Makromolekula - Macromolecule - Wikipedia

"Makromolekuly" přeadresuje tady. Pro deník viz Makromolekuly (časopis).
„Makromolekulární chemie“ přeadresuje tady. Časopis dříve známý jako Makromolekulární chemie viz Makromolekulární chemie a fyzika.
Chemická struktura a polypeptid makromolekula

A makromolekula je velmi velký molekula, jako je protein, obvykle složený z polymerizace menších podjednotek monomery. Obvykle se skládají z tisíců atomy nebo více. Látka, která se skládá z monomerů, se nazývá a polymer. Nejběžnější makromolekuly v biochemie jsou biopolymery (nukleové kyseliny, bílkoviny a sacharidy ) a velké nepolymerní molekuly (např lipidy a makrocykly ),[1] syntetická vlákna i experimentální materiály jako např uhlíkové nanotrubice.[2][3]

Makromolekuly jsou velké molekuly složené z tisíců kovalentně spojených atomů. Sacharidy, lipidy, bílkoviny a nukleové kyseliny jsou makromolekuly. Makromolekuly jsou tvořeny mnoha monomery spojujícími se dohromady, tvořící a polymer. Sacharidy se skládají z uhlíku, kyslíku a vodíku. Monomer sacharidů jsou monosacharidy. Existují tři formy sacharidů: energie, skladování a strukturní molekuly. Disacharid se tvoří, když se dehydratační reakce spojí se dvěma monosacharidy. Dalším typem makromolekul jsou lipidy. Lipidy jsou uhlovodíky, které netvoří polymery. Tuky jsou vyrobeny z glycerolu a mastných kyselin. Fosfolipidy se běžně vyskytují ve fosfolipidové dvojvrstvě membrán. Mají hydrofilní hlavy a hydrofobní ocasy. Protein je další typ makromolekul. Aminokyseliny jsou monomery bílkovin. Proteiny mají mnoho různých funkcí. Existují proteiny, které se používají pro strukturální podporu, skladování, transport, buněčnou komunikaci, pohyb, obranu proti cizím látkám a další. Nukleové kyseliny přenášejí a pomáhají vyjadřovat dědičné informace. Jsou tvořeny monomery zvanými nukleotidy. Dva typy nukleových kyselin jsou DNA a RNA.

Definice

IUPAC definice
Makromolekula
Velká molekula

Molekula s vysokou relativní molekulovou hmotností, jejíž struktura je v podstatě
zahrnuje vícenásobné opakování jednotek odvozených, skutečně nebo koncepčně, od
molekuly s nízkou relativní molekulovou hmotností.

Poznámky

1. V mnoha případech, zejména u syntetických polymerů, lze uvažovat o molekule
jako s vysokou relativní molekulovou hmotností, pokud přidání nebo odstranění jednoho nebo a
několik z těchto jednotek má zanedbatelný vliv na molekulární vlastnosti. Toto tvrzení
selže v případě určitých makromolekul, pro které mohou být vlastnosti
kriticky závislá na jemných detailech molekulární struktury.

2. Pokud část nebo celá molekula zapadá do této definice, lze ji popsat
jako buď makromolekulární nebo polymernínebo polymer používá se adjektivně.[4]

Termín makromolekula (makro- + molekula) byl vytvořen laureát Nobelovy ceny Hermann Staudinger ve dvacátých letech 20. století, ačkoli jeho první relevantní publikace o tomto oboru pouze zmiňuje vysokomolekulární sloučeniny (více než 1 000 atomů).[5] V té době termín polymer, jak je zavedeno Berzelius v roce 1832, měl jiný význam než ten dnešní: byla to prostě jiná forma izomerismus například s benzen a acetylén a měl málo společného s velikostí.[6]

Použití tohoto výrazu k popisu velkých molekul se v jednotlivých oborech liší. Například zatímco biologie označuje makromolekuly jako čtyři velké molekuly obsahující živé bytosti v chemie, termín může odkazovat na agregáty dvou nebo více molekul držených pohromadě mezimolekulární síly spíše než kovalentní vazby ale které se snadno neoddělí.[7]

Podle standardu IUPAC definice, pojem makromolekula jak se používá ve vědě o polymerech, označuje pouze jednu molekulu. Například jedna polymerní molekula je vhodně popsána spíše jako „makromolekula“ nebo „polymerní molekula“ než jako „polymer“, což naznačuje látka složený z makromolekul.[8]

Vzhledem ke své velikosti nejsou makromolekuly běžně popsány ve smyslu stechiometrie sama. Strukturu jednoduchých makromolekul, jako jsou homopolymery, lze popsat z hlediska jednotlivé podjednotky monomeru a celkové molekulová hmotnost. Komplikované biomakromolekuly naopak vyžadují mnohostranný strukturální popis, jako je hierarchie struktur používaných k popisu bílkoviny. v Britská angličtina, slovo „makromolekula“ bývá nazýváno „vysoký polymer".

