Биология : биологические наноструктуры

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 52 

Кафедра физической химии 

Н.М. Мурашова 

Биология 

Биологические наноструктуры 

Курс лекций 

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета 

Москва  2010 

УДК 57:620.22-022.532 
 
М91 

Р е ц е н з е н т  
канд. хим. наук В.А. Филичкина 

Мурашова, Н. М. 
М91  
Биология: Биологические наноструктуры : курс лекций / 
Н. М. Мурашова. – М. : Изд. Дом МИСиС, 2010. – 104 с. 
ISBN 978-5-87623-344-8 

Рассмотрены  основные классы биологических молекул, надмолекулярных ансамблей и наноструктур, их строение и основные функции; молекулярные основы приема и передачи информации в живых системах, биоэнергетики и метаболизма. Особенностью курса является ориентация на студентов технического, а не химического или медицинского вуза. Представляет 
интерес для широкого круга читателей. 
Курс лекций предназначен для студентов специальности «Нанотехнология». 

УДК 57:620.22-022.532 

ISBN 978-5-87623-344-8 
© Мурашова Н.М., 2010 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Предисловие..............................................................................................4 
Введение....................................................................................................6 
1. Клетки и вирусы .................................................................................10 
2. Белковые нанообъекты.......................................................................19 
3. Углеводные наноструктуры...............................................................42 
4. Липиды и биологические мембраны ................................................48 
5. Наноструктура и функции нуклеиновых кислот.............................59 
6. Молекулярные механизмы восприятия, передачи и приема 
информации.............................................................................................71 
7. Молекулярные механизмы превращения энергии и вещества 
в живых системах ...................................................................................87 
8. Достижения и перспективы развития нанотехнологии в 
биологии и медицине ...........................................................................100 
Библиографический список.................................................................103 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Нанотехнология является междисциплинарной областью знаний, 
использующей подходы и достижения физики, химии, биологии, материаловедения и компьютерного моделирования. Настоящие и будущие возможности нанобиотехнологии открывают широкие перспективы для медицины, экологии, биотехнологии, для создания новых материалов и устройств. 
Специалист в области нанотехнологии и наноматериалов должен 
хорошо знать основы всех естественных наук и уметь применять их в 
своей научной и производственной деятельности. Поэтому стандартом специальности «Наноматериалы» для студентов предусмотрено 
изучение курса «Биология». 
Данная дисциплина является базовой для направления подготовки 
дипломированных специалистов (инженеров) «Нанотехнология» в 
НИТУ МИСИС. Она является теоретической базой для специальных 
курсов и курсов по выбору, таких как «Биомедицинские нанотехнологии», «Наноматериалы медицинского назначения» и др. Особенностью курса «Биология» является, с одной стороны, ориентация на 
студентов технического, а не химического или медицинского вуза, а 
с другой стороны, направленность на нужды будущих специалистов 
в области нанотехнологии. 
Цель изучения дисциплины – ознакомить студентов, обучающихся по направлению «Нанотехнология», с основами биологии и 
биологической химии, научить пониманию основных процессов в 
биологических системах, дать понятие о строении и функциях нанообъектов в живой природе, показать связь биологических наук и 
нанотехнологии. Полученные в ходе изучения курса «Биология» 
знания и навыки позволят специалистам в области нанотехнологии 
лучше понимать принципы создания и функционирования нанообъектов, ориентироваться в литературе, посвященной медицинским и 
биологическим приложениям нанотехнологии, а также успешно наладить сотрудничество с представителями медицинских и биологических наук. 
В ходе изучения курса студенты научатся понимать принципы организации и функционирования биологических нанообъектов, различать основные классы биологических молекул, их строение и основные функции, понимать молекулярные механизмы восприятия, передачи и приема информации в живых системах, видеть перспективы 

возможных биологических, медицинских и экологических приложений нанотехнологии. 
При изучении каждого раздела курса дается большое число примеров строения и функционирования конкретных природных наноструктур. Такие примеры дают возможность студентам не только 
лучше усваивать пройденный материал, но и применить полученные 
знания о природных нанообъектах в ходе дальнейшей учебы и работы над созданием наноструктур, наноматериалов и наноустройств. 
Разработанный курс «Биология» читается с 2005 года студентам 
3 курса РХТУ им. Д.И. Менделеева и с 2006 г. – студентам 2 курса 
МИСиС, обучающимся по специальности «Наноматериалы». Опыт 
апробации дисциплины показал живой интерес к ней со стороны 
студентов, высокую посещаемость лекций и хорошую успеваемость. 
 
Зав. кафедрой физической химии МИСиС, 
профессор Астахов М.В. 
 
Зав. кафедрой наноматериалов и нанотехнологии 
РХТУ им. Д.И. Менделеева, 
член-корр. РАН Юртов Е.В. 

