Μακρομόριο είναι ένα μόριο που έχει υψηλό μοριακό βάρος. Η δομή του παρουσιάζεται με τη μορφή επαναλαμβανόμενων συνδέσμων. Εξετάστε τα χαρακτηριστικά τέτοιων ενώσεων, τη σημασία τους για τη ζωή των ζωντανών όντων.
Χαρακτηριστικά της σύνθεσης
Τα βιολογικά μακρομόρια σχηματίζονται από εκατοντάδες χιλιάδες μικρά αρχικά υλικά. Οι ζωντανοί οργανισμοί χαρακτηρίζονται από τρεις κύριους τύπους μακρομορίων: πρωτεΐνες, πολυσακχαρίτες, νουκλεϊκά οξέα.
Τα αρχικά μονομερή για αυτά είναι μονοσακχαρίτες, νουκλεοτίδια, αμινοξέα. Ένα μακρομόριο είναι σχεδόν το 90 τοις εκατό της κυτταρικής μάζας. Ανάλογα με την αλληλουχία των υπολειμμάτων αμινοξέων, σχηματίζεται ένα συγκεκριμένο μόριο πρωτεΐνης.
Υψηλό μοριακό βάρος είναι εκείνες οι ουσίες που έχουν μοριακή μάζα μεγαλύτερη από 103 Da.
Ιστορία του όρου
Πότε εμφανίστηκε το μακρομόριο; Αυτή η έννοια εισήχθη από τον βραβευμένο με Νόμπελ Χημείας Hermann Staudinger το 1922.
Η πολυμερής μπάλα μπορεί να θεωρηθεί ως ένα μπερδεμένο νήμα που σχηματίστηκε από τυχαίο ξετύλιγμασε όλο το δωμάτιο πηνίου. Αυτό το πηνίο αλλάζει συστηματικά τη διαμόρφωσή του· αυτή είναι η χωρική διαμόρφωση του μακρομορίου. Είναι παρόμοια με την τροχιά της κίνησης Brown.
Ο σχηματισμός ενός τέτοιου πηνίου συμβαίνει λόγω του γεγονότος ότι σε μια ορισμένη απόσταση η αλυσίδα του πολυμερούς "χάνει" πληροφορίες σχετικά με την κατεύθυνση. Είναι δυνατόν να μιλάμε για πηνίο στην περίπτωση που οι ενώσεις υψηλού μοριακού βάρους έχουν πολύ μεγαλύτερο μήκος από το μήκος του δομικού θραύσματος.
Σφαιρική διαμόρφωση
Ένα μακρομόριο είναι μια πυκνή διαμόρφωση στην οποία μπορεί κανείς να συγκρίνει το κλάσμα όγκου ενός πολυμερούς με μια μονάδα. Η σφαιρική κατάσταση πραγματοποιείται σε εκείνες τις περιπτώσεις όπου, υπό την αμοιβαία δράση μεμονωμένων πολυμερών μονάδων μεταξύ τους και του εξωτερικού περιβάλλοντος, εμφανίζεται αμοιβαία έλξη.
Ένα αντίγραφο της δομής ενός μακρομορίου είναι εκείνο το μέρος του νερού που είναι ενσωματωμένο ως στοιχείο μιας τέτοιας δομής. Είναι το πλησιέστερο περιβάλλον ενυδάτωσης του μακρομορίου.
Χαρακτηρισμός ενός μορίου πρωτεΐνης
Τα μακρομόρια πρωτεΐνης είναι υδρόφιλες ουσίες. Όταν μια ξηρή πρωτεΐνη διαλύεται σε νερό, αρχικά διογκώνεται και στη συνέχεια παρατηρείται σταδιακή μετάβαση σε διάλυμα. Κατά τη διόγκωση, μόρια νερού διεισδύουν στην πρωτεΐνη, δεσμεύοντας τη δομή της με πολικές ομάδες. Αυτό χαλαρώνει την πυκνή συσκευασία της πολυπεπτιδικής αλυσίδας. Ένα διογκωμένο μόριο πρωτεΐνης θεωρείται οπίσθιο διάλυμα. Με την επακόλουθη απορρόφηση των μορίων του νερού, παρατηρείται ο διαχωρισμός των μορίων πρωτεΐνης από τη συνολική μάζα καιυπάρχει επίσης μια διαδικασία διάλυσης.
