Окисление и восстановление спиртов и фенолов in vivo и in vitro
8.3. Реакции окисления и
восстановления органических
соединений
Имеют большое значение в
процессе метаболизма
(катаболизма), в цепи переноса
электронов и окислительном
фосфорилировании, что составляет
основу клеточного дыхания
В результате окисления веществ
выделяется энергия, которая
запасается в форме
высокоэнергетических
соединений, таких как АТФ, а
затем расходуется в процессе
анаболизма. Реакция окисления
способствует детоксикации и
выведению ксенобиотиков
Химические реакции, в процессе
которых происходит перенос
электронов от одной молекулы к
другой, называются ОВ
Окисление - процесс отдачи
электронов молекулой,
восстановление –
приобретение электронов
Восстановители – доноры
электронов
Окислители – акцепторы
электронов
В органической химии под
окислением понимают
реакции, при которых
происходит
удаление из молекулы атомов
водорода или образование
более полярных связей из
менее полярных
6. Схема реакции окисления
CH4
[O]
[H]
МЕТАН
CH3OH
МЕТАНОЛ
O
[O]
[H]
H-C
H
МЕТАНАЛЬ
O
[O]
[H]
H-C
[O]
CO2
OH
МУРАВЬИНАЯ
КИСЛОТА
ОКСИД
УГЛЕРОДА (IY)
Механизмы окисления и
восстановления
1.Прямой перенос ē (одноэлектронный
перенос)
Fе2+– ē → Fе3+
Эта ОВ пара может отдавать свои
электроны любому восстанавливающемуся соединению
2. Перенос атома
(свободнорадикальный
связи R–Н)
водорода
разрыв
3. Перенос электронов от
донора к акцептору в форме
гидрид-иона Н –
4. Перенос электронов путем
прямого
взаимодействия
органического восстановителя с
кислородом,
приводящий
к
продукту
с
ковалентносвязанным кислородом
Примером последней реакции может
служить алифатическое
гидроксилирование – один из путей
биотрансформации лекарственных
средств (ЛС) в организме,
приводящий к повышению
полярности и гидрофильности ЛС,
что способствует их выведению из
организма
Взаимодействие ЛС с кислородом
происходит в митохондриях
R - CH3 +
1/2 O2
R - CH2 - OH
Примерами реакций
окисления и восстановления
являются реакции
дегидрирования и
гидрирования
На одной из стадий ЦТК
окисление янтарной кислоты до
фумаровой
H
HOOC - CH - CH - COOH
H
H
ЯНТАРНАЯ КИСЛОТА
COOH
[O]
C
HOOC
C
H
ФУМАРОВАЯ КИСЛОТА
Окисление гидроксильных и
оксогрупп
Спирты обладают большей
способностью к окислению, чем
насыщенные углеводороды
Первичные спирты окисляются до
соответствующих альдегидов,
вторичные спирты – до кетонов,
H
CH3 CH OH
[O]
ЭТАНОЛ
O
CH3
C
ЭТАНАЛЬ
H
H
CH3 C COOH
OH
МОЛОЧНАЯ
КИСЛОТА
[O]
CH3 C COOH
O
ПИРОВИНОГРАДНАЯ КИСЛОТА
CH3
H3C C
OH
CH3
третичные спирты
к окислению
устойчивы
Альдегиды легко окисляются до
соответствующих кислот
[O]: KMnO4, CrO3, [Ag(NH3)2]OH –
реактив Толленса, Cu(OH)2 –
реактив Троммера и другие
O
R-C
[O]
O
R-C
H
OH
Реакция окисления in vivo с
участием НАД+
O
C
+ R' - C - OH
NH2
+
N
H
H
H
O
C
[O]
N
NH2
+
R' - C
O
H
+
H
R
R
НАД
+
СУБСТРАТ
НАД-Н
СУБСТРАТ
ОКИСЛЕННЫЙ
+
H
Окислительное дезаминирование
in vivo
R - CH - COOH
НАД+
+
- НАДН+Н
NH2
-АМИНОКИСЛОТА
R - C - COOH
O
-КЕТОКИСЛОТА
R - C - COOH
NH
иминокислота
H2O
- NH3
Реакции восстановления
Реакции восстановления
обратны реакциям
окисления: восстановление
альдегидов приводит к
образованию первичных
спиртов; кетонов – вторичных
спиртов
В качестве
восстанавливающего агента
in vitro используют
алюмогидрид лития LiAlH4
