WWW.DISS.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

 

Pages:   || 2 | 3 |

«2012 УДК 541.64 ББК 24.2 © С.А. Клюев. Макромолекулы: Монография. ЮО ИО РАН. Геленджик. 2012. 121 c. Рассмотрены структура, синтез, свойства макромолекул. Значительное внимание уделяется ...»

-- [ Страница 1 ] --

С. А. Клюев

Sergey_Klyuev@mail.ru

2012

УДК 541.64

ББК 24.2

© С.А. Клюев. Макромолекулы: Монография. ЮО ИО РАН. Геленджик. 2012. 121 c.

Рассмотрены структура, синтез, свойства макромолекул. Значительное внимание

уделяется применению информационных технологий для их изучения.

Рецензенты: кафедра естественно-биологических дисциплин и методики их преподавания

Славянского-на- Кубани государственного педагогического института.

2

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.

1. Основные понятия. Классификация. Особенности структуры и свойств.

Идентификация и исследование.

2. Примеры природных макромолекул.

2.1. Белки.

2.2. Полисахариды.

2.3. Нуклеиновые кислоты.

3. Использование информационных систем для изучения природных макромолекул.

3.1. Понятие информационной системы.

3.2. Методологии и технологии проектирования информационных систем 3.3. Применение информационных систем для изучения природных макромолекул и надмолекулярных структур.

3.3.1. Использование технологии “клиент – сервер”.

3.3.2. Информационные модели природных макромолекул и надмолекулярных структур. Элементы биоинформатики.

4. Синтез макромолекул (полимеров), их свойства и применение.

5. Реакции макромолекул.

Заключение.

Список литературы Введение.

Термин «макромолекула» (от греч. makros - большой) введён Германом Штаудингером в 1922 г. Интерес к макромолекулам обусловлен их специфическими свойствами, связанными с цепной структурой и большой молекулярной массой (высокомолекулярные соединения). Природные макромолекулы, такие как белки, нуклеиновые кислоты и полисахариды, являются важными составными частями организмов. Синтетические макромолекулы находят все большее применение в различных отраслях промышленности и быту.

Для идентификации и исследования макромолекул применяют физические, химические, и физико-химические методы. Синтезируют макромолекулы, главным образом, методами полимеризации и поликонденсации. Кроме того, существует необходимость модификации имеющихся макромолекул для направленного изменения их свойств.

В настоящей монографии рассматриваются вопросы идентификации и исследования макромолекул, их синтеза и модификации. Значительное внимание уделяется применению информационных технологий в решении задач поиска необходимой информации о макромолекулах, графическому представлению макромолекул для изучения их структуры. Широкое внедрение информационных технологий во все сферы человеческой деятельности привело к созданию большого количества информационных систем, с помощью которых можно своевременно обеспечивать пользователей необходимой информацией. Экспериментаторы, изучая объекты или системы объектов различными методами, занимаются и построением информационных моделей, которые представляются в информационные системы. Какието информационные модели могут заинтересовать пользователя информационной системы. В таком случае у него имеется возможность скопировать информационную модель на свой персональный компьютер и заняться исследованием этой модели (проводить компьютерный эксперимент). Информация, полученная при проведении компьютерного эксперимента c последующим правильном перенесении на объект, может значительно углубить наши знания об объекте.

В настоящее время имеется большое число информационных систем, касающихся природных макромолекул (ДНК, РНК, белков). Структурные модели позволяют четко представить трехмерную структуру указанных природных соединений. Есть возможность выделять и детально изучать отдельные фрагменты больших молекул. При этом используется программное обеспечение, предоставляемое информационной системой или же программы, полученные из других источников. В предлагаемой монографии основное внимание уделяется анализу структуры макромолекул. Использовались модели информационной системы “The Protein Data Bank”.

Автор выражает благодарность организаторам проекта “Информационновычислительные технологии в науке”, г. Москва, и конференции “Современные информационные технологии и ИТ-образование”, г. Москва за опубликования материала, часть из которого вошла в данную монографию, сотрудникам кафедры естественнобиологических дисциплин и методики их преподавания Славянского-на-Кубани государственного педагогического института за предоставления возможности чтения лекций и проведения практических занятий по курсу “Химия высокомолекулярных соединений”, составленного с учетом материалов рукописи монографии.

Монография предназначена для читателей, которых интересуют физико-химические и биологические аспекты макромолекул.

1. Основные понятия. Классификация. Особенности структуры и свойств.

Идентификация и исследование.

Макромолекулы Макромолекулы, как правило, имеют цепную структуру [1]. Число различных способов взаимного расположения (чередования) звеньев в цепи макромолекулы характеризуется конфигурационной энтропией и отражает меру информации, которую может содержать макромолекула. Способность к хранению информации - одна из самых важных характеристик макромолекулы, значение которой стало понятно после открытия генетического кода и расшифровки структуры основных биологических макромолекул нуклеиновых кислот и белков.





Высокомолекулярные соединения (ВМС) – это соединения, состоящие из большого числа атомов и имеющие значительную молекулярную массу (более 5000), что обусловлено наличием в их структуре повторяющихся фрагментов. Например, …-А-А-АА-А-А-… или …–А-В-А-В-А-В-А-...

Полимеры тоже состоят из большого числа атомов, имеют значительную молекулярную массу, но содержат одинаковые (иногда однотипные) повторяющиеся фрагменты. Например, …-А-А-А-А-А-А-… или –(А)n-, n – число повторяющихся фрагментов или степень полимеризации. Пример биополимера с однотипными повторяющимися фрагментами – белок.

Термин “высокомолекулярные соединения” является более общим, чем термин “полимеры”, но указанные термины могут и отождествлять.

Структура сополимеров представляется следующим образом: …-А-B-А-B-А-B-…, …-А-А-А-В-В-В-…, …-А-А-А(-B-B-B-)-А-А-А-...

Повторяющиеся фрагменты называются элементарными звеньями.

Большинство синтетических высокомолекулярных соединений (полимеров) являются полидисперсными. В полимерном образце имеются макромолекулы различной молекулярной массы. Поэтому вводится такая характеристика, как молекулярноДля описания молекулярно-массового распределения массовое распределение.

используют дифференциальные и интегральные функции. Для полидисперсных полимеров вместо термина “молекулярная масса” целесообразно использовать термин “средняя молекулярная масса”. Полидисперсные полимеры можно фракционировать [2].

Полимеры синтезируют из низкомолекулярных химических соединений, их называют мономерами [3]. Полимеры в процессе синтеза получаются не сразу. На первых стадиях образуются олигомеры (интервал молекулярных масс составляет 500 – 5000).

Методы синтеза полимеров – полимеризация, поликонденсация и полиприсоединение.

Полимеризация – частный случай реакции присоединения. Поликонденсация – частный случай реакции замещения. При протекании реакции полиприсоединения помимо соединения молекул происходит перенос подвижного атома. Полимеризация и поликонденсация есть часто используемые методы синтеза полимеров. Если полимер получен методом полимеризации, то качественный и количественные состав элементарного звена и мономера совпадают. В таком случае элементарное звено называют еще и мономерным звеном.

Некоторые полимеры (политиофен, полипиррол) получают, используя электролиз.

Фрагменты структур белка (A), полиэтилена (Б), полипропилена (В), полипиррола (Г; исходная и катион-радикальная формы) представляются следующим образом:

Наличие в полимерной цепи полипиррола катион-радикальных фрагментов придает этому полимеру высокую электрическую проводимость. Катион-радикальный фрагмент называется поляроном (вызывает поляризацию среды).

Высокомолекулярные соединения могут находиться в аморфном, кристаллическом и жидкокристаллическом состояниях. Для таких соединений характерно высокоэластическое состояние, характеризующееся большими обратимыми деформациями. Аморфные вещества, содержащие макромолекулы, хорошо растворяются и их растворы обладают большой вязкостью, которая резко возрастает с увеличением концентрации раствора [4].

Макромолекулы способны к изменению формы и линейных размеров в результате теплового движения, а именно - ограниченного вращения звеньев вокруг валентных связей (внутреннее вращение) и связанного с ним изменения конформаций макромолекул, т. е. взаимного расположения в пространстве атомов и групп атомов, соединенных в цепь, при неизменной конфигурации макромолекул. Обычно в результате такого движения макромолекула приобретает наиболее вероятную форму статистического клубка. Наряду с беспорядочной конформацией статистического клубка могут существовать стабилизированы силами внутри- и межмолекулярного взаимодействия (например, водородными связями). Ограничения внутреннего вращения количественно описываются в терминах поворотной изомерии. Степень свободы этого вращения определяет гибкость макромолекул, с которой связаны эластичность, способность к образованию надмолекулярных структур, почти все их физические и механические свойства. Разница энергии между минимумами на кривой зависимости внутренней энергии от угла вращения определяет термодинамическую гибкость макромолекул, т.е. вероятность реализации тех или иных конформаций (например, вытянутых или свернутых), размер и форму макромолекул; величины энергетических барьеров определяют кинетическую гибкость макромолекул, т.е. скорость перехода из одной конформации в другую. Величины энергетических барьеров зависят от размеров и характера боковых радикалов при атомах, образующих хребет цепи. Чем массивнее эти радикалы, тем выше барьеры. Конформация макромолекул может изменяться и под действием внешних силы (например, растягивающей силы). Податливость макромолекул к таким деформациям характеризуется кинетической гибкостью. При очень малых гибкостях, например, в случаях лестничных полимеров или наличия действующей вдоль цепи системы водородных или координационных связей, внутреннее вращение сводится к относительно малым крутильным колебаниям звеньев друг относительно друга, чему соответствует макроскопическая модель упругой плоской ленты или стержня. Число возможных конформаций макромолекул возрастает с увеличением количества звеньев.

Термодинамическая гибкость по-разному проявляется на коротких и длинных участках макромолекул. Это можно понять с помощью макроскопической модели - металлической проволоки. Длинную проволоку можно скрутить в клубок, а короткую, у которой длина и размер в поперечном направлении соизмеримы, - невозможно, хотя ее физические свойства те же.

Макромолекулы делятся на природные и синтетические. Примеры природных макромолекул: полисахариды (крахмал животный и растительный, целлюлоза, хитин), белки (цитохромы, миоглобин, гемоглобин), нуклеиновые кислоты (ДНК, РНК).

Примеры синтетических макромолекул: полиэтилен, полипропилен, полистирол, полиэтилентерефталат, полипиррол.

Методы идентификации и исследования макромолекул.

определение простейших функциональный анализ элементный электрохимические вискозиметрия хроматографические При изучении структуры макромолекул приоритет отдается дифракционным методам (дифракция х-лучей, электронов и нейтронов) и ядерному магнитному резонансу (электронной) микроскопией и дифракцией х-лучей показано на рис. 1.

Рис. 1. Схематичное представление методов исследования.

Дифракция х-лучей предполагает использование FT-трансформации, чтобы генерировать 3D-изображение.

Важнейшей рабочей характеристикой ЯМР-спектрометра является рабочая чаcтота 0, которая непосредственно связана с напряженностью постоянного магнитного поля Н0.

