Makromolekula je molekula z visoko molekulsko maso. Njegova struktura je predstavljena v obliki večkrat ponavljajočih se povezav. Razmislite o značilnostih takšnih spojin, njihovem pomenu za življenje živih bitij.
Lastnosti kompozicije
Biološke makromolekule se tvorijo iz več sto tisoč majhnih izhodnih materialov. Za žive organizme so značilne tri glavne vrste makromolekul: beljakovine, polisaharidi, nukleinske kisline.
Začetni monomeri zanje so monosaharidi, nukleotidi, aminokisline. Makromolekula predstavlja skoraj 90 odstotkov celične mase. Glede na zaporedje aminokislinskih ostankov se tvori specifična beljakovinska molekula.
Visoka molekulska masa so tiste snovi, ki imajo molsko maso večjo od 103 Da.
Zgodovina izraza
Kdaj se je pojavila makromolekula? Ta koncept je leta 1922 uvedel Nobelov nagrajenec za kemijo Hermann Staudinger.
Polimerna kroglica je videti kot zapletena nit, ki je nastala z nenamernim odvijanjempo vsej sobi tuljave. Ta tuljava sistematično spreminja svojo konformacijo; to je prostorska konfiguracija makromolekule. Podobno je poti Brownovega gibanja.
Nastajanje takšne tuljave nastane zaradi dejstva, da na določeni razdalji polimerna veriga "izgubi" informacije o smeri. O tuljavi je mogoče govoriti v primeru, ko so visokomolekularne spojine veliko daljše od dolžine strukturnega fragmenta.
globularna konfiguracija
Makromolekula je gosta konformacija, v kateri je mogoče primerjati prostorninski delež polimera z enoto. Kroglasto stanje se uresniči v tistih primerih, ko ob medsebojnem delovanju posameznih polimernih enot med seboj in zunanjim okoljem pride do medsebojne privlačnosti.
Replika strukture makromolekule je tisti del vode, ki je vgrajen kot element takšne strukture. To je najbližje hidratacijsko okolje makromolekule.
Karakterizacija beljakovinske molekule
Makromolekule beljakovin so hidrofilne snovi. Ko se suha beljakovina raztopi v vodi, sprva nabrekne, nato opazimo postopen prehod v raztopino. Med nabrekanjem molekule vode prodrejo v protein in njegovo strukturo vežejo s polarnimi skupinami. To razrahlja gosto pakiranje polipeptidne verige. Otekla beljakovinska molekula se šteje za povratno raztopino. Z naknadno absorpcijo vodnih molekul opazimo ločitev beljakovinskih molekul od celotne mase inobstaja tudi proces razpadanja.
Vendar nabrekanje beljakovinske molekule ne povzroči v vseh primerih raztapljanja. Na primer, kolagen po absorpciji vodnih molekul ostane v oteklem stanju.
Teorija hidrata
Visokomolekularne spojine po tej teoriji ne le adsorbirajo, temveč elektrostatično vežejo molekule vode s polarnimi fragmenti stranskih radikalov aminokislin, ki imajo negativen naboj, pa tudi bazičnih aminokislin, ki nosijo pozitiven naboj.
Delno hidrirano vodo vežejo peptidne skupine, ki tvorijo vodikove vezi z vodnimi molekulami.
Na primer, polipeptidi, ki imajo nepolarne stranske skupine, nabreknejo. Ko se veže na peptidne skupine, potisne polipeptidne verige narazen. Prisotnost medverižnih mostov ne omogoča, da se beljakovinske molekule popolnoma odcepijo, preidejo v obliko raztopine.
Struktura makromolekul se pri segrevanju uniči, kar povzroči prekinitev in sproščanje polipeptidnih verig.
Lastnosti želatine
Kemična sestava želatine je podobna kolagenu, z vodo tvori viskozno tekočino. Med značilnimi lastnostmi želatine je njena sposobnost geliranja.
Te vrste molekul se uporabljajo kot hemostatična sredstva in sredstva, ki nadomeščajo plazmo. Sposobnost želatine, da tvori gel, se uporablja pri proizvodnji kapsul v farmacevtski industriji.
Funkcija topnostimakromolekule
Te vrste molekul imajo različno topnost v vodi. Določa ga aminokislinska sestava. Ob prisotnosti polarnih aminokislin v strukturi se sposobnost raztapljanja v vodi znatno poveča.
Na to lastnost vpliva tudi posebnost organizacije makromolekule. Globularni proteini imajo večjo topnost kot fibrilarne makromolekule. Med številnimi poskusi je bila ugotovljena odvisnost raztapljanja od lastnosti uporabljenega topila.
Primarna struktura vsake beljakovinske molekule je drugačna, kar daje beljakovinam posamezne lastnosti. Prisotnost navzkrižnih povezav med polipeptidnimi verigami zmanjša topnost.
Primarna struktura beljakovinskih molekul nastane zaradi peptidnih (amidnih) vezi; ko se le-ta uniči, pride do denaturacije beljakovin.
Soljenje
Za povečanje topnosti beljakovinskih molekul se uporabljajo raztopine nevtralnih soli. Na podoben način je na primer mogoče izvesti selektivno obarjanje beljakovin, izvesti njihovo frakcioniranje. Dobljeno število molekul je odvisno od začetne sestave zmesi.
