Огромен брой различни съединения с различна химическа природа успяха да синтезират хората в лабораторията. Все пак естествените вещества бяха, са и ще останат най-важните и значими за живота на всички живи системи. Тоест тези молекули, които участват в хиляди биохимични реакции в организмите и са отговорни за нормалното им функциониране.
Огромното мнозинство от тях принадлежат към групата, наречена "биологични полимери".
Обща концепция за биополимерите
На първо място, трябва да се каже, че всички тези съединения са високомолекулни, с маса, достигаща милиони далтони. Тези вещества са животински и растителни полимери, които играят решаваща роля в изграждането на клетките и техните структури, осигурявайки метаболизма, фотосинтезата, дишането, храненето и всички други жизненоважни функции на всеки жив организъм.
Трудно е да се надцени значението на такива съединения. Биополимерите са естествени вещества с естествен произход, които се образуват в живите организми и са в основата на целия живот на нашата планета. Какви са конкретните връзки с тяхпринадлежиш?
Клетъчни биополимери
Има много от тях. И така, основните биополимери са както следва:
- протеини;
- полизахариди;
- нуклеинови киселини (ДНК и РНК).
В допълнение към тях, това включва и много смесени полимери, образувани от комбинации от вече изброените. Например липопротеини, липополизахариди, гликопротеини и други.
Общи свойства
Има няколко характеристики, които са присъщи на всички разглеждани молекули. Например, следните общи свойства на биополимерите:
- голямо молекулно тегло поради образуването на огромни макровериги с разклонения в химическата структура;
- видове връзки в макромолекулите (водород, йонни взаимодействия, електростатично привличане, дисулфидни мостове, пептидни връзки и други);
- структурната единица на всяка верига е мономерна връзка;
- стереорегулярност или нейното отсъствие в структурата на веригата.
Но като цяло всички биополимери все още имат повече разлики в структурата и функцията, отколкото приликите.
Протеини
Протеиновите молекули са от голямо значение в живота на всички живи същества. Такива биополимери са в основата на цялата биомаса. Всъщност, дори според теорията на Опарин-Халдейн, животът на Земята произхожда от коацерватна капчица, която е протеин.
Структурата на тези вещества подлежи на строг ред в структурата. Всеки протеин е изграден от аминокиселинни остатъци, коитоспособни да се свързват един с друг в неограничени дължини на веригата. Това се случва чрез образуването на специални връзки - пептидни връзки. Такава връзка се образува между четири елемента: въглерод, кислород, азот и водород.
Една протеинова молекула може да съдържа много аминокиселинни остатъци, както еднакви, така и различни (няколко десетки хиляди или повече). Общо има 20 вида аминокиселини, открити в тези съединения. Въпреки това, тяхната разнообразна комбинация позволява на протеините да процъфтяват в количествено и видово отношение.
Протеиновите биополимери имат различни пространствени конформации. Така всеки представител може да съществува като първична, вторична, третична или четвъртична структура.
Най-простият и линеен от тях е основният. Това е просто серия от аминокиселинни последователности, свързани една с друга.
Вторичната конформация има по-сложна структура, тъй като цялостната макроверига на протеина започва да се спира спираловидно, образувайки намотки. Две съседни макроструктури се държат близо една до друга поради ковалентни и водородни взаимодействия между групите на техните атоми. Разграничаване на алфа и бета спирали на вторичната структура на протеините.
Третичната структура е единична макромолекула (полипептидна верига) на протеин, навита на топка. Много сложна мрежа от взаимодействия в тази глобула й позволява да бъде доста стабилна и да запази формата си.
Кватернерната конформация е няколко полипептидни вериги, навити и усуканив намотка, които в същото време също образуват множество връзки от различен тип помежду си. Най-сложната кълбовидна структура.
Функции на протеиновите молекули
- Транспорт. Осъществява се от протеиновите клетки, които изграждат плазмената мембрана. Те образуват йонни канали, през които могат да преминат определени молекули. Също така много протеини са част от органелите на движението на протозоите и бактериите, поради което те участват пряко в тяхното движение.
- Енергийната функция се изпълнява от тези молекули много активно. Един грам протеин в процеса на метаболизма образува 17,6 kJ енергия. Следователно консумацията на растителни и животински продукти, съдържащи тези съединения, е жизненоважна за живите организми.
