы разные, то электронное облако смещено в сторону более электроотрицательного атома – такая связь называется полярной.

U

r

облаков. Обеспечивающие связь электронные облака (электроны) называются общей электронной парой. .
По обменному

механизму: каждый атом предоставляет в общую электронную пару один неспаренный электрон:




Неполярная Полярная
По донорно-акцепторному механизму: один атом предоставляет электронную пару (донор), а другой – пустую орбиталь (акцептор)

или кратности связи
Простая (одинарная связь) образуется за счет перекрывания электронных

облаков на линии, соединяющей центры атомов (ϭ-связь)
Н2 ϭ (s – s)

Сl2 ϭ (р – р)

НCl ϭ (s – р)
Двойная связь содержит ϭ и π – связи. π – связи образуются за счет бокового перекрывания р и d облаков:
Тройная связь содержит ϭ и две π – связи.
Полуторная связь (электронные облака «размазаны» между тремя и четырьмя атомами)
Н О N О
О

атомов (зависит от радиуса атома и кратности связи);
Энергия связи –

количество энергии, которую нужно затратить на разрыв 1 моля связи;
Кратность связи – число общих электронных пар между двумя атомами;
Валентный угол – угол между лучами, выходящими из центра одного атома к центрам двух соседних атомов;
Полярность связи – неравномерное распределение электронной плотности между атомами в молекуле

349 кДж/моль, а для разрыва С-N связи – 336 кДж/моль.
Основной

элемент связи аминокислот в белках – это пептидная связь – СО-NH-. Он имеет плоское строение, как показал Л.Полинг.

ковалентные. Сильные взаимодействия определяют цепочное строение биополимеров, объединенных между собой

монополимеров – аминокислотных остатков, нуклеотидов.

взаимодействия имеет такой вид.

q1, q2 – заряды ионов;
ε0 = 8.85·10-12

Ф/м – электрическая сталая;
ε – диэлектрическая проницаемость среды;
r – расстояние между ионами.

имеющими большую разность электроотрицательности (более 2);
Образуется между атомами наиболее активных

металлов и неметаллов;
При образовании ионной связи атом металла отдает свои электроны атому неметалла, при этом каждый из атомов получает завершенный энергетический уровень. +
ПРИМЕР: Li _ 1 е Li катион
2 1 2

_
F + 1 е F анион
2 7 2 8

+3

+3

+9

+9

при ковалентных взаимодействиях, то есть сотни кДж/моль.

Нуклеиновые кислоты  обладают сильно выраженными  кислыми свойствами(обусловлены остатками  ортофосфорной кислоты  в их составе) и при физиологических значениях pH несут  отрицательный заряд. Этим объясняется одно из важных  свойств нуклеиновых кислот—способность к взаимодействию по  типу ионной связи  с  основными белками(гистонами), ионами металлов (преимущественно с 2-х валентными), а также с полиаминами (спермин, спермидин) и путресцином. 

Ионные связи образуются между противоположно заряженными аминокислотами в составе белковой молекулы (положительно заряженными лизином, аргинином, гистидином и отрицательно заряженными глютаматом и аспартатом). Ионные связи определяют пространственную укладку белков, т.е. формируют третичную и четвертичную структуры белков. Ионные связи разрываются при денатурации.

их органоидов, это взаимодействие между белками и липидами, углеводами, нуклеиновыми

кислотами.
Слабые взаимодействия призывают к движимым, нежестких конформаций, которые необходимы для функционирования биоорганизмов.

Электростатические (ион-дипольные и другие мультидипольные) взаимодействия. Биомолекулы не могли бы функционировать, если бы кроме сильных связей в середине биомолекул не существовали бы невалентные, более слабые связи.

электронной пары к электроотрицательному атому атом водорода, обладающий эффективным положительным

зарядом, может взаимодействовать с другим электроотрицательным атомом (F, O, N, реже Cl, Br, S). Энергия такого электростатического взаимодействия составляет 20–100 кДж∙моль–1. Водородные связи могут быть внутри- и межмолекулярными. Внутримолекулярная водородная связь образуется, например, в ацетилацетоне и сопровождается замыканием цикла. Молекулы карбоновых кислот в неполярных растворителях димеризуются за счет двух межмолекулярных водородных связей






Образование внутримолекулярной Образование межмолекулярной
водородной связи. водородной связи
Исключительно важную роль водородная связь играет в биологических макромолекулах, таких неорганических соединениях как H2O, H2F2, NH3. За счет водородных связей вода характеризуется столь высокими по сравнению с H2Э (Э = S, Se, Te) температурами плавления и кипения. Если бы водородные связи отсутствовали, то вода плавилась бы при–100 °С, а кипела при – 80 °С.

