Днк это биополимер: Вставьте в текст «ДНК» пропущенные термины из предложенного перечня, используя для этого цифровые обозначения. Запишите в текст цифры выбранных ответов, а затем получившуюся последовательность цифр (п

Биополимер | это… Что такое Биополимер?

Биополиме́ры — класс полимеров, встречающихся в природе в естественном виде, входящие в состав живых организмов: белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды. Биополимеры состоят из одинаковых (или разных) звеньев — мономеров. Мономеры белков — аминокислоты, нуклеиновых кислот — нуклеотиды, в полисахаридах — моносахариды.

Выделяют два типа биополимеров — регулярные (некоторые полисахариды) и нерегулярные (белки, нуклеиновые кислоты, некоторые полисахариды).

Белки имеют несколько уровней организации — первичная, вторичная, третичная, и иногда четвертичная. Первичная структура определяется последовательностью мономеров, вторичная задаётся внутри- и межмолекулярными взаимодействиями между мономерами, обычно при помощи водородных связей. Третичная структура зависит от взаимодействия вторичных структур, четвертичная, как правило, образуется при обьединении нескольких молекул с третичной структурой.

Белки

Основная статья: Уровни структуры белка

Вторичная структура белков образуется при взаимодействии аминокислот с помощью водородных связей и гидрофобных взаимодействий. Основными типами вторичной структуры являются

• α-спираль, когда водородные связи возникают между аминокислотами в одной цепи,
• β-листы (складчатые слои), когда водородные связи образуются между разными полипептидными цепями, идущими в разных направлениях (антипараллельно,
• неупорядоченные участки

Для предсказания вторичной структуры используются компьютерные программы.

Третичная структура или «фолд» образуется при взаимодействии вторичных структур и стабилируется нековалентными, ионными, водородными связями и гидрофобными взаимодействиями. Белки, выполняющие сходные функции обычно имеют сходную третичную структуру. Примером фолда является β-баррел (бочка), когда β-листы располагаются по окружности. Третичная структура белков определяется с помощью рентгеноструктурного анализа.

Важный класс полимерных белков составляют Фибриллярные белки, самый известный из которых коллаген

В животном мире в качестве опорного, структурообразующего полимера обычно выступают белки. Эти полимеры построены из 20 α-аминокислот. Остатки аминокислот связаны в макромолекулы белка пептидными связями, возникающими в результате реакции карбоксильных и аминогрупп.

Значение белков в живой природе трудно переоценить. Это строительный материал живых организмов, биокатализаторы – ферменты, обеспечивающие протекание реакций в клетках, и энзимы, стимулирующие определенные биохимические реакции, т.е. обеспечивающие избирательность биокатализа. Наши мышцы, волосы, кожа состоят из волокнистых белков. Белок крови, входящий в состав гемоглобина, способствует усвоению кислорода воздуха, другой белок – инсулин – ответственен за расщепление сахара в организме и, следовательно, за его обеспечение энергией. Молекулярная масса белков колеблется в широких пределах. Так, инсулин – первый из белков, строение которого удалось установить Ф. Сэнгеру в 1953 г., содержит около 60 аминокислотных звеньев, а его молекулярная масса составляет лишь 12 000. К настоящему времени идентифицировано несколько тысяч молекул белков, молекулярная масса некоторых из них достигает 10

6 и более.

Нуклеиновые кислоты

Основная статья: ДНК

• Первичная структура ДНК — это линейная последовательность нуклеотидов в цепи. Как правило последовательность записывают в виде букв (например AGTCATGCCAG), причём запись ведётся с 5′- на 3′-конец цепи.

• Вторичная структура — это структура, образованная за счёт нековалентных взаимодействий нуклеотидов (в большей степени азотистых оснований) между собой, стэкинга и водородных связей. Двойная спираль ДНК является классическим примером вторичной структуры. Это самая распространенная в природе форма ДНК, которая состоит из двух антипаралельных комплементарных полинуклеотидных цепей. Антипараллельность реализуется за счёт полярности каждой из цепей. Под комплементарностью понимают соответствие каждому азотистому основанию одной цепи ДНК строго определенного основания другой цепи (напротив A стоит T, а напротив G располагается C). ДНК удерживается в Двойной спирали за счет комплементарного спаривания оснований — образования водородных связей, двух в паре А-Т и трёх в паре G-C.

