Ogromno število različnih spojin različne kemične narave je uspelo sintetizirati ljudi v laboratoriju. Vendar pa so naravne snovi bile, so in bodo ostale najpomembnejše in pomembne za življenje vseh živih sistemov. Se pravi tiste molekule, ki sodelujejo v tisočih biokemičnih reakcij v organizmih in so odgovorne za njihovo normalno delovanje.
Velika večina jih spada v skupino, imenovano "biološki polimeri".
Splošni koncept biopolimerov
Najprej je treba povedati, da so vse te spojine visoko molekularne, njihova masa doseže milijone d altonov. Te snovi so živalski in rastlinski polimeri, ki igrajo odločilno vlogo pri gradnji celic in njihovih struktur ter zagotavljajo presnovo, fotosintezo, dihanje, prehrano in vse druge vitalne funkcije katerega koli živega organizma.
Težko je preceniti pomen takšnih spojin. Biopolimeri so naravne snovi naravnega izvora, ki nastajajo v živih organizmih in so osnova vsega življenja na našem planetu. Kakšne so posebne povezave z njimipripadaš?
Celični biopolimeri
Veliko jih je. Torej so glavni biopolimeri naslednji:
- proteini;
- polisaharidi;
- nukleinske kisline (DNK in RNA).
Poleg njih to vključuje tudi številne mešane polimere, ki nastanejo iz kombinacij že naštetih. Na primer lipoproteini, lipopolisaharidi, glikoproteini in drugi.
Splošne lastnosti
Obstaja več lastnosti, ki so neločljive za vse obravnavane molekule. Na primer, naslednje splošne lastnosti biopolimerov:
- velika molekulska masa zaradi tvorbe ogromnih makroverig z vejami v kemični strukturi;
- vrste vezi v makromolekulah (vodik, ionske interakcije, elektrostatična privlačnost, disulfidni mostovi, peptidne vezi in drugo);
- strukturna enota vsake verige je monomerni člen;
- stereopravilnost ali njena odsotnost v strukturi verige.
Toda na splošno imajo vsi biopolimeri še vedno več razlik v strukturi in funkciji kot podobnosti.
Beljakovine
Proteinske molekule so velikega pomena v življenju vsakega živega bitja. Takšni biopolimeri so osnova vse biomase. Dejansko celo po Oparin-Haldaneovi teoriji življenje na Zemlji izvira iz kapljice koacervata, ki je bila beljakovina.
Zgradba teh snovi je podvržena strogemu vrstnemu redu v strukturi. Vsak protein je sestavljen iz aminokislinskih ostankov, kise lahko povežejo med seboj v neomejenih dolžinah verige. To se zgodi s tvorbo posebnih vezi - peptidnih vezi. Takšna vez se tvori med štirimi elementi: ogljikom, kisikom, dušikom in vodikom.
Proteinska molekula lahko vsebuje veliko aminokislinskih ostankov, tako enakih kot različnih (več deset tisoč ali več). Skupno je v teh spojinah 20 vrst aminokislin, vendar njihova raznolika kombinacija omogoča, da se beljakovine razvijajo v količinskem in vrstnem smislu.
Proteinski biopolimeri imajo različne prostorske konformacije. Tako lahko vsak predstavnik obstaja kot primarna, sekundarna, terciarna ali kvartarna struktura.
Najbolj preprosta in linearna med njimi je primarna. To je preprosto niz aminokislinskih zaporedij, povezanih med seboj.
Sekundarna konformacija ima bolj zapleteno strukturo, saj se celotna makroveriga beljakovin začne spiralno vrteti in tvoriti tuljave. Dve sosednji makrostrukturi se zaradi kovalentnih in vodikovih interakcij med skupinama njihovih atomov držita blizu ena drugi. Razlikovati med alfa in beta vijačnicami sekundarne strukture beljakovin.
Terciarna struktura je ena sama makromolekula (polipeptidna veriga) beljakovine, zvita v kroglico. Zelo zapletena mreža interakcij znotraj te globule omogoča, da je precej stabilna in ohranja svojo obliko.
Kvartarna konformacija - nekaj polipeptidnih verig, zvitih in zvitihv tuljavo, ki hkrati med seboj tvorijo tudi več različnih vrst vezi. Najbolj zapletena kroglasta struktura.
Funkcije beljakovinskih molekul
- Prevoz. Izvajajo ga beljakovinske celice, ki sestavljajo plazemsko membrano. Tvorijo ionske kanale, skozi katere lahko prehajajo določene molekule. Tudi številne beljakovine so del organelov gibanja protozojev in bakterij, zato so neposredno vključene v njihovo gibanje.
- Energijsko funkcijo te molekule izvajajo zelo aktivno. En gram beljakovin v procesu presnove tvori 17,6 kJ energije. Zato je uživanje rastlinskih in živalskih proizvodov, ki vsebujejo te spojine, ključnega pomena za žive organizme.