или гидриды щелочных
металлов
23. Схема реакции восстановления in vitro
Схема реакции восстановления
in vitro
R
+
C
O
+
R'
-
H Me
+ LiAlH4 R
C
R'
R
CH
R'
OH
OMe
H3O+
- H2O
H
24. Схема реакции восстановления in vivo
Схема реакции восстановления
in vivo
O
CH3 - C
+
H
НАД . Н
+
+ Н
CH3 - CH2 - OH + НАД
+
Обратимые ОВ системы
организма
К ним относятся системы –
гидрохинон-хинон и
сульфид-дисульфид
Легкость перехода из окисленной в
восстановленную форму и обратимость
таких реакций служат основой для их
участия в биологически важных
процессах
26. ОБРАТИМЫЕ ОВ СИСТЕМЫ ОРГАНИЗМА
Система гидрохинон-хинон
входит в состав
кофермента Q-убихинон,
участвует в переносе
электронов в митохондриях и
дыхательной цепи
Обратимая ОВ реакция в
системе сульфид-дисульфид
играет важную роль в
формировании
пространственной структуры
белков
ОБРАТИМЫЕ ОВ СИСТЕМЫ
ОРГАНИЗМА
2 R -SH
Тиол
(сульфид)
[O]
[H]
R-S-S-R
дисульфид
HS - CH2 - CH - COOH
NH2
NH2
HS - CH2 - CH - COOH
Цистеин
S - CH2 - CH - COOH
[O]
[H]
NH2
NH2
S - CH2 - CH - COOH
Цистин
Кислотно-основные свойства органических соединений рассматриваются на основе протолитической теории кислот и оснований Брёнстеда –Лоури и проявляются в кислотно-основном взаимодействии. Кислоты Брёнстеда – доноры протона R –Х H всегда содержат кислотный центр – XH (ОН, -NH, -SH, -CH). Различают ОН – кислоты (карбоновые кислоты, спирты, фенолы), NH- кислоты (амины, амиды), SH-кислоты (тиолы). Основания Брёнстеда - акцепторы протона. Основания делятся на n -основания , если основным центром является гетероатом (атом неметалла), который содержит неподеленную электронную пару (кислород, азот, сера), и p -основания , если основным центром является p- связь между углеродами. Основные центры: N, O, S, p-связь.
Большинство органических соединений могут проявлять свойства как кислот, так и оснований (быть и донорами и акцепторами протона). Какую роль данное соединение будет выполнять, зависит от второго реагента, так как кислота проявляет свои свойства только в присутствии сильного основания и наоборот. Согласно законам термодинамики каждая частица самопроизвольно стремится перейти в более устойчивое состояние и уменьшить тем самым энтальпию системы. Так, сильная кислота является неустойчивой и легко отдает протон основанию. Сильное основание легко присоединяет протон отрывая его от кислоты. Данные процессы идут самопроизвольно, так как сопровождаются уменьшением свободной энергии (G0). Поэтому в реакциях важно определить сравнительную силу кислот или оснований, так как это определяет самопроизвольное протекание кислотно-основного взаимодействия.
Сила кислоты определяется стабильностью сопряженного с ней основания (аниона). Чем стабильнее анион, тем сильнее кислота, а стабильность аниона зависит от степени делокализации электронной плотности (энтропийный фактор). Поэтому усиливают кислотность:
сопряжение с кислотным центром
большой радиус атома в кислотном центре
высокая электроотрицательность атома в кислотном центре
электроноакцепторные заместители в молекуле кислоты
Сравнительная сила кислот: карбоновые кислоты> фенолы > тиолы многоатомные спирты> одноатомные спирты > амины
1.Наиболее сильные кислоты (карбоновые кислоты, фенолы, тиолы) взаимодействуют со щелочами с образованием соли.