В 1868 г. швейцарский ученый Фридрих Мишер выделил из ядер клеток фосфорсодержащее вещество, которое он назвал нуклеином. Позднее это и подобные ему вещества получили название нуклеиновых кислот. Их молекулярная масса может достигать 10⁹, но чаще колеблется в пределах 10⁵-10⁶. Исходными веществами, из которых построены нуклеотиды – звенья макромолекул нуклеиновых кислот, являются: углевод, фосфорная кислота, пуриновые и пиримидиновые основания. В одной группе кислот в качестве углевода выступает рибоза, в другой – дезоксирибоза

В соответствии с природой углевода, входящего в их состав, нуклеиновые кислоты называются рибонуклеиновой и дезоксирибонуклеиновой кислотами. Общеупотребительными сокращениями являются РНК и ДНК. Нуклеиновые кислоты играют наиболее ответственную роль в процессах жизнедеятельности. С их помощью решаются две важнейшие задачи: хранения и передачи наследственной информации и матричный синтез макромолекул ДНК, РНК и белка.

Полисахариды

Основная статья: Полисахариды

3-х мерная структура целлюлозы

Полисахариды, синтезируемые живыми организмами, состоят из большого количества моносахаридов, соединённых гликозидными связями. Зачастую полисахариды нерастворимы в воде. Обычно это очень большие, разветвлённые молекулы. Примерами полисахаридов, которые синтезируют живые организмы, являются запасные вещества крахмал и гликоген, а также структурные полисахариды — целлюлоза и хитин. Так как биологические полисахариды состоят из молекул разной длины, понятия вторичной и третичной структуры к полисахаридам не применяются.

Полисахариды образуются из низкомолекулярных соединений, называемых сахарами или углеводами. Циклические молекулы моносахаридов могут связываться между собой с образованием так называемых гликозидных связей путем конденсации гидроксильных групп.

Наиболее распространены полисахариды, повторяющиеся звенья которых являются остатками α-D-глюкопиранозы или ее производных. Наиболее известна и широко применяема целлюлоза. В этом полисахариде кислородный мостик связывает 1-й и 4-й атомы углерода в соседних звеньях, такая связь называется α-1,4-гликозидной.

Химический состав, аналогичный целлюлозе, имеют крахмал, состоящий из амилозы и амилопектина, гликоген и декстран. Отличие первых от целлюлозы состоит в разветвленности макромолекул, причем амилопектин и гликоген могут быть отнесены к сверхразветвленным природным полимерам, т.е. дендримерам нерегулярного строения. Точкой ветвления обычно является шестой атом углерода α-D-глюкопиранозного кольца, который связан гликозидной связью с боковой цепью. Отличие декстрана от целлюлозы состоит в природе гликозидных связей – наряду с α-1,4-, декстран содержит также α-1,3- и α-1,6-гликозидные связи, причем последние являются доминирующими.

Химический состав, отличный от целлюлозы, имеют хитин и хитозан, но они близки к ней по структуре. Отличие заключается в том, что при втором атоме углерода α-D-глюкопиранозных звеньев, связанных α-1,4-гликозидными связями, OH-группа заменена группами –NHCH

3COO в хитине и группой –NH₂ в хитозане.

Целлюлоза содержится в коре и древесине деревьев, стеблях растений: хлопок содержит более 90% целлюлозы, деревья хвойных пород – свыше 60%, лиственных – около 40%. Прочность волокон целлюлозы обусловлена тем, что они образованы монокристаллами, в которых макромолекулы упакованы параллельно одна другой. Целлюлоза составляет структурную основу представителей не только растительного мира, но и некоторых бактерий.

