Makrocząsteczka to cząsteczka o dużej masie cząsteczkowej. Jego struktura przedstawiona jest w postaci wielokrotnie powtarzających się linków. Rozważ cechy takich związków, ich znaczenie dla życia istot żywych.
Cechy kompozycji
Biologiczne makrocząsteczki powstają z setek tysięcy małych materiałów wyjściowych. Żywe organizmy charakteryzują trzy główne typy makrocząsteczek: białka, polisacharydy, kwasy nukleinowe.
Początkowe monomery dla nich to monosacharydy, nukleotydy, aminokwasy. Makrocząsteczka stanowi prawie 90 procent masy komórki. W zależności od sekwencji reszt aminokwasowych powstaje specyficzna cząsteczka białka.
Wysoka masa cząsteczkowa to te substancje, które mają masę molową większą niż 103 Da.
Historia terminu
Kiedy pojawiła się makrocząsteczka? Koncepcja ta została wprowadzona przez laureata Nagrody Nobla w dziedzinie chemii Hermanna Staudingera w 1922 roku.
Kulka polimerowa może być postrzegana jako splątana nić, która powstała w wyniku przypadkowego odwinięciaw całym pomieszczeniu cewki. Cewka ta systematycznie zmienia swoją konformację, jest to przestrzenna konfiguracja makrocząsteczki. Jest podobny do trajektorii ruchu Browna.
Powstanie takiej cewki jest spowodowane tym, że w pewnej odległości łańcuch polimeru „gubi” informację o kierunku. O cewce można mówić w przypadku, gdy związki wielkocząsteczkowe mają znacznie większą długość niż długość fragmentu strukturalnego.
Konfiguracja globalna
Makrocząsteczka to gęsta konformacja, w której można porównać ułamek objętościowy polimeru z jednostką. Stan kulisty jest realizowany w tych przypadkach, gdy pod wpływem wzajemnego działania poszczególnych jednostek polimerowych między sobą a środowiskiem zewnętrznym następuje wzajemne przyciąganie.
Replika struktury makrocząsteczki to ta część wody, która jest osadzona jako element takiej struktury. Jest to najbliższe środowisko nawodnienia makrocząsteczki.
Charakterystyka cząsteczki białka
Makrocząsteczki białka są substancjami hydrofilowymi. Kiedy suche białko rozpuszcza się w wodzie, początkowo pęcznieje, a następnie obserwuje się stopniowe przejście do roztworu. Podczas pęcznienia cząsteczki wody wnikają w białko, wiążąc jego strukturę z grupami polarnymi. To rozluźnia gęste upakowanie łańcucha polipeptydowego. Spuchnięta cząsteczka białka jest uważana za roztwór zwrotny. Wraz z następującą absorpcją cząsteczek wody obserwuje się oddzielenie cząsteczek białka od masy całkowitej iistnieje również proces rozpadu.
Ale pęcznienie cząsteczki białka nie we wszystkich przypadkach powoduje rozpuszczenie. Na przykład kolagen po wchłonięciu cząsteczek wody pozostaje w stanie spuchniętym.
Teoria nawodnienia
Związki wielkocząsteczkowe według tej teorii nie tylko adsorbują, ale elektrostatycznie wiążą cząsteczki wody z polarnymi fragmentami rodników bocznych aminokwasów o ładunku ujemnym, a także aminokwasów zasadowych o ładunku dodatnim.
Częściowo uwodniona woda jest wiązana przez grupy peptydowe, które tworzą wiązania wodorowe z cząsteczkami wody.
Na przykład, polipeptydy z niepolarnymi grupami bocznymi pęcznieją. Wiążąc się z grupami peptydowymi, odpycha łańcuchy polipeptydowe. Obecność mostków międzyłańcuchowych nie pozwala na całkowite oderwanie się cząsteczek białka, przejście do postaci roztworu.
Struktura makrocząsteczek ulega zniszczeniu po podgrzaniu, co powoduje przerwanie i uwolnienie łańcuchów polipeptydowych.
Cechy żelatyny
Skład chemiczny żelatyny jest podobny do kolagenu, tworzy z wodą lepką ciecz. Wśród charakterystycznych właściwości żelatyny jest jej zdolność do żelowania.
Tego typu cząsteczki są używane jako środki hemostatyczne i zastępujące osocze. Zdolność żelatyny do tworzenia żeli jest wykorzystywana w produkcji kapsułek w przemyśle farmaceutycznym.
Funkcja rozpuszczalnościmakrocząsteczki
Te typy cząsteczek mają różną rozpuszczalność w wodzie. Decyduje o tym skład aminokwasowy. W obecności aminokwasów polarnych w strukturze zdolność rozpuszczania się w wodzie znacznie wzrasta.
Ponadto na tę właściwość wpływa specyfika organizacji makrocząsteczki. Białka kuliste mają wyższą rozpuszczalność niż makrocząsteczki fibrylarne. W trakcie licznych eksperymentów ustalono zależność rozpuszczania od właściwości użytego rozpuszczalnika.
Pierwsza struktura każdej cząsteczki białka jest inna, co nadaje białku indywidualne właściwości. Obecność wiązań krzyżowych między łańcuchami polipeptydowymi zmniejsza rozpuszczalność.
Pierwsza struktura cząsteczek białka jest tworzona przez wiązania peptydowe (amidowe), kiedy ulega zniszczeniu, następuje denaturacja białka.
Wysalanie
Aby zwiększyć rozpuszczalność cząsteczek białka, stosuje się roztwory soli obojętnych. Na przykład w podobny sposób można przeprowadzić selektywne wytrącanie białek, można przeprowadzić ich frakcjonowanie. Wynikowa liczba cząsteczek zależy od początkowego składu mieszaniny.