2. Средние по силе кислоты многоатомные спирты взаимодействуют с гидорксидом меди (II), с образованием хелатного комплекса.
3. Слабые кислоты одноатомные спирты взаимодействуют только со щелочными металлами.
Сила оснований определяется степенью локализации электронной плотности на основном центре, следовательно, все факторы, усиливающие кислотность будут в той же мере снижать силу оснований.
Сравнительная сила основных центров:
Сопряжение с основным центром максимально ослабляет основность. Электронодоноры усиливают основность.
Доказательство основных свойств аминов
II . Окислительно-восстановительные реакции
Окислительно-восстановительными реакциями (ОВР) называют химические реакции, протекающие с изменением степени окисления атомов вследствие переноса электрона от одной частицы к другой.
1.Значение окислительно-восстановительных реакций (ОВР)
ОВР – основа существования живых систем, снижающих энтропию за счет получения энергии из окружающей среды. Основная часть энергии поступает в организм в процессе питания. Органические соединения пищи окисляются (экзэргонические реакции) и организм получает энергию для эндэргонических реакций синтеза, снижающих энтропию
Окисление – процесс отдачи электронов, восстановление процесс присоединения электронов. Пара соединений, между которыми идет перераспределение электронов называется ред-окс парой. . ОВР самопроизвольно протекают в сторону превращения сильного окислителя (термодинамически менее стабильное соединение) в слабый восстановитель (термодинамически более стабильное соединение) или сильного восстановителя в слабый окислитель. В любом случае этот процесс самопроизвольный, так как сопровождается уменьшением свободной энергии (G0). Количественной мерой окислительно-восстановительной способности является величина восстановительного (редокс -) потенциала j Чем выше восстановительный (редокс) потенциал j , тем сильнее окислительные свойства редокс- пары, чем он ниже, тем сильнее восстановительные свойства редокс- пары. (См. Электрохимический ряд напряжения металлов). Потому процесс передачи электронов всегда идет от реагента с меньшим j к реагенту с большим j . Способов измерить абсолютную величину редокс-потенциала нет, поэтому его измеряют относительно эталонной пары 2Н + /Н 2 0 потенциал которой, в стандартных условиях, принят равным нулю j 0 =0В. Стандартный окислительно-восстановительный потенциал (стандартный восстановительный потенциал или редокс-потенциал) 0 , рассчитан, как э.д.с. в вольтах в гальваническом элементе со стандартным водородным электродом (2Н + /Н 2 ). Границы значений j 0 от -3,05В (литий) до +2,84В (фтор). В организмах, где рН =7 определяют « нормальный восстановительный потенциал j 0 ¢ ». Он отличается от стандартного, так для пары 2Н +/ Н 2 j 0 ¢ = -0,42В.
Виды биохимических окислительно-восстановительных процессов
А. дегидрогеназная ОВР . Это наиболее распространенный тип ОВР органических соединений. Реакции окисления большинства органических соединений связаны не с уменьшением количества атомов водорода в молекуле, при этом степень окисления углерода повышается. Реакции восстановления – с увеличением атомов водорода.
СН 3 – ОН = Н 2 С=О
Б. ОВР, связанная с изменением содержания атомов кислорода в молекуле называют оксигеназная ОВР
Н 2 С=О + [O] = НСООН
альдегид карбоновая к-та
В. Свободнорадикальное окисление-восстановление идет по цепному механизму и не контролируется ферментами.
I II . Характерные реакции органических соединений
Основные понятия
Субстрат – вещество, у которого происходит разрыв связи у атома углерода. Определяет тип реакции.
Реагент – вещество (частица), атакующая субстрат (радикал, электрофил, нуклеофил). Определяет механизм реакции.
А. Гомолиз, образование радикалов
R- Радикал (свободный радикал) это частица с неспаренным электроном, образуется в результате гомолитического разрыва связи:
Радикал определяет радикальный (цепной) механизм реакции.