В животном мире в качестве опорных, структурообразующих полимеров полисахариды «используются» лишь насекомыми и членистоногими. Наиболее часто для этих целей применяется хитин, который служит для построения так называемого внешнего скелета у крабов, раков, креветок. Из хитина деацетилированием получается хитозан, который, в отличие от нерастворимого хитина, растворим в водных растворах муравьиной, уксусной и соляной кислот. В связи с этим, а также благодаря комплексу ценных свойств, сочетающихся с биосовместимостью, хитозан имеет большие перспективы широкого практического применения в ближайшем будущем.

Крахмал относится к числу полисахаридов, выполняющих роль резервного пищевого вещества в растениях. Клубни, плоды, семена содержат до 70% крахмала. Запасаемым полисахаридом животных является гликоген, который содержится преимущественно в печени и мышцах.

Прочность стволов и стеблей растений, помимо скелета из целлюлозных волокон, определяется соединительной растительной тканью. Значительную ее часть в деревьях составляет лигнин – до 30%. Его строение точно не установлено. Известно, что это относительно низкомолекулярный (M ≈ 104) сверхразветвленный полимер, образованный в основном из остатков фенолов, замещенных в орто-положении группами –OCH₃, в пара-положении группами –CH=CH–CH₂OH. В настоящее время накоплено громадное количество лигнинов как отходов целлюлозно-гидролизной промышленности, но проблема их утилизации не решена. К опорным элементам растительной ткани относятся пектиновые вещества и, в частности пектин, находящийся в основном в стенках клеток. Его содержание в кожуре яблок и белой части кожуры цитрусовых доходит до 30%. Пектин относится к гетерополисахаридам, т.е. сополимерам. Его макромолекулы в основном построены из остатков D-галактуроновой кислоты и ее метилового эфира, связанных α-1,4-гликозидными связями.

Из пентоз значение имеют полимеры арабинозы и ксилозы, которые образуют полисахариды, называемые арабинами и ксиланами. Они, наряду с целлюлозой, определяют типичные свойства древесины.

Биополимеры — Словарь терминов | ПластЭксперт

Биополимеры

Понятие биополимеров

Название этих природных полимеров происходит от греческих слов bios, что значит «жизнь» и polymeres, что переводится как «состоящий из многих частей». Биоплимерами называют природные высокомолекулярные вещества или соединения (ВМС), которые встречаются в живых организмах и являются не только их составной частью, но и во многом их основой. Биополимеры отвечают за бесперебойную жизнедеятельность живого существа и выполняют различные биофункции.

К таким природным полимерам принято относить белки или протеины, нуклеиновые кислоты и полисахариды. Кроме того, существуют так называемые смешанные биополимеры, включающие «смесь» звеньев биополимера с низкомолекулярными включениями, такие как липопротеины, гликопротеины, липополисахариды и другие.

Разновидности биополимеров

1. Белки или протеины – самый известный тип биополимеров как животного, так и растительного происхождения. Эти вещества особенно важны в животном мире, где они работают в качестве структурообразующей субстанции. Белки, по сути, выступают в роли стройматериала для организма. Кроме этого, существуют специальные белковые молекулы – биокатализаторы или ферменты, которые являются катализаторами биохимических реакций в клетках, и энзимы, которые обеспечивают селективность биокатализа. 

Из биополимера-белка во многом состоят мышцы, волосы, кожа, кровеносные клетки. Самый широко известный белок инсулин отвечает за усвоение сахара и получение организмом энергии и т.д. Белок – сложное пространственное вещество, имеющее несколько уровней геометрической организации макромолекулы.

Рис.1. «Свернутая в клубок» молекула белка

1. Широко известна одна из нуклеиновых кислот – ДНК. Ее двойная спираль – яркий пример макромолекулы биополимера вторичной структуры. Такая форма включает две антипаралельных полинуклеотидных полимерных цепей, состоящих из мономерных звеньев, которые в свою очередь включают углеводы (рибозу и дезоксирибозу), фосфорную кислоту, пуриновые и пиримидиновые основания. Именно вид углевода, входящего в состав кислоты определяет отличие ДНК от РНК.

