Контрольная работа по «Биофизическая химия »

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ  УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ВЯТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по дисциплине «Биофизическая химия »

 

Вариант 2

 

 

 

Выполнила студентка

Группы: ___10-БТ-387_______________________________ ___     ___Бачило И. А.

                       (шифр)                                                                  (подпись)              

                                                                                                           Дата:    

 

 

Проверил  преподаватель

кафедры ________________________________ _______________Лундовских  И.А.

                                                                                                    (подпись)

                                                                                                          Дата:  

 

 

 

 

____________________________________

                     (зачет, незачет)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Киров, 2012

 

Содержание

 

1 Перечислить уровни структурной организации биологических макромолекул                      3

2 Нативное и денатурированное состояние биомакромолекул                                                     8

3 Особенности хроматографии как метода разделения веществ. Метод ионообменной хроматографии                                                                                                                                  9

4  Принцип разделения биомолекул методом электрофореза                                                     15

5 Абсорбционная спектроскопия                                                                                                   17

6 Максимум поглощения света                                                                                                      23

7 Спектр кругового дихроизма белков  АВА-1 и RS                                                                   24

8 Решение задачи                                                                                                                             25

Список  использованной литературы                                                                                             26

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Перечислить уровни структурной организации биологических макромолекул. Какова структура нуклеиновых кислот. Какими силами (взаимодействиями) они формируются (удерживаются)?

 

В 1957 Дж. Кендрю установил трёхмерную структуру миоглобина, а в последующие годы это было сделано М. Перуцем в отношении гемоглобина. Были сформулированы представления о различных уровнях пространственной организации макромолекул. Первичная структура - это последовательность отдельных звеньев (мономеров) в цепи образующейся молекулы полимера (рис.1). Для белков мономерами являются аминокислоты, для нуклеиновых кислот - нуклеотиды. В первичной структуре все связи между аминокислотами являются ковалентными и, следовательно, прочными.

                 

Рис. 1. Уровни структурной организации  биологической макромолекулы.

 

Следующий, более высокий  уровень организации - это вторичная  структура, когда белковая нить закручена  в виде спирали. Между группами -СООН, находящимися на одном витке спирали, и группами -NH₂ на другом витке образуются водородные связи. Они возникают на основе водорода, чаще всего находящегося между двумя отрицательными атомами. Водородные связи слабее ковалентных, но при большом их числе обеспечивают образование достаточно прочной структуры. Нить аминокислот (полипептид) далее свертывается, образуя клубок, или фибриллу или глобулу, для каждого белка специфичную. Таким образом, возникает сложная конфигурация, называемая третичной структурой. Определение ее производят обычно с помощью метода рентгеноструктурного анализа, который позволяет установить положение в пространстве атомов и групп атомов в кристаллах и сложных соединениях.

Связи, поддерживающие третичную  структуру белка, также слабые. Они  возникают, в частности, вследствие гидрофобных взаимодействий. Это  силы притяжения между неполярными  молекулами или между неполярными  участками молекул в водной среде. Гидрофобные остатки некоторых  аминокислот в водном растворе сближаются, "слипаются" и стабилизируют, таким  образом, структуру белка. Кроме  гидрофобных сил, в поддержании  третичной структуры белка существенную роль играют электростатические связи  между электроотрицательными и  электроположительными радикалами аминокислотных остатков. Третичная  структура поддерживается также  небольшим числом ковалентных дисульфидных -S-S-связей, возникающих между атомами серы серосодержащих аминокислот. Надо сказать, что и третичная структура белка не является конечной. К макромолекуле белка нередко оказываются присоединенными макромолекулы такого же белка или молекулы иных белков. Например, сложная молекула гемоглобина - белка, находящегося в эритроцитах, состоит из четырех макромолекул глобинов: двух альфа-цепей и двух бета-цепей, каждая из которых соединена с железосодержащим гемом. В результате их объединения образуется функционирующая молекула гемоглобина. Только в такой упаковке гемоглобин работает полноценно, т. е. способен переносить кислород. Благодаря соединению нескольких молекул белков между собой образуется четвертичная структура (см. рис. 1).