Αλλά η διόγκωση ενός μορίου πρωτεΐνης δεν προκαλεί σε όλες τις περιπτώσεις διάλυση. Για παράδειγμα, το κολλαγόνο μετά την απορρόφηση των μορίων του νερού παραμένει σε διογκωμένη κατάσταση.
θεωρία ενυδάτωσης
Οι υψηλομοριακές ενώσεις σύμφωνα με αυτή τη θεωρία δεν προσροφούν απλώς, αλλά δεσμεύουν ηλεκτροστατικά μόρια νερού με πολικά θραύσματα πλευρικών ριζών αμινοξέων που έχουν αρνητικό φορτίο, καθώς και βασικά αμινοξέα που φέρουν θετικό φορτίο.
Μερικώς ενυδατωμένο νερό δεσμεύεται από πεπτιδικές ομάδες που σχηματίζουν δεσμούς υδρογόνου με μόρια νερού.
Για παράδειγμα, τα πολυπεπτίδια που έχουν μη πολικές πλευρικές ομάδες διογκώνονται. Όταν δεσμεύεται σε πεπτιδικές ομάδες, απομακρύνει τις πολυπεπτιδικές αλυσίδες. Η παρουσία γεφυρών μεταξύ των αλυσίδων δεν επιτρέπει στα πρωτεϊνικά μόρια να αποκολληθούν εντελώς, να πάρουν τη μορφή διαλύματος.
Η δομή των μακρομορίων καταστρέφεται όταν θερμαίνεται, με αποτέλεσμα να σπάνε και να απελευθερώνονται πολυπεπτιδικές αλυσίδες.
Χαρακτηριστικά της ζελατίνης
Η χημική σύνθεση της ζελατίνης είναι παρόμοια με το κολλαγόνο, σχηματίζει ένα παχύρρευστο υγρό με το νερό. Μεταξύ των χαρακτηριστικών ιδιοτήτων της ζελατίνης είναι η ικανότητά της να ζελατινοποιείται.
Αυτοί οι τύποι μορίων χρησιμοποιούνται ως αιμοστατικοί παράγοντες και παράγοντες υποκατάστασης πλάσματος. Η ικανότητα της ζελατίνης να σχηματίζει πηκτώματα χρησιμοποιείται στην παραγωγή καψουλών στη φαρμακοβιομηχανία.
Δυνατότητα διαλυτότηταςμακρομόρια
Αυτοί οι τύποι μορίων έχουν διαφορετική διαλυτότητα στο νερό. Καθορίζεται από τη σύνθεση αμινοξέων. Με την παρουσία πολικών αμινοξέων στη δομή, η ικανότητα διάλυσης στο νερό αυξάνεται σημαντικά.
Επίσης, αυτή η ιδιότητα επηρεάζεται από την ιδιαιτερότητα της οργάνωσης του μακρομορίου. Οι σφαιρικές πρωτεΐνες έχουν υψηλότερη διαλυτότητα από τα ινιδώδη μακρομόρια. Κατά τη διάρκεια πολλών πειραμάτων, διαπιστώθηκε η εξάρτηση της διάλυσης από τα χαρακτηριστικά του χρησιμοποιούμενου διαλύτη.
Η πρωταρχική δομή κάθε μορίου πρωτεΐνης είναι διαφορετική, γεγονός που δίνει στην πρωτεΐνη ατομικές ιδιότητες. Η παρουσία σταυροδεσμών μεταξύ πολυπεπτιδικών αλυσίδων μειώνει τη διαλυτότητα.
Η πρωταρχική δομή των πρωτεϊνικών μορίων σχηματίζεται λόγω των πεπτιδικών (αμιδικών) δεσμών· όταν καταστρέφεται, λαμβάνει χώρα μετουσίωση πρωτεΐνης.
Αλάτισμα
Για να αυξηθεί η διαλυτότητα των μορίων πρωτεΐνης, χρησιμοποιούνται διαλύματα ουδέτερων αλάτων. Για παράδειγμα, με παρόμοιο τρόπο, μπορεί να πραγματοποιηθεί επιλεκτική καθίζηση πρωτεϊνών, μπορεί να πραγματοποιηθεί η κλασματοποίησή τους. Ο αριθμός των μορίων που προκύπτει εξαρτάται από την αρχική σύνθεση του μείγματος.