1. Природные полисахариды являются полимерами моносахаридов, которые соединены гликозидными связями. Как правило, эти вещества представляют собой громоздкие макромолекулы с большим количеством разветвлений. К биополимерам-полисахаридам относят большое количество органических веществ, например крахмал, целлюлоза и т.д. Обычно полисахариды не образуют сложных пространственных структур, т.к. они не обладают постоянной формулой и их молекулярно-массовое распределение очень широко. 

Свойства и применение биополимеров

Молекулярная масса биополимеров, в частности белков отличается у одних веществ от других очень существенно. Например, инсулин имеет молекулярную массу около 12 000 единиц, тогда как некоторые недавно раскрытые молекулы протеинов обладают ММ свыше 100 000.

По своим химическим, физико-механическим и эксплуатационным свойствам биополимеры отличаются друг от друга в крайне широких пределах. К сожалению, большинство из них практически неприменимо в тех областях, в которых мы привыкли использовать пластики. 

Условными биополимерами, практически не встречающимися в природе, но основанными на растительных или животных компонентах можно считать биоразлагаемые полиэфиры на основе гидроксикарбиновых кислот, в частности полилактид (полимолочную кислоту, PLA). Этот полимер может перерабатываться основными методами переработки термопластов. Именно поэтому PLA и его модификации всё шире используется при производстве биополимерной посуды, упаковки, медицинских изделий, а также как сырье для трехмерной печати на 3D-принтерах, в том числе домашнего применения. 

биополимер

Биополимеры представляют собой класс полимеров, производимых живыми организмами. Крахмал, белки и пептиды, ДНК и РНК — все это примеры биополимеров, в которых мономерными единицами, соответственно, являются сахара, аминокислоты и нуклеиновые кислоты.

Дополнительные рекомендуемые знания

Содержимое 1 Биополимеры в сравнении с полимерами 2 Условные обозначения и номенклатура 2.1 Полипептиды 2.2 Нуклеиновые кислоты 2.3 Сахар 3 Структурная характеристика 4 Биополимеры как материалы 5 Биополимеры в качестве упаковки 6 См. также

Биополимеры в сравнении с полимерами

Основное, но определяющее различие между полимерами и биополимерами заключается в их структуре. Полимеры, в том числе биополимеры, состоят из повторяющихся звеньев, называемых мономерами. Биополимеры по своей природе имеют четко определенную структуру: Точный химический состав и последовательность, в которой расположены эти звенья, называют первичной структурой. Многие биополимеры спонтанно сворачиваются в характерные компактные формы (см. также «свертывание белков», а также вторичную структуру и третичную структуру), которые определяют их биологические функции и сложным образом зависят от их первичной структуры. Структурная биология изучает структурные свойства биополимеров. Напротив, большинство синтетических полимеров имеют гораздо более простую и более случайную (или стохастическую) структуру. Этот факт приводит к молекулярно-массовому распределению, отсутствующему в биополимерах. Фактически, поскольку их синтез контролируется матричным процессом в большинстве систем in vivo, все биополимеры одного типа (скажем, одного конкретного белка) одинаковы: все они содержат одинаковую последовательность и количество мономеров и, следовательно, все имеют одинаковую массу. . Это явление называется монодисперсностью в отличие от полидисперсности, встречающейся в синтетических полимерах. В результате биополимеры имеют индекс полидисперсности 1.

Условные обозначения и номенклатура

Полипептиды

Общепринятым для полипептида является перечисление входящих в его состав аминокислотных остатков по мере их расположения от амино-конца к карбокси-концу. Аминокислотные остатки всегда соединены пептидными связями. Белок, хотя и используется в разговорной речи для обозначения любого полипептида, относится к более крупным или полностью функциональным формам и может состоять из нескольких полипептидных цепей, а также из одиночных цепей. Белки также можно модифицировать, включив в них непептидные компоненты, такие как сахаридные цепи и липиды.

Нуклеиновые кислоты

В последовательности нуклеиновой кислоты принято перечислять нуклеотиды по мере их появления от 5′-конца к 3′-концу полимерной цепи, где 5′ и 3′ относятся к нумерации атомов углерода вокруг рибозного кольца, которые участвуют в образуя фосфатно-диэфирные звенья цепи. Такая последовательность называется первичной структурой биополимера.