атомами водорода одной молекулы и отрицательно поляризованными атомами (F, O,

N) другой молекулы. Механизм образования водородной связи близок к донорно-акцепторному ( R –Н δ+ …. Э δ- – R)

Межмолекулярная водородная связь (значительно влияет на агрегатное состояние, плотность, температуры кипения и плавления, теплоту парообразования и т.д.)








Внутримолекулярные водородные связи играют большую роль в формировании вторичной структуры белков, поддержании двойной спирали ДНК, сложной формы т-РНК

так называемыми ориентационными, индукционными, дисперсионными силами. Связи Ван-дер-Ваальса – это

связи с участием внешних орбиталей, в отличие от “химических” связей, в которых участвуют валентные орбитали.
Силы Ван-дер-Ваальса включают все виды межмолекулярного притяжения и отталкивания (взаимодействие молекул между собой). Они получили название в честь Я.Д. Ван-дер-Ваальса, который первым принял во внимание межмолекулярные взаимодействия для объяснения свойств реальных газов и жидкостей.

видом скрепляющих связей являются Ван-дер- Ваальсовы, строятся по принципу плотнейших

упаковок, в которых ядра стремятся расположиться как можно ближе к электронам других атомов, подобно тому, как это имеет место в электрон-дефицитных соединениях. При этом свободные внешние орбитали не влияют на пространственное расположение своих соседей.

обусловлен кулоновскими силами взаимодействия между электронами и ядрами одной молекулы

и ядрами и электронами другой. На определенном расстоянии между молекулами силы притяжения и отталкивания уравновешивают друг друга, и образуется устойчивая система:
1. Ориентационные взаимодействия.
Взаимодействия, в которых участвуют постоянные диполи –
ион-дипольное, дипольное.
2. Индукционные взаимодействия.
Взаимодействия с участием наведенных диполей – ион-
индуцированный диполь, диполь-индуцированный диполь.
3. Дисперсионные взаимодействия.
Энергия ван-дер-ваальсовой связи меньше водородной и составляет 2–20 кДж∙моль–1
Универсальные взаимодействия, которые могут иметь место между любыми атомами и молекулами, даже между нейтральными частицами, ни одна из которых не обладает постоянным дипольным моментом (взаимодействия типа «мгновенный диполь – наведенный диполь»).

описывают в
рамках классической электростатистики.
Выражения для энергии взаимодействия имеют вид:
ΔU =Σ

-Bi .a-mi
i
a – расстояние между взаимодействующими частицами,
Bi - коэффициенты пропорциональности, индекс i соответствует различным типам взаимодействующих пар. Значения показателя степени m зависят от типа участвующих во взаимодействии частиц.

дипольного момента p=ql полярной группы в соответствии формуле, откуда возникает

зависимость Uион-диполь от расстояния.
В общем случае потенциал поля , который производит система зарядов на расстояниях, равняя с размерами системы, может быть подано в виде ряда потенциальных мультиполей (зарядов-монополей, диполей, квадруполей).

Ион-дипольные взаимодействия - это взаимодействия между ионами и полярными группами молекул.
Полярными молекулами (группами) называются молекулы, которые владеют дипольным моментом, который у отсутствии внешнего электронного поля не равно нулю.

полярными группами молекул.
Типы диполь-дипольных взаимодействий:
- Ориентировочные взаимодействия.
- Индукцийные взаимодействия.
- Дисперсионные

(Ван-дер-Вааловские) взаимодействия.
- Ориентировочное диполь-дипольное взаимодействие.
Формула для потенциала этого взаимодействия имеет такой вид:

температурах или сильному электрическому поле), то:

Если тепловая энергия kT больше,

чем Uор, то тепловое движение уничтожает значительную часть ориентации и тогда усреднение за ориентацию, как доказали Рейнганум и Кеезом, дает результат, отменный от нуля, только для величины усредненной диполь-дипольным взаимодействием:

План

и ту же молекулярную массу, но различающихся по строению или

расположению атомов в пространстве и, вследствие этого, по свойствам.