Vlastnosti

Makromolekuly mají často neobvyklé fyzikální vlastnosti, které se u menších molekul nevyskytují.


Další běžnou makromolekulární vlastností, která necharakterizuje menší molekuly, je jejich relativní nerozpustnost ve vodě apod rozpouštědla, místo toho formování koloidy. Mnoho z nich vyžaduje soli nebo konkrétní ionty rozpustit ve vodě. Podobně bude mnoho bílkovin denaturace pokud je koncentrace rozpuštěných látek v jejich roztoku příliš vysoká nebo příliš nízká.

Vysoké koncentrace makromolekul v roztoku mohou změnit sazby a rovnovážné konstanty reakcí jiných makromolekul prostřednictvím účinku známého jako makromolekulární shlukování.[9] To pochází z makromolekul kromě další molekuly z velké části objemu roztoku, čímž se zvyšuje efektivní koncentrace těchto molekul.

Lineární biopolymery

Všechno žijící organismy jsou závislé na třech základních biopolymery pro jejich biologické funkce: DNA, RNA a bílkoviny.[10] Každá z těchto molekul je nezbytná pro život, protože každá z nich hraje zřetelnou a nezbytnou roli v buňka.[11] Je to jednoduché shrnutí DNA vytváří RNA a pak RNA vytváří bílkoviny.

DNA, RNA a proteiny se skládají z opakující se struktury souvisejících stavebních bloků (nukleotidy v případě DNA a RNA, aminokyseliny v případě bílkovin). Obecně platí, že jsou to všechny nerozvětvené polymery, a proto je lze reprezentovat ve formě řetězce. Ve skutečnosti je lze považovat za řetězec perliček, přičemž každá perla představuje jeden nukleotid nebo monomer aminokyseliny spojené dohromady prostřednictvím kovalentní chemické vazby do velmi dlouhého řetězce.

Ve většině případů mají monomery v řetězci silný sklon k interakci s jinými aminokyselinami nebo nukleotidy. V DNA a RNA může mít formu Watson-Crick základní páry (G-C a A-T nebo A-U), i když může a může dojít k mnoha složitějším interakcím.

Strukturální prvky

DNARNAProteiny
Kóduje genetické informaceAnoAnoNe
Katalyzuje biologické reakceNeAnoAno
Stavební bloky (typ)NukleotidyNukleotidyAminokyseliny
Stavební bloky (počet)4420
PodřadnostDvojnásobekSingl Singl
StrukturaDvojitá spirálaKomplexKomplex
Stabilita vůči degradaciVysokýVariabilníVariabilní
Opravy systémůAnoNeNe

Vzhledem k dvojřetězcové povaze DNA mají v podstatě všechny nukleotidy formu Watson-Crickovy páry bází mezi nukleotidy na dvou komplementárních řetězcích dvojitá spirála.

Naproti tomu jak RNA, tak proteiny jsou obvykle jednovláknové. Proto nejsou omezeni pravidelnou geometrií dvojité šroubovice DNA, a tak se skládají do komplexu trojrozměrné tvary v závislosti na jejich posloupnosti. Tyto různé tvary jsou zodpovědné za mnoho společných vlastností RNA a proteinů, včetně tvorby specifických vázací kapsy a schopnost katalyzovat biochemické reakce.

DNA je optimalizována pro kódování informací

DNA je makromolekula pro ukládání informací, která kóduje celou sadu instrukce (dále jen genom ), které jsou vyžadovány pro shromáždění, údržbu a reprodukci každého živého organismu.[12]

DNA i RNA jsou schopné kódovat genetickou informaci, protože existují biochemické mechanismy, které čtou informace kódované v sekvenci DNA nebo RNA a používají je ke generování specifikovaného proteinu. Na druhou stranu informace o sekvenci molekuly proteinu buňky nepoužívají k funkčnímu kódování genetické informace.[1]:5

DNA má tři primární atributy, které jí umožňují mnohem lepší kódování genetické informace než RNA. Nejprve je obvykle dvouvláknový, takže v každé buňce jsou minimálně dvě kopie informací kódujících každý gen. Zadruhé, DNA má mnohem větší stabilitu proti rozpadu než RNA, což je vlastnost primárně spojená s absencí 2'-hydroxylové skupiny v každém nukleotidu DNA. Zatřetí, jsou zde vysoce sofistikované systémy dozoru a opravy DNA, které monitorují poškození DNA a opravit v případě potřeby sekvenci. Analogické systémy se nevyvinuly pro opravu poškozených molekul RNA. V důsledku toho mohou chromozomy obsahovat mnoho miliard atomů, uspořádaných do specifické chemické struktury.