II . Характерные реакции органических соединений
Основные понятия
Субстрат – вещество, у которого происходит разрыв связи у атома углерода. Определяет тип реакции.
Реагент – вещество (частица), атакующая субстрат (радикал, электрофил, нуклеофил). Определяет механизм реакции.
R- Радикал (свободный радикал) это частица с неспаренным электроном, образуется в результате гомолитического разрыва связи:
Радикал определяет радикальный (цепной) механизм реакции.
Б. нуклеофилы и электрофилы
Нуклеофильные реагенты имеют целый или частичный отрицательный заряд, содержат атом с неподеленной электронной парой или -связь: ОН-, NH 3 , H 2 O, CH 3 OH. Электрофильные реагенты несут целый или частичный положительный заряд: Н + , SO 3 .
характерно для насыщенных, ароматических, р, p-сопряженных соединений.
2. Присоединение А
характерно для ненасыщенных соединений, содержащих p-связи и
малых циклов (циклопропан, циклобутан)
3. Э лиминирование Е реакция, обратная присоединению
+ YE
Характерна для спиртов, аминов, галогеналканов, в результате образуется двойная связь.
программе органической химии, программе химии «Химическая термодинамика и биоэнергетика», «Физико-химические основы кинетики биохимических реакций», « Окислительно-восстановительные реакции», разделах 1, 2, 3 , 4 данного пособия.
Для усвоения темы и приобретения компетенции по данному разделу надо знать:
- виды разрыва химических связей,
-особенности электронного строения активных частиц – радикал, электрофил, нуклеофил,
-типы биоорганических реакций и их условное обозначение,
-запись всех приведенных в разделе реакций с использованием структурных формул соединений.
Ключевые слова:
Классификация биоорганических реакций (восстановление, замещение, окисление, присоединение, элиминирование), кофермент НАД, механизм реакции, нуклеофил, радикал, реакции in vivo и in vitro, реакционная способность, типы разрыва химических связей (гетеролитический, гомолитический), фермент, электрофил.
Содержание раздела (Дидактические единицы)
5.1. Типы химических реакций, характерных для биоорганических соединений (присоединение, замещение, элиминирования, изомеризации, окислительно-восстановительные). Типы разрыва химических связей (гомолитический, гетеролитический).
5.2. Гомолитический (радикальный) разрыв ковалентной одинарной связи. Условия разрыва, строение радикальной частицы. Факторы, влияющие на устойчивость радикальной частицы (увеличивают доноры, акцепторы, наличие сопряжения)
5.3. Гетеролитический (ионный ) разрыв связи. Образование двух типов частиц: электрофильной (Е + ), нуклеофильной (Nu - ), их электронное строение
5.4. Реакции электрофильного присоединения (АЕ). Механизм реакции. Объяснение правила Марковникова на основе механизма реакции. Влияние донорных и акцепторных заместителей на направление присоединения.
Примеры (уметь записать схему реакции и объяснить в конкретных случаях направление присоединения):
А) этен + НОН (HСl , HBr)
Б) пропен + НОН (HСl , HBr )
В) пропеновая (акриловая) кислота + НОН
Г) 2-бутеновая (кротоновая) кислота + НОН
Д) транс-бутендиовая кислота + НОН
5.5. Реакции нуклеофильного присоединения к карбонильной группе (AN) Механизм реакции. Влияние заместителей (доноров и акцепторов) на активность карбонильных соединений в реакциях присоединения – доказательство нуклеофильного механизма.
Надо уметь записывать ниже означенные реакции для конкретных соединений. Примеры:
А) Присоединение воды (гидратация) метаналя, этаналя, трихлорэтаналя.
RCHO + HOH ————> RCH(OН)2
Б) Присоединение циановодорода НСN – образование циангидринов.
RCHO + HCN ————> RCH(OН)СN
В) Присоединение одноатомного спирта ROH– образование полуацеталя.
RCHO + R1OH————> RCH(OН)ОR1
Дальнейшее взаимодействие полуацеталя со спиртом - образование ацеталя в реакции нуклеофильного замещения SN.