Нуклеиновые кислоты –  это биологические полимерные молекулы, хранящие всю информацию об отдельном живом организме, определяющие его рост и развитие, а также наследственные признаки, передаваемые следующему поколению. Нуклеиновые кислоты есть ядрах клеток всех растительных и животных организмов, что определило их название (лат. nucleus – ядро).

Существует два типа нуклеиновых  кислот: ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота). Нуклеиновые кислоты обеспечивают хранение, воспроизведение и реализацию генетической (наследственной) информации. Эта информация отражена (закодирована) в виде нуклеотидных последовательностей. В частности, последовательность нуклеотидов  отражает первичную структуру белков.

Полимерная цепь нуклеиновых  кислот собрана из фрагментов фосфорной  кислоты Н₃РО₃ и фрагментов гетероциклических молекул, представляющих собой производные фурана. Есть лишь два вида нуклеиновых кислот, каждая построена на основе одного из двух типов таких гетероциклов – рибозы или дезоксирибозы (рис.2).

 

                         

 

Рис. 2. Строение рибозы и дезоксирибозы.

 

Название рибоза (от лат. Rib – ребро, скрепка) имеет окончание – оза, что указывает на принадлежность к классу сахаров (например, глюкоза, фруктоза). У второго соединения нет группы ОН (окси-группа), которая в рибозе отмечена красным цветом. В связи с этим втрое соединение называют дезоксирибозой, т.е., рибоза, лишенная окси-группы.

Полимерная цепь, построенная  из фрагментов рибозы и фосфорной  кислоты, представляет собой основу одной из нуклеиновых кислот –  рибонуклеиновой кислоты (РНК). Если вместо рибозы в образовании полимерной цепи участвует дезоксирибоза, то образуется дезоксирибонуклеиновая кислота, для которой повсеместно принято широко известное сокращение ДНК.

Наиболее наглядным примером того, как молекулярная трёхмерная структура определяет биологические  функции молекулы, служит ДНК. Она  обладает строением двойной спирали: две нити, идущие во взаимно противоположном  направлении (антипараллельно), закручены одна вокруг другой, образуя двойную спираль со взаимно комплементарным расположением оснований, т. е. так, что против определённого основания одной цепи всегда в другой цепи стоит такое основание, которое наилучшим образом обеспечивает образование водородных связей: адепин (А) образует пару с тимином (Т), гуанин (Г) - с цитозином (Ц) (рис.3). Такая структура создаёт оптимальные условия для важнейших биологических функций ДНК: количественного умножения наследственной информации в процессе клеточного деления при сохранении качественной неизменности этого потока генетической информации. При делении клетки нити двойной спирали ДНК, служащей в качестве матрицы, или шаблона, расплетаются и на каждой из них под действием ферментов синтезируется комплементарная новая нить. В результате этого из одной материнской молекулы ДНК получаются две совершенно тождественные ей дочерние молекулы.

               

Рис.3. Двойная спираль ДНК.

 

Структура РНК во многом напоминает ДНК, отличие в том, что в основной цепи фрагменты фосфорной кислоты  чередуются с рибозой, а не с дезоксирибозой. Второе отличие – к боковому обрамлению присоединяется гетероцикл урацил (У) вместо тимина (Т), остальные гетероциклы А, Г и Ц те же, что у ДНК.

Фрагмент молекулы РНК  показан на рис. 4, порядок следования группировок А, У, Г и Ц, а также их количественное соотношение может быть различным.

 

                              

Рис.4. Фрагмент молекулы РНК. Основное отличие от ДНК – наличие группировок  ОН в рибозе (красный цвет) и фрагмента  урацила (синий цвет).

 

Полимерная цепь РНК приблизительно в десять раз короче, чем у ДНК. Дополнительное отличие в том, что  молекулы РНК не объединяются в двойные  спирали, состоящие из двух молекул, а обычно существуют в виде одиночной  молекулы, которая на некоторых участках может образовывать сама с собой  двухцепные спиральные фрагменты, чередующиеся с линейными участками. На спиральных участках взаимодействие пар соблюдается также строго, как в ДНК. Пары, связанные водородными связями и формирующие спираль (А-У и Г-Ц), возникают на тех участках, где расположение групп оказывается благоприятным для такого взаимодействия. Существует несколько типов РНК, роли, которых в живом организме различны.