Proteiny jsou optimalizovány pro katalýzu

Proteiny jsou funkční makromolekuly odpovědné za katalyzující the biochemické reakce které udržují život.[1]:3 Proteiny vykonávají všechny funkce organismu, například fotosyntézu, nervové funkce, vidění a pohyb.[13]

Jednovláknová povaha proteinových molekul spolu s jejich složením 20 nebo více různých stavebních bloků aminokyselin jim umožňuje složit se do obrovského množství různých trojrozměrných tvarů a zároveň poskytnout vazebné kapsy, kterými mohou specificky interagovat s všechny druhy molekul. Kromě toho chemická rozmanitost různých aminokyselin spolu s různým chemickým prostředím poskytovaným místní 3D strukturou umožňuje mnoha proteinům působit jako enzymy katalyzující širokou škálu specifických biochemických transformací v buňkách. Kromě toho si proteiny vyvinuly schopnost vázat širokou škálu kofaktory a koenzymy, menší molekuly, které mohou dotovat protein specifickými aktivitami nad rámec těch, které jsou spojené se samotným polypeptidovým řetězcem.

RNA je multifunkční

RNA je multifunkční, jeho primární funkcí je kódovat proteiny, podle pokynů v DNA buňky.[1]:5 Řídí a regulují mnoho aspektů syntézy proteinů eukaryoty.

RNA kóduje genetické informace, které mohou být přeloženo do aminokyselinové sekvence proteinů, o čemž svědčí molekuly messengerové RNA přítomné v každé buňce a RNA genomy velkého počtu virů. Jednořetězcová povaha RNA spolu s tendencí k rychlému rozpadu a nedostatkem opravných systémů znamená, že RNA není pro dlouhodobé uchovávání genetické informace tak vhodná, jako je DNA.

Kromě toho je RNA jednovláknový polymer, který se může, stejně jako proteiny, skládat do velkého počtu trojrozměrných struktur. Některé z těchto struktur poskytují vazebná místa pro další molekuly a chemicky aktivní centra, která mohou katalyzovat specifické chemické reakce na těchto vázaných molekulách. Omezený počet různých stavebních bloků RNA (4 nukleotidy vs.> 20 aminokyselin v proteinech) spolu s jejich nedostatečnou chemickou rozmanitostí vede k katalytické RNA (ribozymy ) jsou pro většinu biologických reakcí obecně méně účinnými katalyzátory než proteiny.

Hlavní makromolekuly:

Makromolekula

(Polymer)

Stavebním kamenem

(Monomer)

Dluhopisy, které se k nim připojí
ProteinyAminokyselinyPeptid
Nukleové kyselinyFosfodiester
DNANukleotidy (fosfát, ribóza a báze - adenin, guanin, thymin nebo cytosin)
RNANukleotidy (fosfát, ribóza a báze - adenin, guanin, uracil nebo cytosin)
PolysacharidyMonosacharidyGlykosidický
Lipidyna rozdíl od ostatních makromolekul nejsou lipidy definovány chemickou strukturou. Lipidy jsou jakákoli organická nepolární molekula.Některé lipidy jsou drženy pohromadě esterovými vazbami; některé jsou obrovské agregáty malých molekul držených pohromadě hydrofobními interakcemi.

Rozvětvené biopolymery

Malinový ellagitannin, a tanin složený z jádra jednotek glukózy obklopených estery kyseliny gallové a jednotkami kyseliny ellagové

Uhlohydrát makromolekuly (polysacharidy ) jsou vytvořeny z polymerů monosacharidy.[1]:11 Protože monosacharidy mají více funkční skupiny, polysacharidy mohou tvořit lineární polymery (např. celulóza ) nebo složité rozvětvené struktury (např. glykogen ). Polysacharidy plní v živých organismech řadu rolí a působí jako zásoby energie (např. škrob ) a jako konstrukční prvky (např. chitin u členovců a hub). Mnoho sacharidů obsahuje modifikované monosacharidové jednotky, u kterých byly funkční skupiny nahrazeny nebo odstraněny.

Polyfenoly skládají se z rozvětvené struktury více fenolický podjednotky. Mohou plnit strukturální role (např. lignin ) stejně jako role jako sekundární metabolity zahrnutý do něčeho, zůčastnit se čeho signalizace, pigmentace a obrana.

Syntetické makromolekuly

Struktura polyfenylenu dendrimer makromolekula uváděná Müllenem a kol.[14]

Některé příklady makromolekul jsou syntetické polymery (plasty, syntetická vlákna, a syntetická guma ), grafen, a uhlíkové nanotrubice. Polymery mohou být připraveny jak z anorganických látek, tak například z anorganické polymery a geopolymery. Začlenění anorganických prvků umožňuje vyladitelnost vlastností a / nebo citlivého chování, jako například v chytré anorganické polymery.

Viz také

Reference

  1. ^ A b C d E Stryer L, Berg JM, Tymoczko JL (2002). Biochemie (5. vydání). San Francisco: W.H. Freemane. ISBN  978-0-7167-4955-4.
  2. ^ Životní cyklus plastového výrobku Archivováno 2010-03-17 na Wayback Machine. Americanchemistry.com. Citováno 2011-07-01.
  3. ^ Gullapalli, S .; Wong, M.S. (2011). „Nanotechnologie: Průvodce po nanoobjektech“ (PDF). Pokrok chemického inženýrství. 107 (5): 28–32. Archivovány od originál (PDF) dne 2012-08-13. Citováno 2015-06-28.
  4. ^ Jenkins, A. D; Kratochvíl, P; Stepto, R. F. T; Suter, USA (1996). „Glosář základních pojmů v polymerní vědě (doporučení IUPAC 1996)“ (PDF). Čistá a aplikovaná chemie. 68 (12): 2287–2311. doi:10.1351 / pac199668122287.
  5. ^ Staudinger, H .; Fritschi, J. (1922). "Über Isopren und Kautschuk. 5. Mitteilung. Über die Hydrierung des Kautschuks a über seine Ústava". Helvetica Chimica Acta. 5 (5): 785. doi:10,1002 / hlca.19220050517.
  6. ^ Jensen, William B. (2008). „Původ konceptu polymeru“. Journal of Chemical Education. 85 (5): 624. Bibcode:2008JChEd..85..624J. doi:10.1021 / ed085p624.
  7. ^ van Holde, K.E. (1998) Principy fyzikální biochemie Prentice Hall: New Jersey, ISBN  0-13-720459-0
  8. ^ Jenkins, A. D .; Kratochvíl, P .; Stepto, R. F. T .; Suter, U. W. (1996). „Glosář základních pojmů ve vědě o polymerech“ (PDF). Čistá a aplikovaná chemie. 68 (12): 2287. doi:10.1351 / pac199668122287. Archivovány od originál (PDF) dne 2007-02-23.
  9. ^ Minton AP (2006). „Jak se mohou biochemické reakce v buňkách lišit od reakcí ve zkumavkách?“. J. Cell Sci. 119 (Pt 14): 2863–9. doi:10.1242 / jcs.03063. PMID  16825427.
  10. ^ Berg, Jeremy Mark; Tymoczko, John L .; Stryer, Lubert (2010). Biochemistry, 7. vydání. (Biochemistry (Berg)). W.H. Freeman & Company. ISBN  978-1-4292-2936-4. Páté vydání dostupné online na knihovně NCBI: odkaz
  11. ^ Walter, Peter; Alberts, Bruce; Johnson, Alexander S .; Lewis, Julian; Raff, Martin C .; Roberts, Keith (2008). Molekulární biologie buňky (5. vydání, rozšířená verze). New York: Věnec věnec. ISBN  978-0-8153-4111-6.. Čtvrté vydání je k dispozici online na knihovně NCBI: odkaz
  12. ^ Golnick, Larry; Wheelis, Mark. (1991-08-14). Kreslený průvodce genetikou. Collinsova reference. ISBN  978-0-06-273099-2.
  13. ^ Takemura, Masaharu (2009). Průvodce Manga po molekulární biologii. Žádný lis na škrob. ISBN  978-1-59327-202-9.
  14. ^ Roland E. Bauer; Volker Enkelmann; Uwe M. Wiesler; Alexander J. Berresheim; Klaus Müllen (2002). "Monokrystalické struktury polyfenylenových dendrimerů". Chemistry: A European Journal. 8 (17): 3858. doi:10.1002 / 1521-3765 (20020902) 8:17 <3858 :: AID-CHEM3858> 3.0.CO; 2-5.

externí odkazy