Что такое биологические макромолекулы

Макромолекулы

Молекула с высокой относительной молекулярной массой, структура которой по существу
включает многократное повторение единиц, фактически или теоретически производных от
молекул с низкой относительной молекулярной массой.

1. Во многих случаях, особенно для синтетических полимеров, молекула может рассматриваться
как имеющая высокую относительную молекулярную массу, если добавление или удаление одного или
нескольких звеньев оказывает незначительное влияние на молекулярные свойства. Это утверждение
неверно в случае определенных макромолекул, свойства которых могут
критически зависеть от мелких деталей молекулярной структуры.

Использование этого термина для описания больших молекул варьируется в зависимости от дисциплины. Например, в то время как биология относится к макромолекулам как к четырем большим молекулам, составляющим 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 диссоциируют легко. [7]

Макромолекулы часто обладают необычными физическими свойствами, которых нет у молекул меньшего размера.

ДНК, РНК и белки состоят из повторяющейся структуры связанных строительных блоков ( нуклеотидов в случае ДНК и РНК, аминокислот в случае белков). В общем, все они представляют собой неразветвленные полимеры, поэтому их можно представить в виде нити. В самом деле, их можно рассматривать как цепочку бусинок, каждая из которых представляет собой один нуклеотид или мономер аминокислоты, связанные друг с другом ковалентными химическими связями в очень длинную цепь.

В большинстве случаев мономеры в цепи имеют сильную склонность к взаимодействию с другими аминокислотами или нуклеотидами. В ДНК и РНК это может принимать форму пар оснований Уотсона-Крика (GC и AT или AU), хотя могут и происходят многие более сложные взаимодействия.

Конструктивные особенности

Напротив, и РНК, и белки обычно одноцепочечные. Следовательно, они не ограничены регулярной геометрией двойной спирали ДНК и поэтому складываются в сложные трехмерные формы в зависимости от их последовательности. Эти разные формы отвечают за многие общие свойства РНК и белков, включая образование специфических связывающих карманов и способность катализировать биохимические реакции.

ДНК оптимизирована для кодирования информации

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 атрибута, которые позволяют ей кодировать генетическую информацию намного лучше, чем РНК. Во-первых, он обычно двухцепочечный, так что существует минимум две копии информации, кодирующей каждый ген в каждой клетке. Во-вторых, ДНК обладает гораздо большей устойчивостью к разрушению, чем РНК, что в первую очередь связано с отсутствием 2′-гидроксильной группы в каждом нуклеотиде ДНК. В-третьих, присутствуют очень сложные системы наблюдения и восстановления ДНК, которые контролируют повреждение ДНК и при необходимости восстанавливают последовательность. Аналогичные системы для восстановления поврежденных молекул РНК не разработаны. Следовательно, хромосомы могут содержать многие миллиарды атомов, расположенных в определенной химической структуре.

Белки оптимизированы для катализа

РНК многофункциональна

РНК кодирует генетическую информацию, которая может быть переведена в аминокислотную последовательность белков, о чем свидетельствуют молекулы информационной РНК, присутствующие в каждой клетке, и геномы РНК большого числа вирусов. Одноцепочечная природа РНК вместе со склонностью к быстрому разрушению и отсутствием систем репарации означает, что РНК не так хорошо подходит для длительного хранения генетической информации, как ДНК.

Кроме того, РНК представляет собой одноцепочечный полимер, который, как и белки, может складываться в очень большое количество трехмерных структур. Некоторые из этих структур обеспечивают сайты 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 их отсутствием химического разнообразия приводит к тому, что каталитические РНК ( рибозимы ) обычно являются менее эффективными катализаторами, чем белки, для большинства биологических реакций.

Источник

Что такое биологические макромолекулы

Молекулы, ответственные за жизнедеятельность организма, являются также линейными молекулами, состоящими из сотен тысяч и миллионов атомов.

В состав ядра клетки входит молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), являющаяся носителем наследственности. Эти молекулы существуют в виде двойных спиралей. К основной цепи атомов, составляющей костяк спирали, прикрепляются в некотором порядке молекулярные радикалы четырех сортов. Порядок их следования вдоль цепи кодирует генетическую информацию. Цепь содержит порядка 106 радикалов. Число различных перестановок четырех элементов в таком миллионном ряду непредставимо огромно. Понятно, какую богатейшую информацию несет на себе длинная макромолекула и что не только особенности биологического вида, но и все особенности индивидуума могут быть зашифрованы кодом порядка следования радикалов в молекуле ДНК.