ЯМР-спектрометры позволяли наблюдать протонный резонанс на частоте 40 МГ, что соответствует напряженности поля H0 ~ 1 T. Совершенствование метода ЯМР сопровождалось увеличением рабочей частоты 0, в современных приборах резонансная частота для протонов достигает 900 МГц. Необходимые для работы в этом диапазоне магнитные поля Н0 ~ 20 Т создаются сверхпроводящими соленоидами. Использование более сильного постоянного магнитного поля в экспериментах по ЯМР имеет целый ряд преимуществ. Во-первых, cложные спектры с наложением расщепленных линий часто можно упростить, увеличивая напряженность поля. Во-вторых, даже в отсутствие спин спинового взаимодействия наблюдается увеличение разрешения и группы с меньшей разностью химических сдвигов становятся различимыми. В-третьих, возрастание Н приводит к повышению чувствительности, поскольку при этом увеличивается различие в заселенности спиновых уровней энергии и возрастает мощность поглощения электромагнитной энергии. Разрешение современных ЯМР-спектрометров достигает величины R ~ 1010, что возможно лишь при условии высокой однородности постоянного магнитного поля в объеме образца. Неоднородность поля ведет к аппаратурному уширению линий и уменьшению разрешения. Повышение однородности поля Н0 внутри соленоида, в частности, минимизация краевых эффектов, достигается применением дополнительных шиммирующих катушек, расположенных на периферии основной катушки. Кроме того, резонансные условия усредняются за счет быстрого вращения ампулы с образцом вокруг продольной оси, что эквивалентно дополнительному увеличению однородности поля. Спектрометры ЯМР высокого разрешения обычно снабжаются температурной приставкой, позволяющей регулировать и поддерживать температуру образца. В зависимости от конкретных областей применения спектрометры могут быть снабжены датчиками на различные магнитные ядра и другими устройствами, расширяющими аналитические возможности ЯМР-спектроскопии.

Использование ЯМР начиналось с экспериментов на приборах, изображенных схематично на рис 2.

Рис. 2. Схема прибора ЯМР. 1 - катушка с образцом; 2 - полюса магнита; 3 генератор радиочастотного поля; 4 -усилитель и детектор; 5 - генератор модулирующего напряжения; 6 - катушки модуляции поля; 7 – осциллограф.

В дальнейшем техника ЯМР усложнялась, что позволило проводить исследование макромолекул. 1D ЯМР – эксперименты с макромолекулами приводят к спектрам, содержащим большое число перекрывающихся пиков, что затрудняет интерпретацию.

При проведении 2D ЯМР-экспериментов результаты представляют в виде ху-диаграммы, что существенно облегчает их интерпретацию.

Вискозиметрия является удобным методом изучения поведения макромолекул в растворе Исследования по вискозиметрии начинались с использованием вискозиметров Уббелоде и ВПЖ-2 (рис. 3).

Рис 3. Вискозиметры Уббелоде (I) и ВПЖ-2 (II). А,В – метки; 1-резервуар; 2, 3, 6 – Вязкость растворов, содержащих макромолекулы с кислотными и основными группами, зависит от кислотности среды.

высокоэффективную жидкостную хроматографию (ВЭЖХ), как наиболее информативный метод.

Некоторые макромолекулы обладают электрохимической активностью (способностью восстанавливаться на катоде и окисляться на аноде). Для изучения электрохимически активных макромолекул удобно использовать вольтамперометрию.

Информация о структуре многих макромолекул содержится в сети “Интернет”.

Например, существует банк данных по белкам “The Protein Data Bank” [8, 9], в котором имеется информация о структуре природных белков, их модифицированных форм, а также белковых ассоциатов (например, белок/нуклеиновая кислота). Преобладающая часть структур получена при помощи метода дифракции рентгеновских лучей, около 15 % — при помощи ЯМР, и лишь малая часть — при помощи криоэлектронной микроскопии (данные 2009 г.). Некоторое время количество структур в PDB росло экспоненциально. В 2007 году было добавлено 7263 структур, однако, в 2008 году было добавлено лишь 7073 структур. К настоящему времени разработаны программы для Структуры могут быть просмотрены при помощи нескольких компьютерных программ (как бесплатных и распространяющихся по лицензии open source, так и платных, распространяющихся не с открытым кодом) и плагинов к веб-браузерам.

2. Примеры природных макромолекул.

К природным макромолекулам относятся макромолекулы белков, полисахаридов и нуклеиновых кислот.

2.1. Белки.

Белки — это высокомолекулярные соединения, содержащие большое число фрагментов аминокислот, а также некоторое количество других химических соединений.

Белки делятся на простые и сложные. При полном гидролизе простых белков образуются только аминокислоты, а в случае полного гидролиза сложных белков – и другие вещества [10, 11].

Первичная структура последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи — образуется за счет пептидных связей.

Вторичная структура — способ укладки полипептидной цепи в -спираль или структуру.

Третичная структура — пространственная укладка -спирали или полипептидной цепи в определенную конформацию. Третичная структура есть субъединица (например, глобула).

Четвертичная структура — объединение в определенном порядке двух и большего количества субъединиц в ассоциат или комплекс субъединиц, способных к диссоциации.

Например, макромолекула гемоглобина состоит из четырех субъединиц (по 17000 Д каждая).

В биохимии и молекулярной биологии фо=лдингом белка (укладкой белка, от англ.

folding) называют процесс спонтанного сворачивания полипептидной цепи в уникальную нативную пространственную структуру (третичная структура) [12]. Каждая молекула белка начинает формироваться как полипептид, транслируемый из последовательности мРНК в виде линейной цепочки аминокислот. У полипептида нет устойчивой трёхмерной структуры. Однако все аминокислоты в цепочке имеют определённые свойства:

гидрофобность, гидрофильность, электрический заряд. При взаимодействии аминокислот друг с другом и клеточным окружением получается хорошо определённая трёхмерная структура — конформация. В результате на внешней поверхности белковой глобулы формируются полости активных центров, а также места контактов субъединиц мультимерных белков друг с другом и с биологическими мембранами. В редких случаях нативными могут быть несколько конформаций белка (так называемые конформеры). Они могут сильно различаться, и даже выполнять различные функции. Для этого необходимо, чтобы в разных областях фазового пространства белковой молекулы существовало несколько примерно равных по энергии состояний, каждое из которых будет встречаться в нативной форме с соответствующей вероятностью. Для стабилизации третичной структуры многие белки в клетке подвергаются пост-трансляционной модификации.

Весьма часто встречаются дисульфидные мостики между пространственно близкими участками полипептидной цепи. Для корректной работы белков весьма важна правильная трёхмерная структура. Ошибки сворачивания обычно приводят к образованию неактивного белка с отличающимися свойствами. Считается, что некоторые болезни происходят от накопления в клетках неправильно свёрнутых белков.

В фолдинге участвуют белки-шапероны. И хотя большинство только что синтезированных белков могут сворачиваться и при отсутствии шаперонов, некоторому меньшинству обязательно требуется их присутствие. Механизм сворачивания белков до конца не изучен. Экспериментальное определение трёхмерной структуры белка часто очень сложно и дорого. Однако аминокислотная последовательность белка обычно известна. Поэтому учёные пытаются использовать различные биофизические методы, чтобы предсказать пространственную структуру белка из его первичной аминокислотной последовательности.

Трехмерную структуру белка стабилизируют различного типа взаимодействия (гидрофобные, электростатические, водородные связи, дисульфидные мостики и т.д.).

Такие же взаимодействия обуславливают возникновение четвертичной структуры [13, 14, 15].

1) ферментативная (в клетке участвуют в биохимических реакциях 2000 различных ферментов – биокатализаторов);

2) гормональная (в организме человека 50% всех гормонов имеют белковую 3) рецепторная (избирательное связывание различных регуляторов — гормонов, биогенных аминов, простагландинов, медиаторов, циклических мононуклеотидов, протекает с помощью белков-рецепторов);

4) структурная или пластическая (мембраны всех клеток и субклеточных единиц представляют собой бислой: белки и фосфолипиды, т. е. белки играют роль в формировании всех клеточных структур);

5) иммунологическая (гуморальный иммунитет организма человека связан с наличием -глобулинов - антител);

6) гомеостатическая (свертывание крови связано с наличием в крови белков свертывания крови - факторов);

7) противосвертывающая (антитромбиновая, антитромбопластиковая и фибринолитическая системы связаны с наличием в крови соответствующих 8) геннорегуляторная (белки-гистоны, кислые белки играют роль в регуляции процесса трансляции);

9) транспортная (перенос О2, липидов, стероидов, витаминов, лекарственных веществ осуществляют различные фракции белков крови);

10) сократительная (в работе мышц участвуют белки: актин, миозин, тропонин и тропомиозин);

11) обезвреживающая (при отравлениях солями тяжелых металлов и алкалоидами противоядием являются некоторые белки);

12) опорная или механическая (прочность соединительной, хрящевой и костной ткани обусловлена наличием коллагена, эластина);

13) энергетическая (1 г белка, окисляясь до конечных продуктов — мочевины, углекислого газа и воды - дает 4,1 ккал энергии).

Среди белков можно выделить ферменты [16, 17]. Ферменты (энзимы) – биологические катализаторы, ускоряющие биохимические реакции обмена веществ в организме. До последнего времени считалось, что абсолютно все ферменты являются веществами белковой природы. Но в 80-ые годы была обнаружена каталитическая активность у некоторых РНК.

Сложные ферменты помимо полипептидных цепей могут содержать небелковый компонент (кофактор). Белковая часть двухкомпонентного фермента называется апоферментом.

Кофакторы могут иметь различную прочность связи с апоферментом. Если кофактор прочно связан с полипептидной цепью, то он называется простетической группой. Между простетической группой и апоферментом имеется ковалентная связь.

Если кофактор легко отделяется от апофермента и способен к самостоятельному существованию, то такой кофактор называется коферментом. Между апоферментом и коферментом связи слабые (например, водородные).

Активный центр фермента – это часть его макромолекулы, непосредственно взаимодействующая с субстратами. Активный центр фермента формируется на уровне третичной структуры. Поэтому при денатурации, когда третичная структура нарушается, фермент теряет свою каталитическую активность.

Современная классификация ферментов разработана в 1961 г. Комиссией по ферментам Международного биохимического союза. В основу классификации положен тип катализируемой реакции, которая является специфичным для каждого фермента.

Согласно этой классификации все ферменты делят на шесть главных классов:

1) оксидоредуктазы – катализируют окислительно-восстановительные реакции;

2) трансферазы – катализируют реакции межмолекулярного переноса групп атомов и радикалов;

3) гидролазы – катализируют реакции расщепления при участии воды;

4) лиазы катализируют реакции внутримолекулярного негидролитического расщепления, с образованием двойной связи или присоединения по двойной связи;

5) изомеразы – катализируют реакции изомеризации;

6) лигазы (синтетазы) – катализируют реакции синтеза с затратой энергии.

По специфичности действия ферменты делят на две группы: обладающие абсолютной специфичностью и относительной специфичностью. Абсолютная специфичность проявляется тогда, когда фермент действует лишь на одно – единственное вещество и катализирует лишь определенное превращение данного вещества. Например:

фермент уреаза катализирует гидролиз мочевины; сахараза - катализирует превращение только сахарозы. Относительная (групповая) специфичность наблюдается, когда фермент катализирует реакции одного типа с более чем одним структуроподобным субстратом.

Например, пепсин расщепляет белки животного происхождения, хотя они могут различаться друг от друга, как по химическому строению, так и по свойствам. Однако он не расщепляет углеводы, так как местом действия пепсина является пептидная связь.

Действие этих ферментов распространяется на большое число субстратов, что позволяет организму обойтись небольшим числом пищеварительных ферментов - иначе их потребовалось бы намного больше.

Стереоспецифичность фермент катализирует превращение только одного из Основу регуляции каталитической активности ферментов составляет их конформационная лабильность. Различают пять основных путей регуляции каталитической активности ферментов:

1) ковалентная модификация;

2) нековалентная модификация;

3) ингибирование ферментов;

4) репрессия или индукция генов: изменение биосинтеза ферментов;

5) компартментализация.

2.2. Полисахариды.