Posebnost beljakovin, ki se pridobivajo s soljenjem, je ohranjanje bioloških lastnosti po popolni odstranitvi soli.
Bistvo postopka je, da anioni in kationi odstranijo sol hidrirane beljakovinske lupine, kar zagotavlja stabilnost makromolekule. Največje število beljakovinskih molekul se izsoli pri uporabi sulfatov. Ta metoda se uporablja za čiščenje in ločevanje beljakovinskih makromolekul, saj so v bistvurazlikujejo po velikosti naboja, parametrih hidratacijske lupine. Vsaka beljakovina ima svojo cono soljenja, torej zanjo morate izbrati sol določene koncentracije.
aminokisline
Trenutno je znanih približno dvesto aminokislin, ki so del beljakovinskih molekul. Glede na strukturo so razdeljeni v dve skupini:
- proteinogeni, ki so del makromolekul;
- neproteinogeno, ni aktivno vključeno v tvorbo beljakovin.
Znanstveniki so uspeli razvozlati zaporedje aminokislin v številnih beljakovinskih molekulah živalskega in rastlinskega izvora. Med aminokislinami, ki jih pogosto najdemo v sestavi beljakovinskih molekul, opazimo serin, glicin, levcin, alanin. Vsak naravni biopolimer ima svojo aminokislinsko sestavo. Na primer, protamini vsebujejo približno 85 odstotkov arginina, vendar ne vsebujejo kislih, cikličnih aminokislin. Fibroin je beljakovinska molekula naravne svile, ki vsebuje približno polovico glicina. Kolagen vsebuje tako redke aminokisline, kot sta hidroksiprolin, hidroksilizin, ki jih v drugih beljakovinskih makromolekulah ni.
Sestavo aminokislin ne določajo le značilnosti aminokislin, temveč tudi funkcije in namen beljakovinskih makromolekul. Njihovo zaporedje je določeno z genetsko kodo.
Ravni strukturne organizacije biopolimerov
Obstajajo štiri ravni: primarna, sekundarna, terciarna in tudi kvartarna. Vsaka strukturaobstajajo posebne značilnosti.
Primarna struktura beljakovinskih molekul je linearna polipeptidna veriga aminokislinskih ostankov, povezanih s peptidnimi vezmi.
Prav ta struktura je najbolj stabilna, saj vsebuje peptidne kovalentne vezi med karboksilno skupino ene aminokisline in amino skupino druge molekule.
Sekundarna struktura vključuje zlaganje polipeptidne verige s pomočjo vodikovih vezi v spiralni obliki.
Terciarni tip biopolimera dobimo s prostorskim pakiranjem polipeptida. Razdeljujejo spiralne in večplastno zložene oblike terciarnih struktur.
Globularni proteini imajo eliptično obliko, medtem ko imajo fibrilarne molekule podolgovato obliko.
Če makromolekula vsebuje samo eno polipeptidno verigo, ima protein le terciarno strukturo. Na primer, to je beljakovina mišičnega tkiva (mioglobin), potrebna za vezavo kisika. Nekateri biopolimeri so zgrajeni iz več polipeptidnih verig, od katerih ima vsaka terciarno strukturo. V tem primeru ima makromolekula kvartarno strukturo, sestavljeno iz več globul, združenih v veliko strukturo. Hemoglobin lahko štejemo za edino kvaternarno beljakovino, ki vsebuje približno 8 odstotkov histidina. Prav on je aktiven znotrajcelični pufer v eritrocitih, ki omogoča vzdrževanje stabilne pH vrednosti krvi.
Nukleinske kisline
So makromolekularne spojine, ki jih tvorijo drobcinukleotidi. RNA in DNK se nahajata v vseh živih celicah, opravljata funkcijo shranjevanja, prenosa in tudi izvajanja dednih informacij. Nukleotidi delujejo kot monomeri. Vsak od njih vsebuje ostanek dušikove baze, ogljikovih hidratov in tudi fosforne kisline. Študije so pokazale, da se načelo komplementarnosti (komplementarnosti) opazi v DNK različnih živih organizmov. Nukleinske kisline so topne v vodi, netopne pa v organskih topilih. Ti biopolimeri se uničijo z naraščajočo temperaturo, ultravijoličnim sevanjem.
Namesto zaključka
Poleg različnih beljakovin in nukleinskih kislin so ogljikovi hidrati makromolekule. Polisaharidi v svoji sestavi imajo na stotine monomerov, ki imajo prijeten sladkast okus. Primeri hierarhične strukture makromolekul vključujejo ogromne molekule beljakovin in nukleinskih kislin s kompleksnimi podenotami.
Na primer, prostorska struktura globularne beljakovinske molekule je posledica hierarhične večstopenjske organizacije aminokislin. Med posameznimi nivoji obstaja tesna povezava, elementi višjega nivoja so povezani z nižjimi plastmi.
Vsi biopolimeri opravljajo pomembno podobno funkcijo. So gradbeni material za žive celice, odgovorni so za shranjevanje in prenos dednih informacij. Za vsako živo bitje so značilni specifični proteini, zato se biokemiki soočajo s težko in odgovorno nalogo, pri reševanju katere rešijo žive organizme pred gotovo smrtjo.