При делении клетки двойные спирали расплетаются и, переходя к потомству, передают ему наследственные черты кодом последовательности молекулярных радикалов.

Двойные спирали ДНК могут быть выделены, и структура их может быть исследована. Однако в настоящее время мы умеем определять порядок следования атомов и атомных групп лишь в упорядоченных кристаллических структурах. Молекула ДНК в принципе неупорядочена, и поэтому физическими методами (спектральными и, главным образом, рентгеновскими) удалось лишь установить принципы ее построения. Разработка методов установления последовательности радикалов в ДНК для данного организма, т. е. объективного описания наследственных признаков на молекулярном уровне, дело будущего.

Клетка — основной кирпичик живого — является фабрикой белковых молекул, выполняющих разнообразные жизненные функции. Производство белковых молекул осуществляется, так сказать, под руководством молекулы ДНК. Белковые молекулы строятся из 20 сортов аминокислот. При этом порядок их соединения, строго определенный для белка данного сорта, диктуется молекулой ДНК-Молекула ДНК играет роль линейной совокупности сотен и тысяч матриц, печатающих разные белковые молекулы. Некоторые из них одинаковы для данного биологического вида, другие несут на себе отпечаток особенностей индивидуума.

Молекулы белков могут быть выделены и кристаллизованы. Кристаллы белков, несмотря на то, что их молекулы содержат тысячи атомов, удается изучить методами рентгеноструктурного анализа и установить их структуру. Задача эта исключительно сложна, и не удивительно, что к настоящему времени известна структура лишь шести белков.

Поразительным является сам факт образования кристаллов молекулы такой сложности. Причудливо разветвленное следование

нескольких тысяч атомов полностью тождественно во всех миллиардах молекул, образующих белковый кристалл. Все молекулы расположены в одной-двух ориентациях в узлах регулярной трехмерной решетки.

Замечательным свойством белкового кристалла является то, что молекулы, из которых он построен, соприкасаются друг с другом лишь незначительной частью своей поверхности. Большая же часть межмолекулярного пространства заполнена водой. При осторожном высушивании белкового кристалла он терпит превращения, меняющие взаимное расположение молекул. Большую часть воды можно удалить, сохранив кристалличность белка.

Источник

Макромолекулы: характеристики, типы, функции и примеры

Содержание:

Каждый тип биологической макромолекулы состоит из определенного мономера, а именно: нуклеиновые кислоты нуклеотидами, углеводы моносахаридами, белки аминокислотами и липиды углеводородами переменной длины.

Что касается их функции, углеводы и липиды хранят энергию, необходимую клетке для проведения ее химических реакций, а также используются в качестве структурных компонентов.

Белки также выполняют структурные функции, помимо того, что они являются молекулами, обладающими каталитической и транспортной способностью. Наконец, нуклеиновые кислоты хранят генетическую информацию и участвуют в синтезе белка.

характеристики

Размер

Как следует из названия, одной из отличительных характеристик макромолекул является их большой размер. Они состоят как минимум из 1000 атомов, связанных ковалентными связями. В этом типе связи атомы, участвующие в связи, разделяют электроны последнего уровня.

Конституция

Мы могли бы использовать аналогию с детской игрой Лего. Каждая из частей представляет собой мономеры, и когда мы соединяем их для образования различных структур, мы получаем полимер.

Если мономеры одинаковы, полимер является гомополимером; а если они разные, то это будет гетерополимер.

Также существует номенклатура для обозначения полимера в зависимости от его длины. Если молекула состоит из нескольких субъединиц, ее называют олигомером. Например, когда мы хотим обратиться к небольшой нуклеиновой кислоте, мы называем ее олигонуклеотидом.

Состав

Учитывая невероятное разнообразие макромолекул, сложно установить общую структуру. «Костяк» этих молекул состоит из соответствующих им мономеров (сахаров, аминокислот, нуклеотидов и т. Д.), И они могут быть сгруппированы линейным, разветвленным образом или принимать более сложные формы.

