Химические основы жизни элективный курс Лектор Маркин Вадим

Химические основы жизни (элективный курс) Лектор: Маркин Вадим Иванович markin@chem. asu. ru http: //www. chem. asu. ru/org/chemps/index. html 1

Общие положения курса • Лекции - 28 ч • Семинары - 20 ч - зачет • Контрольные работы • Реферат • Форма контроля http: //www. chem. asu. ru/org/chemps/index. html 2

Химические основы жизни «Бесчисленными путями, наука (своими разнообразными дисциплинами – химией, биологией, медициной, токсикологией, экологией и компьютерными науками) вовлечена в изучение взаимодействия органических соединений со всеми формами жизни, биообразованиями и биомолекулами. Размах этих работ значительно более грандиозен, чем это обычно представляется. … Как назвать эту новую область науки не совсем ясно, но ее гигантскую, все более возрастающую важность отрицать невозможно» . Corwin Hansch (1993) 3

Основные разделы • Биомолекулы • Биокатализ Аминокислоты – пептиды – белки Моносахариды – олигосахариды – полисахариды Нуклеозиды – нуклеотиды – нуклеиновые кислоты Жиры – фосфолипиды Витамины и микроэлементы • Метаболизм • Биополимеры и наследственность • Молекулярные аспекты физиологии человека 4

Место дисциплины «Химические основы жизни» в ряду других наук 5

«Химические основы жизни» в ряду других наук Биоорганическая химия изучает строение и Биологическая химия – а) «наука о структуре химических биологические функции важнейших компонентов живой веществ, входящих в состав живой материи, их материи, в первую очередь биополимеров и превращении и физико-химических процессах, лежащих в низкомолекулярных основе жизнедеятельности» [Строев Е. А. // Биологическая Химия природных соединений – область биорегуляторов, уделяя главное внимание выяснению закономерностей взаимосвязи химия. М. , 1986. C. 5. ]; органической химии, которая связана с б) «наука, изучающая химическую природу веществ, полифункциональными между структурой и биологическим действием производными Медицинская химия (Medicinal. Ю. А. // Биоорганическая химия. М. , 1987. С. [Овчинников аchemistry) – область входящих в состав живых организмов, их превращения, углеводородов, составляющими основной органической химии, связанная с 8. ]. также связь этих превращений с деятельностью органов и проблемой массив веществ живой материи [Племенков конструирования соединений. Казань, тканей» [Березов Т. В. В. Химия природныхлекарственных препаратов (drug и Т. , Коровкин Б. Ф. //[от греческого Pharmakon (лекарство) «Фармакология Биологическая – наука, которая, базируясь «Фармацевтическая химия. М. , 1990. С. 6. ]. Logos (учение)] – наука о взаимодействии//лекарственных 2001. design) [Зефирова О. Н. , Зефиров Н. С. вестн. Моск. ун 376 с. ]. на общих Химия. химических наук, исследует способы та. Сер. 2. законах 2000. Т. 41. № 1. С. 43. ]. веществ с организмом и о путях изыскания новых свойства получения, строение, физические и химические лекарственных средств. Основными разделами их химической лекарственных веществ, взаимосвязь между фармакологии и действием на организм, методы контроля структурой являются фармакодинамика и фармакокинетика» [Краткая медицинская энциклопедия. Т. качества лекарств и изменения, происходящие при их 3. М. , 1990. С. [Беликов В. Г. // Фармацевтическая химия. М. , хранении» 288. ]. «Фармакология – наука о лекарствах» [Маркова И. В. , 1993. 1. C. 5. ]. Нижинцев М. В. // Фармакология. СПб. , 1997. С. 4. ]. 6

Особенности живой материи Вирус иммунодефицита человека (ВИЧ) Вирус табачной мозаики 7

Химия – основа биологических явлений Особенности живых систем • Способность к росту • Способность к перемещению • Участвуют в процессах метаболизма (обмен веществ) • Реагируют на воздействие окружающей среды • Воспроизводят себе подобных с исключительной точностью Животные болота и птицы в Речной Гамбии, c. 1912. Harry Hamilton Johnston (1858 -1927). (Королевское географическое общество, Библиотека Искусства London/The Bridgeman) 8

Иерархия «биомолекул» : Простые молекулы являются исходными для строительства сложных структур Неорганические соединения (Mr=18― 64) (оксид углерода (IV), вода, азот, ион аммония, нитрат-ион и др. ) Оксид углерода (IV) Метаболиты (Mr=50― 200) (пирувоат, цитрат, сукцинат, глицерилальдегид-3 -фосфат, фруктоза-1, 6 -дифосфат и др. ) Пирувоат Строительные блоки (Mr=100― 350) (аминокислоты, нуклеотиды, моносахариды, глицерин и др. ) Аланин Макромолекулы (Mr=103― 109) (пептиды, белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды, липиды и др. ) Белок 9

