Laboratorijā cilvēkiem izdevās sintezēt milzīgu skaitu dažādu ķīmisku savienojumu. Tomēr dabiskās vielas bija, ir un paliks vissvarīgākās un nozīmīgākās visu dzīvo sistēmu dzīvē. Tas ir, tās molekulas, kas ir iesaistītas tūkstošiem bioķīmisko reakciju organismos un ir atbildīgas par to normālu darbību.
Lielākā daļa no tiem pieder grupai, ko sauc par "bioloģiskajiem polimēriem".
Biopolimēru vispārīgā koncepcija
Pirmkārt, jāsaka, ka visi šie savienojumi ir lielmolekulārie un to masa sasniedz miljoniem d altonu. Šīs vielas ir dzīvnieku un augu polimēri, kuriem ir izšķiroša nozīme šūnu un to struktūru veidošanā, nodrošinot vielmaiņu, fotosintēzi, elpošanu, uzturu un visas citas dzīvā organisma dzīvībai svarīgās funkcijas.
Šādu savienojumu nozīmi ir grūti pārvērtēt. Biopolimēri ir dabiskas izcelsmes dabiskas vielas, kas veidojas dzīvos organismos un ir visas dzīvības pamatā uz mūsu planētas. Kādas ir konkrētas saistības ar tāmpieder?
Šūnu biopolimēri
To ir daudz. Tātad galvenie biopolimēri ir šādi:
- proteīni;
- polisaharīdi;
- nukleīnskābes (DNS un RNS).
Papildus tiem tas ietver arī daudzus jauktus polimērus, kas izveidoti no jau uzskaitīto polimēru kombinācijām. Piemēram, lipoproteīni, lipopolisaharīdi, glikoproteīni un citi.
Vispārīgie rekvizīti
Ir vairākas pazīmes, kas raksturīgas visām aplūkotajām molekulām. Piemēram, šādas vispārīgās biopolimēru īpašības:
- liela molekulmasa, jo ķīmiskajā struktūrā veidojas milzīgas makroķēdes ar zariem;
- saišu veidi makromolekulās (ūdeņraža, jonu mijiedarbības, elektrostatiskā pievilcība, disulfīdu tilti, peptīdu saites un citi);
- katras ķēdes struktūrvienība ir monomēra saite;
- stereoregularitāte vai tās neesamība ķēdes struktūrā.
Bet kopumā visiem biopolimēriem joprojām ir vairāk struktūras un funkciju atšķirību nekā līdzību.
Proteīni
Olb altumvielu molekulām ir liela nozīme jebkuras dzīvas būtnes dzīvē. Šādi biopolimēri ir visas biomasas pamatā. Patiešām, pat saskaņā ar Oparina-Haldāna teoriju, dzīvība uz Zemes radās no koacervāta piliena, kas bija proteīns.
Šo vielu struktūra ir pakļauta stingrai struktūras kārtībai. Katrs proteīns sastāv no aminoskābju atlikumiem, kasspēj savienoties savā starpā neierobežotā ķēdes garumā. Tas notiek, veidojot īpašas saites - peptīdu saites. Šāda saite veidojas starp četriem elementiem: oglekli, skābekli, slāpekli un ūdeņradi.
Proteīna molekula var saturēt daudz aminoskābju atlikumu, gan vienādu, gan dažādu (vairākus desmitus tūkstošus vai vairāk). Kopumā šajos savienojumos ir atrodamas 20 aminoskābju šķirnes. Taču to daudzveidīgā kombinācija ļauj olb altumvielām uzplaukt kvantitatīvā un sugu ziņā.
Olb altumvielu biopolimēriem ir dažādas telpiskās konformācijas. Tādējādi katrs pārstāvis var pastāvēt kā primāra, sekundāra, terciāra vai ceturtdaļa struktūra.
Visvienkāršākā un lineārākā no tām ir primārā. Tā ir vienkārši viena ar otru savienotu aminoskābju secību sērija.
Sekundārajai konformācijai ir sarežģītāka struktūra, jo kopējā proteīna makroķēde sāk spirāli, veidojot spoles. Divas blakus esošās makrostruktūras atrodas blakus viena otrai, pateicoties kovalentai un ūdeņraža mijiedarbībai starp to atomu grupām. Atšķiriet olb altumvielu sekundārās struktūras alfa un beta spirāles.
Terciārā struktūra ir viena proteīna makromolekula (polipeptīdu ķēde), kas saritināta bumbiņā. Ļoti sarežģīts mijiedarbības tīkls šajā globulā ļauj tai būt diezgan stabilai un saglabāt savu formu.
Kvartāra konformācija - dažas polipeptīdu ķēdes, savītas un savītasspolē, kas vienlaikus arī veido vairākas dažāda veida saites savā starpā. Sarežģītākā lodveida struktūra.
Olb altumvielu molekulu funkcijas
- Transports. To veic proteīna šūnas, kas veido plazmas membrānu. Tie veido jonu kanālus, caur kuriem var iziet noteiktas molekulas. Arī daudzi proteīni ir daļa no vienšūņu un baktēriju kustības organellām, tāpēc tie ir tieši iesaistīti to kustībā.
- Energofunkciju šīs molekulas veic ļoti aktīvi. Viens grams olb altumvielu vielmaiņas procesā veido 17,6 kJ enerģijas. Tāpēc šos savienojumus saturošu augu un dzīvnieku izcelsmes produktu patēriņš ir vitāli svarīgs dzīviem organismiem.