- Изграждащата функция е участието на протеиновите молекули в изграждането на повечето клетъчни структури, самите клетки, тъкани, органи и т.н. Почти всяка клетка е изградена основно от тези молекули (цитоскелетът на цитоплазмата, плазмената мембрана, рибозомата, митохондриите и други структури участват в образуването на протеинови съединения).
- Каталитичната функция се осъществява от ензими, които по своята химическа природа не са нищо повече от протеини. Без ензими повечето биохимични реакции в тялото биха били невъзможни, тъй като те са биологични катализатори в живите системи.
- Рецептор (също сигнализираща) функция помага на клетките да навигират и реагират правилно на всякакви промени в околната среда, като напр.механични и химически.
Ако разгледаме протеините по-задълбочено, можем да подчертаем още някои второстепенни функции. Изброените обаче са основните.
Нуклеинови киселини
Такива биополимери са важна част от всяка клетка, била тя прокариотна или еукариотна. В крайна сметка нуклеиновите киселини включват молекули ДНК (дезоксирибонуклеинова киселина) и РНК (рибонуклеинова киселина), всяка от които е много важна връзка за живите същества.
По своята химическа природа ДНК и РНК са последователности от нуклеотиди, свързани с водородни връзки и фосфатни мостове. ДНК се състои от нуклеотиди като:
- аденин;
- тимин;
- гуанин;
- цитозин;
- 5-въглеродна захар дезоксирибоза.
РНК е различна по това, че тиминът се заменя с урацил, а захарта с рибоза.
Благодарение на специалната структурна организация на ДНК молекулите са в състояние да изпълняват редица жизненоважни функции. РНК също играе голяма роля в клетката.
Функции на такива киселини
Нуклеиновите киселини са биополимери, отговорни за следните функции:
- ДНК е складът и предавателят на генетична информация в клетките на живите организми. При прокариотите тази молекула се разпределя в цитоплазмата. В еукариотната клетка тя се намира вътре в ядрото, разделена от кариолема.
- Двуверижната ДНК молекула е разделена на участъци - гени, които изграждат структурата на хромозомата. Гените на всекисъществата образуват специален генетичен код, в който са криптирани всички признаци на организма.
- РНК е от три вида - шаблонна, рибозомна и транспортна. Рибозомът участва в синтеза и сглобяването на протеинови молекули върху съответните структури. Информация за матричен и транспортен трансфер се чете от ДНК и дешифрира нейното биологично значение.
Полизахариди
Тези съединения са предимно растителни полимери, тоест се намират именно в клетките на представители на флората. Тяхната клетъчна стена, която съдържа целулоза, е особено богата на полизахариди.
По своята химическа природа полизахаридите са сложни въглехидратни макромолекули. Те могат да бъдат линейни, слоести, омрежени конформации. Мономерите са прости пет-, по-често шествъглеродни захари - рибоза, глюкоза, фруктоза. Те са от голямо значение за живите същества, тъй като са част от клетките, те са резервно хранително вещество за растенията, разграждат се с отделянето на голямо количество енергия.
Значение на различни представители
Биологичните полимери като нишесте, целулоза, инулин, гликоген, хитин и други са много важни. Те са важни източници на енергия в живите организми.
И така, целулозата е основен компонент на клетъчната стена на растенията, някои бактерии. Придава сила, определена форма. В индустрията човекът се използва за получаване на хартия, ценни ацетатни влакна.
Нишестето е резервно хранително вещество за растенията,който също е ценен хранителен продукт за хора и животни.
Гликогенът или животинската мазнина е резервно хранително вещество за животните и хората. Изпълнява функциите на топлоизолация, източник на енергия, механична защита.
Смесени биополимери в живи същества
В допълнение към тези, които разгледахме, има различни комбинации от макромолекулни съединения. Такива биополимери са сложни смесени структури от протеини и липиди (липопротеини) или полизахариди и протеини (гликопротеини). Възможна е и комбинация от липиди и полизахариди (липополизахариди).
Всеки от тези биополимери има много разновидности, които изпълняват редица важни функции в живите същества: транспортни, сигнални, рецепторни, регулаторни, ензимни, строителни и много други. Тяхната структура е химически много сложна и далеч не е дешифрирана за всички представители, следователно функциите не са напълно дефинирани. Днес са известни само най-често срещаните, но значителна част остава извън границите на човешкото познание.