Иерархия «биомолекул» : Простые молекулы являются исходными для строительства сложных структур Супрамолекулярные комплексы (Mr=106― 109) (рибосомы, мульти-энзимные комплексы и др. ) Органеллы (митохондрии, ядро, лизосомы, пероксисомы и др. ) Клетка 10

Клетка – основной структурный элемент живой материи • «Клетки являются обязательными структурными единицами всех известных живых организмов» Матиас Шлейдок и Теодор Шванн 1837— 1839 11

Клетка – основной структурный элемент живой материи • «Каждая клетка образуется только из клетки» Рудольф Вирхов, 1855 12

Клетка – основной структурный элемент живой материи • «Область науки, изучающая клетки, их структуру и функции, традиционно называлась Цитология » • Клеточная биология 13

Клетка – основной структурный элемент живой материи • Клеточная дифференцировка • Репарация ДНК • Метаболизм 14

Клетка – основной структурный элемент живой материи Аденозинтрифосфат ― АТФ Гуанозинтрифосфат ― ГТФ 15

Клетка – основной структурный элемент живой материи Фотохимический процесс фотосинтез фотосинтетическое фосфорилирование 16

Структура клеток 17

Структура клеток Клетка бактерии Escherichia coli 18

Структура клеток Тонкий срез клетки E. Coli Светлый центральный район содержитнуклеоид. В более плотной области на периферии клетки находятся рибосомы и протекают метаболические реакции клетки. Размер клетки — примерно 3 х0, 7µm. 19

Структура клеток Клетки E. Coli Одна из клеток имеет реснички (пили, Р) и два жгутика (F). Отрезок соответствует 0, 5µm. 20

Структура клеток 21

Структура клеток Структура животной клетки Образование плазматической мембраны и секреторных пузырьков Репликация ДНК; синтез различных видов РНК и некоторых ядерных белков Синтез липидов; синтез стероидов; канализирование продуктов биосинтеза Цикл лимонной кислоты; перенос электронов и окислительное фосфорилирование; окисление жирных кислот; катаболизм аминокислот Энергозависимые транспортные системы, например система транспорта аминокислот и система транспорта ионов Обеспечивают изоляцию Na+ и K+ при помощи гидролитических АТРазы ферментов, таких, как рибонуклеаза и кислая фосфатаза Экзосомы и эндосомы — пузыреобразные органеллы (везикулы), участвующие в процессе обмена веществ между Синтез окружением клеткой и еебелка Транспорт веществ, содержит многочисленные растворимые компоненты 22

Структура клеток 23

Структура клеток Поперечный срез клетки листа гороха (Pisum sativum) прошел через два хлоропласта. От цитоплазмы хлоропласт отграничен двумя мембранами — наружной и внутренней. Наружная мембрана — гладкая, внутренняя образует выросты — ламеллы. На ламеллах располагаются стопками тилакоиды. На снимке хорошо видны стопки тилакоидов граны. В тилакоидах гран между слоями белков и липидов сосредоточены молекулы хлорофилла. Он способен улавливать энергию солнечного света, с помощью которой происходит образование углеводов из воды и углекислого газа. Скопления углеводов видны на снимке как темные пятнышки. Трансмиссионный микроскоп, 70 000 х 24

Компоненты бактериальной клетки 25

Содержимое бактериальной клетки 26

Биохимические функции цитоплазмы 27

Вода как растворитель 28

Вода как растворитель 29

Вода как растворитель 30

Гидрофобные взаимодействия 31

Гидрофобные взаимодействия 32

Гидрофобные взаимодействия 33

Гидрофобные взаимодействия 34

Особенности поведения природных соединений Классы органических соединений Esperamicin A 1 Противоопухолевый антибиотик (экспериментальный) 35

Особенности поведения природных соединений 36

Особенности поведения природных соединений Базируясь на основных различиях химии органических соединений «в колбе» и «в живой клетке» , можно определить дисциплину химические основы жизни так: химия органических полифункциональных молекул, стереоспецифических реакций и многоцентровых механизмов в живых организмах. 37

Особенности поведения природных соединений «Целое — это нечто большее, чем сумма частей» Аристотель 38

Классификация природных соединений Химическая классификация Биохимическая классификация 39

Методология в химии природных соединений • Теоретический аппарат • Экспериментальные подходы 40

Синтез природных соединений Таксол Выделены участки химической модификации Тихоокеанский тисс (Taxus spp. ) 41

Некоторые статистические данные 42