- Gradbena funkcija je sodelovanje beljakovinskih molekul pri gradnji večine celičnih struktur, samih celic, tkiv, organov itd. Iz teh molekul je v osnovi zgrajena skoraj vsaka celica (pri tvorbi beljakovinskih spojin sodelujejo citoskelet citoplazme, plazemska membrana, ribosom, mitohondriji in druge strukture).
- Katalitično funkcijo izvajajo encimi, ki po svoji kemični naravi niso nič drugega kot beljakovine. Brez encimov bi bila večina biokemičnih reakcij v telesu nemogoča, saj so ti biološki katalizatorji v živih sistemih.
- Receptorska (tudi signalna) funkcija pomaga celicam pri krmarjenju in se pravilno odzvati na kakršne koli spremembe v okolju, kot je npr.mehansko in kemično.
Če proteine obravnavamo bolj poglobljeno, lahko izpostavimo še nekaj sekundarnih funkcij. Vendar so navedeni glavni.
Nukleinske kisline
Takšni biopolimeri so pomemben del vsake celice, pa naj bo to prokariontska ali evkariontska. Nukleinske kisline dejansko vključujejo molekule DNK (deoksiribonukleinska kislina) in RNA (ribonukleinska kislina), od katerih je vsaka zelo pomembna povezava za živa bitja.
Po svoji kemični naravi sta DNK in RNA zaporedja nukleotidov, povezanih z vodikovimi vezmi in fosfatnimi mostovi. DNK je sestavljena iz nukleotidov, kot so:
- adenin;
- timin;
- gvanin;
- citozin;
- 5-ogljični sladkor deoksiriboza.
RNA se razlikuje po tem, da timin nadomesti uracil, sladkor pa riboza.
Zaradi posebne strukturne organizacije molekule DNK lahko opravljajo številne vitalne funkcije. RNA ima tudi veliko vlogo v celici.
Funkcije takšnih kislin
Nukleinske kisline so biopolimeri, ki so odgovorni za naslednje funkcije:
- DNK je skladišče in prenašalec genetskih informacij v celicah živih organizmov. Pri prokariotih je ta molekula porazdeljena v citoplazmi. V evkariontski celici se nahaja znotraj jedra, ločeno s kariolemo.
- Molekula dvoverižne DNK je razdeljena na odseke - gene, ki sestavljajo strukturo kromosoma. Vsi genibitja tvorijo posebno genetsko kodo, v kateri so šifrirani vsi znaki organizma.
- RNA je treh vrst - šablonska, ribosomska in transportna. Ribosomal sodeluje pri sintezi in sestavljanju beljakovinskih molekul na ustreznih strukturah. Informacije o prenosu matrike in transporta, prebranih iz DNK in dešifriranju njihovega biološkega pomena.
polisaharidi
Te spojine so pretežno rastlinski polimeri, torej jih najdemo prav v celicah predstavnikov flore. Njihova celična stena, ki vsebuje celulozo, je še posebej bogata s polisaharidi.
Po svoji kemični naravi so polisaharidi kompleksne makromolekule ogljikovih hidratov. Lahko so linearne, večplastne, navzkrižno povezane konformacije. Monomeri so preprosti pet-, pogosteje šest-ogljikovi sladkorji - riboza, glukoza, fruktoza. Za živa bitja so velikega pomena, saj so del celic, so rezervno hranilo za rastline, razgradijo se s sproščanjem velike količine energije.
Pomen različnih predstavnikov
Biološki polimeri, kot so škrob, celuloza, inulin, glikogen, hitin in drugi, so zelo pomembni. So pomemben vir energije v živih organizmih.
Torej, celuloza je bistvena sestavina celične stene rastlin, nekaterih bakterij. Daje moč, določeno obliko. V industriji se človek uporablja za pridobivanje papirja, dragocenih acetatnih vlaken.
Škrob je rezervno rastlinsko hranilo,ki je tudi dragocen prehrambeni proizvod za ljudi in živali.
Glikogen ali živalska maščoba je rezervno hranilo za živali in ljudi. Opravlja funkcije toplotne izolacije, vira energije, mehanske zaščite.
Mešani biopolimeri v živih bitjih
Poleg tistih, ki smo jih obravnavali, obstajajo različne kombinacije makromolekularnih spojin. Takšni biopolimeri so kompleksne mešane strukture beljakovin in lipidov (lipoproteini) ali polisaharidov in beljakovin (glikoproteini). Možna je tudi kombinacija lipidov in polisaharidov (lipopolisaharidov).
Vsak od teh biopolimerov ima številne sorte, ki opravljajo številne pomembne funkcije v živih bitjih: transportne, signalne, receptorske, regulativne, encimske, gradbene in številne druge. Njihova struktura je kemično zelo zapletena in še zdaleč ni dešifrirana za vse predstavnike, zato funkcije niso v celoti opredeljene. Danes so znani le najpogostejši, a pomemben del ostaja zunaj meja človeškega znanja.