Г) Присоединение тиола RSH – образование тиополуацеталя.
RCHO + RSH————> RCH(OН)SR1
Д) Присоединение амина (с последующим элиминированием воды) образование азометина (основания Шиффа)
RCHO + R1NH2————>RCH = N-R1
Все перечисленные реакции AN происходят in vivo, в биологических объектах, в клетках организма человека.
Реакции электрофильного замещения SE в ароматических соединениях (на примере бензола и фенола). Образование электрофильных активных частиц (катионов галогена Сl + , Вr + , I + , нитроний-катиона NO2 + , метильного катиона CH3 + ). Механизм реакции электрофильного замещения.
А) Нитрование бензола С6Н6 + НNO3—> С6Н5 –NO2 + НОН
Б)Хлорирование бензола с катализатором С6Н6 + Сl 2—> С6Н5Сl + НСl
В) Акилирование бензола с катализатором АlСl3
С6Н6 + СН3Сl—> С6Н5- СН3 + НСl
Г) Бромирование( хлорирование) фенола
НО-С6Н5 + Вr2—>2.4,6-трибромфенол + 3 НВr
Сравнение активности бензола и фенола. Правило замещения 2,4,6 в бензольном цикле фенола. Биологическая роль реакции SE в синтезе йодтиронинов (тиреоидных гормонов) в щитовидной железе.
5.7.Реакции нуклеофильного замещения SN. Механизм реакции SN1и SN2.
Примеры: реакции SN in vitro
А) С2Н5ОН+ НСl ↔ С2Н5Сl + НОН
Б) С2Н5Сl + НОН ↔ С2Н5ОН+ НСl
В С2Н5Сl + NaOH ( в среде HOH) —> С2Н5ОН + NaСl
Г) СН3 – СНСl – СН3 + 2 NH3 —> СН3 – СН(NH2)– СН3 + NH4Сl
Д) нагревание этанола с конц. серной кислотой при Т<140
С2Н5ОН + С2Н5ОН —> С2Н5 –О- С2Н5 + НОН
Примеры реакции SN , моделирующие реакции in vivo:
А) триметиламин + хлорметан
(СН3)3 N + CH3Cl —> (СН3)4 N + ] Cl -
тетраметиламмоний хлорид
Б) пиридин + CH3Cl —>N –метилпиридиний хлорид
5.8. Реакции элиминирования (Е). Отщепление воды - реакция дегидратации. Общий механизм реакции SN1 и реакции элиминирования - образование промежуточного карбокатиона.
Примеры реакции Е in vitro
А) нагревание этанола с конц. серной кислотой при Т>140
С2Н5ОН —> СН2 = СН2 + НОН
Б) нагревание хлоралканов со спиртовым раствором щелочи
С2Н5Сl + NaOH (спирт) —> СН2=СН2 + NaCl + НOH
СН3 – СНСl – СН3 + NaOH (спирт) —> СН3-СН=СН2 + NaCl + НOH
Примеры: реакции элиминирования Е in vivo
А) 2-гидроксибутандиовая кислота —>НОН + НООС- СН=СН-СООН
(яблочная) ( фумаровая)
Б) 3-гидроксибутановая кислота) —>НОН + СН3-СН=СН-СООН
(β- оксимасляная) ( кротоновая )
В) лимонная кислота —> цис – аконитовая + Н2О
НООС-СН2-С(ОН) –СН2–СООН —> НООС-СН2-С =СН–СООН + Н2О
Окислительно-восстановительные реакции in vitro и in vivo. Окисление спиртов, альдегидов, тиолов.
Список основных превращений в окислительно- восстановительных реакциях (при изучении этого раздела):
1. молочная кислота ↔ пировиноградная
2. 3-гидроксибутановая ↔ 3-оксобутановая (ацетоуксусная )
3. яблочная (2- гидроксибутандиовая ) ↔ 2-оксобутандиовая
4. этантиол ↔ 1,2 - диэтилдисульфид
5. цистеин ↔ цистин
6. бутандиовая (янтарная) кислота ↔ транс – бутендиовая (фумаровая)
7. этанол ↔ этаналь ——> этановая (уксусная) кислота
Приложение. Основы теории.