моносахаридов, связанных друг с другом гликозидными связями и образующие линейные или разветвленные цепи. Наиболее часто встречающимся моносахаридным звеном полисахаридов является D-глюкоза. В качестве компонентов полисахаридов могут быть также D-манноза, D- и L- галактоза, D-ксилоза и L-арабиноза, D-галактуроновая и Dманнуроновая кислоты, D-глюкозамин, D-галактозамин и др. Каждый моносахарид, входящий в состав полимерной макромолекулы, может находиться в пиранозной или фуранозной форме. Полисахариды можно разделить на две группы: гомополисахариды и гетерополисахариды. Гомополисахариды состоят из моносахаридных единиц только одного типа. Гетерополисахариды содержат два и более типа мономерных звеньев [18, 19, 20].

Синтез полисахаридов осуществляется как в растительном (растительный крахмал), так и в животном мире (животный крахмал - гликоген). Соответствующую информацию можно найти в Polysaccharide Gene Database.

Крахмал представляет собой смесь двух гомополисахаридов: линейного – амилозы и разветвленного – амилопектина. Общая формула крахмала (С6Н10О5)n. Как правило, содержание амилозы в крахмале составляет 10-30%, амилопектина – 70-90%.

Полисахариды крахмала построены из остатков D-глюкозы, соединенных в амилозе и линейных цепях амилопектина -14-связями, а в точках ветвления амилопектина – межцепочечными -16-связями (рис. 4, 5).

Рис. 5. Структура крахмала; а - амилоза с характерной для нее спиральной структурой, б – амилопектин.

В молекуле амилозы линейно связаны 200-300 остатков глюкозы. Благодаря конфигурации глюкозного остатка, полисахаридная цепь амилозы имеет конфигурацию спирали. В воде амилоза не дает истинные растворы, при добавлении йода жидкость с амилозой окрашивается в синий цвет.

Амилопектин имеет разветвленную структуру. Отдельные линейные участки молекулы амилопектина содержат 20-30 остатков глюкозы. При этом формируется древовидная структура. Водная среда с амилопектином окрашивается йодом в краснофиолетовый цвет.

Крахмал имеет молекулярную массу 105-108 Да. При частичном кислотном гидролизе крахмала образуются полисахариды меньшей степени полимеризации – декстрины, при полном гидролизе – глюкоза.

Гликоген. Это главный резервный полисахарид высших животных и человека, построенный из остатков D-глюкозы. Общая формула гликогена, как и крахмала (С6Н10О5)n. Он содержится почти во всех органах и тканях животных и человека, но наибольшее количество гликогена обнаружено в печени и мышцах. Молекулярная масса полиглюкозидных цепей, в которых остатки глюкозы соединены -14-гликозидными связями. В точках ветвления - -16-связями. Гликоген характеризуется более разветвленной структурой, чем амилопектин; линейные отрезки в молекуле гликогена включают 11-18 остатков -D-глюкозы (рис. 6).

При гидролизе гликоген, подобно крахмалу, расщепляется с образованием сначала декстринов, затем мальтозы и глюкозы.

Инулин – полисахарид, содержащийся в клубнях и корнях артишоков, георгина и одуванчиков. Состоит из остатков D-фруктозы (в фуранозной форме), связанных между собой 21-связями (рис. 7).

Этот полисахарид в отличие от картофельного крахмала легко растворяется в теплой воде.

Целлюлоза (клетчатка) – наиболее широко распространенный структурный полисахарид растительного мира. Он состоит из -глюкопиранозных мономерных (Dглюкозы) звеньев, соединенных между собой -(14)-связями (рис. 8). При частичном гидролизе целлюлозы образуются целлодекстрины, дисахарид целлобиоза, а при полном гидролизе D-глюкоза. Молекулярная масса целлюлозы порядка 106 Да. Клетчатка не переваривается ферментами пищеварительного тракта, так как набор этих ферментов у человека не содержит гидролаз, расщепляющих -связи.

(членистоногих). Из него построен наружный скелет ракообразных и насекомых. Хитин — один из наиболее распространённых в природе полисахаридов — каждый год на Земле в живых организмах образуется и разлагается около 10 гигатонн хитина. В естественном виде хитины разных организмов несколько отличаются друг от друга по составу и свойствам. Молекулярная масса хитина достигает 260000. Во всех организмах, вырабатывающих и использующих хитин, он находится не в чистом виде, а в комплексе с другими полисахаридами, и очень часто ассоциирован с белками. Несмотря на то, что хитин является веществом, очень близким по строению, физико-химическим свойствам и биологической роли к целлюлозе, в организмах, образующих целлюлозу (растения, некоторые бактерии) хитин найти не удалось [21].

Хитин не растворим в воде, устойчив к разбавленным кислотам, щелочам, спирту и другим органическим растворителям. Растворим в концентрированных растворах некоторых солей (хлорид цинка, тиоцианат лития, соли кальция) и в ионных жидкостях.

При нагревании с концентрированными растворами минеральных кислот разрушается (гидролизуется).

Структуру хитина составляют N-ацетил-D-глюкозаминовые звенья, соединенные гликозидными связями (рис. 9).

Щелочная обработка хитина приводит к образованию хитозана (результат дезацетилирования и частичной деструкции полимерной цепи), который находит все большее практическое применение [22, 23].

Важнейшие представители гетерополисахаридов в органах и тканях животных и человека – гликозаминогликаны (мукополисахариды). Они состоят из цепей сложных углеводов, содержащих аминосахара и уроновые кислоты. Каждый из гликозаминогликанов содержит характерную для него повторяющуюся дисахаридную единицу.

Мукополисахариды представляют собой желеподобные липкие вещества. Они выполняют различные функции, в том числе структурную, защитную, регуляторную.

Мукополисахариды составляют основную массу межклеточного вещества тканей, входят в состав кожи, хрящей, стекловидного тела глаза. В организме они встречаются в комплексе с белками (протеогликаны и гликопротеиды) и жирами (гликолипиды), в которых на долю полисахаридов приходится основная часть молекулы (до 90% и более).

Для живого организма важны описанные далее полисахариды.

Гиалуроновая кислота — основная часть межклеточного вещества, своего рода «биологический цемент», который соединяет клетки, заполняя все межклеточное пространство. Она также играет роль биологического фильтра, который задерживает микробы и препятствует их проникновению в клетку, участвует в обмене воды в организме. Фрагмент аниона кислоты показан на рис. 10.

Хондроитинсульфаты или хондроитинсерные кислоты служат структурными компонентами хрящей, связок, клапанов сердца. Они способствуют отложению кальция в костях.

Гепарин образуется в тучных клетках, которые встречаются в легких, печени и других органах, и выделяется ими в кровь и межклеточную среду. В крови он связывается с белками и препятствует свертыванию крови, выполняя функцию антикоагулянта. Кроме того, гепарин обладает противовоспалительным действием, влияет на обмен калия и натрия, выполняет антигипоксическую функцию.

Особую группу гликозаминогликанов представляют соединения, имеющие в своем составе нейраминовые кислоты и производные углеводов. Соединения нейраминовой кислоты с уксусной называются сиаловыми кислотами. Они обнаружены в клеточных оболочках, слюне и других биологических жидкостях.

2.3. Нуклеиновые кислоты.

Нуклеиновые кислоты – это высокомолекулярные органические соединения (полинуклеотиды), обеспечивающие хранение и передачу генетической информации.

Нуклеиновые кислоты были открыты в ядре клетки в виде соединений с белком, отсюда и термин (от лат. nucleus – ядро) [24].

В зависимости от химического строения и биологических функций нуклеиновые кислоты делят на две большие группы:

1) рибонуклеиновые кислоты (РНК);

2) дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК).

В клетке существуют три основных типа РНК:

3) транспортная РНК – тРНК.

Каждая из этих видов РНК выполняет свою специфическую роль в процессе биосинтеза белка.

В клетках эукариотов (например, животных или растений) ДНК находится в ядре клетки в составе хромосом, а также в некоторых клеточных органоидах (митохондриях и пластидах). В клетках прокариотических организмов (бактерий) кольцевая или линейная молекула ДНК прикреплена изнутри к клеточной мембране. У них и у низших эукариот (например, дрожжей) встречаются также небольшие автономные, преимущественно кольцевые молекулы ДНК, называемые плазмидами. Кроме того, одно- или двухцепочечные молекулы ДНК могут образовывать геном ДНК-содержащих вирусов.

Нуклеиновые кислоты состоят из мононуклеотидов. Мононуклеотиды нуклеиновых кислот в свою очередь состоят из трех фрагментов: азотистого основания, углевода и фосфорной кислоты [25, 26].

В состав РНК и ДНК входят пуриновые и пиримидиновые азотистые основания.

Пиримидиновые азотистые основания являются производными гетероциклического соединения пиримидина:

В составе нуклеиновых кислот обнаружены следующие основные производные пиримидина: цитозин (Ц), урацил (У), тимин (Т). Кроме них, в молекулах некоторых нуклеиновых кислот в незначительных количествах встречаются и другие пиримидиновые основания: 5-метил- и 5-оксиметил цитозин, 2-тиоурацил и т.д. Их называют минорными основаниями. Они защищают молекулу РНК от гидролитической ферментации. Пуриновые азотистые основания являются производными бициклического гетероцикла пурина, состоящего из конденсированных колец (пиримидинового и имидазольного):

Главные пуриновые основания в составе нуклеиновых кислот: аденин (А) и гуанин (Г).

Найдено большое число минорных пуриновых оснований – метилированных производных аденина и гуанина.

В состав нуклеиновых кислот входят пентозы (рибоза и дезоксирибоза). Они имеют -D-фуранозную форму (-D-рибоза и -D-дезоксирибоза).

При соединении азотистого основания с пентозой образуется нуклеозид.

Присоединение углеводов к азотистым основаниям осуществляется через N-гликозидную связь между первым углеродным атомом пентозы и азотом в девятом положении у пуринов или азотом в первом положении у пиримидинов.

При соединении нуклеозидов с фосфорной кислотой образуются нуклеотиды.

Остаток фосфорной кислоты в нуклеотидах присоединяется к третьему или пятому углеродному атому пентозы сложноэфирной связью (чаще к 5-ому).

РНК и ДНК состоят из различных нуклеотидов, отличающихся пентозой и набором азотистых оснований [27]:

РНК ДНК

В таблице 1 представлены состав и названия нуклеозидов и нуклеотидов.

Таблица 1. Названия нуклеозидов и нуклеотидов.

Пуриновые:

Пиримидиновые:

Различают первичную, вторичную и третичную структуры РНК и ДНК.

Первичная структура у РНК и ДНК – это линейная полинуклеотидная цепь, в которой нуклеотиды соединены между собой фосфодиэфирными связями, которые образуют остатки фосфорной кислоты между углеродным атомом одного нуклеотида и углеродным атомом следующего нуклеотида. На одном конце полинуклеотидной цепи всегда есть свободный остаток фосфорной кислоты. Этот нуклеотид обозначается как концевой и считается началом макромолекулы нуклеиновой кислоты. На другом конце цепи содержится нуклеотид со свободной гидроксильной группой. Это концевой нуклеотид – конец макромолекулы. Никаких разветвлений в молекулах РНК и ДНК не обнаружено. Геном – полное количество ДНК, несущее всю генетическую информацию для данного организма.

Вторичная структура ДНК характеризуется правилами Э. Чаргаффа (закономерность количественного содержания азотистых оснований):

1. У ДНК молярные доли пуриновых и пиримидиновых оснований равны:

2. В ДНК количество оснований с аминогруппами (А + Ц) равно количеству оснований с кетогруппами (Г + Т):

3. Правило эквивалентности, т.е. А=Т, Г=Ц; А/Т = 1; Г/Ц=1.

4. Нуклеотидный состав ДНК у организмов различных групп специфичен и характеризуется коэффициентом специфичности:

У высших растений и животных он меньше 1, колеблется незначительно: от 0.54 до 0. (АТ-тип ДНК), у микроорганизмов он больше 1 (ГЦ-тип ДНК).