молекуле.
Пространственная
Пространственные изомеры имеют одинаковые заместители у каждого атома углерода, но

отличаются их взаимным расположением в пространстве.

атомов в молекуле.

С=С) или
функциональной группы (ОН и др.)
3. Межклассовая изомерия

органических соединений.
СН3 СН2 ОН

этиловый спирт (ОДНОАТОМНЫЕ СПИРТЫ)

СН3 О СН3 диметиловый эфир (ПРОСТЫЕ ЭФИРЫ)

С2Н6О

– углеродной связью, так как по месту такой связи молекула

имеет плоскостное строение.

Оптическая

Оптической изомерией обладают вещества, молекулы которых имеют ассимметрический, или хиральный, атом углерода, связанный с четырьмя различными заместителями.

Модель молекулы этилена

*

атомов углерода при двойной связи находятся по одну сторону от

плоскости С=С – связи, то молекула является цис- изомером. Если по разные стороны - транс- изомером.

Большинство молекул трехмерны (threedimentional, сокращенно 3D). Структурные формулы отражают двумерное

(2D) строение молекулы, включающее в себя число, тип и последовательность связывания атомов. 
Пространственное строение молекул - это взаимное расположение атомов и атомных групп в трехмерном пространстве.
Стереоизомеры - соединения, в молекулах которых имеется одинаковая последовательность химических связей атомов, но различное расположение этих атомов относительно друг друга в пространстве.

друга различным пространственным расположением заместителей относительно плоскости двойной связи (чаще всего С=С

и С=N) или цикла. В отличие от простой связи кратная связь не позволяет вращать вокруг нее отдельные фрагменты молекулы.

Геометрическая изомерия характерна для соединений, в которых :
невозможно свободное вращение вокруг углерод – углеродной связи (например, алкены)
эти атомы углерода связан с двумя различными группами.

рис. I) или по разные стороны (транс-изомер, рис II) плоскости двойной

связи (С=C, C=N) или неароматического цикла (например, циклогексана). 

значение она имеет для углеводов и белков.
Оптические изомеры обладают одинаковыми

химическими свойствами. Большинство их физических свойств (tпл, tкип, цвет, запах и т.д.) совпадают. Отличается они лишь способностью отклонять на некоторый угол плоскость поляризации поляризованного света, а в твердом состоянии их кристаллы выглядят зеркальным отражением друг друга.

Что такое
поляризованный свет
и как он вращается?

же отличаются друг от друга, как правая и левая руки,

которые являются зеркальным отображением друг друга.

С

СН3

ОН

Н

СН3

Н

С

ОН

Сl

Сl

В каких случаях
возможна
оптическая изомерия?

углерода, соединенный с четырьмя различными атомами или группами атомов.
Например, у

1– бром–1– хлорэтана первый атом углерода связан с четырьмя разными атомами: –Н, –Сl, –Br, –СН3.
В этом случае возможны два различных расположения молекулы в пространстве:

С

Br

Сl

СН3

Н

Н

Сl

СН3

Br

С

А в природе встречается
оптическая изомерия?

что практически все
«природные» углеводы имеют D-конфигурацию,
а вот аминокислоты

встречаются только в L-форме.

L-глюкоза Н – С = O

I I
H – С –OH НО – С – Н
I I
НО – С –Н Н – С –ОН
I I
Н – С – ОН НО – С – Н
I I
Н – С – ОН НО – С – Н
I I
СН2ОН СН2ОН

Некоторые термины,
принятые
в оптической изомерии.

распространена
в природе

в природе
не встречается

– иначе называются зеркальными изомерами или энантиомерами.

Хиральность – способность соединений

существовать в виде пары зеркальных изомеров.

Хиральный центр или хиральный атом углерода – асимметрический атом углерода, связанный с четырьмя различными атомами или группами атомов.

Рацемат – смесь оптических изомеров, не обладающая оптической активностью. В рацемате изомеры погашают оптическую активность друг друга.

Другие виды
изомерии

заместителей, хотя бы 2 одинаковые, то для такой молекулы существует

плоскость симметрии, если же все заместители различные, то симметрия исчезает. Это обстоятельство рождает новое явление хиральность - свойство молекулы соединения не совмещаться со своим зеркальным отображением.
Хиральность присуща миру материальных объектов - руки, левые и правые спирали.

колеблются во множестве плоскостей.