Радикальная частица (радикал) имеет неспаренный электрон. Принятое обозначение R • . Частица органического вещества, в которой есть атом углерода, содержащий неспаренный электрон (полувакантная орбиталь), находится в состоянии гибридизации sp 2 , также является радикалом.
Радикалы Сl • , Вr • , Н, NO, СН3 • , С2Н5 • , СnH 2n+1 • .
Электрофильная частица (электрофил) - несет положительный заряд или частичный б+, присутствует свободная орбиталь, у атома углерода в карбокатионе тип гибридизации sp 2 . Электрофилы: Н + , СI + , Вr + , I + , карбокатионы СН3 + , С2Н5 + .
Нуклеофильная частица (нуклеофил) - отрицательно заряженные частицы (Н - , Сl - , Вr - ОН - , RO - , RS - , RСОО - ) и молекулы, содержащие атомы с неподеленными парами электронов (НОН, ROH, NH3, RNH2 RSH).
В зависимости от условий реакций многие вещества (НОН, ROH, NH3, RNH2, RSH) могут выступать как нуклеофилы и электрофилы.
Реакции электрофильного присоединения. Механизм реакции электрофильного присоединения состоит из стадий последовательного образования промежуточных активных частиц:
присоединение электрофила – образование π- комплекса - превращение в σ-комплекс (карбокатион ) – «выбор» более устойчивого σ- комплекса- присоединение нуклеофила .
Донорные заместители направляют реакцию по правилу Марковникоа, акцепторные - против правила Марковникова.
Пример записи реакций и правила присоединения
СН2=СН -СН3 + НCl ——>CН3- CНCl - СН3
СН2=СН -СООН + НCl ——>CН2Cl – CН2 – СООН
Реакции нуклеофильнго присоединения.
Донорные заместители снижают скорость реакции AN , акцепторные – увеличивают.
В ряду соединений
Формальдегид > ацетальдегид > ацетон
————> ( скорость реакции падает)
Эта зависимость указывает, что первым этапом является атака нуклеофилом (AN) атома углерода карбонильной группы, на которой заряд δ + .
Акцептор увеличивает δ + и ускоряет присоединение.
Реакции электрофильного замещения. Механизм реакции электрофильного замещения состоит из стадий: образование π- комплекса – преврещение в σ комплекс (карбокатион) - выброс протона Н + - образование устойчивого продукта замещения.
В организме встречается при синтезе тиреоидных гормонов.
Реакция электрофильного замещения в ароматическом цикле
тирозина при синтезе тиреоидных гормонов.
Окислительно-восстановительные реакции in vitro и in vivo.
Определение: реакции окисления органического соединения сопровождается отнятием 2 атомов водорода или введением атома кислорода, реакции восстановления сопровождаются присоединением двух атомов водорода или удалением атома кислорода.
В реакциях in vivo окисляются функциональные группы: первичные и вторичные спиртовые, альдегидные, аминогруппы, тиольные. В карбоновых кислотах in vivo осуществляется дегидрирование углеродной цепи.
Большинство реакций окисления происходят с участием ферментов, в составе которых присутствуют особые молекулы (коферменты), способные принимать и отдавать электроны. К ним относятся динуклеотиды : никотинамиддинуклеотид и флавинадениндинуклеотид.
НАД + - окисленная форма, НАДН + Н + - восстановленная форма.
НАД + / НАДН+ Н + - окислительно-восстановительная пара, кофермент НАД + обычно участвует в реакциях окисления спиртовых, альдегидных, амино, тиольных групп.
ФАД - окисленная форма
ФАДН2 – восстановленная форма
ФАД / ФАДН2 - окислительно-восстановительная пара
Для коферментов ФАД/ ФАДН2 характерно участие в обратимых реакциях окисления (дегидрирования)/ восстановления( гидрирования) в положениях а,,β углеводородной цепи активных форм карбоновых кислот и янтарной кислоты в цикле Кребса).