Сахар

Биополимеры на основе сахара часто сложны с точки зрения условности. Полимеры сахара могут быть линейными или разветвленными, обычно соединенными гликозидными связями. Однако точное расположение связи может варьироваться, и ориентация связывающих функциональных групп также важна, что приводит к α- и β-гликозидным связям с нумерацией, определяющей расположение связывающих атомов углерода в кольце. Кроме того, многие сахаридные звенья могут подвергаться различным химическим модификациям, таким как аминирование, и даже могут образовывать части других молекул, таких как гликопротеины.

Структурная характеристика

Существует ряд биофизических методов определения информации о последовательности. Последовательность белка можно определить с помощью деградации по Эдману, при которой N-концевые остатки гидролизуются из цепи по одному, дериватизируются и затем идентифицируются. Можно также использовать методы масс-спектрометрии. Последовательность нуклеиновой кислоты можно определить с помощью гель-электрофореза и капиллярного электрофореза. Наконец, механические свойства этих биополимеров часто можно измерить с помощью оптического пинцета или атомно-силовой микроскопии.

Биополимеры как материалы

Некоторые биополимеры, такие как полимолочная кислота, встречающийся в природе зеин и поли-3-гидроксибутират, могут использоваться в качестве пластмасс, заменяя необходимость в пластмассах на основе полистирола или полиэтилена.

Некоторые пластмассы теперь называются «разлагаемыми», «кислородно-разлагаемыми» или «УФ-разлагаемыми». Это означает, что они разрушаются под воздействием света или воздуха, но эти пластмассы по-прежнему в основном (до 98 процентов) состоят из масла и в настоящее время не сертифицированы как «биоразлагаемые» в соответствии с директивой Европейского Союза об упаковке и упаковочных отходах ( 94/62/ЕС). Однако биополимеры разлагаются, и некоторые из них пригодны для домашнего компостирования.

Биополимеры в качестве упаковки

Биополимеры (также называемые возобновляемыми полимерами) производятся из биомассы для использования в упаковочной промышленности. Биомасса поступает из таких культур, как сахарная свекла, картофель или пшеница: при использовании для производства биополимеров они классифицируются как непищевые культуры. Они могут быть преобразованы следующими путями:

Сахарная свекла > Гликоновая кислота > Полиглоновая кислота

Крахмал > (ферментация) > Молочная кислота > Полимолочная кислота (PLA)

Биомасса > (ферментация) > Биоэтанол > Этен > Полиэтилен

Многие виды упаковки могут быть изготовлены из биополимеров: пищевые лотки, гранулы из выдувного крахмала для перевозки хрупких товаров, тонкие пленки для обертывания.

Биополимеры возобновляемы, устойчивы и могут быть углеродно-нейтральными

Биополимеры возобновляемы, потому что они сделаны из растительных материалов, которые можно выращивать из года в год бесконечно. Эти растительные материалы происходят из сельскохозяйственных непродовольственных культур. Следовательно, использование биополимеров позволит создать устойчивую промышленность. Напротив, сырье для полимеров, полученных из нефтехимии, со временем закончится. Кроме того, биополимеры могут сократить выбросы углерода и сократить выбросы CO 9 .0086 2 количества в атмосфере: это связано с тем, что CO ₂ , высвобождаемый при их разложении, может быть реабсорбирован культурами, выращенными для их замены: это делает их почти углеродно-нейтральными.

Биополимеры биоразлагаемы, а некоторые также компостируются

Некоторые биополимеры биоразлагаемы: они расщепляются микроорганизмами на CO ₂ и воду. Кроме того, некоторые из этих биоразлагаемых биополимеров пригодны для компостирования: их можно использовать в промышленном процессе компостирования, и они разлагаются на 90% в течение 6 месяцев. Биополимеры, которые делают это, могут быть помечены символом «компостируемых» в соответствии с европейским стандартом EN 13432 (2000). Упаковка, отмеченная этим символом, может быть использована в промышленных процессах компостирования и разлагается в течение 6 месяцев (или меньше). Примером компостируемого полимера является пленка PLA толщиной менее 20 мкм: более толстые пленки не считаются компостируемыми, даже если они биоразлагаемы. Вскоре может появиться логотип домашнего компостирования: это позволит потребителям выбрасывать упаковку прямо в компостную кучу. Стандарты для такого логотипа домашнего компостирования еще не разработаны.