Η ιδιαιτερότητα των πρωτεϊνών, που λαμβάνονται με το αλάτισμα, είναι η διατήρηση των βιολογικών χαρακτηριστικών μετά την πλήρη αφαίρεση του αλατιού.
Η ουσία της διαδικασίας είναι η απομάκρυνση από ανιόντα και κατιόντα του άλατος του κελύφους της ενυδατωμένης πρωτεΐνης, η οποία εξασφαλίζει τη σταθερότητα του μακρομορίου. Ο μέγιστος αριθμός μορίων πρωτεΐνης αλατίζεται όταν χρησιμοποιούνται θειικά άλατα. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιείται για τον καθαρισμό και τον διαχωρισμό πρωτεϊνικών μακρομορίων, αφού ουσιαστικά είναιδιαφέρουν ως προς το μέγεθος της φόρτισης, τις παραμέτρους του κελύφους ενυδάτωσης. Κάθε πρωτεΐνη έχει τη δική της ζώνη αλατίσματος, δηλαδή για αυτήν πρέπει να επιλέξετε αλάτι μιας δεδομένης συγκέντρωσης.
Αμινοξέα
Επί του παρόντος, είναι γνωστά περίπου διακόσια αμινοξέα που αποτελούν μέρος των μορίων πρωτεΐνης. Ανάλογα με τη δομή, χωρίζονται σε δύο ομάδες:
- πρωτεϊνογόνα, τα οποία αποτελούν μέρος των μακρομορίων;
- μη πρωτεϊνογόνο, δεν συμμετέχει ενεργά στον σχηματισμό πρωτεϊνών.
Οι επιστήμονες κατάφεραν να αποκρυπτογραφήσουν την αλληλουχία αμινοξέων σε πολλά πρωτεϊνικά μόρια ζωικής και φυτικής προέλευσης. Μεταξύ των αμινοξέων που βρίσκονται αρκετά συχνά στη σύνθεση των μορίων πρωτεΐνης, σημειώνουμε τη σερίνη, τη γλυκίνη, τη λευκίνη, την αλανίνη. Κάθε φυσικό βιοπολυμερές έχει τη δική του σύνθεση αμινοξέων. Για παράδειγμα, οι πρωταμίνες περιέχουν περίπου 85 τοις εκατό αργινίνη, αλλά δεν περιέχουν όξινα, κυκλικά αμινοξέα. Το ινώδες είναι ένα μόριο πρωτεΐνης φυσικού μεταξιού, το οποίο περιέχει περίπου το ήμισυ της γλυκίνης. Το κολλαγόνο περιέχει τέτοια σπάνια αμινοξέα όπως η υδροξυπρολίνη, η υδροξυλυσίνη, τα οποία απουσιάζουν σε άλλα μακρομόρια πρωτεΐνης.
Η σύνθεση αμινοξέων καθορίζεται όχι μόνο από τα χαρακτηριστικά των αμινοξέων, αλλά και από τις λειτουργίες και τον σκοπό των μακρομορίων πρωτεΐνης. Η αλληλουχία τους καθορίζεται από τον γενετικό κώδικα.
Επίπεδα δομικής οργάνωσης βιοπολυμερών
Υπάρχουν τέσσερα επίπεδα: πρωτοβάθμιο, δευτεροβάθμιο, τριτοβάθμιο και επίσης τεταρτογενές. Κάθε δομήυπάρχουν διακριτικά χαρακτηριστικά.
Η πρωταρχική δομή των μορίων πρωτεΐνης είναι μια γραμμική πολυπεπτιδική αλυσίδα υπολειμμάτων αμινοξέων που συνδέονται με πεπτιδικούς δεσμούς.
Αυτή η δομή είναι η πιο σταθερή, καθώς περιέχει πεπτιδικούς ομοιοπολικούς δεσμούς μεταξύ της καρβοξυλικής ομάδας ενός αμινοξέος και της αμινομάδας ενός άλλου μορίου.
Η δευτερεύουσα δομή περιλαμβάνει τη στοίβαξη της πολυπεπτιδικής αλυσίδας με τη βοήθεια δεσμών υδρογόνου σε ελικοειδή μορφή.
