1. Немцева Елена Владимировна Биология клетки: биофизика Сибирский федеральный университет Институт фундаментальной биологии и биотехнологии 2011 6б
2. Лекция 6 б Физико-химические принципы строения биополимеров
3. Биофизика Молекулярная биофизика Строение и физико-химические свойства биологически функциональных молекул Биофизика клетки Строение и функциональность клеточных и тканевых систем. Главные задачи – изучение физики биологических мембран и биоэнергетических процессов Биофизика сложных систем Общие физико-биологические проблемы и физико-математическое моделирование биологических процессов Генерация и распространение нервных импульсов Механохимические процессы Фотобиологические процессы … … Разделы биофизики
4. Двойственность свойств макромолекул Исходя из характера взаимодействия атомных групп, раскрыть природу внутримолекулярной динамики макромолекул. Статистические Химические связи, ближние и дальние взаимодействия Большое число внутримолекулярных степеней свободы вследствие теплового движения, поворотов и вращения вокруг единичных связей Детерминистические Задача молекулярной биофизики Клубок и глобула Физико-химические принципы строения биополимеров 1
5.
6.
7.
8. Иерархия структуры белка Ковалентные связи. Химическое или валентное взаимодействие. Объемные взаимодействия. Клубок и глобула Физико-химические принципы строения биополимеров 5
9. Иерархия структуры белка Ковалентные связи. Химическое или валентное взаимодействие. Объемные взаимодействия. Клубок и глобула Физико-химические принципы строения биополимеров 5
10. Энергия взаимодействия Общий критерий стабильности молекулярной структуры – наличие минимума у функции U(r) : Расстояние между взаимодействующими частями Типы объемных взаимодействий r>r 0 - притяжение r<r 0 - отталкивание r<r min – невозможно Физико-химические принципы строения биополимеров 6
11. Дисперсионные взаимодействия (неполярные группы, мгновенные диполи) Вторичная структура белка – силы Ван-дар-Ваальса + Ориентационные взаимодействия (полярные группы, постоянные диполи) + Индукционные взаимодействия (полярная группа с неполярной, постоянный диполь с наведенным) Глубина энергетического минимума – 1-3 ккал / моль, r 0 2-4 А Потенциал Леннарда-Джонса Типы объемных взаимодействий Физико-химические принципы строения биополимеров 7
12. Силы Ван-дер-Ваальса Стабилизируют вторичную и третичную структуру белка Водородные связи Электростатические взаимодействия Распределение зарядов и электронных облаков в молекуле воды У каждой Н-связи один донор и один акцептор. Н – донор одной связи О- может быть акцептором двух связей Типы объемных взаимодействий глицин Физико-химические принципы строения биополимеров 8 1. 2 . 3 .
13. Ближние – все типы взаимодействий на расстоянии 1-4 а.о. Типы взаимодействий Средние – все типы взаимодействий на расстоянии 5-15 а.о. Дальние – все типы взаимодействий на расстоянии > 15 а.о. Для описания линейных молекул с одинарными связями используют торсионный угол ( ) . =0 – цис-конф. =180 – транс-конф. Типы объемных взаимодействий Физико-химические принципы строения биополимеров 9 1. 2 . 3 .
14. Потенциал внутреннего вращения для молекулы этана Общая конформационная энергия полимера зависит от взаимных углов поворота звеньев вокруг единичных связей Система, где энергия составляющих элементов зависит от их взаимодействия друг с другом, называется кооперативной . Конформационная энергия полипептида Потенциал внутреннего вращения ( U 0 - высота барьера) Физико-химические принципы строения биополимеров 10
15. 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. Конформационная энергия полипептида Физико-химические принципы строения биополимеров 11
16. Характеризуется тремя углами: , , Конформационная энергия полипептида Физико-химические принципы строения биополимеров 12
17. Характеризуется тремя углами: , , Однако, двойной характер пептидной связи препятствует вращению вокруг нее: = const=180 . В полипептидной цепи имеет место только попарное кооперативное взаимодействие при вращении вокруг единичных связей при одном -атоме . Конформационная энергия полипептида Физико-химические принципы строения биополимеров 13
18. Характеризуется тремя углами: , , Однако, двойной характер пептидной связи препятствует вращению вокруг нее: = const=180 . В полипептидной цепи имеет место только попарное кооперативное взаимодействие при вращении вокруг единичных связей при одном -атоме . Конформационная энергия полипептида Физико-химические принципы строения биополимеров 13
19. Общее выражение для конформационной энергии Конформационная энергия полипептида Физико-химические принципы строения биополимеров 14
20. 2 . Какими взаимодействиями удерживается первичная структура биополимеров? Вторичная? Третичная? Вопросы для самоконтроля по теме 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? 1 . Чем отличаются свойства биополимера в состоянии клубка от свойств в состоянии глобулы? Термодинамика необратимых процессов в биологических системах 15