Specjalnością białek, które uzyskuje się przez wysalanie, jest zachowanie właściwości biologicznych po całkowitym usunięciu soli.
Istotą procesu jest usunięcie przez aniony i kationy soli uwodnionej otoczki białkowej, co zapewnia stabilność makrocząsteczki. Maksymalna liczba cząsteczek białka jest wysalana, gdy stosuje się siarczany. Ta metoda służy do oczyszczania i oddzielania makrocząsteczek białkowych, ponieważ zasadniczo są oneróżnią się wielkością ładunku, parametrami powłoki hydratacyjnej. Każde białko ma swoją własną strefę wysalania, czyli do tego należy wybrać sól o określonym stężeniu.
Aminokwasy
Obecnie znanych jest około dwustu aminokwasów, które są częścią cząsteczek białka. W zależności od struktury dzielą się na dwie grupy:
- proteinogenne, które są częścią makrocząsteczek;
- nieproteogenny, nie zaangażowany aktywnie w tworzenie białek.
Naukowcy zdołali rozszyfrować sekwencję aminokwasów w wielu cząsteczkach białek pochodzenia zwierzęcego i roślinnego. Wśród aminokwasów, które dość często znajdują się w składzie cząsteczek białek, zwracamy uwagę na serynę, glicynę, leucynę, alaninę. Każdy naturalny biopolimer ma swój własny skład aminokwasowy. Na przykład protaminy zawierają około 85 procent argininy, ale nie zawierają kwaśnych, cyklicznych aminokwasów. Fibroina to cząsteczka białka naturalnego jedwabiu, która zawiera około połowy glicyny. Kolagen zawiera tak rzadkie aminokwasy jak hydroksyprolina, hydroksylizyna, których nie ma w innych makrocząsteczkach białek.
Skład aminokwasowy jest determinowany nie tylko właściwościami aminokwasów, ale także funkcjami i przeznaczeniem makrocząsteczek białkowych. Ich kolejność jest określona przez kod genetyczny.
Poziomy strukturalnej organizacji biopolimerów
Istnieją cztery poziomy: podstawowe, średnie, wyższe i czwartorzędowe. Każda strukturaistnieją charakterystyczne cechy.
Podstawową strukturą cząsteczek białka jest liniowy łańcuch polipeptydowy reszt aminokwasowych połączonych wiązaniami peptydowymi.
To właśnie ta struktura jest najbardziej stabilna, ponieważ zawiera peptydowe wiązania kowalencyjne między grupą karboksylową jednego aminokwasu a grupą aminową innej cząsteczki.
Struktura drugorzędowa polega na ułożeniu łańcucha polipeptydowego za pomocą wiązań wodorowych w formie spiralnej.
Trzeciorzędowy typ biopolimeru jest uzyskiwany przez przestrzenne upakowanie polipeptydu. Dzielą spiralne i warstwowo złożone formy struktur trzeciorzędowych.
Białka kuliste mają kształt eliptyczny, podczas gdy cząsteczki fibrylarne mają kształt wydłużony.
Jeśli makrocząsteczka zawiera tylko jeden łańcuch polipeptydowy, białko ma tylko strukturę trzeciorzędową. Na przykład jest to białko tkanki mięśniowej (mioglobina) niezbędne do wiązania tlenu. Niektóre biopolimery zbudowane są z kilku łańcuchów polipeptydowych, z których każdy ma strukturę trzeciorzędową. W tym przypadku makrocząsteczka ma strukturę czwartorzędową, składającą się z kilku kulek połączonych w dużą strukturę. Hemoglobina może być uważana za jedyne czwartorzędowe białko zawierające około 8 procent histydyny. To właśnie on jest aktywnym buforem wewnątrzkomórkowym w erytrocytach, co pozwala na utrzymanie stabilnej wartości pH krwi.
Kwasy nukleinowe
Są to związki wielkocząsteczkowe, które tworzą fragmentynukleotydy. RNA i DNA znajdują się we wszystkich żywych komórkach, pełnią funkcję przechowywania, przekazywania, a także implementacji informacji dziedzicznych. Nukleotydy działają jak monomery. Każdy z nich zawiera pozostałość zasady azotowej, węglowodanu, a także kwasu fosforowego. Badania wykazały, że zasada komplementarności (komplementarności) jest obserwowana w DNA różnych organizmów żywych. Kwasy nukleinowe są rozpuszczalne w wodzie, ale nierozpuszczalne w rozpuszczalnikach organicznych. Te biopolimery są niszczone przez wzrost temperatury, promieniowanie ultrafioletowe.
Zamiast konkluzji
Oprócz różnych białek i kwasów nukleinowych, węglowodany są makrocząsteczkami. Polisacharydy w swoim składzie mają setki monomerów, które mają przyjemny słodkawy smak. Przykładami hierarchicznej struktury makrocząsteczek są ogromne cząsteczki białek i kwasów nukleinowych ze złożonymi podjednostkami.
Na przykład, przestrzenna struktura kulistej cząsteczki białka jest konsekwencją hierarchicznej wielopoziomowej organizacji aminokwasów. Pomiędzy poszczególnymi poziomami istnieje ścisły związek, elementy wyższego poziomu są połączone z niższymi warstwami.
Wszystkie biopolimery pełnią podobną ważną funkcję. Są budulcem żywych komórek, odpowiadają za przechowywanie i przekazywanie informacji dziedzicznych. Każda żywa istota charakteryzuje się specyficznymi białkami, dlatego biochemicy stają przed trudnym i odpowiedzialnym zadaniem, rozwiązując je, ratując żywe organizmy przed pewną śmiercią.