На основании данных рентгеноструктурного анализа и правил Чаргаффа, в 1953 г.

Дж. Уотсоном и Ф.Криком предложена модель вторичной структуры ДНК в виде двойной спирали (рис. 11).

Согласно этой модели, молекула ДНК состоит из двух цепей, закрученных в правовращающуюся спираль вокруг одной и той же оси. Азотистые основания находятся внутри, а фосфорные и углеводные компоненты – снаружи. Полинуклеотидные цепи ориентированы в противоположном направлении (антипараллельны). Ширина двойной спирали составляет от 22 до 24, или 2.2 — 2.4 нм, длина каждого нуклеотида 3.3 (0. нм). Подобно тому, как в винтовой лестнице сбоку можно увидеть ступеньки, на двойной спирали ДНК в промежутках между фосфатным остовом молекулы можно видеть рёбра оснований, кольца которых расположены в плоскости, перпендикулярной по отношению к продольной оси макромолекулы. В двойной спирали различают малую (12 ) и большую (22 ) бороздки. Белки, например, факторы транскрипции, которые присоединяются к определённым последовательностям в двухцепочечной ДНК, обычно взаимодействуют с краями оснований в большой бороздке, где те более доступны. Данные по анализу структуры ДНК приводятся в [28, 29].

Азотистые основания в молекуле ДНК расположены строго специфично, по принципу комплементарности: А взаимодействует только с Т, Г с Ц, т.е. напротив аденина всегда расположен тимин, напротив гуанина – цитозин. А-Т и Г-Ц называют комплементарными парами оснований.

Вторичная структура ДНК стабилизируется водородными связями, стэкинг- и гидрофобными взаимодействиями. Водородные связи возникают между комплементарными основаниями: между А и Т образуются две водородные связи, между Г и Ц – три водородные связи. Стэкинг-взаимодействия – это взаимодействия между плоскостями гетероциклов, образующих стопку. Гидрофобные взаимодействия возникают между соседними основаниями одной и той же цепи, что способствует своеобразной укладке цепи в виде стопок.

В настоящее время обнаружено более 10 конфигураций двойной спирали ДНК. В зависимости от степени ее гидратации различают: А-, В-, С-формы, Д-форма и т.д.

В-форма соответствует модели Уотсона и Крика и наблюдается при влажности 92%.

В В-форме ДНК находится, когда играет роль матрицы для синтеза ДНК (процесс репликации). При относительной влажности 70% В-форма превращается в А-форму.

Число оснований на виток в ней составляет 11, основания наклонены под углом 20 к оси спирали, спираль короче на 25%. В А-форме ДНК находится, когда исполняет роль матрицы при синтезе РНК (процесс транскрипции). При влажности 66% ДНК приобретает С-форму. В С-форме ДНК находится в хроматине, в комплексе с белками. В ней на виток приходится 9.3 нуклеотида. Д-форма ДНК содержит 12 нуклеотидов на 1 виток в виде левой спирали.

Вторичная структура ДНК динамична и способна к конформационным переходам.

Третичная структура ДНК – это спираль и суперспираль в комплексе с белками.

ДНК может существовать в линейной форме (в хромосомах эукариот) и в кольцевой (у прокариот и в митохондриях). Спирализация характеризуется для обеих форм.

Стабилизировано сверхскрученное состояние ДНК ионными связями с гистонами.

Сначала образуются нуклеосомы (структурная единица хроматина), затем цепочка нуклеосом, цепочка многократно спирализуется и в результате образуется третичная структура ДНК (длина ДНК хромосомы человека достигает 8 см, а упаковывается так, что умещается в хромосоме длиной 5 нм).

Многие функции ДНК зависят от её взаимодействия с белками. Взаимодействия могут быть неспецифическими, когда белок присоединяется к любой молекуле ДНК, или зависеть от наличия особой последовательности [30, 31]. Ферменты также могут взаимодействовать с ДНК, из них наиболее важные — это РНК-полимеразы, которые копируют последовательность оснований ДНК на РНК в транскрипции или при синтезе новой цепи ДНК — репликации.

Хорошо изученными примерами взаимодействия белков и ДНК, не зависящего от нуклеотидной последовательности ДНК, является взаимодействие со структурными белками. В клетке ДНК связана с этими белками, образуя компактную структуру, которая называется хроматином. У прокариот хроматин образован в результате присоединения к ДНК небольших белков — гистонов. Менее упорядоченный хроматин прокариот содержит гистон-подобные белки. Гистоны формируют дискообразную белковую структуру — нуклеосому, вокруг каждой из которых вмещается два оборота спирали ДНК. Неспецифические связи между гистонами и ДНК образуются за счёт ионных связей щелочных аминокислот гистонов и кислотных остатков сахарофосфатного остова ДНК.

Химические модификации этих аминокислот включают метилирование, фосфорилирование и ацетилирование. Эти химические модификации изменяют силу взаимодействия между ДНК и гистонами, влияя на доступность специфических последовательностей для факторов транскрипции и изменяя скорость транскрипции.

Другие белки в составе хроматина, которые присоединяются к неспецифическим последовательностям — белки с высокой подвижностью в гелях, которые ассоциируют большей частью с согнутой ДНК. Эти белки важны для образования в хроматине структур более высокого порядка. Особая группа белков (присоединяющихся к ДНК) — это белки, которые ассоциируются с одноцепочечной ДНК. Наиболее хорошо охарактеризованный белок этой группы у человека — репликационный белок А, без которого невозможно протекание большинства процессов, где расплетается двойная спираль, включая репликацию, рекомбинацию и репарацию. Белки этой группы стабилизируют одноцепочечную ДНК и предотвращают формирование стеблей-петель или деградации нуклеазами. В то же время другие белки узнают и присоединяются к специфическим последовательностям. Наиболее изученная группа таких белков — различные классы факторов транскрипции, то есть белки, регулирующие транскрипцию. Каждый из этих белков узнаёт свою последовательность, часто в промоторе, и активирует или подавляет транскрипцию гена. Это происходит при ассоциации факторов транскрипции с РНКполимеразой либо напрямую, либо через белки-посредники. Полимераза ассоциируется сначала с белками, а потом начинает транскрипцию. В других случаях, факторы транскрипции могут присоединяться к ферментам, которые модифицируют находящиеся на промоторах гистоны, что изменяет доступность ДНК для полимераз. Так как специфические последовательности встречаются во многих местах генома, изменения в активности одного типа фактора транскрипции могут изменить активность тысяч генов.

Соответственно, эти белки часто регулируются в процессах ответа на изменения в окружающей среде, развития организма и дифференцировки клеток. Специфичность взаимодействия факторов транскрипции с ДНК обеспечивается многочисленными контактами между аминокислотами и основаниями ДНК, что позволяет им «читать»

последовательность ДНК. Большинство контактов с основаниями происходит в главной бороздке, где основания более доступны.

В отличие от ДНК, молекула РНК состоит из одной полинуклеотидной цепи, которая спирализована сама на себя, т.е. образует всевозможные «петли» и «шпильки» за счет взаимодействий комплементарных азотистых оснований (вторичная структура). У некоторых вирусов встречаются двухцепочечные РНК, которые несут генетическую информацию аналогично ДНК [32, 33].

Существуют:

1) матричные РНК (мРНК);

2) рибосомные РНК (рРНК);

3) транспортные РНК (тРНК).

Локализованы в рибосомах, в комплексе с рибосомными белками. Рибосомы состоят из двух частей и представляют собой нуклеопротеины, состоящие из рРНК и белка в соотношении 1:1 (для эукариот) и 2:1 (для прокариот).

рРНК являются структурной основой рибосом, взаимодействуют с мРНК и тРНК в процессе биосинтеза белка, принимают участие в процессе сборки полипептидной цепи.

У эукариот обнаружено четыре типа рРНК с различным коэффициентом седиментации: 18S (в малой части рибосомы), а 28S, 5,8S и 5S – в большой части рибосомы. Они различаются молекулярной массой (35 000 - 1 600 000) и локализацией в рибосомах.

Вторичная структура рРНК характеризуется спирализацией цепи самой на себя, третичная – ее компактной укладкой.

Матричные РНК. Матричная РНК составляет 2-3% от всей клеточной РНК, синтезируется мРНК в ядре клетки на матрице ДНК (процесс транскрипции), переписывая с нее генетическую информацию по принципу комплементарности [34].

Затем мРНК поступают в цитоплазму, соединяются с рибосомой и играют роль матрицы для биосинтеза белка. Каждой аминокислоте соответствует в мРНК определенная тройка (триплет) нуклеотидов, называемая кодоном этой аминокислоты.

Последовательность кодонов в цепи мРНК определяет последовательность аминокислот в белке. Всего может быть 64 кодона. Из них 61 кодон кодирует аминокислоты, а 3 кодона – кодоны терминаторы (терминирующие), которые обозначают окончание белкового синтеза. Существуют также инициирующие кодоны, которые соответствуют первой аминокислоте в белке и чаще всего соответствуют аминокислоте метионину.

Поскольку мРНК несет наследственную информацию о первичной структуре белка, нередко ее называют информационной РНК (иРНК). Каждый отдельный белок, синтезируемый в клетке, кодируется определенной «своей» мРНК или ее участком. мРНК образует несколько двухспиральных «шпилек», на концах которых располагаются знаки (например, ААУААА) инициации (начала синтеза белка) и терминации (окончания синтеза белка).

Информация о строении белка закодирована в ДНК с помощью генетического кода, который является линейным, непрерывным, триплетным, вырожденным. Он является универсальным.

Молекулярный вес мРНК варьирует в широких пределах от 35 000 до нескольких млн. мРНК ранее считались короткоживущими РНК. Для микроорганизмов время жизни мРНК несколько секунд или минут, но для эукариот оно может составлять от нескольких часов до нескольких недель.

Транспортные РНК составляют 10-20% клеточной РНК.

Функции тРНК:

1) связывают аминокислоты и транспортируют их в рибосому, где происходит синтез белка;

2) кодируют аминокислоты;

3) расшифровывают генетический код.

Они содержатся в цитоплазме. Молекулярный вес от 22 000 до 27 000. Всего существует свыше 60 тРНК. Каждая тРНК может переносить только одну строго определенную аминокислоту. тРНК именуются по названию аминокислот. Например, аланиновая тРНК.

тРНК, связывающие одну и ту же аминокислоту, называют изоакцепторными и нумеруют:

тРНК1вал, тРНК2вал и т.д. тРНК содержат много минорных нуклеиновых остатков (около 10%). Они обеспечивают защиту тРНК от действия рибонуклеаз (ферментов), специфичность взаимодействия с переносимой аминокислотой и т.д.

Вторичная структура тРНК имеет форму «клеверного листа» [35]. В его составе различают:

1) акцепторный стебель (к нему присоединяется аминокислота);

2) псевдоуридиловая петля (используется для связи тРНК с рибосомой);

3) дополнительная петля (назначение неизвестно);

4) антикодоновая петля, которая содержит антикодон (триплет нуклеиновых остатков, комплементарных кодону мРНК, с его помощью тРНК соединяется с 5) дигидроуридиновая петля, которая обеспечивает связывание тРНК со специфическим ферментом (аминоацил-тРНК-синтетазой; фермент соединяет Стабилизируется вторичная структура водородными связями между комплементарными основаниями.

Третичная структура тРНК имеет неправильную Г-образную форму. Она стабилизирована водородными связями и другими взаимодействиями.

макромолекул.

3.1. Понятие информационной системы.

Информационная система (ИС) есть совокупность технического, программного и организационного обеспечения, а также персонала, предназначенного для того, чтобы своевременно обеспечивать людей надлежащей информацией. Основной задачей ИС является удовлетворение информационных потребностей в рамках конкретной предметной области. Современные ИС немыслимы без использования баз данных и СУБД, поэтому термин «информационная система» на практике сливается по смыслу с термином «система баз данных». В данном разделе имеются в виду только автоматизированные информационные системы [36, 37, 38].

По степени распределённости выделяют:

настольные (desktop) или локальные ИС, в которых все компоненты (БД, СУБД, клиентские приложения) работают на одном компьютере;

распределённые (distributed) ИС, в которых компоненты распределены по нескольким компьютерам.

Распределённые ИС, в свою очередь, разделяют на файл-серверные ИС (ИС с архитектурой «файл-сервер») и клиент-серверные ИС (ИС с архитектурой «клиентсервер»).

В файл-серверных ИС база данных находится на файловом сервере, а СУБД и клиентские приложения находятся на рабочих станциях. В клиент-серверных ИС база данных и СУБД находятся на сервере, а на рабочих станциях - клиентские приложения. В свою очередь, клиент-серверные ИС разделяют на двухзвенные и многозвенные. В двухзвенных ИС всего два типа «звеньев»: сервер баз данных, на котором находятся БД и СУБД, и рабочие станции, на которых находятся клиентские приложения. Клиентские приложения обращаются к СУБД напрямую. В многозвенных ИС добавляются промежуточные «звенья», их называют серверами приложений (application servers).

Пользовательские клиентские приложения не обращаются к СУБД напрямую, они взаимодействуют с промежуточными звеньями.

(масштабности). Персональная информационная система предназначена для решения некоторого круга задач одного человека. Групповая информационная система ориентирована на коллективное использование информации членами рабочей группы или подразделения. Корпоративная информационная система в идеале охватывает все информационные процессы целого предприятия, достигая полной согласованности и прозрачности информационных процессов. Такие системы иногда называют системами комплексной автоматизации предприятия.

Информационные системы классифицируют и по сферам применения.

Поскольку ИС создаются для удовлетворения информационных потребностей в рамках конкретной предметной области, то каждой предметной области (сфере применения) соответствует свой тип ИС. Перечислять все эти типы не имеет смысла, так как количество предметных областей велико, но можно указать в качестве примера следующие типы ИС: экономические, медицинские, химические и биологические.

3.2. Методологии и технологии проектирования информационных систем Методологии, технологии и инструментальные средства проектирования (CASEсредства) составляют основу проекта любой ИС. Методология реализуется через конкретные технологии и поддерживающие их стандарты, методики и инструментальные средства, которые обеспечивают выполнение процессов жизненного цикла (ЖЦ).

Технология проектирования определяется как совокупность трех составляющих:

пошаговой процедуры, определяющей последовательность технологических операций проектирования;

критериев и правил, используемых для оценки результатов выполнения технологических операций;

нотаций, используемых для описания проектируемой системы.

Технологические инструкции, составляющие основное содержание технологии, должны состоять из описания последовательности технологических операций, условий, в зависимости от которых выполняется та или иная операция, и описаний самих операций.

Технология проектирования, разработки и сопровождения ИС должна удовлетворять следующим общим требованиям:

технология должна поддерживать полный ЖЦ программного обеспечения;

технология должна обеспечивать гарантированное достижение целей разработки ИС с заданным качеством и в установленное время;

технология должна обеспечивать возможность выполнения крупных проектов в виде подсистем (т.е. возможность декомпозиции проекта на составные части, разрабатываемые группами исполнителей ограниченной численности с последующей интеграцией составных частей);

технология должна обеспечивать возможность ведения работ по проектированию отдельных подсистем небольшими группами (3-7 человек), что обусловлено принципами управляемости коллектива и повышения производительности за счет минимизации числа внешних связей;

технология должна обеспечивать минимальное время получения работоспособной ИС (речь идет не о сроках готовности всей ИС, а о сроках реализации отдельных подсистем);

технология должна предусматривать возможность управления конфигурацией проекта, ведения версий проекта и его составляющих, возможность автоматического выпуска проектной документации и синхронизацию ее версий с версиями проекта;

технология должна обеспечивать независимость выполняемых проектных решений от средств реализации ИС (систем управления базами данных (СУБД), операционных систем, языков и систем программирования);

технология должна быть поддержана комплексом согласованных CASE-средств, обеспечивающих автоматизацию процессов, выполняемых на всех стадиях ЖЦ.

3.3. Применение информационных систем для изучения природных макромолекул и надмолекулярных структур.

3.3.1. Использование технологии “клиент – сервер”.

Для получения необходимой информации об объекте в глобальной сети широко используют технологию “клиент – сервер” (рис. 12). Основой технологии “клиент – сервер” является программа-обработчик запросов (например, запроса о протеине):

Рис. 12. Технология “клиент-сервер”. 1 – пересылка исходной HTML-страницы (формы) к клиенту, 2 – возврат заполненной формы, 3 – пересылка результатов В рассматриваемом случае заполнение формы сводится к набору названия протеина.

В отличие от технологии “клиент-сервер”, в технологии скриптов информация обрабатывается на локальном компьютере (информационные процессы протекают иначе).

3.3.2. Информационные модели природных макромолекул и надмолекулярных структур. Элементы биоинформатики.

Работая с информационными моделями макромолекул, исследователь обычно имеет дело с базами, банками данных и инструментами их анализа. Макромолекулы изучают как химики, так и биологи (при этом широко используются физические методы).

Перекрывание различных областей знаний привело к появлению качественно новых образований, таких как биологическая информатика (биоинформатика; другое название – компьютерная биология) и химическая информатика (химинформатика; другое название – компьютерная химия) [39] (рис. 13).

Имеется информационная система по биоинформатике – Bioinformatics Database.

Перечислим информационные системы, касающиеся моделей макромолекул и надмолекулярных структур.

Первый тип – архивные информационные системы. К таким информационным системам относятся:

GeneBank & EMBL – здесь хранятся первичные последовательности;

PDB – пространственные структуры белков.

Второй тип – курируемые информационные системы, за достоверность данных в которых отвечают их владельцы. В них информацию никто не присылает, ее из архивных баз данных отбирают эксперты, проверяя достоверность информации – что записано в этих последовательностях, какие есть экспериментальные основания считать, что эти последовательности выполняют ту или иную функцию.

К таким информационным системам относятся:

Swiss-Prot – наиболее качественная база данных, содержащая аминокислотные последовательности белков;

KEGG – информация о метаболизме (такая, которая представлена на карте метаболических путей);

FlyBase – информация о Drosophila;

COG – информация об ортологичных генах.

Поддержание базы требует работы кураторов или аннотаторов.

Третий тип – производные информационные системы. Они получаются в результате обработки данных из архивных и курируемых информационных систем. В них входят:

SCOP – база данных структурной классификации белков (описывается структура белков);

PFAM – база данных по семействам белков;

GO (Gene Ontology) – классификация генов (попытка создания набора терминов, упорядочивания терминологии);

ProDom – белковые домены;

AsMamDB – альтернативный сплайсинг у млекопитающих.

Интегрированные информационные системы, в которых вся информация сведена вместе. Зная имя гена, можно найти всю, связанную с ним информацию – в каких организмах встречается, в каком месте генома локализован, какие функции выполняет:

NCBI Entrez – доступ к информации о нуклеотидных и аминокислотных последовательностях и структурах;

Ecocyc – все о E. coli – гены, белки, метаболизм и пр.

Некоторые программы визуализации данных, предоставляемые информационными системами:

RasMol;

PyMol;

SwissPDBviewer или DeepView.

Работа с информационными системами представляется следующим образом:

Сравнение последовательностей (выравнивание двух последовательностей;

Нидельмана-Вунша; локальное выравнивание: алгоритм Смита-Ватермана; другие алгоритмы локального выравнивания; другие варианты выравнивания (fitting, overlaps, блочное выравнивание, сплайсированное выравнивание); статистическая последовательности; зависимость выравнивания от параметров).

последовательное выравнивание (Clustal); другие алгоритмы множественного выравнивания (DIALIGN, Match-Box, алгоритм Леонтовича-Бродского); профили, скрытые марковские модели; поиск блоков).

Поиск по сходству в базах данных (Smith-Waterman; хэширование (lookup table);

BLAST; FASTA; оценка значимости (E-value, P-value); фильтрация повторов и обработка участков малой сложности (фильтрация, пересчет значимости); паттерны (Prosite), профили, Psi-BLAST, HMM (PFAM)).

4. Автоматическое аннотирование последовательности. Онтология.

5. Пространственная структура высокомолекулярных соединений (PDB (структура записи PDB, визуализация, анализ структурных особенностей, моделирование);

предсказание вторичной структуры белков; предсказание третичной структуры белков предсказание вторичной структуры РНК (представление вторичной структуры РНК, сравнительный подход по гомологичным и изофункциональным РНК)).

6. Предсказание функции по последовательности (белки (анализ гомологов, функциональные сигналы, лидерные пептиды и трансмембранные сегменты, сайты модификации); ДНК (функциональные сайты, гены прокариот, гены эукариот, сравнительные методы предсказания генов); РНК (поиск РНК с заданной структурой)).

7. Молекулярная эволюция (эволюция молекул и организмов; филогенетическое дерево как математический объект; модели эволюции; алгоритмы построения филогенетических деревьев (матрица расстояний, методы, основанные на матрице инварианты и др.), другие методы (максимальная экономия, максимальное bootstrapping, популяционных данных (SNP, тандемные повторы, митохондрии и Y-хромосомы, данные по рестрикции)).

8. Статистика последовательностей ДНК ((ди)нуклеотидный состав (изохоры, GCострова, картирование старта репликации); частые и редкие слова (вероятностные проблемы); статистика ДНК как характеристика генома).

9. Вычислительная геномика (метаболическая реконструкция (в т.ч. неортологичные замещения); позиционный анализ; эволюция регуляторных взаимодействий; эволюция белковых семейств, их доля в геноме).

макромолекул.

Одна из информационных систем “The Protein Data Bank” (PDB). В банке содержится информация о структуре природных белков и их модифицированных формах.

Клиенту пересылается форма для заполнения (вносится название белка или его код). Далее форма пересылается к серверу на обработку и через некоторое время клиент получает webстраницу с результатами поиска [5, 8, 9].

Исследование объекта, предшествующее построению информационной модели, связано с применением методов дифракции рентгеновских лучей и (или) спектроскопии ядерного магнитного резонанса. Использование PDB для анализа белковых структур представим следующим образом:

Банк содержит около 40 000 записей (2007). Идентификатор записи (PDB ID, PDBкод) имеет вид 1XYZ (цифра и три буквы/цифры). Например: 1B8I, 9ANT, 10MH. Каждая запись содержит координаты центров атомов и сопровождающую информацию. Каждая запись есть текстовый файл специального формата (PDB-формат).

Пример информации, которую может получить пользователь дается ниже.

TITLE SOLUTION STRUCTURE OF OXIDIZED HORSE HEART CYTOCHROME C,

TITLE 2 NMR, MINIMIZED AVERAGE STRUCTURE

COMPND 2 MOLECULE: CYTOCHROME C;

COMPND 3 CHAIN: NULL

SOURCE 2 ORGANISM_SCIENTIFIC: EQUUS CABALLUS;

SOURCE 3 ORGANISM_COMMON: HORSE;

SOURCE 4 ORGAN: HEART

KEYWDS ELECTRON TRANSPORT, CYTOCHROME C

EXPDTA NMR, MINIMIZED AVERAGE STRUCTURE

AUTHOR L.BANCI,I.BERTINI,H.B.GRAY,C.LUCHINAT,T.REDDIG,A.ROSATO, AUTHOR 2 P.TURANO REVDAT 1 17-SEP-97 1AKK JRNL AUTH L.BANCI,I.BERTINI,H.B.GRAY,C.LUCHINAT,T.REDDIG, JRNL AUTH 2 A.ROSATO,P.TURANO

JRNL TITL SOLUTION STRUCTURE OF OXIDIZED HORSE HEART

JRNL TITL 2 CYTOCHROME C'

REMARK REMARK

REMARK 2 RESOLUTION. NOT APPLICABLE.