Реакции окисления, характерные in vivo
Кремний (Si), химический элемент IV группы периодической системы Менделеева; атомный номер 14, атомная масса 28,086. Кремний — полупроводник, нашедший широкое применение в электронике для изготовления элементов полупроводниковых схем (от простейших транзисторов до сверхбыстрых современных процессоров).
Автор
Редакторы
Статья является введением к теме «Сухая биология» — в ней раскрывается смысл понятия in silico, а так же обсуждается его взаимосвязь с такими устоявшимися терминами как in vivo и in vitro.
Открывая этот новый раздел, хочется сказать несколько вводных слов, так как у большинства читателей наверняка может возникнуть вопрос: «что такое „in silico“?».
За последние несколько десятилетий развитие компьютерной техники достигло небывалых размахов. И как следствие компьютеризация захватила многие отрасли науки и техники. Биология также не является исключением. Если раньше компьютер рассматривался лишь как средство обработки экспериментальных данных, характер которых мог быть чрезвычайно разнообразным, от статистических исследований численности популяций, до обработки данных рентгеноструктурного анализа, то со временем стала развиваться идея полностью компьютерного эксперимента. Теперь компьютер стал рассматриваться как среда проведения эксперимента, т.е. имея на входе определенные исходные параметры, мы можем получить некие результаты моделирования, описывающие поведение исследуемой нами системы. Для обозначения всего, что связано с компьютерными экспериментами, в 90-е годы XX века даже возник полушутливый латинизм — in silico (от in silicon, т.е. «в кремнии» — подробнее см. 1–2), который дополнил ряд уже имеющихся еще с конца позапрошлого столетия классических определения характера экспериментальной среды — in vivo («вживую» — т.е. непосредственно в биологической системе), in vitro («в стекле», то есть в среде искусственно созданной — в пробирке), см. рис. 1. Термины in vivo и in vitro хорошо прижились среди экспериментаторов, однако смысл их использования достаточно относителен. Так, под in vivo молекулярный биолог, изучающий аспекты синтеза белка, может подразумевать колонию искусственно выращенных клеток, а под in vitro — систему бесклеточного синтеза в пробирке. При этом, для физиолога, изучающего механизмы проведения нервного импульса, in vivo — это целый организм, а in vitro — культура нервной ткани. В свою очередь, подход in silico также многоуровневый и включает в себя задачи по моделированию поведения отдельных молекул, биохимических процессов и даже функционированию отдельных физиологических систем.
Рисунок 1. Многоуровневый подход в изучении биологических систем: in vivo — т.е. в живом объекте (а), in vitro — т.е. в искусственно смоделированной среде (б), in silico — т.е. в полностью смоделированной на компьютере биологической системе (в).
Учитывая тематику нашего сайта, в разделе «Сухая биология» мы будем помещать материалы, в основном посвященные современным методам молекулярного моделирования. Молекулярное моделирование — это один из аспектов понятия in silico, который представляет из себя набор вычислительных методов, позволяющих с разной степенью физичности на атомарном уровне изучать молекулярные системы разной сложности. Методы молекулярного моделирования можно разбить на определенные группы, которые объединяют различные подходы, позволяющие решать задачи разного характера. К первой такой группе можно отнести все методики анализа биологических текстов (аминокислотных и нуклеотидных последовательностей), а также работу с соответствующими базами данных — ныне эта область получила специальное определение — биоинформатика. Следующая группа методов объединяет методики изучения эволюции молекулярных систем с использование эмпирических силовых полей. Набор подходов, позволяющих определять пространственную структуру белковых молекул, учитывая имеющиеся структурные шаблоны белков с гомологичными аминокислотными последовательностями, получил название моделирование на основании гомологии. Наконец, специальные подходы, позволяющие изучать взаимодействия типа лиганд-рецептор или фермент-субстрат, относятся к области молекулярного докинга. Обо всем этом вы узнаете подробнее на страницах раздела «Сухая биология».
Читайте также: