Макромолекула
Макромолекула — это очень большая молекула , важная для биологических процессов, такая как белок или нуклеиновая кислота . Он состоит из тысяч ковалентно связанных атомов . Многие макромолекулы представляют собой полимеры более мелких молекул, называемых мономерами . Наиболее распространенными макромолекулами в биохимии являются биополимеры ( нуклеиновые кислоты , белки и углеводы ) и крупные неполимерные молекулы, такие как липиды , наногели и макроциклы . [1] Синтетические волокна и экспериментальные материалы, такие как углеродные нанотрубки. [2] [3] также являются примерами макромолекул.
Определение
[ редактировать ]Макромолекула
Большая молекулаМолекула с высокой относительной молекулярной массой, структура которой по существу
включает в себя многократное повторение единиц, полученных фактически или концептуально из
молекулы с низкой относительной молекулярной массой.
- Примечания
1. Во многих случаях, особенно для синтетических полимеров, молекулу можно рассматривать
как имеющий высокую относительную молекулярную массу, если добавление или удаление одного или
лишь немногие звенья оказывают незначительное влияние на молекулярные свойства. Это заявление
терпит неудачу в случае некоторых макромолекул, свойства которых могут быть
критически зависит от мелких деталей молекулярной структуры.
2. Если часть или вся молекула подходит под это определение, ее можно описать
либо как макромолекулярный , либо как полимерный , либо как полимер, используемый в качестве прилагательного. [4]
Термин макромолекула ( макро- + молекула ) был введен нобелевским лауреатом Германом Штаудингером в 1920-х годах, хотя в его первой соответствующей публикации в этой области упоминаются только высокомолекулярные соединения (более 1000 атомов). [5] В то время термин «полимер» , введенный Берцелиусом в 1832 году, имел иное значение, чем сегодня: это просто была другая форма изомерии , например, с бензолом и ацетиленом, и не имела ничего общего с размером. [6]
Использование этого термина для описания больших молекул варьируется в зависимости от дисциплины. Например, в то время как в биологии макромолекулы называются четырьмя большими молекулами, содержащими живые существа, в химии этот термин может относиться к агрегатам из двух или более молекул, удерживаемых вместе межмолекулярными силами, а не ковалентными связями , но которые не легко диссоциируют. [7]
Согласно стандартному определению ИЮПАК , термин «макромолекула» , используемый в науке о полимерах, относится только к одной молекуле. Например, одну полимерную молекулу уместно описать как «макромолекулу» или «молекулу полимера», а не как «полимер», что предполагает вещество, состоящее из макромолекул. [8]
Из-за своего размера макромолекулы неудобно описывать только с точки зрения стехиометрии . Строение простых макромолекул, таких как гомополимеры, можно описать с точки зрения отдельной субъединицы мономера и общей молекулярной массы . С другой стороны, сложные биомакромолекулы требуют многогранного структурного описания, такого как иерархия структур, используемых для описания белков . В британском английском слово «макромолекула» обычно называют « высокополимерным ».
Характеристики
[ редактировать ] | Этот раздел нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( Май 2013 г. ) |
Макромолекулы часто обладают необычными физическими свойствами, которых нет у более мелких молекул. [ как? ]
Другим общим макромолекулярным свойством, которое не характеризует более мелкие молекулы, является их относительная нерастворимость в воде и подобных растворителях , вместо этого они образуют коллоиды . Многим из них для растворения в воде требуются соли или определенные ионы . Точно так же многие белки денатурируют , если концентрация растворенного вещества в их растворе слишком высока или слишком низка.
Высокие концентрации макромолекул в растворе могут изменить скорости и константы равновесия реакций других макромолекул за счет эффекта, известного как макромолекулярное краудинг . [9] макромолекул Это происходит за счет исключения других молекул из значительной части объема раствора, тем самым увеличивая эффективные концентрации этих молекул.
Линейные биополимеры
[ редактировать ]всех живых организмов зависят от трех основных биополимеров Биологические функции : ДНК , РНК и белков . [10] Каждая из этих молекул необходима для жизни, поскольку каждая играет в клетке особую, незаменимую роль . [11] Если кратко, то ДНК создает РНК, а затем РНК создает белки .
ДНК, РНК и белки состоят из повторяющейся структуры связанных строительных блоков ( нуклеотидов в случае ДНК и РНК и аминокислот в случае белков). В общем, все они представляют собой неразветвленные полимеры, поэтому их можно представить в виде струны. Действительно, их можно рассматривать как цепочку бусинок, каждая из которых представляет собой один мономер нуклеотида или аминокислоты, соединенный ковалентными химическими связями в очень длинную цепь.
В большинстве случаев мономеры внутри цепи имеют сильную склонность к взаимодействию с другими аминокислотами или нуклеотидами. В ДНК и РНК это может принимать форму пар оснований Уотсона-Крика (G-C и A-T или A-U), хотя могут происходить и происходят многие более сложные взаимодействия.
Конструктивные особенности
[ редактировать ]| ДНК | РНК | Белки | |
|---|---|---|---|
| Кодирует генетическую информацию | Да | Да | Нет |
| Катализирует биологические реакции | Нет | Да | Да |
| Строительные блоки (тип) | Нуклеотиды | Нуклеотиды | Аминокислоты |
| Строительные блоки (количество) | 4 | 4 | 20 |
| Неблагополучие | Двойной | Одинокий | |
| Структура | Двойная спираль | Сложный | Сложный |
| Устойчивость к деградации | Высокий | Переменная | Переменная |
| Ремонтные системы | Да | Нет | Нет |
Из-за двухцепочечной природы ДНК практически все нуклеотиды принимают форму пар оснований Уотсона-Крика между нуклеотидами на двух комплементарных цепях двойной спирали .
Напротив, и РНК, и белки обычно являются одноцепочечными. Следовательно, они не ограничены правильной геометрией двойной спирали ДНК и поэтому складываются в сложные трехмерные формы в зависимости от их последовательности. Эти различные формы ответственны за многие общие свойства РНК и белков, включая образование карманов специфического связывания и способность катализировать биохимические реакции.
ДНК оптимизирована для кодирования информации
[ редактировать ]ДНК — это макромолекула, хранящая информацию, которая кодирует полный набор инструкций ( геном ), необходимых для сборки, поддержания и воспроизводства каждого живого организма. [12]
И ДНК, и РНК способны кодировать генетическую информацию, поскольку существуют биохимические механизмы, которые считывают информацию, закодированную в последовательности ДНК или РНК, и используют ее для создания определенного белка. С другой стороны, информация о последовательности белковой молекулы не используется клетками для функционального кодирования генетической информации. [1] : 5
У ДНК есть три основных свойства, которые позволяют ей кодировать генетическую информацию намного лучше, чем РНК. Во-первых, он обычно двухцепочечный, поэтому в каждой клетке имеется как минимум две копии информации, кодирующей каждый ген. Во-вторых, ДНК обладает гораздо большей устойчивостью к разрушению, чем РНК, и это свойство в первую очередь связано с отсутствием 2'-гидроксильной группы в каждом нуклеотиде ДНК. В-третьих, существуют весьма сложные системы наблюдения и восстановления ДНК, которые отслеживают повреждение ДНК и при необходимости восстанавливают последовательность. Аналогичные системы для восстановления поврежденных молекул РНК не созданы. Следовательно, хромосомы могут содержать многие миллиарды атомов, расположенных в определенной химической структуре.
Белки оптимизированы для катализа
[ редактировать ]Белки — это функциональные макромолекулы, ответственные за катализ биохимических реакций , поддерживающих жизнь. [1] : 3 Белки выполняют все функции организма, например фотосинтез, нервную функцию, зрение и движение. [13]
Одноцепочечная природа белковых молекул в сочетании с их составом из 20 или более различных аминокислотных строительных блоков позволяет им сворачиваться в огромное количество различных трехмерных форм, обеспечивая при этом связывающие карманы, через которые они могут специфически взаимодействовать с другими аминокислотами. всевозможные молекулы. Кроме того, химическое разнообразие различных аминокислот вместе с различным химическим окружением, обеспечиваемым локальной трехмерной структурой, позволяет многим белкам действовать как ферменты , катализируя широкий спектр специфических биохимических преобразований внутри клеток. Кроме того, белки развили способность связывать широкий спектр кофакторов и коферментов , более мелких молекул, которые могут наделять белок специфической активностью, выходящей за рамки той, которая связана только с полипептидной цепью.