ВВЕДЕНИЕ 

Если рассмотреть уровни организации материи на примерах некоторых объектов и сопоставить их с науками, которые изучают эти 
объекты, то станет видно, насколько широкий спектр объектов охватывают биологические науки и где именно возможно их пересечение 
с науками о наноматериалах (табл. В1). Примерами биологических 
наноструктур и наномашин являются вирусы, клеточные органеллы 
(например, жгутики и реснички, митохондрии, хлоропласты, рибосомы), надмолекулярные ансамбли (например, комплексы ферментсубстрат, гормон-рецептор) и многие другие. К наноматериалам биологического происхождения можно отнести клеточную стенку растений, сформированную целлюлозой и другими полисахаридами, 
фибриллярные белки кератин (из него состоит шерсть и волосы) и 
коллаген (из него состоят сухожилия). 

Таблица В1 

Уровни организации материи и связь 
биологических наук с нанохимией и нанотехнологией 

НАУКИ 
Уровни организации 
материи 
Примеры объектов 

Вселенная 
Вселенная 

Галактика 
Млечный путь 
 
Астрономия 
Звездная система 
Солнечная система

Планета, ее биосфера 
Биосфера Земли 

Экосистема 
Хвойный лес 

 

Экология 
Популяция 
Зайцы в лесу 

Ботаника 
Зоология 
Медицина 
Организм 
Заяц 

Гистология 
Орган, ткань 
Глаз 

Цитология, Микробиология 
Клетка 
Клетка сетчатки 
глаза 

Б И О Л О Г И Я  

Энзимология, Генная 
инженерия, Нанохимия, Нанотехнология, 
Супрамолекулярная 
химия 

Органеллы, надмолекулярные структуры 

Фоторецептор в 
клетке сетчатке 
глаза 

Б И О Х И М И Я  

Химия 
Молекула 
Родопсин 

Атом 
Углерод 

Ф
И
Л
О
С
О
Ф
И
Я
 

 
 
Физика 
Элементарные частицы 
Электрон 

Полученные знания пригодятся специалисту для того, чтобы 
видеть перспективы возможных биологических, медицинских и 
экологических приложений наноматериалов, самостоятельно ориентироваться в литературе, посвященной медицинским и биологическим приложениям нанотехнологии, понимать логику живых 
наносистем и творчески применять ее в профессиональной деятельности. 
В науке уже давно существует особый раздел, посвященный 
подражанию природе в ее творениях и творческому переносу 
идей живой природы в технику и технологию. Такая наука получила название биомиметика (греч. bios – жизнь и mimesis – подражание). Благодаря наблюдению за живыми существами создано уже множество приспособлений и механизмов – начиная от 
застежки «липучки» до подвесных мостов и радаров. Изучение 
биологических наноструктур и творческое копирование их в технике представляют огромное и очень перспективное поле деятельности для нанотехнологов и специалистов в области создания наноматериалов. 
В последнее время на стыке биологии, химии, физики и материаловедения появился еще один новый раздел науки и техники – бионанотехнология (или нанобиотехнология), сочетающий в себе как 
биологические, так и нанотехнологические подходы к созданию новых систем. На практике бионанотехнологии означают попытку совместить биологические молекулы и системы живой клетки с созданными человеком наноструктурами, т.е. живое с неживым. Особенно важное место в бионанотехнологии занимает разработка наноматериалов и наноустройств для медицины. 
Цель данного курса – ознакомить студентов с основными классами биологических молекул и надмолекулярных ансамблей, дать понятие о строении и функциях наноструктур в живой природе, показать взаимосвязь биологических наук и нанотехнологии. 

Элементный состав живых организмов 
В целом, элементный состав живых организмов, в том числе человека, соответствует элементному составу земной коры и резко отличается от состава внеземного вещества (табл. В2). 
По количественному содержанию в живой материи химические 
элементы делят на несколько групп. 
Биогенные элементы – элементы, из которых в основном построена живая материя: C, H, N, O. 

Макроэлементы – находятся в живых организмах в значительных 
количествах: S, P, Ca, Na, K, Mg, Cl, Mn, Fe, Cu. 
Микроэлементы – находятся в живых организмах в крайне малых 
количествах, но важны и нужны для нормальной жизнедеятельности: 
Zn, Co, I, Se, Mo, Li, F, Si, Sn, Ni, Cr, V, B, As и др. 

Таблица В2 

Содержание и функции некоторых элементов 

Химический 
элемент 

Содержание в 
земной коре, 
% масс. 

Содержание в 
организме человека, % масс. 
Основные функции 

С 
0,35 
18,0 
Биогенный элемент, основа 
органических соединений 

О 
49,13 
65,0 
Биогенный элемент, входит в 
состав воды и большинства 
органических соединений 

Р 
0,12 
1,0 
Структурный компонент костей и зубов, входит в состав 
АТФ и клеточных мембран (в 
виде фосфолипидов) 

Са 
3,25 
2,0 
Структурный компонент в 
тканях зубов и костей. Необходим для свертывания крови 
и синаптической передачи 
нервного импульса 

Fe 
4,2 
0,004 
Входит в состав ряда белков – гемоглобина и миоглобина (перенос кислорода), 
цитохромов (окислительное 
фосфорилирование) 

I 
1⋅10–4 
 
Необходим для нормальной 
работы щитовидной железы 

F 
0,08 
 
Структурный компонент зубной ткани 

Co 
2⋅10–3 
 
Входит в состав витамина В12

Построенные в основном из биогенных элементов биомолекулы 
делят на два основных класса: 
• малые молекулы (молекулярная масса менее 1 кДа, т.е. менее 
1000 а. е. м.). Это сахара, жирные кислоты, аминокислоты, нуклеотиды, витамины, гормоны, органические кислоты и др. 
• биополимеры (молекулярная масса от 1 до 1000 кДа, т.е. от 
1000 до 1 000 000 а. е. м.). Это нуклеиновые кислоты – ДНК и РНК, 
белки, полисахариды, липиды. 

Особая роль воды в живых системах 
Масса воды в среднем составляет около 90 % массы живой клетки. Вода – основа жизни, жизнь возникла в воде (или на границе воды с твердым веществом) и без воды невозможна. Функции воды: 
• растворитель для многих биомолекул, солей и т.д.; 
• образует водородные связи, тем самым участвует в образовании и поддержании биологических структур; 
• донор электронов и протонов, т.е. участвует в химических реакциях; 
• за счет высокой теплоемкости и высокой теплоты испарения 
позволяет поддерживать температуру живых организмов постоянной. 
Для человека минимальная потребность в воде в сутки составляет 
1,7 л. Недостаточное поступление воды в организм или избыточная 
ее потеря приводит к обезвоживанию, что сопровождается сгущением крови. Недостаток в организме воды в объеме 20 % массы тела 
приводит к летальному исходу. 

1. КЛЕТКИ И ВИРУСЫ 

Клетка – мельчайшая структурная единица живой материи. Все 
живые организмы состоят из клеток и продуктов их метаболизма 
(обмен веществ). Вирусы – неклеточные формы жизни, однако состоят из продуктов метаболизма клеток. 
Вирусы – это инфекционные частицы, которые состоят из молекул 
ДНК или РНК (они образуют геном вируса), упакованных в белковую оболочку (капсид); у некоторых вирусов капсид окружен еще и 
липидной оболочкой (рис. 1.1). 

 

Рис. 1.1. Схема вирусной частицы (вириона) 

Размеры вирусов – от 20 до 300 нм. Благодаря столь малым размерам вирусные частицы проходят сквозь фильтры, задерживающие 
бактериальные клетки. Вирусы нельзя увидеть в световой микроскоп. 

Вирусы – живые структуры, так как обладают генетическим материалом и способны воспроизводить себя. Но вирусы не способны 
воспроизводить себя вне клетки-хозяина. У вирусных частиц вне 
клетки отсутствует дыхание, метаболизм и другие признаки жизни. 
Вирусы – неклеточные формы жизни, они находятся на границе живого и неживого. 
Эволюционное происхождение вирусов. Предполагают, что вирусы произошли от небольших фрагментов нуклеиновых кислот, которые приобрели способность размножаться независимо от хромосом – их клеток-хозяев. Такие независимо размножающиеся элементы генетического материалы – плазмиды – реплицируются самостоятельно. Они не способны синтезировать белок для построения оболочки и не могут свободно переходить из клетки в клетку. Вероятно, 
вирусы – это потомки плазмид, которые приобрели способность 
строить белковую оболочку, покидать клетку-хозяина, находиться 
вне клетки в течение продолжительного времени и инфицировать 
другие клетки. 
Генетический материал вируса. Может быть представлен в виде 
ДНК или РНК. Вирусы классифицируют в зависимости от того, как 
устроен их геном. РНК в вирусных частицах может быть одноцепочечной или двухцепочечной. Вирусная ДНК может быть одноцепочечной линейной, одноцепочечной кольцевой, двухцепочечной кольцевой, двухцепочечной ковалентно связанной с белком или двухцепочечной с ковалентно сшитыми концами. 
ДНК более стабильна, меньше повреждается при внешних воздействиях. РНК менее стабильна, РНК-вирусы более склонны к изменчивости, они быстрее эволюционируют. Поэтому с инфекциями, вызываемыми РНК-вирусами, труднее бороться с помощью вакцинации, так как такие вирусы постоянно обновляются, мутируют, и вакцина против одной разновидности такого вируса может быть малоэффективной против другой его разновидности. 
Капсид вируса. Построен из многочисленных белковых молекул, 
обычно свернутых в клубок (глобула). Основных форм капсида две – 
полый цилиндр и икосаэдр (выпуклый многогранник из 20 треугольных граней). Некоторые вирусы имеют капсид сложного строения, 
сочетающий обе эти формы, например капсид бактериофага лямбда 
(рис. 1.2).