Биологические макромолекулы: функции, строение и примеры

В органических существах мы находим четыре основных типа макромолекул, которые выполняют огромное количество функций, обеспечивая развитие и поддержание жизни. Это белки, углеводы, липиды и нуклеиновые кислоты. Ниже мы опишем его наиболее важные характеристики.

Протеин

Состав

Эти мономеры состоят из центрального атома углерода (называемого альфа-углеродом), связанного ковалентными связями с четырьмя различными группами: атомом водорода, аминогруппой (NH₂), карбоксильную группу (COOH) и группу R.

20 типов аминокислот отличаются друг от друга только идентичностью группы R. Эта группа различается по своей химической природе, способной находить основные, кислотные, нейтральные аминокислоты, среди прочего, с длинными, короткими и ароматическими цепями.

Аминокислотные остатки удерживаются вместе пептидными связями. Природа аминокислот будет определять природу и характеристики получаемого белка.

Линейная аминокислотная последовательность представляет собой первичную структуру белков. Затем они складываются и группируются по разным образцам, образуя вторичные, третичные и четвертичные структуры.

Функция

Нуклеиновые кислоты: ДНК и РНК

Состав

Нуклеотиды состоят из фосфатной группы, пятиуглеродного сахара (центральный компонент молекулы) и азотистого основания.

Существует два типа нуклеотидов: рибонуклеотиды и дезоксирибонуклеотиды, которые различаются по содержанию основного сахара. Первые являются структурными компонентами рибонуклеиновой кислоты или РНК, а вторые являются компонентами дезоксирибонуклеиновой кислоты или ДНК.

В обеих молекулах нуклеотиды удерживаются вместе с помощью фосфодиэфирной связи, что эквивалентно пептидной связи, которая удерживает вместе белки.

Функция

Углеводов

Углеводы, также известные как углеводы или просто сахара, представляют собой макромолекулы, состоящие из строительных блоков, называемых моносахаридами (буквально «сахар»).

Состав

Молекулярная формула углеводов (CH₂ИЛИ)_п. Значение п он может варьироваться от 3 (простейший сахар) до тысяч (самых сложных углеводов), причем очень разная длина.

Эти мономеры обладают способностью полимеризоваться друг с другом посредством реакции с участием двух гидроксильных групп, что приводит к образованию ковалентной связи, называемой гликозидной связью.

Эта связь удерживает вместе углеводные мономеры так же, как пептидные связи и фосфодиэфирные связи удерживают вместе белки и нуклеиновые кислоты соответственно.

Однако пептидные и фосфодиэфирные связи возникают в определенных областях составляющих их мономеров, в то время как гликозидные связи могут образовываться с любой гидроксильной группой.

Как мы упоминали в предыдущем разделе, небольшие макромолекулы обозначаются префиксом олиго. В случае небольших углеводов используется термин олигосахариды, если они связаны только двумя мономерами, это дисахарид, а если они больше, полисахариды.

Функция

Сахара являются основными макромолекулами для жизни, поскольку они выполняют энергетические и структурные функции. Они обеспечивают химическую энергию, необходимую для запуска значительного числа реакций внутри клеток, и используются в качестве «топлива» для живых существ.

Другие углеводы, такие как гликоген, служат для хранения энергии, так что клетка может использовать ее при необходимости.

У них также есть структурные функции: они являются частью других молекул, таких как нуклеиновые кислоты, клеточные стенки некоторых организмов и экзоскелеты насекомых.

Например, в растениях и некоторых простейших мы находим сложный углевод, называемый целлюлозой, состоящий только из единиц глюкозы. Эта молекула невероятно распространена на Земле, поскольку она присутствует в клеточных стенках этих организмов и в других поддерживающих структурах.

Липиды

Состав

Со структурной точки зрения липид может проявляться разными способами. Поскольку они состоят из углеводородов (C-H), связи не заряжены частично, поэтому они не растворяются в полярных растворителях, таких как вода. Однако их можно растворять в других типах неполярных растворителей, таких как бензол.

Жирная кислота состоит из упомянутых углеводородных цепей и карбоксильной группы (COOH) в качестве функциональной группы. Обычно жирная кислота содержит от 12 до 20 атомов углерода.

Цепи жирных кислот могут быть насыщенными, когда все атомы углерода соединены вместе одинарными связями, или ненасыщенными, когда внутри структуры присутствует более одной двойной связи. Если он содержит несколько двойных связей, это полиненасыщенная кислота.

Типы липидов в зависимости от их структуры

В клетке есть три типа липидов: стероиды, жиры и фосфолипиды. Стероиды характеризуются объемной четырехкольцевой структурой. Холестерин является наиболее известным и важным компонентом мембран, поскольку он контролирует их текучесть.

Жиры состоят из трех жирных кислот, связанных сложноэфирной связью с молекулой, называемой глицерином.

Наконец, фосфолипиды состоят из молекулы глицерина, присоединенной к фосфатной группе и к двум цепям жирных кислот или изопреноидов.

Функция

Как и углеводы, липиды также служат источником энергии для клетки и компонентами некоторых структур.

Липиды выполняют важную функцию для всех живых форм: они являются неотъемлемой частью плазматической мембраны. Они образуют решающую границу между живым и неживым, служа селективным барьером, который решает, что входит в клетку, а что нет, благодаря ее полупроницаемости.

Помимо липидов, мембраны также состоят из различных белков, которые действуют как селективные переносчики.

Некоторые гормоны (например, половые) имеют липидную природу и необходимы для развития организма.

Транспорт

В биологических системах макромолекулы переносятся между внутренней и внешней частью клеток с помощью процессов, называемых эндо и экзоцитоз (включая образование везикул), или посредством активного транспорта.

Эндоцитоз включает в себя все механизмы, которые клетка использует для проникновения крупных частиц, и классифицируется как: фагоцитоз, когда элемент, который нужно проглотить, является твердой частицей; пиноцитоз, при попадании внеклеточной жидкости; и эндоцитоз, опосредованный рецепторами.

Большинство молекул, которые попадают в организм таким образом, попадают в органеллу, отвечающую за пищеварение: лизосому. Другие попадают в фагосомы, которые обладают свойствами слияния с лизосомами и образуют структуру, называемую фаголизосомами.

Таким образом, ферментная батарея, присутствующая в лизосоме, в конечном итоге разрушает макромолекулы, которые вошли изначально. Образовавшие их мономеры (моносахариды, нуклеотиды, аминокислоты) транспортируются обратно в цитоплазму, где используются для образования новых макромолекул.

Синтетические макромолекулы

В синтетических макромолекулах мы также находим тот же структурный образец, который описан для макромолекул биологического происхождения: мономеры или небольшие субъединицы, которые связаны посредством связей с образованием полимера.

Существуют различные типы синтетических полимеров, самым простым из которых является полиэтилен. Это инертный пластик химической формулы CH₂-CH₂ (связанные двойной связью) довольно распространены в отрасли, поскольку они дешевы и просты в производстве.

Как видно, структура этого пластика линейная и не имеет разветвлений.

Источник

Что такое биологические макромолекулы

Большинство химических компонентов живых организмов представляют собой органические соединения, т. е. соединения углерода, в которых атомы углерода ковалентно связаны с другими атомами углерода, а также с атомами водорода, кислорода и азота.

Рис. 1-2. А. Схематическое изображение участка молекулы ДНК, состоящей из нуклеотидных строительных блоков четырех гипов, расположенных в определенной последовательности. Б. Схематическое изображение участка молекулы белка, построенной из расположенных в определенной последовательности аминокислотных звеньев.

Живая материя состоит из великого множества самых разнообразных органических соединений, причем многие из них представляют собой необычайно большие и сложные молекулы. Даже самые простые, мельчайшие по размеру бактериальные клетки содержат очень большое число различных органических молекул. Например. в клетке бактерии Escherichia coli (обычная кишечная палочка) насчитывается около 5000 разных видов органических соединений, в том числе 3000 различных белков и 1000 разных типов нуклеиновых кислот.

Для простых молекул, из которых построены все макромолекулы, характерна еще одна примечательная особенность. Она состоит в том, что каждая из этих молекул выполняет в клетке сразу несколько функций. Различные аминокислоты служат не только строительными блоками белков, но и предшественниками гормонов, алкалоидов, пигментов и многих других биомолекул. Нуклеотиды используются не только как строительные блоки нуклеиновых кислот, но и как коферменты и переносчики энергии. В живых организмах обычно не бывает соединений, которые не выполняли бы какой-либо функции, хотя функции некоторых биомолекул нам пока неизвестны.

Исходя из всех этих рассуждений, мы можем теперь сформулировать ряд принципов молекулярной логики живого:

Структура биологических макромолекул проста в своей основе.

Все живые организмы состоят из одних и тех же молекул, используемых как строительные блоки, что указывает на их происхождение от общего предка.

Идентичность организмов каждого вида сохраняется благодаря наличию свойственного только ему набора нуклеиновых кислот и белков.

Все биомолекулы выполняют в клетках специфические функции.

Источник

Макромолекула

СОДЕРЖАНИЕ

Определение [ править ]

Молекула с высокой относительной молекулярной массой, структура которой по существу
включает многократное повторение единиц, фактически или теоретически производных от
молекул с низкой относительной молекулярной массой.

1. Во многих случаях, особенно для синтетических полимеров, молекула может рассматриваться
как имеющая высокую относительную молекулярную массу, если добавление или удаление одного или
нескольких звеньев оказывает незначительное влияние на молекулярные свойства. Это утверждение
неверно в случае определенных макромолекул, свойства которых могут
критически зависеть от мелких деталей молекулярной структуры.

Использование этого термина для описания больших молекул варьируется в зависимости от дисциплины. Например, в то время как биология относится к макромолекулам как к четырем большим молекулам, составляющим 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 диссоциируют легко. [7]

Свойства [ править ]

Макромолекулы часто обладают необычными физическими свойствами, которых нет у молекул меньшего размера.

Линейные биополимеры [ править ]

ДНК, РНК и белки состоят из повторяющейся структуры связанных строительных блоков ( нуклеотидов в случае ДНК и РНК, аминокислот в случае белков). В общем, все они представляют собой неразветвленные полимеры, поэтому их можно представить в виде нити. В самом деле, их можно рассматривать как цепочку бусинок, каждая из которых представляет собой один нуклеотид или мономер аминокислоты, связанные друг с другом ковалентными химическими связями в очень длинную цепь.

В большинстве случаев мономеры в цепи имеют сильную склонность к взаимодействию с другими аминокислотами или нуклеотидами. В ДНК и РНК это может принимать форму пар оснований Уотсона-Крика (GC и AT или AU), хотя могут и происходят многие более сложные взаимодействия.

Структурные особенности [ править ]

Напротив, и РНК, и белки обычно одноцепочечные. Следовательно, они не ограничены регулярной геометрией двойной спирали ДНК и поэтому складываются в сложные трехмерные формы в зависимости от их последовательности. Эти разные формы отвечают за многие общие свойства РНК и белков, включая образование специфических связывающих карманов и способность катализировать биохимические реакции.

ДНК оптимизирована для кодирования информации [ править ]

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

ДНК имеет три основных атрибута, которые позволяют ей кодировать генетическую информацию намного лучше, чем РНК. Во-первых, он обычно двухцепочечный, поэтому существует минимум две копии информации, кодирующей каждый ген в каждой клетке. Во-вторых, ДНК имеет гораздо большую устойчивость к разрушению, чем РНК, что в первую очередь связано с отсутствием 2′-гидроксильной группы в каждом нуклеотиде ДНК. В-третьих, присутствуют очень сложные системы наблюдения и восстановления ДНК, которые отслеживают повреждение ДНК и при необходимости восстанавливают последовательность. Аналогичные системы для восстановления поврежденных молекул РНК не разработаны. Следовательно, хромосомы могут содержать многие миллиарды атомов, расположенных в определенной химической структуре.

Белки оптимизированы для катализа [ править ]

РНК многофункциональна [ править ]

РНК кодирует генетическую информацию, которая может быть переведена в аминокислотную последовательность белков, о чем свидетельствуют молекулы информационной РНК, присутствующие в каждой клетке, и геномы РНК большого числа вирусов. Одноцепочечная природа РНК вместе со склонностью к быстрому разрушению и отсутствием систем репарации означает, что РНК не так хорошо подходит для длительного хранения генетической информации, как ДНК.

Кроме того, РНК представляет собой одноцепочечный полимер, который, как и белки, может складываться в очень большое количество трехмерных структур. Некоторые из этих структур обеспечивают сайты 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 их отсутствием химического разнообразия приводит к тому, что каталитические РНК ( рибозимы ) обычно являются менее эффективными катализаторами, чем белки, для большинства биологических реакций.

Разветвленные биополимеры [ править ]

Синтетические макромолекулы [ править ]

Источник