REMARK

REMARK 3 REFINEMENT.

REMARK 3 PROGRAM : AMBER

REMARK 3 AUTHORS : PEARLMAN,CASE,CALDWELL,ROSS,CHEATHAM,

REMARK 3 FERGUSON,SEIBEL,SINGH,WEINER,KOLLMAN

REMARK

REMARK 3 OTHER REFINEMENT REMARKS: PSEUDOCONTACT SHIFTS WERE

REMARK 3 INCLUDED AS CONSTRAINTS BY MEANS OF A MODIFIED SANDER

REMARK 3 MODULE (PSEUDOREM) (BANCI ET AL., 1997) REMARK REMARK 4 1AKK COMPLIES WITH FORMAT V. 2.2, 16-DEC- REMARK

REMARK 210 EXPERIMENTAL DETAILS

REMARK 210 TEMPERATURE (KELVIN) : REMARK

REMARK 210 NMR EXPERIMENTS CONDUCTED : NOESY TOCSY

REMARK 210 SPECTROMETER FIELD STRENGTH :

REMARK 210 SPECTROMETER MANUFACTURER : BRUKER

REMARK

REMARK 210 STRUCTURE DETERMINATION.

REMARK 210 METHOD USED : DISTANCE GEOMETRY

REMARK 210 CONFORMERS, NUMBER CALCULATED :

REMARK 210 CONFORMERS, SELECTION CRITERIA : LEAST RESTRAINT VIOLATION

REMARK 210 IONIC_STRENGTH: 50 MM PHOSPHATE REMARK 210 PRESSURE: 1013 MBAR REMARK 210 SOLVENT SYSTEM: H2O

REMARK 210 THE STRUCTURE WAS DETERMINED USING NOES AND PSEUDOCONTACT

REMARK 215 THE COORDINATES IN THIS ENTRY WERE GENERATED FROM SOLUTION

REMARK 215 NMR DATA. PROTEIN DATA BANK CONVENTIONS REQUIRE THAT

REMARK 215 CRYST1 AND SCALE RECORDS BE INCLUDED, BUT THE VALUES ON

REMARK 215 THESE RECORDS ARE MEANINGLESS.

В данном случае описана структура растворенного белка Цитохрома С. При этом применялся метод ядерного магнитного резонанса.

Положение атомов в трехмерной системе координат представлено так, как показано далее (например, координаты первого атома азота Model 1:

-11.700, 8.827, 9.247).

В указанном случае дается информация о трехмерной структуре фрагмента пептидной цепи GLY – ASP –VAL.

предоставляются информационной системой. Одна из самых популярных программ – RasMol. Основные принципы: работа идёт в двух окнах (графическом и командном); в каждый момент работы имеется некоторое выделенное множество атомов и все действия производятся с этим множеством; каждому действию соответствует команда, набираемая в окне командной строки. После запуска программы RasMol на панели задач внизу появляется свернутое окно командной строки RasMol Command Line (рис. 14), которое активизируется кликом мыши. Если уменьшить его размеры, то можно иметь на экране одновременно и рабочее окно программы с макромолекулой, и окно командной строки.

Окно командной строки можно открыть и с использованием клавиш ALT + TAB.

Нажатие левой клавиши мыши на атоме в основном окне дает его краткую характеристику, например:

( -углеродный атом, 2092-й в молекуле, входит в состав аспарагиновой кислоты, стоящей на 54 месте в Н-цепи молекулы).

При помощи окна командной строки можно выполнять на клавиатуре все операции, доступные через пункты меню основного окна программы, а также выделять отдельные атомы и группы в молекуле, изменять фон изображения и др.

Выделение осуществляется вводом Select, обозначения объекта выделения и нажатием Enter.

После выделения атомов или групп можно изменять их отображение при помощи команд пунктов меню Display или Colours. После выделения все команды касаются только выделенных элементов молекулы; чтобы снова изменять всю молекулу в целом, необходимо ввести Select all, или использовать пункт меню Edit - Select all. Командное окно позволяет также изменять цвет фона (введением англ. слова "фон" и желаемого цвета): Background white.

Можно также вращать молекулу на заданное число градусов по любой из осей (x, y, z), используя команду Rotate x – 5 Rotate z 15 (не забывайте оставлять пробелы между обозначением оси, направлением поворота и градуса поворота).

violet [238,130,238] Другие возможности программы можно освоить с помощью User Manual пункта меню Help или путем эвристического поиска.

Часто бывает недостаточно одной структурной модели для формирования представления о белке. На рис. 15 показаны четыре модели, одни из которых можно использовать для получения информации о пространственном расположении пептидной цепи (наличие спирализованных и неспирализованных участков), а другие для отыскания тех, или иных функциональных групп на поверхности (пункт меню Display).

Сферы с радиусом Ван-Дер-Ваальса иногда представляют точками (рис. 16). В командную строку вводится Dots, затем следует нажатие на Enter и щелчок по графическому окну.

Рис. 16. Структурная модель белка, в которой показан как остов, так и Довольно легко можно определить число и пространственное расположение фрагментов некоторых аминокислот в белке. Например, фрагменты аминокислоты цистеина в цитохроме С расположены так, как показано на рис. 17. Окно RasMol Command Line открывается клавишами Alt – Tab. В строке делается набор Select Cys.

Изменение цвета фона – Background White. Выбор типа структурной модели осуществляется с использованием меню графического интерфейса Display/Spacefill.

Рис. 17. Структурная модель белка с выделенными фрагментами цистеина.

Расположение фрагментов фенилаланина показано на рис. 18. В командной строке набирают Select Phe.

Рис. 18. Структурная модель белка с выделенными фрагментами Можно рассмотреть взаимное расположение фрагментов аминокислот, содержащих как положительно заряженные группы, так и отрицательно заряженные группы (рис. 19, 20). Набор в командной строке для положительно заряженных групп - Select Positive, а для отрицательно заряженных групп - Select Negative. Далее используется составная команда в графическом окне Display/Sticks.

Рис. 19. Структурная модель белка с выделенными положительно Рис. 20. Структурная модель белка с выделенными отрицательно Отрицательно заряженные группы расположены на небольшом участке белковой поверхности, за исключением двух отдельно расположенных групп, а положительно заряженные группы - по всей белковой поверхности. Эти данные могут быть использованы при изучении адсорбции белка на различных поверхностях (например, на поверхности пирографита). На рис. 21 показано взаимодействие положительно заряженных групп белка с отрицательно заряженными группами поверхности (электростатические характеристика таких взаимодействий и результаты расчетов приводятся ниже.

Рис. 21. Взаимодействие между положительно заряженными группами белка и отрицательно заряженными группами пирографитовой поверхности (электростатические взаимодействия и водородные связи).

Известно, что Цитохром С содержит макроциклический гетероцикл с ионом железа или железопорфириновый комплекс (рис. 22). Расположение атомов в трехмерной системе координат задается следующим образом:

HETATM 1719 1HMA HEC 1 -1.416 -1.115 -0.604 1.00 0.00 H HETATM 1720 2HMA HEC 1 -1.160 -2.808 -1.041 1.00 0.00 H

ENDMDL

Координаты для иона железа (первая строка): 4.144 0.732 -0.600.

Команда, набираемая в командной строке - Select HEC. Выбор типа структурной модели осуществляется с использованием меню графического интерфейса Display/Spacefill.

Рис. 22. Структурная модель белка с выделенным железопорфириновым Попытаемся поискать атомы фрагментов цистеина вблизи железопорфиринового комплекса (на расстоянии не более 2 ). В командной строке наберем: Select Cys and within (2.0, Hec). В окне командной строки появится сообщение: 2 atoms selected!

Используем составную команду Display/ Spacefill в графическом окне. Появляются две сферы желтого цвета, соответствующие атомам серы двух фрагментов цистеина. В командной строке наберем: Select Hec. После составной команды Display/ Spacefill (графическое окно) появляются сферы железопорфиринового комплекса. Атомы серы связаны с атомами углерода железопорфиринового комплекса (рис. 23).

Рис. 23. Структурная модель белка с выделенным железопорфириновым При исследовании отдельных фрагментов возможно компьютерное моделирование с применением программ, которые и не поставляются данной информационной системой.

Компьютерное моделирование используют для предсказания структур и выяснения причин существования той или иной структуры. Например, одна из причин существования неспирализованных участков в белковой глобуле есть взаимодействие между положительно заряженной аммонийной и отрицательно заряженной связь) (рис. 24).

Рис. 24. Взаимодействие между аммонийной и карбоксилатной группами (-N+H … -OOC-; электростатическое притяжение и водородная связь) в белке.

Аммонийная и карбоксилатная группы играют важную роль в формировании трехмерной структуры белков [40]. Природа взаимодействия между указанными группами во многом определяется электростатическим притяжением разноименных зарядов, а также частичным переносом атома водорода от азота аммонийной группы к кислороду карбоксилатной группы (донорно-акцепторная компонента), что приводит к обобществлению электронной плотности между указанными атомами.

Можно считать, что между аммонийной и карбоксилатной группами образовалась водородная связь исходя из следующих общих положений:

1. Если H-связь образуется между нейтральными группами, то она может образоваться и между заряженными группами (после переноса протона) 2. Образование водородной связи, как правило, связано с перекрыванием сфер (радиус Ван-дер-Ваальса) ковалентно связанного атома водорода и атома акцептора.

3. Образование H-связи приводит к уменьшению энергии системы.

X и Y – фрагменты атомно-молекулярных частиц.

Для описания взаимодействия между аммонийной и карбоксилатной группами использованы эмпирические, полуэмпирические и неэмпирические методы [41].

Взаимное расположение аммонийной и карбоксилатной групп может соответствовать конформации, при которой H-связь отсутствует. В этом случае потенциальная функция взаимодействия соответствует математическому выражению закона Кулона (электростатика), причем располагать точечные заряды целесообразно на трех атомах: N (+1), 2O(-0.5). Вращение вокруг связи С-N приводит к конформации с H-связью. В таком случае потенциальная функция взаимодействия усложняется:

U = U1 + U2 (1);

U – потенциальная функция взаимодействия, U1 – потенциальная функция кулоновского (электростатического) взаимодействие между заряженными группами, U2 -потенциальная функция Н-связи. Потенциальную функцию H-связи представим в виде суммы потенциальных функций некулоновского взаимодействия Леннарда-Джонса (4[(/r)12 r)6]) [8] и кулоновского взаимодействия (U3) между атомом водорода и кислорода:

U2 = 4[(/r)12 - (/r)6] + U3 (2);

U3 – потенциальная функция кулоновского взаимодействия между атомом водорода и кислорода, – глубина минимума функции, – поперечник жесткого кора, r – расстояние.

При рассмотрении конкретного конформера функции U1 и U3 можно объединить.

Кроме потенциальной функции Леннарда-Джонса (“6-12”), предложено множество других потенциальных функций (Букингема, Морзе), связанных с аналитическими решениями.

Данные функции описывают универсальные взаимодействия. Водородная связь характеризуется направленность. Разработаны подходы, основанные на решении уравнения Шреденгера (во многих случаях решения не являются аналитическими) [42].

Моделирование аминокислот и пептидных фрагментов полуэмпирическими методами свидетельствует о том, что ориентация заряженных групп может быть различной и часто происходит втягивание атомов водорода H3N+-групп в электронную плотность атомов кислорода -OOС-групп (расстояния между атомами водорода и кислорода меньше суммы их радиусов Ван-дер-Ваальса), т.е. имеет место образование Hсвязи [3]. Моделям с нейтральными и заряженными группами соответствуют энергетические минимумы при использовании метода PM3 в отсутствии растворителя. На примере аминокислот показано, что применение метода PM6 в отсутствии растворителя приводит к модели, содержащей нейтральные группы (-(H)2N …HOOC-), но в присутствии молекул воды стабильна структура с заряженными группами (-N+H3 … OOC-).