См. также

• Конденсационные полимеры
• последовательность ДНК
• Биоматериалы
• Меланин
• Секвенирование
• Червячная цепь
• Непищевые культуры
• Фосфорамидит

Разработанные биополимеры – Группа биополимерных материалов

Разработка самособирающихся гибридных наноматериалов белок-ДНК

В настоящее время ДНК-нанотехнология является единственным способом создания действительно адресных наноструктур нанометрового масштаба, но эти структуры фундаментально ограничены в размерах, в настоящее время <100 нм или меньше. Мы считаем, что, комбинируя его с белками, мы можем создавать биосовместимые и адресуемые наноматериалы более высокого порядка произвольной формы и размера > 100 нм. В этом проекте мы компьютерно разрабатываем повторяющиеся белки de novo, которые полностью покрывают и защищают ДНК-матрицу, но при этом допускают адресные сайты с использованием связывающих веществ, специфичных для последовательности. В конечном итоге разработка таких гибридных ДНК-белковых материалов позволит нам создавать адресуемые наноматериалы для различных применений в нанотехнологиях и биомедицине. Например, в сотрудничестве с лабораторией Кинга (Вашингтонский университет) мы намерены изучить возможность программирования антигенов на поверхности этих новых наноматериалов для отображения антигенов.

Контактный телефон
Роб де Хаас – [email protected]

Шаблонная сборка ДНК с помощью белков. Связывание происходит посредством электростатических взаимодействий в большой бороздке ДНК. Белки самособираются на матрице ДНК за счет взаимодействия ДНК-белок и белок-белок с образованием плотно упакованных волокон. Изображение высушенных волокон белок-ДНК, полученное с помощью атомно-силовой микроскопии

Дизайн белков, связывающих лед

Белки, связывающие лед, присутствуют в некоторых арктические растения и бактерии для предотвращения зарождения кристаллов льда. Связывание этих белков со льдом снижает температуру замерзания, что позволяет этим организмам выживать при отрицательных температурах. Мы пытаемся реконструировать естественные белки, связывающие лед, чтобы увеличить сродство ко льду и стабилизировать белковые структуры. В конечном итоге эти улучшенные белки, связывающие лед, находят применение в криохирургии, трансплантации органов и пищевой промышленности.

Контактное лицо
Роб де Хаас – [email protected]
(дизайн и определение характеристик)

Чуанбао Чжэн – [email protected]
(компьютерное моделирование)

PDB-модель идеализированного льда связывание белок. Каждый повтор содержит 2 треонина, которые связывают базальную плоскость и плоскость первичной призмы кристаллов льда.

Дизайн полипептидных линкеров для биосенсоров

Биосенсоры приобретают все большее значение как в исследованиях, так и в диагностике. Большинство инструментов биосенсора используют антитела, адсорбированные на поверхности, такой как кремнезем или пластик, для обнаружения интересующего аналита. Хотя этот процесс дешевый и быстрый, к сожалению, он также очень неэффективен. Существующие альтернативы требуют дорогостоящей и сложной обработки поверхности биосенсора. В этом проекте мы сосредоточимся на разработке полипептидных линкеров для функционализации поверхностей биосенсоров. На самом деле, природные белковые полимеры можно легко сконструировать и изменить их физические свойства. Полипептидные линкеры должны обеспечивать стабильную полимерную щетку, препятствующую обрастанию, к которой могут быть ковалентно присоединены антитела. В сотрудничестве с кафедрой органической химии многие конструкции полипептидов проверяются и тестируются, чтобы найти подходящего кандидата. Линкеры могут быть непосредственно применены к недавно разработанным биосенсорам нашими сотрудниками из Технологического университета Эйндховена (лаборатория де Йонга).