Методы выделения и анализа биопрепаратов. Биологические макромолекулы, особенности структурно-функциональной организации презентация

организации

методы применяют для получения больших объемов активных препаратов биологических соединений, которые далее используются в научных и практических целях.

Аналитические методы используют малые объемы биопрепаратов для анализа чистоты, свойств, активности биологических соединений. Часто в процессе анализа биопрепарат необратимо разрушается.

электрофорез

дифракция рентгеновских прямая информация о пространственной структуре
лучей (расположении всех атомов в пространстве).
(рентгеноструктурный Необходимы гомогенные, хорошо очищенные,
анализ) кристаллические препараты вещества


Непрямые методы исследования структуры и свойств

(позволяют изучать биомолекулы в растворе в условиях, когда их состояние и поведение приближено к нативному состоянию молекул в клетке)‏

электронная микроскопия форма и размер макромолекул, упаковка
субъединиц, расположение субъединиц в
ассоциатах

электрофорез, чистота препарата, субъединичный состав,
седиментационный форма и размер макромолекул,
анализ, молекулярная масса
хроматография

структура макромолекул,
спектроскопия ионизация отдельных групп,
(спектрофотометрия) контроль технологических процесов

Дифференциальная конформационные изменения макромолекул
спектрофотометрия

Инфракрасная вторичная структура и колебания макромолекул
спектроскопия
(ИК-спектроскопия)‏

Круговой дихроизм вторичная структура, связывание с лигандами
(КД-спектроскопия)‏

Спектроскопия конформационные изменения макромолекул
комбинационного
рассеяния

изменения макромолекул,
спектроскопия подвижность групп и динамика структуры
(флуоресценция)‏

ЯМР конформация макромолекул, изменения структуры
(ядерный магнитный
резонанс)‏

ЭПР конформация макромолекул, подвижность групп
(электронный
парамагнитный
резонанс)‏

ДНК и РНК
нуклеиновых кислот

ПЦР анализ препаратов ДНК и РНК
(полимеразная цепная
реакция)‏

Масс-спектрометрия анализ препаратов химических соединений

Иммунохимические детекция клеток, фрагментов клеток, белков,
методы анализа комплексов биомолекул

Биосенсоры, детекция и идентификация молекул
биочипы

(ДНК и РНК),
− полисахариды.

Макромолекулы полисахаридов состоят из одинаковых звеньев и, поэтому, не несут информации. Они выполняют либо опорную функцию (целлюлоза в растениях), либо запасающую функцию (крахмал в растениях, гликоген у животных).

Биологические макромолекулы, особенности
структурно-функциональной организации

гликоген

осуществляется последовательностью различных звеньев (аминокислот − в составе белков, нуклеотидов − в составе ДНК и РНК), определяющей пространственную структуру макромолекулы и ее функцию.

Биологические макромолекулы, особенности
структурно-функциональной организации

первичная структура ДНК

цепи биополимера, связанных прочными ковалентными связями.

Высшие уровни организации:

Вторичная структура − локальное упорядочивание (сворачивание)‏
отдельных участков цепи

Третичная структура − пространственная укладка всей цепи

Четвертичная структура − пространственное расположение
нескольких компактно организованных
полимерных цепей

Биологические макромолекулы, особенности
структурно-функциональной организации

Уровни структурной организации биологических макромолекул

большого числа слабых нековалентных объемных взаимодействий между атомами далеко расположенных в цепи полимера звеньев.

Взаимодействия, определяющие структуру биополимеров:

− силы Ван-дер-Ваальса;
− ионные (электростатические) взаимодействия;
− водородные связи;
− гидрофобные взаимодействия.
Пространственная структура белков стабилизируется также формированием S-S мостиков (ковалентных дисульфидных связей между двумя остатками аминокислоты цистеин).‏

Биологические макромолекулы, особенности
структурно-функциональной организации

Уровни структурной организации биологических макромолекул

взаимодействие

дисперсионное взаимодействие

индукционное взаимодействие

электроотрицательным атомом кислорода (О), азота (N), серы (S) в составе одной молекулы, и электроотрицательным атомом, принадлежащим другой молекуле.

Биологические макромолекулы, особенности
структурно-функциональной организации

Взаимодействия, стабилизирующие пространственную структуру биополимеров

число водородных связей

Биологические макромолекулы, особенности
структурно-функциональной организации

Взаимодействия, стабилизирующие пространственную структуру биополимеров

группы вызывают нарушение структуры водных кластеров и формирование полостей

энергии Гиббса (G ↓, ΔG<0)‏

ΔH <0 при образовании связей,
ΔH >0 при разрыве связей,
ΔS <0 при увеличении порядка,
ΔS >0 при увеличении беспорядка

Неполярные группы вызывают формирование полостей в структуре водных кластеров, что означает упорядочение, выключение из хаотического движения значительного числа молекул воды, т.е. уменьшение энтропии растворителя (ΔS <0) и разрыв водородных связей (ΔH >0 ).
Свободная энергия системы возрастает (G↑, ΔG>0), что термодинамически невыгодно и вызывает сворачивание полимера для уменьшения площади контакта неполярных групп с водой.

Биологические макромолекулы, особенности
структурно-функциональной организации

Взаимодействия, стабилизирующие пространственную структуру биополимеров

мостики)

большого количества слабых связей, в результате чего создается наиболее выгодная и стабильная пространственная структура макромолекулы.

Нативная конформация − это пространственная структура активной макромолекулы в клетке.

Сворачивание макромолекулы в нативную конформацию − фолдинг.

Денатурация − нарушение нативной пространственной структуры макромолекулы под действием различных факторов (температуры, рН среды, органических и неорганических соединений и т.д.).

Восстановление нативной пространственной структуры после денатурации − ренатурация или рефолдинг.

Биологические макромолекулы, особенности
структурно-функциональной организации

Конформация биологических макромолекул

SH

− HisH+ в составе белков


Состояние и заряд ионогенных групп макромолекул можно регулировать, меняя состав и рН среды. Это позволяет регулировать суммарный заряд макромолекул, контролировать процессы денатурации и ренатурации и используется при оптимизации технологий выделения и очистки биомолекул.