Аналогичные результаты дают и неэмпирические методы моделирования (модель SCRF; BЗLYP/6-311 ++G(d,P)).

Рассмотрим пример предсказания вторичной структуры РНК [35].

Вторичная структура РНК – структура, образуемая спаренными основаниями на однонитевой молекуле РНК. Биологическая роль вторичной структуры: структурная (РНК – рибосомная, тРНК), регуляторная (рибопереключатели, микроРНК).

На рис. 25 показана типичная вторичная структура РНК.

Рассмотрим и другие модели структуры РНК (рис. 26).

Вся РНК состоит из петель и спиралей. Петли бывают следующих типов: шпилька, внутренняя, выпячивание, множественная, псевдоузел. Возникает задача о спаренности.

Биологическая формулировка этой задачи звучит так: дана последовательность РНК, определить ее правильную вторичную структуру. Количество возможных вторичных структур очень велико. Задачу можно сформулировать таким образом: надо минимизировать энергию, поскольку правильная вторичная структура наиболее стабильная (с физической точки зрения). С точки зрения биологии это не совсем верно, но формулировка очень удобная. Далее следует вопрос об оптимизации.

Предположим, что мы не будем минимизировать усилия по поиску, а все переберем.

Построим такой граф, в котором вершины – потенциальные спирали, а ребра проводятся, если две потенциальные спирали в вершинах совместимы (то есть, если две спирали могут одновременно существовать в данной молекуле РНК). Тогда вторичной структурой будет любой полный подграф, то есть такой граф, в котором все вершины между собой соединены – "клика". В этом случае задача такова: в графе найти клику. Клика будет соответствовать хорошей структуре. К сожалению, задача поиска клики в графе является математически неудобной – для нее, скорее всего, не существует эффективного алгоритма решения (кроме полного перебора всех вариантов).

Комбинаторный подход заключается в следующем:

Построим граф в котором вершины – потенциальные нуклеотидные пары (или потенциальные спирали). Ребро проводится, если пары совместимы (не образуют псевдоузлов и не имеют общих оснований).

Допустимая вторичная структура – клика в этом графе (рис. 27).

Если удалить fgh, то получается клика (некая вторичная структура).

Вторичная структура может быть представлена в виде правильной скобочной структуры. Левая часть – открывающая скобка, правая часть – закрывающая скобка.

Вторичную структуру представляют и в виде дерева, но важно, что количество возможных структур порядка 1,8L (это доказывается в теореме). Это много, поэтому задача поиска клики не эффективна.

Возможна структура без псевдоузлов при правильном скобочном выражении. Такую структуру представим в виде дерева (рис. 28). Количество возможных структур посчитаем по формуле Т(L) 1.8 L.

Тем не менее, есть алгоритм так называемого динамического программирования, который позволяет за кубичное (а не квадратичное, как раньше) время найти структуру, имеющую наибольшее количество спаренных оснований. Задача поиска оптимального пути на графе решается методами динамического программирования следующим образом.

Пишем одну последовательность над другой. Имеется некая ячейка, в которой хранится вес наилучшего выравнивания префиксов (фрагментов последовательности от начала до данного места). И если известен вес наилучшего выравнивания в 3 ячейках, то можно определить вес наилучшего выравнивания в четвертой ячейке. Для того, чтобы найти вес оптимального выравнивания, надо просмотреть m*n ячеек (количество ячеек в прямоугольной матрице M*N). Как принято говорить в информатике, это есть квадратичный алгоритм. Он занимает время и размер памяти, пропорциональный квадрату длины последовательности. И вместо случайного перебора большого числа вариантов, решаем задачу довольно быстро. Основная идея его (как и любого алгоритма динамического программирования) заключается в том, что если знаем все решения на какой-то части, то можем сказать, какое будет решение на чуть большем фрагменте.

Количество спаренных оснований в оптимальной структуре определяется как максимум функции. Можно минимизировать не число спаренных оснований, а энергию (эта задача сложнее, но ее с помощью разных ухищрений тоже можно оставить кубичной).

Минимизация все равно не позволяет достигнуть большой точности предсказания.

Проблемы предсказания вторичной структуры РНК связаны с определенными трудностями. Только около 70% тРНК сворачиваются в правильную структуру. Для предсказания вторичной структуры используются энергетические параметры, а они определены не очень точно. Более того, в клетке бывают разные условия, и, соответственно, реализуются разные параметры. Находится единственная структура с минимальной энергией, в то время как обычно существует несколько структур с энергией, близкой к минимальной. Поэтому можно искать субоптимальные структуры и эволюционно консервативные структуры (структуры тРНК и рРНК определены именно так), то есть не абсолютизировать энергетический подход.

При проведении компьютерного эксперимента исследуется модель, предоставляемая информационной системой, а затем данные, полученные в результате исследовании модели, переносятся на объект. В таком случае одни исследователи работают с объектами, а другие - использующие информационные системы - с моделями (рис. 29).

Рис. 29. Схема исследований; n – количество объектов, m – количество моделей.

Экспериментаторы, изучая объекты или системы объектов различными методами, занимаются и построением информационных моделей, которые представляются в информационные системы. Какие-то информационные модели могут заинтересовать пользователя информационной системы. В таком случае у него имеется возможность скопировать информационную модель на свой персональный компьютер и заняться исследованием этой модели (проводить компьютерный эксперимент). Информация, полученная при проведении компьютерного эксперимента c последующим правильном перенесении на объект, может значительно углубить наши знания об объекте (например, для того, чтобы модифицировать объект).

4. Синтез макромолекул (полимеров), их свойства и применение.

В природе макромолекулы синтезируются с использованием ферментов, о которых писалось ранее. К настоящему времени разработано большое количество лабораторных и промышленных синтезов полимеров [3].

Среди методов синтеза полимеров выделяю полимеризацию и поликонденсацию, так как данные методы синтеза используют наиболее часто. При проведении полимеризации происходит соединение молекул мономера, приводящее к образованию макромолекул (частный случай реакции присоединения). Поликонденсация – частный случай реакции замещения. Кроме полимера в среде образуется и низкомолекулярное химическое соединение (вода, хлороводород и т.д.). В отдельную группу выделяют реакции полиприсоединения, сопровождающиеся переносом подвижного атома при образовании полимера.

Рассмотрим одну из классификаций полимеризационных процессов:

Смешанный случай между ионной и координационной полимеризацией есть ионнокоординационная полимеризация.

При проведении радикальной полимеризации в качестве промежуточных частиц образуются макрорадикалы. Инициировать радикальную полимеризацию можно действием нескольких факторов: высокой температурой, электромагнитным излучением УФ-видимой области спектра, радиацией, введением химических веществ (инициаторов).

Различают термическую, фотохимическую, радиационную и инициированную радикальную полимеризацию. Последний тип радикальной полимеризации рассмотрим подробнее.

В качестве инициаторов для проведения полимеризации используют соединения со связью -О-О-, например, пероксид водорода, пероксид бензоила. При незначительном нагревании указанная связь разрывается гомолитически с образованием радикалов (при использовании пероксида водорода это гидроксильные радикалы). Если в качестве инициатора применять пероксид, то вначале получается кислородсодержащий радикал, который затем распадается на диоксид углерода и углеводородный радикал:

Углеводородный радикал взаимодействует с мономером, при этом образуется другой радикал (стадии образования радикалов из инициатора и взаимодействие радикала инициатора с молекулой мономера относят к инициированию), полученный радикал реагирует с другой молекулой мономера с образованием радикала большей массы и т.д.

(стадии роста цепи). В результате получаются макрорадикалы. Макрорадикалы способны взаимодействовать друг с другом путем рекомбинации или диспропорционирования (стадии обрыва цепи).

Радикальная полимеризация - один из основных промышленных методов, которым получают более половины производимых в мире полимеров, в том числе полиэтилен (высокого давления), полистирол, сополимеры этилена и стирола с различными полярными мономерами, поливинилхлорид, полиакрилаты и полиметакрилаты, ряд синтетических каучуков и водорастворимых карбоцепных полиэлектролитов.

Кинетическая схема радикальной полимеризации включает четыре элементарных стадии: инициирование, рост, передачу и обрыв цепи. На стадии инициирования образуются первичные радикалы мономера в результате непосредственного энергетического воздействия (тепло, УФ либо ионизирующее излучение) или, чаще, при взаимодействии мономера с радикалами, возникающими при гомолитическом распаде специально вводимых веществ – инициаторов (например, пероксидов, гидропероксидов, азосоединений). Для увеличения скорости инициирования при низких температурах к пероксидам добавляют восстановители (например, соли переходных металлов или амины).

Стадия инициирования включает, по меньшей мере, два последовательных элементарных акта - генерирование радикалов R• и их взаимодействие с мономером:

Присоединение мономеров при радикальной полимеризации происходит преимущественно по типу "голова к хвосту":

Доля звеньев, присоединенных по типу "голова к голове" и "хвост к хвосту" обычно не превышает несколько процентов и уменьшается при полимеризации мономеров, содержащих объемные заместители X. В то же время не происходит стереорегулярного присоединения. Так, при радикальной полимеризации виниловых мономеров образуются атактичные полимеры с некоторым преобладанием синдиотактических структур.

Снижение температуры полимеризации способствует увеличению доли синдиотактических структур.

Ограничение растущих цепей при радикальной полимеризации возможно путем обрыва и (или) передачи цепи. Обрыв цепи - необратимая химическая дезактивация растущих цепей протекает обычно в результате диспропорционирования двух макрорадикалов (реакция 7) или их рекомбинации (8):

С увеличением степени превращения мономера в ходе радикальной полимеризации происходят существенные изменения состава и физических свойств реакционной среды, которые отражаются на кинетике реакции и характеристиках образующихся продуктов.

Так, значительное увеличение вязкости реакционной среды ограничивает в первую очередь диффузионную подвижность макрорадикалов и, следовательно, снижает скорость обрыва, приводя к увеличению скорости радикальной полимеризации и молекулярной массы образующегося полимера (гель-эффект). При образовании нерастворимого полимера подобные явления проявляются уже в начале процесса вследствие иммобилизации ("застревания") растущих цепей в матрице полимера.

В радикальной полимеризации широко используют полифункциональные инициаторы, мономеры, агенты передачи цепи, повторное участие которых в ходе полимеризации изменяет структуру полимера или кинетические характеристики. Так, полиинициаторы способны придавать радикальной полимеризации кинетические закономерности поликонденсации, из полифункциональных мономеров образуются сшитые полимеры, а введение полифункциональных агентов передачи цепи приводит к получению звездообразных полимеров.

Радикальная полимеризация может быть осуществлена в массе, эмульсии, суспензии, растворе и других средах.

Ионная полимеризация делится на катионную и анионную. В первом случае промежуточными частицами являются макрокатионы, а во втором случае – макроанионы.

Катионную полимеризацию можно проводить в присутствии катализаторов - кислот Бренстеда (например, серной кислоты) или с применением смешанной системы (кислота Бренстеда – сокатализатор и кислота Льюиса- катализатор).

Особенность катионной полимеризации – высокая скорость при отрицательных температурах.



Pages:   || 2 | 3 |
 
Похожие работы:

«РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ НЕФТЕХИМИЧЕСКОГО СИНТЕЗА им. А.В.ТОПЧИЕВА Н.А. Платэ, Е.В. Сливинский ОСНОВЫ ХИМИИ И ТЕХНОЛОГИИ МОНОМЕРОВ Настоящая монография одобрена Советом федеральной целевой программы Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки и рекомендована в качестве учебного пособия для студентов старших курсов и аспирантов химических факультетов университетов и технических вузов, специализирующихся в области химии и технологии высокомолекулярных...»