 

 

 

 

 

2 Нативное и денатурированное состояние биомакромолекул. Факторы, вызывающие денатурацию.

 

Термин нативная структура общепринят, но ему трудно дать определение. Он может означать следующее: либо структуру макромолекулы, как она существует в природе, либо структуру макромолекулы, когда она выделена, при условии сохранения ферментной активности. Денатурированная структура — это столь же неопределенное понятие, которое обычно означает такую форму молекулы, в которой по сравнению с нативной изменена пространственная структура. Для белков это обычно означает неупорядоченный (или почти неупорядоченный) клубок. Для двухцепочечной (нативной) ДНК этот термин означает одноцепочечпую ДНК, которая может содержать или не содержать внутрицепочечные водородные связи и которая может неупорядоченно (статистически) агрегировать с одной или несколькими различными единичными цепями (тяжами). Если молекула частично утрачивает нативную структуру, то такую молекулу называют частично денатурированной. Переход от упорядоченной к неупорядоченной структуре ДНК часто называют переходом спираль-клубок, хотя столь же часто применяется термин «денатурация». При переходах спираль-клубок обычно отмечают изменения в каких-нибудь физических свойствах молекулы, например, характеристической вязкости, оптической плотности, коэффициента седиментации и т. д. Обычно переход спираль-клубок происходит при нагревании, при изменении рН и концентрации солей, а также под действием химических денатурирующих агентов, таких, как мочевина и хлоргидрат гуанидина для белков и формамид, формальдегид и этиленгликоль для нуклеиновых кислот. Факторы, которые вызывают денатурацию, можно разделить на физические и химические.

Температуру, при которой переход происходит на 50%, называют температурой плавления (Т_пл) или реже температурой перехода. Переходы спираль-клубок часто изучают, поскольку из условий перехода можно получить ценную информацию о силах, стабилизирующих структуру макромолекулы.

Термин ренатурация обозначает преобразование денатурированной формы в нативную структуру. В действительности структура ренатурированной молекулы зависит от того, какие критерии используют для определения восстановления нативной конформации. В случае ДНК это относится к преобразованию отдельных полинуклеотидных нитей в двойную спираль. Для белков этот термин менее определенен.

 

 

 

 

3 Особенности хроматографии как метода разделения веществ. Задачи, которые могут быть решены с помощью хроматографических методов. Метод ионнообменной хроматографии. Принцип метода. Применение.

 

Хроматографический метод  разделения и анализа сложных  смесей был открыт русским ботаником М. С. Цветом в 1903 г. В первых же работах с помощью этого метода М. С. Цвет установил, что считавшийся однородным зеленый пигмент растений хлорофилл на самом деле состоит из нескольких веществ. При пропускании экстракта зеленого листа через колонку, заполненную порошком мела, и промывании петролейным эфиром он получил несколько окрашенных зон, что с несомненностью говорило о наличии в экстракте нескольких веществ. Этот метод он назвал хроматографией (от греч. хроматос — цвет), хотя сам же указал на возможность разделения и бесцветных веществ.

Однако  метод, предложенный М. С. Цветом, не был  по достоинству оценен его современниками. Лишь в 1931 г., пользуясь методом М. С. Цвета, Р. Куну, А. Винтерштейну и Е. Ледереру удалось выделить в кристаллическом виде α- и β-каротин из сырого каротина и тем самым продемонстрировать препаративную ценность метода. К этому времени возникла острая потребность в хорошем методе разделения сложных смесей, особенно веществ, разлагающихся при нагревании. Хроматографический метод был признан и начал развиваться.

Основные термины и  понятия относящиеся к хроматографии, а также области их применения были систематизированы и унифицированы специальной комиссией ИЮПАК. Согласно рекомендациям ИЮПАК, термин «хроматография» имеет три значения и используется для обозначения специального раздела химической науки, процесса а также метода.

Хроматография — наука  о межмолекулярных взаимодействиях  и переносе молекул или частиц в системе несмешивающихся и  движущихся относительно друг друга  фаз.

Хроматография — процесс  дифференцированного многократного  перераспределения веществ или  частиц между несмешивающимися и  движущимися относительно друг друга  фазами, приводящий к обособлению  и концентрационных зон индивидуальных компонентов исходных смесей этих веществ  или частиц.