- Ēkas funkcija ir olb altumvielu molekulu līdzdalība vairuma šūnu struktūru, pašu šūnu, audu, orgānu un tā tālāk veidošanā. Gandrīz jebkura šūna pamatā ir veidota no šīm molekulām (olb altumvielu savienojumu veidošanā piedalās citoplazmas citoskelets, plazmas membrāna, ribosoma, mitohondriji un citas struktūras).
- Katalītisko funkciju veic fermenti, kas pēc savas ķīmiskās būtības nav nekas vairāk kā olb altumvielas. Bez fermentiem vairums bioķīmisko reakciju organismā nebūtu iespējamas, jo tie ir bioloģiski katalizatori dzīvās sistēmās.
- Receptoru (arī signalizācijas) funkcija palīdz šūnām orientēties un pareizi reaģēt uz jebkādām izmaiņām vidē, piemēram,mehāniskās un ķīmiskās.
Ja padziļināti aplūkojam olb altumvielas, varam izcelt vēl dažas sekundārās funkcijas. Tomēr uzskaitītie ir galvenie.
Nukleīnskābes
Šādi biopolimēri ir svarīga katras šūnas sastāvdaļa neatkarīgi no tā, vai tā ir prokariotu vai eikariotu. Patiešām, nukleīnskābes ietver DNS (dezoksiribonukleīnskābes) un RNS (ribonukleīnskābes) molekulas, no kurām katra ir ļoti svarīga saikne dzīvām būtnēm.
Pēc to ķīmiskās būtības DNS un RNS ir nukleotīdu secības, kas savienotas ar ūdeņraža saitēm un fosfātu tiltiem. DNS sastāv no tādiem nukleotīdiem kā:
- adenīns;
- timīns;
- guanīns;
- citozīns;
- 5-oglekļa cukura dezoksiriboze.
RNS atšķiras ar to, ka timīnu aizstāj ar uracilu un cukuru aizstāj ar ribozi.
Pateicoties īpašajai DNS molekulu strukturālajai organizācijai, tās spēj veikt vairākas dzīvībai svarīgas funkcijas. RNS arī spēlē lielu lomu šūnā.
Šādu skābju funkcijas
Nukleīnskābes ir biopolimēri, kas atbild par šādām funkcijām:
- DNS ir ģenētiskās informācijas glabātājs un pārraidītājs dzīvo organismu šūnās. Prokariotos šī molekula ir izplatīta citoplazmā. Eikariotu šūnā tas atrodas kodola iekšpusē, atdalīts ar kariolemu.
- Divpavedienu DNS molekula ir sadalīta sekcijās – gēnos, kas veido hromosomas struktūru. Ikviena cilvēka gēniradības veido īpašu ģenētisko kodu, kurā tiek šifrētas visas organisma pazīmes.
- RNS ir trīs veidu – veidnes, ribosomu un transporta. Ribosomāls piedalās olb altumvielu molekulu sintēzē un montāžā uz attiecīgajām struktūrām. Matricas un transporta pārsūtīšanas informāciju nolasa no DNS un atšifrē tās bioloģisko nozīmi.
polisaharīdi
Šie savienojumi pārsvarā ir augu polimēri, tas ir, tie atrodas tieši floras pārstāvju šūnās. Viņu šūnu siena, kas satur celulozi, ir īpaši bagāta ar polisaharīdiem.
Pēc to ķīmiskās būtības polisaharīdi ir sarežģītas ogļhidrātu makromolekulas. Tās var būt lineāras, slāņainas, savstarpēji saistītas konformācijas. Monomēri ir vienkārši piecu, biežāk sešu oglekļa cukuri – riboze, glikoze, fruktoze. Tiem ir liela nozīme dzīvām būtnēm, jo ir daļa no šūnām, ir rezerves barības viela augiem, tās sadalās, atbrīvojoties lielam enerģijas daudzumam.
Dažādu pārstāvju nozīme
Bioloģiskie polimēri, piemēram, ciete, celuloze, inulīns, glikogēns, hitīns un citi, ir ļoti svarīgi. Tie ir svarīgi enerģijas avoti dzīvos organismos.
Tātad, celuloze ir būtiska augu, dažu baktēriju šūnu sienas sastāvdaļa. Piešķir spēku, noteiktu formu. Rūpniecībā cilvēku izmanto papīra, vērtīgu acetāta šķiedru iegūšanai.
Ciete ir augu rezerves barības viela,kas ir arī vērtīgs pārtikas produkts cilvēkiem un dzīvniekiem.
Glikogēns jeb dzīvnieku tauki ir rezerves barības viela dzīvniekiem un cilvēkiem. Veic siltumizolācijas, enerģijas avota, mehāniskās aizsardzības funkcijas.
Jaukti biopolimēri dzīvās būtnēs
Papildus tiem, ko esam apsvēruši, ir dažādas makromolekulāro savienojumu kombinācijas. Šādi biopolimēri ir sarežģītas jauktas olb altumvielu un lipīdu (lipoproteīnu) vai polisaharīdu un olb altumvielu (glikoproteīnu) struktūras. Ir iespējama arī lipīdu un polisaharīdu (lipopolisaharīdu) kombinācija.
Katram no šiem biopolimēriem ir daudz šķirņu, kas dzīvās būtnēs veic vairākas svarīgas funkcijas: transportēšanas, signalizācijas, receptoru, regulēšanas, fermentatīvās, celtniecības un daudzas citas funkcijas. To uzbūve ir ķīmiski ļoti sarežģīta un nebūt nav visiem pārstāvjiem atšifrēta, līdz ar to funkcijas nav pilnībā definētas. Mūsdienās ir zināmi tikai visizplatītākie, bet ievērojama daļa paliek ārpus cilvēka zināšanu robežām.