Если свет пропустить через специальный поляризатор,

то все световые волны будут колебаться в одной плоскости.







Такой свет называется плоскополяризованным или поляризованным.

–
способности жидкости изменять (отклонять на некоторый угол) плоскость поляризации

поляризованного света.

колеблются световые волны, поворачивается на некоторый угол α.








Если плоскость

поляризации света смещается по часовой стрелке, такое вещество называют правовращающим (+), если против часовой стрелки, то вещество называют левовращающим (–).

зеркальным изображением друг друга.  Энантиомеры - оптические изомеры, оптические антиподы, имеют

одинаковые физические и химические свойства; температуры кипения, плавления, растворимость, показатели преломления, спектральные характеристики, ИК- и УФ-спектры. Тем не менее они представляют собой различные соединения с характерными отличающимися свойствами.
1. Энантиомеры вращают плоскость поляризации поляризованного света на один и тот же угол вращения (α), но в противоположных направлениях. Энантиомер, отклоняющий плоскость поляризации поля­ризованного света влево (против часовой стрелки) называют левов­ращающим, ему приписывают знак (-), по часовой стрелке - правовращающим, ему приписывают знак (+).
2. Энантиомеры реагируют с другими хиральными соединениями с различной скоростью, что имеет большое значение для биохимических процессов, так как многие реагенты природного происхождения (фер­менты) обычно вступают в реакции только с одним из энантиомеров.
3. При смешении равных количеств двух энантиомеров образует­ся оптически неактивная смесь (рацемат). Процесс превращения од­ного из энантиомеров в рацемическую форму называют рацемизацией, а перевод одного из энантиомеров в другой - инверсией.

на плоскости принято изображать в виде проекционных формул Фишера: в

точке пересечения горизонтальных и вер­тикальных линий подразумевается нахождение асимметрического атома углерода (без написания его символа), вверху располагают самую старшую характеристическую группу (она же имеет наименьший номер). Поскольку такими группами чаще всего бывает карбоксильная или альдегидная, то говорят, что вверху располагают наиболее окисленную группу. По горизонтали располагают неуглеродные заместите­ли: атом водорода, гидроксильную группу, амино-группу и т.д.

пространстве так, чтобы цепь атомов углерода оказалась в вертикальном положении,

а карбоксильная группа - сверху. Связи с неуглеродными заместителями (Н и ОН) у хирального центра должны быть направлены к наблюдателю. После этого модель проецируют на плоскость. Символ асимметрического атома при этом опускается, под ним понимают точку пересечения вертикальной и горизонтальной линий.
Тетраэдрическую модель хиральной молекулы перед проецированием можно располагать в пространстве по-разному, не только так, как показано на рис. Необходимо только, чтобы связи, образующие на проекции горизонтальную линию, были направлены к наблюдателю, а вертикальные связи - за плоскость рисунка.
Полученные таким образом проекции можно с помощью несложных преобразований привести к стандартному виду, в котором углеродная цепь расположена вертикально, а старшая группа (в молочной кислоте это СООН) - сверху. Преобразования разрешают две операции:
•  в проекционной формуле разрешается менять местами два любых заместителя у одного и того же хирального центра четное число раз (двух перестановок бывает достаточно);
•  проекционную формулу разрешается поворачивать в плоскости рисунка на 180 (что эквивалентно двум перестановкам), но не на 90.

классификации энантиомеров для относительно простых (с позиций стереоизомерии) молекул, таких,

как α-аминокислоты, α-гидроксикислоты и им подобные. За конфигурационный стандарт был принят глицериновый альдегид. Его левовращающему энантиомеру была произвольно приписана формула (I). Такая конфигурация атома углерода была обозначена буквой l (от лат. laevus - левый). Правовращающему энантиомеру соответственно была приписана формула (II), а конфигурация обозначена буквой d (от лат. dexter - правый).
Заметим, что в стандартной проекционной формуле l-глицеринового альдегида группа ОН находится слева, а у d-глицеринового альдегида - справа.

путем сравнения конфигурации их асимметрического атома с конфигурацией d- или l-глицеринового альдегида. Например,

у одного из энантиомеров молочной кислоты (I) в проекционной формуле группа ОН находится слева, как у l-глицеринового альдегида, поэтому энантиомер (I) относят к l-ряду. Из тех же соображений энантиомер (II) относят к d-ряду. Так из срав- нения проекций Фишера определяют относительную конфигурацию.