РНК многофункциональна
[ редактировать ]РНК многофункциональна, ее основная функция — кодировать белки в соответствии с инструкциями, содержащимися в ДНК клетки. [1] : 5 Они контролируют и регулируют многие аспекты синтеза белка у эукариот .
РНК кодирует генетическую информацию, которая может быть преобразована в аминокислотную последовательность белков, о чем свидетельствуют молекулы информационной РНК, присутствующие в каждой клетке, а также геномы РНК большого числа вирусов. Одноцепочечная природа РНК вместе со склонностью к быстрому распаду и отсутствием систем репарации означает, что РНК не так хорошо подходит для долговременного хранения генетической информации, как ДНК.
Кроме того, РНК представляет собой одноцепочечный полимер, который, как и белки, может сворачиваться в очень большое количество трехмерных структур. Некоторые из этих структур обеспечивают места связывания для других молекул и химически активные центры, которые могут катализировать определенные химические реакции на этих связанных молекулах. Ограниченное количество различных строительных блоков РНК (4 нуклеотида против >20 аминокислот в белках) вместе с отсутствием химического разнообразия приводит к тому, что каталитические РНК ( рибозимы ) обычно являются менее эффективными катализаторами, чем белки, для большинства биологических реакций.
Основные макромолекулы:
| Макромолекула (Полимер) | Строительный блок (Мономер) | Облигации, которые их объединяют |
|---|---|---|
| Белки | Аминокислоты | Пептид |
| Нуклеиновые кислоты | фосфодиэфир | |
| ДНК | Нуклеотиды (фосфат, рибоза и основание — аденин, гуанин, тимин или цитозин) | |
| РНК | Нуклеотиды (фосфат, рибоза и основание — аденин, гуанин, урацил или цитозин) | |
| Полисахариды | Моносахариды | гликозидный |
| Липиды | в отличие от других макромолекул, липиды не определяются химической структурой. Липиды – это любые органические неполярные молекулы. | Некоторые липиды удерживаются вместе сложноэфирными связями; некоторые представляют собой огромные агрегаты небольших молекул, удерживаемых вместе гидрофобными взаимодействиями. |
| Углеводы | углерод, водород и кислород | |
| Основные белковые комплексы? |
Разветвленные биополимеры
[ редактировать ]
Макромолекулы углеводов ( полисахариды ) образуются из полимеров моносахаридов . [1] : 11 Поскольку моносахариды имеют несколько функциональных групп , полисахариды могут образовывать линейные полимеры (например, целлюлоза ) или сложные разветвленные структуры (например, гликоген ). Полисахариды выполняют многочисленные роли в живых организмах, выступая в качестве запаса энергии (например, крахмал ) и структурных компонентов (например, хитин у членистоногих и грибов). Многие углеводы содержат модифицированные моносахаридные единицы, в которых заменены или удалены функциональные группы.
Полифенолы состоят из разветвленной структуры из множества фенольных субъединиц. Они могут выполнять структурную роль (например, лигнин ), а также роль вторичных метаболитов , участвующих в передаче сигналов , пигментации и защите .
Синтетические макромолекулы
[ редактировать ]
Некоторыми примерами макромолекул являются синтетические полимеры ( пластики , синтетические волокна и синтетический каучук ), графен и углеродные нанотрубки . Полимеры могут быть получены из неорганических веществ, а также, например, из неорганических полимеров и геополимеров . Включение неорганических элементов позволяет настраивать свойства и/или отзывчивое поведение, как, например, в «умных» неорганических полимерах .
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с д и Страйер Л., Берг Дж.М., Тимочко Дж.Л. (2002). Биохимия (5-е изд.). Сан-Франциско: WH Freeman . ISBN 978-0-7167-4955-4 .
- ^ Жизненный цикл пластикового изделия. Архивировано 17 марта 2010 г. в Wayback Machine . Американская химия.com. Проверено 1 июля 2011 г.
