Номер 4, страница 37 - гдз по химии 11 класс учебник Габриелян, Остроумов

Примените свои знания. Параграф 7. Водородная химическая связь. Глава I. Строение веществ - номер 4, страница 37.

Условие.

4. Сравните вторичную структуру ДНК с вторичной структурой белков.

Решение.

Решение 2.

Сравните вторичную структуру ДНК с вторичной структурой белков.

Вторичная структура биополимеров — это пространственная конфигурация, которую принимает основная цепь макромолекулы в результате образования водородных связей. Сравним вторичные структуры ДНК и белков, выделив их ключевые особенности, сходства и различия.

Вторичная структура ДНК

Основной и наиболее известной формой вторичной структуры ДНК является двойная спираль. Её характеристики:

• Она состоит из двух полинуклеотидных цепей, закрученных друг относительно друга и вокруг общей воображаемой оси.
• Цепи в спирали антипараллельны, то есть направлены в противоположные стороны (одна в направлении от $5'$-конца к $3'$-концу, другая — от $3'$-конца к $5'$-концу).
• Снаружи спирали расположен сахарофосфатный остов (чередующиеся остатки дезоксирибозы и фосфатной группы), а внутри находятся азотистые основания (аденин, гуанин, цитозин, тимин).
• Стабильность этой структуры обеспечивается двумя основными типами взаимодействий:
  1. Водородными связями между комплементарными азотистыми основаниями: аденин (А) образует две водородные связи с тимином (Т), а гуанин (Г) — три водородные связи с цитозином (Ц).
  2. Гидрофобными (стекинг) взаимодействиями между плоскими ароматическими кольцами азотистых оснований, которые расположены стопкой друг над другом внутри спирали.
• Двойная спираль ДНК является очень регулярной и однородной структурой по всей своей длине (в своей канонической B-форме).

Вторичная структура белков

Вторичная структура белка представляет собой локальное упорядочивание полипептидной цепи, которое образуется за счет водородных связей между группами пептидного остова. Основные типы:

• α-спираль: Полипептидная цепь закручивается в виде правой спирали. Структура стабилизируется внутримолекулярными водородными связями, образующимися между карбонильной группой (C=O) одного аминокислотного остатка и аминогруппой (N-H) другого остатка, отстоящего от первого на 4 позиции в цепи. Эти водородные связи располагаются параллельно оси спирали.
• β-складчатый лист (β-структура): Состоит из нескольких вытянутых участков полипептидной цепи (β-тяжей), уложенных рядом друг с другом. Эти тяжи могут быть параллельными или антипараллельными. Структура стабилизируется водородными связями между C=O и N-H группами соседних тяжей. Эти связи перпендикулярны направлению полипептидных цепей.

Помимо этих двух регулярных типов, в белках встречаются также неупорядоченные участки, изгибы и петли, соединяющие элементы вторичной структуры.

Сходства:

• И в ДНК, и в белках в основе формирования вторичной структуры лежит образование множества водородных связей.
• Оба биополимера способны формировать спиральные структуры (двойная спираль ДНК, α-спираль белка).
• Обе структуры представляют собой результат пространственной укладки длинной полимерной цепи (полинуклеотидной у ДНК, полипептидной у белка).

Различия:

• Состав: ДНК является полинуклеотидом (мономеры — нуклеотиды), белки — полипептидами (мономеры — аминокислоты).
• Типы структур: У ДНК доминирует один тип вторичной структуры — двойная спираль. У белков существует несколько типов (α-спирали, β-листы), которые могут сочетаться в различных комбинациях в одной молекуле.
• Расположение водородных связей: В ДНК водородные связи образуются между азотистыми основаниями, принадлежащими двум разным цепям. Во вторичных структурах белков водородные связи возникают между атомами пептидного остова в пределах одной полипептидной цепи.
• Масштаб структуры: Вторичная структура ДНК (двойная спираль) является глобальной и однородной для всей молекулы. Вторичная структура белка является локальной — это отдельные структурные мотивы, из которых складывается более сложная третичная структура.