«Майкопский государственный технологический университет Бормотов И.В. Лагонакское нагорье - стратегия развития Монография (Законченный и выверенный вариант 3.10.07г.) Майкоп 2007г. 1 УДК Вариант первый ББК Б Рецензенты: -проректор по экономике Майкопского государственного технологического университета, доктор экономических наук, профессор, академик Российской международной академии туризма, действительный член Российской академии естественных наук Куев А.И. - заведующая кафедрой экономики и...»

«УДК 371.018 ББК Печатается по решению Научно-методического совета по педагогике Института педагогики и психологии ФГАОУ ВПО Казанский (Приволжский) федеральный университет Рецензенты: Ф.А.Ильдарханова, доктор социологических наук, директор НИЦ семьи и демографии Академии наук Республики Татарстан В.Ш. Масленникова, доктор педагогических наук, профессор, заведующая лабораторией ИПП ПО РАО Биктагирова Г.Ф., Валеева Р.А., Биктагиров Р.Р. Семейные традиции: вопросы теории и социального...»

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования БАРНАУЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Г.В. Кукуева Рассказы В.М. Шукшина: лингвотипологическое исследование Барнаул 2008 1 ББК 83.3Р7-1 Печатается по решению УДК 82:801.6 Ученого совета БГПУ К 899 Научный редактор: доктор филологических наук, профессор Алтайского государственного университета А.А. Чувакин Рецензенты: доктор филологических наук, профессор, зав....»

«В. К. БАЛХАНОВ ОСНОВЫ ФРАКТАЛЬНОЙ ГЕОМЕТРИИ И ФРАКТАЛЬНОГО ИСЧИСЛЕНИЯ Улан-Удэ 2013 РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ФИЗИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ В.К. Балханов ОСНОВЫ ФРАКТАЛЬНОЙ ГЕОМЕТРИИ И ФРАКТАЛЬНОГО ИСЧИСЛЕНИЯ ИЗДАТЕЛЬСТВО БГУ Улан-Удэ 2013 2 Утверждено к печати ученым советов УДК 513.0 ББК 22.151.1 федерального государственного бюджетного учреждения Б 208 Института физического материаловедения СО РАН Ответственный редактор Ю. Б. Башкуев, д-р техн. наук, проф....»

«УЧРЕЖДЕНИЕ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК ИНСТИТУТ МИРОВОЙ ЭКОНОМИКИ И МЕЖДУНАРОДНЫХ ОТНОШЕНИЙ РАН С.В. Уткин РОССИЯ И ЕВРОПЕЙСКИЙ СОЮЗ В МЕНЯЮЩЕЙСЯ АРХИТЕКТУРЕ БЕЗОПАСНОСТИ: ПЕРСПЕКТИВЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ Москва ИМЭМО РАН 2010 УДК 327 ББК 66.4(2 Рос)(4) Утки 847 Серия Библиотека Института мировой экономики и международных отношений основана в 2009 году Публикация подготовлена в рамках гранта Президента РФ (МК-2327.2009.6) Уткин Сергей Валентинович, к.п.н., зав. Сектором политических проблем европейской...»

«МИНИСТЕРСТВО ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ И ЭКОЛОГИИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПРИРОДНЫЙ ЗАПОВЕДНИК ПИНЕЖСКИЙ С.Ю. Рыкова ПТИЦЫ БЕЛОМОРСКО-КУЛОЙСКОГО ПЛАТО Монография Архангельск 2013 1 УДК 598.2(470.11) ББК 28.693.35 Р 94 Научный редактор: доктор биологических наук, профессор Петрозаводского государственного университета Т.Ю. Хохлова Рыкова С.Ю. Р 94 Птицы Беломорско-Кулойского плато: Монография / С.Ю. Рыкова: М-во природ. ресурсов и экологии...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации Архангельский государственный технический университет Международная Академия Наук педагогического образования Ломоносовский Фонд Т.С. Буторина Ломоносовский период в истории русской педагогической мысли XVIII века Москва–Архангельск 2005 УДК 37(07) + 94/99(07) ББК 74(2р-4Арх)+63.3(2Р-4Арх) Б93 Рецензенты: д-р пед. наук, проф. РГПУ имени А.И. Герцена Радионова Н.Ф.; Вед. научн. сотрудник института теории и истории педагогики РАО, д-р пед....»

«Янко Слава [Yanko Slava](Библиотека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru || slavaaa@yandex.ru 1 Электронная версия книги: Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || slavaaa@yandex.ru || yanko_slava@yahoo.com || http://yanko.lib.ru || Icq# 75088656 || Библиотека: http://yanko.lib.ru/gum.html || Номера страниц - внизу update 05.05.07 РОССИЙСКИЙ ИНСТИТУТ КУЛЬТУРОЛОГИИ A.Я. ФЛИЕР КУЛЬТУРОГЕНЕЗ Москва • 1995 1 Флиер А.Я. Культурогенез. — М., 1995. — 128 с. Янко Слава [Yanko Slava](Библиотека Fort/Da) ||...»

«Издательство Текст Краснодар, 2013 г. УДК 281.9 ББК 86.372 Э 36 Рекомендовано к публикации Издательским Советом Русской Православной Церкви ИС 13-304-0347 Книга издана на средства Екатеринодарской и Кубанской епархии, а также на личные пожертвования. Текст книги печатается по изданию: Учение древней Церкви о собственности и милостыне. Киев, 1910. Предисловие: Сомин Н. В. Экземплярский, Василий Ильич. Э 36 Учение древней Церкви о собственности и милостыне / В. И. Экземплярский. — Краснодар:...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации Северный (Арктический) федеральный университет Н.А. Бабич, И.С. Нечаева СОРНАЯ РАСТИТЕЛЬНОСТЬ питомников ЛЕСНЫХ Монография Архангельск 2010 У Д К 630 ББК 43.4 Б12 Рецензент Л. Е. Астрологова, канд. биол. наук, проф. Бабич, Н.А. Б12 Сорная растительность лесных питомников: монография / Н.А. Бабич, И.С. Нечаева. - Архангельск: Северный (Арктический) феде­ ральный университет, 2010. - 187 с. I S B N 978-5-261-00530-8 Изложены результаты...»

«Л.А. Мироновский, В.А. Слаев АЛГОРИТМЫ ОЦЕНИВАНИЯ РЕЗУЛЬТАТА ТРЕХ ИЗМЕРЕНИЙ Санкт-Петербург Профессионал 2010 1 L.A. Mironovsky, V.A. Slaev ALGORITHMS FOR EVALUATING THE RESULT OF THREE MEASUREMENTS Saint Petersburg “Professional” 2010 2 ББК 30.10 М64 УДК 389 М64 Мироновский Л.А., Слаев В.А. Алгоритмы оценивания результата трех измерений. — СПб.: Профессионал, 2010. — 192 с.: ил. ISBN 978-5-91259-041-2 Монография состоит из пяти глав и трех приложений. В ней собраны, классифицированы и...»

«В.И. Барсуков АТОМНЫЙ СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МОСКВА ИЗДАТЕЛЬСТВО МАШИНОСТРОЕНИЕ-1 2005 В.И. Барсуков АТОМНЫЙ СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МОСКВА ИЗДАТЕЛЬСТВО МАШИНОСТРОЕНИЕ-1 2005 УДК 543.42 ББК 344 Б26 Р е ц е н з е н т ы: Доктор химических наук, профессор В.И. Вигдорович Доктор химических наук, профессор А.А. Пупышев Кандидат физико-математических наук В.Б. Белянин Барсуков В.И. Б26 Атомный спектральный анализ. М.: Издательство Машиностроение-1, 2005. 132 с. Рассмотрены теоретические основы оптической...»

«Сергей Павлович МИРОНОВ доктор медицинских наук, профессор, академик РАН и РАМН, заслуженный деятель науки РФ, лауреат Государственной премии и премии Правительства РФ, директор Центрального института травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова Евгений Шалвович ЛОМТАТИДЗЕ доктор медицинских наук, профессор, заведующий кафедрой травматологии, ортопедии и военно-полевой хирургии Волгоградского государственного медицинского университета Михаил Борисович ЦЫКУНОВ доктор медицинских наук, профессор,...»

«М. В. РОГОЗИН СЕЛЕКЦИЯ СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ ДЛЯ ПЛАНТАЦИОННОГО ВЫРАЩИВАНИЯ Пермь 2013 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования ПЕРМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Естественнонаучный институт М. В. РОГОЗИН СЕЛЕКЦИЯ СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ ДЛЯ ПЛАНТАЦИОННОГО ВЫРАЩИВАНИЯ Монография Пермь УДК 582.47: 630*232.1: 630*165: 630*5 (470.53) ББК 443.813 – 4 (2Рос – 4...»

«Электронный архив УГЛТУ Электронный архив УГЛТУ МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Уральский государственный лесотехнический университет Г.А. Прешкин НОРМ АТИВЫ О Ц ЕН КИ Л Е С Н Ы Х БЛАГ: ПРОБЛЕМЫ, РЕШ ЕНИЯ Под редакцией заслуженного деятеля науки Р ф профессора Я Я Я нды ганова Екатеринбург 2011 Электронный архив УГЛТУ УДК 630.652 ББК 43: 65. 9(2)32 П 73 Рецензенты: Кафедра экономической теории и предпринимательства Уральского государственного горного университета; Логинов...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Таганрогский государственный педагогический институт имени А. П. Чехова Г. И. Тамарли ПОЭТИКА ДРАМАТУРГИИ А. П. ЧЕХОВА (ОТ СКЛАДА ДУШИ К ТИПУ ТВОРЧЕСТВА) В авторской редакции 2-е издание, переработанное и дополненное Таганрог Издательство ФГБОУ ВПО Таганрогский государственный педагогический институт имени А. П. Чехова 2012 УДК 82–2 ББК...»

«В.Б. БЕЗГИН КРЕСТЬЯНСКАЯ ПОВСЕДНЕВНОСТЬ (ТРАДИЦИИ КОНЦА XIX – НАЧАЛА XX ВЕКА) МОСКВА – ТАМБОВ Министерство образования и науки Российской Федерации Московский педагогический государственный университет Тамбовский государственный технический университет В.Б. БЕЗГИН КРЕСТЬЯНСКАЯ ПОВСЕДНЕВНОСТЬ (ТРАДИЦИИ КОНЦА XIX – НАЧАЛА XX ВЕКА) Москва – Тамбов Издательство ТГТУ ББК Т3(2) Б Утверждено Советом исторического факультета Московского педагогического государственного университета Рецензенты: Доктор...»

«ЛИНГВИСТИКА КРЕАТИВА-2 Коллективная монография Под общей редакцией профессора Т.А. Гридиной Екатеринбург Уральский государственный педагогический университет 2012 УДК 81’42 (021) ББК Ш100.3 Л 59 Рецензенты: доктор филологических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ Павел Александрович Лекант (Московский государственный областной университет); доктор филологических наук, профессор Ольга Алексеевна Михайлова (Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина) Л...»

«Межрегиональные исследования в общественных науках Министерство образования и науки Российской Федерации ИНО-Центр (Информация. Наука. Образование) Институт имени Кеннана Центра Вудро Вильсона (США) Корпорация Карнеги в Нью-Йорке (США) Фонд Джона Д. и Кэтрин Т. МакАртуров (США) Данное издание осуществлено в рамках программы Межрегиональные исследования в общественных науках, реализуемой совместно Министерством образования и науки РФ, ИНО-Центром (Информация. Наука. Образование) и Институтом...»








 
© 2013 www.diss.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, Диссертации, Монографии, Методички, учебные программы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.