- ^ Гуллапалли, С.; Вонг, М.С. (2011). «Нанотехнологии: Путеводитель по нанообъектам» (PDF) . Химический технологический прогресс . 107 (5): 28–32. Архивировано из оригинала (PDF) 13 августа 2012 г. Проверено 28 июня 2015 г.
- ^ Дженкинс, AD; Краточвил, П; Степто, РФ Т; Сутер, UW (1996). «Глоссарий основных терминов в области науки о полимерах (Рекомендации ИЮПАК, 1996 г.)» (PDF) . Чистая и прикладная химия . 68 (12): 2287–2311. дои : 10.1351/pac199668122287 . S2CID 98774337 . Архивировано из оригинала (PDF) 4 марта 2016 г. Проверено 27 июля 2013 г.
- ^ Штаудингер, Х.; Фричи, Дж. (1922). «Об изопрене и каучуке. 5-е сообщение. О гидрировании каучука и о его составе» . Helvetica Chimica Acta . 5 (5): 785. doi : 10.1002/hlca.19220050517 .
- ^ Дженсен, Уильям Б. (2008). «Происхождение концепции полимера». Журнал химического образования . 85 (5): 624. Бибкод : 2008JChEd..85..624J . дои : 10.1021/ed085p624 .
- ^ ван Холде, К.Э. (1998) Принципы физической биохимии Прентис Холл: Нью-Джерси, ISBN 0-13-720459-0
- ^ Дженкинс, AD; Краточвил, П.; Степто, РФТ; Сутер, Вашингтон (1996). «Глоссарий основных терминов в области науки о полимерах» (PDF) . Чистая и прикладная химия . 68 (12): 2287. doi : 10.1351/pac199668122287 . S2CID 98774337 . Архивировано из оригинала (PDF) 23 февраля 2007 г.
- ^ Минтон АП (2006). «Чем биохимические реакции внутри клеток могут отличаться от тех, что происходят в пробирках?» . Дж. Клеточная наука . 119 (Часть 14): 2863–9. дои : 10.1242/jcs.03063 . ПМИД 16825427 .
- ^ Берг, Джереми Марк; Тимочко, Джон Л.; Страйер, Люберт (2010). Биохимия, 7-е изд. (Биохимия (Берг)) . WH Freeman & Company . ISBN 978-1-4292-2936-4 . Пятое издание доступно онлайн на книжной полке NCBI: ссылка
- ^ Уолтер, Питер; Альбертс, Брюс; Джонсон, Александр С.; Льюис, Джулиан; Рафф, Мартин С.; Робертс, Кейт (2008). Молекулярная биология клетки (5-е издание, расширенная версия) . Нью-Йорк: Garland Science . ISBN 978-0-8153-4111-6 . . Четвертое издание доступно онлайн на книжной полке NCBI: ссылка
- ^ Гольник, Ларри; Уилис, Марк. (14 августа 1991 г.). Мультяшный справочник по генетике . Справочник Коллинза. ISBN 978-0-06-273099-2 .
- ^ Такемура, Масахару (2009). Манга-путеводитель по молекулярной биологии . Пресс без крахмала . ISBN 978-1-59327-202-9 .
- ^ Роланд Э. Бауэр; Фолькер Энкельманн; Уве М. Вислер; Александр Дж. Берресхайм; Клаус Мюллен (2002). «Монокристаллические структуры полифениленовых дендримеров». Химия: Европейский журнал . 8 (17): 3858–3864. doi : 10.1002/1521-3765(20020902)8:17<3858::AID-CHEM3858>3.0.CO;2-5 . ПМИД 12203280 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Краткое содержание главы 5, Кэмпбелл и Рис, 2002 г.
- Конспект лекций по строению и функциям макромолекул.
- Несколько (бесплатных) вводных интернет-курсов по макромолекулам. Архивировано 18 июля 2011 г. в Wayback Machine.
- Гигантские молекулы! Улисс Маги, Обзор ISSA, зима 2002–2003 гг., ISSN 1540-9864 . Кэшированная HTML-версия отсутствующего PDF-файла. Проверено 10 марта 2010 г. Статья основана на книге Изобретая науку о полимерах: Штаудингер, Карозерс и возникновение макромолекулярной химии» . Ясу Фурукавы «