Ответ: Вторичная структура ДНК представляет собой двойную спираль, стабилизированную водородными связями между комплементарными основаниями двух антипараллельных цепей. Вторичная структура белков — это локальные укладки полипептидной цепи (в основном α-спирали и β-листы), стабилизированные водородными связями между группами C=O и N-H пептидного остова. Основное сходство — стабилизация структуры водородными связями и наличие спиральных мотивов. Ключевые различия заключаются в химическом составе мономеров, расположении водородных связей, а также в том, что структура ДНК глобальна и однородна, а структура белка состоит из локальных, разнообразных элементов, формирующих третичную структуру.

5. Раскройте значение внутримолекулярной водородной связи в упрочении вторичных структур ДНК и белков.

Внутримолекулярные водородные связи, несмотря на их относительную слабость по сравнению с ковалентными, играют решающую роль в формировании и поддержании стабильности вторичных структур ДНК и белков благодаря их огромному количеству, направленности и специфичности.

Значение в ДНК:

• Стабилизация двойной спирали: Водородные связи являются "клеем", который соединяет две полинуклеотидные цепи. Совокупность миллионов таких связей по всей длине гигантской молекулы ДНК придает двойной спирали значительную устойчивость в физиологических условиях, защищая генетическую информацию от повреждений.
• Обеспечение комплементарности: Строгая специфичность образования водородных связей (Аденин только с Тимином, Гуанин только с Цитозином) лежит в основе принципа комплементарности. Этот принцип является фундаментальным для точного копирования (репликации) и считывания (транскрипции) генетической информации, обеспечивая ее безошибочную передачу.
• Модуляция стабильности: Разное количество водородных связей в парах А-Т (две) и Г-Ц (три) приводит к тому, что участки ДНК, богатые Г-Ц парами, более стабильны и требуют большей энергии для разделения цепей. Это является одним из механизмов регуляции генной активности.
• Обеспечение динамичности: Относительная слабость каждой отдельной водородной связи позволяет ферментам (например, ДНК-хеликазе) локально и последовательно разрывать их, "расстегивая молнию" двойной спирали для репликации или транскрипции, не разрушая при этом всю молекулу целиком.

Значение в белках:

• Формирование α-спиралей и β-листов: Водородные связи являются главным стабилизирующим фактором, который фиксирует полипептидную цепь в виде регулярных вторичных структур. В α-спирали регулярная сетка водородных связей между аминокислотными остатками (n и n+4) создает жесткую, стержнеобразную структуру. В β-листах водородные связи "сшивают" соседние участки цепи, формируя прочные, плоские или бочкообразные структуры.
• Каркас для третичной структуры: Формирование стабильных вторичных структур является критически важным этапом в процессе сворачивания белка (фолдинга) в его уникальную и функционально активную третичную структуру. Они выступают в роли жестких "строительных блоков" или "каркасных" элементов, вокруг которых организуется остальная часть молекулы.
• Обеспечение стабильности и функции: Совокупная энергия множества водородных связей во вторичных структурах вносит огромный вклад в общую стабильность нативной конформации белка. Правильно сформированная и стабильная структура определяет биологическую функцию белка. Нарушение этих связей (например, при нагревании или изменении pH) приводит к денатурации — потере структуры и, как следствие, функции.

Ответ: Внутримолекулярные водородные связи имеют ключевое значение для упрочнения вторичных структур. В ДНК они соединяют две цепи в двойную спираль, обеспечивая её общую стабильность и специфическую комплементарность, что необходимо для хранения и точной передачи генетической информации. В белках водородные связи стабилизируют α-спирали и β-листы, создавая жесткие структурные элементы, которые являются каркасной основой для формирования функциональной третичной структуры молекулы и определяют ее устойчивость.