Ο τριτογενής τύπος βιοπολυμερούς λαμβάνεται από τη χωρική συσκευασία του πολυπεπτιδίου. Υποδιαιρούν σπειροειδείς και πολυεπίπεδες μορφές τριτογενών δομών.
Οι σφαιρικές πρωτεΐνες έχουν ελλειπτικό σχήμα, ενώ τα ινώδη μόρια έχουν επίμηκες σχήμα.
Αν ένα μακρομόριο περιέχει μόνο μία πολυπεπτιδική αλυσίδα, η πρωτεΐνη έχει μόνο τριτοταγή δομή. Για παράδειγμα, είναι μια πρωτεΐνη μυϊκού ιστού (μυοσφαιρίνη) απαραίτητη για τη δέσμευση οξυγόνου. Ορισμένα βιοπολυμερή κατασκευάζονται από πολλές πολυπεπτιδικές αλυσίδες, καθεμία από τις οποίες έχει τριτοταγή δομή. Σε αυτή την περίπτωση, το μακρομόριο έχει μια τεταρτοταγή δομή, που αποτελείται από πολλά σφαιρίδια συνδυασμένα σε μια μεγάλη δομή. Η αιμοσφαιρίνη μπορεί να θεωρηθεί η μόνη τεταρτοταγής πρωτεΐνη που περιέχει περίπου 8 τοις εκατό ιστιδίνη. Είναι αυτός που είναι ένα ενεργό ενδοκυτταρικό ρυθμιστικό στα ερυθροκύτταρα, το οποίο επιτρέπει τη διατήρηση μιας σταθερής τιμής pH του αίματος.
Νουκλεϊκά οξέα
Είναι μακρομοριακές ενώσεις που σχηματίζονται από θραύσματανουκλεοτίδια. Το RNA και το DNA βρίσκονται σε όλα τα ζωντανά κύτταρα, εκτελούν τη λειτουργία της αποθήκευσης, της μετάδοσης και της εφαρμογής κληρονομικών πληροφοριών. Τα νουκλεοτίδια δρουν ως μονομερή. Κάθε ένα από αυτά περιέχει ένα υπόλειμμα αζωτούχου βάσης, υδατάνθρακα και επίσης φωσφορικό οξύ. Μελέτες έχουν δείξει ότι η αρχή της συμπληρωματικότητας (συμπληρωματικότητα) παρατηρείται στο DNA διαφορετικών ζωντανών οργανισμών. Τα νουκλεϊκά οξέα είναι διαλυτά στο νερό αλλά αδιάλυτα σε οργανικούς διαλύτες. Αυτά τα βιοπολυμερή καταστρέφονται από την αύξηση της θερμοκρασίας, την υπεριώδη ακτινοβολία.
Αντί για συμπέρασμα
Εκτός από διάφορες πρωτεΐνες και νουκλεϊκά οξέα, οι υδατάνθρακες είναι μακρομόρια. Οι πολυσακχαρίτες στη σύνθεσή τους έχουν εκατοντάδες μονομερή, τα οποία έχουν μια ευχάριστη γλυκιά γεύση. Παραδείγματα της ιεραρχικής δομής των μακρομορίων περιλαμβάνουν τεράστια μόρια πρωτεϊνών και νουκλεϊκών οξέων με σύνθετες υπομονάδες.
Για παράδειγμα, η χωρική δομή ενός σφαιρικού μορίου πρωτεΐνης είναι συνέπεια της ιεραρχικής πολυεπίπεδης οργάνωσης των αμινοξέων. Υπάρχει στενή σύνδεση μεταξύ των επιμέρους επιπέδων, τα στοιχεία ενός υψηλότερου επιπέδου συνδέονται με τα χαμηλότερα επίπεδα.
Όλα τα βιοπολυμερή εκτελούν μια σημαντική παρόμοια λειτουργία. Αποτελούν το δομικό υλικό για τα ζωντανά κύτταρα, είναι υπεύθυνα για την αποθήκευση και τη μετάδοση κληρονομικών πληροφοριών. Κάθε ζωντανό ον χαρακτηρίζεται από συγκεκριμένες πρωτεΐνες, επομένως οι βιοχημικοί αντιμετωπίζουν ένα δύσκολο και υπεύθυνο έργο, λύνοντας το οποίο σώζουν ζωντανούς οργανισμούς από βέβαιο θάνατο.
