Химические основы жизни

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

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

3. 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)

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

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

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

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

8. 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)

9. 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

10. 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

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

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

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

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

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

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

17. Структура клеток

18. Структура клеток Клетка бактерии Escherichia coli

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

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

21. Структура клеток

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

23. Структура клеток

24. 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 000х

25. Компоненты бактериальной клетки

26. Содержимое бактериальной клетки

27. Биохимические функции цитоплазмы

28. Вода как растворитель

29. Вода как растворитель

30. Вода как растворитель

31. Гидрофобные взаимодействия

32. Гидрофобные взаимодействия

33. Гидрофобные взаимодействия

34. Гидрофобные взаимодействия

35. Особенности поведения природных соединений Esperamicin A1 Противоопухолевый антибиотик (экспериментальный) Классы органических соединений

36. Особенности поведения природных соединений

37. 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.

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

39. Классификация природных соединений Химическая классификация Биохимическая классификация

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

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

42. Некоторые статистические данные