Макромолекула является очень большой молекулой , таких как белки. Они состоят из тысяч ковалентно связанных атомов . Многие макромолекулы представляют собой полимеризацию более мелких молекул, называемых мономерами . Наиболее распространенными макромолекулами в биохимии являются биополимеры ( нуклеиновые кислоты , белки и углеводы ) и большие неполимерные молекулы, такие как липиды и макроциклы . [1] Синтетические волокна и экспериментальные материалы, такие как углеродные нанотрубки [2] [3] также являются примерами макромолекул.
Определение [ править ]
Большая молекула
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.
- Примечания
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.
либо как макромолекулярная, либо как полимерная , либо как полимер, используемый адъективно. [4]
Термин макромолекула ( макро- + молекула ) был введен лауреатом Нобелевской премии Германом Штаудингером в 1920-х годах, хотя его первая соответствующая публикация в этой области упоминает только высокомолекулярные соединения (более 1000 атомов). [5] В то время термин « полимер» , введенный Берцелиусом в 1832 году, имел другое значение, чем сегодня: это просто была другая форма изомерии, например, с бензолом и ацетиленом, и имела мало общего с размером. [6]
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]
Согласно стандартному определению ИЮПАК , термин « макромолекула», используемый в науке о полимерах, относится только к одной молекуле. Например, отдельная полимерная молекула надлежащим образом описывается как «макромолекула» или «молекула полимера», а не как «полимер», что предполагает вещество, состоящее из макромолекул. [8]
Макромолекулы из-за их размера не очень удобно описывать только с точки зрения стехиометрии . Структура простых макромолекул, таких как гомополимеры, может быть описана в терминах индивидуальной субъединицы мономера и общей молекулярной массы . Сложные биомакромолекулы, с другой стороны, требуют многогранного структурного описания, такого как иерархия структур, используемых для описания белков . В британском английском слово «макромолекула» обычно называют « высокополимерным ».
Свойства [ править ]
Этот раздел требует дополнительных ссылок для проверки . ( Май 2013 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения ) |
Макромолекулы часто обладают необычными физическими свойствами, которых нет у молекул меньшего размера.
Другое общее свойство макромолекул, которое не характеризует более мелкие молекулы, - их относительная нерастворимость в воде и подобных растворителях , вместо образования коллоидов . Многим 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 изменять скорости и константы равновесия реакций других макромолекул из-за эффекта, известного как макромолекулярное скопление . [9] Это происходит из-за того, что макромолекулы исключают другие молекулы из большой части объема раствора, тем самым увеличивая эффективные концентрации этих молекул.
Линейные биополимеры [ править ]
Все живые организмы зависят от трех основных биополимеров для их биологических функций: ДНК , РНК и белков . [10] Каждая из этих молекул необходима для жизни, поскольку каждая играет особую, незаменимую роль в клетке . [11] Вкратце, 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, 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 ]
| 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 |
| Беспричинность | Двойной | Одинокий | Одинокий |
| Структура | Двойная спираль | Сложный | Сложный |
| Устойчивость к деградации | Высоко | Переменная | Переменная |
| Системы ремонта | 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 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 ]
ДНК - это макромолекула хранения информации, которая кодирует полный набор инструкций ( геном ), необходимых для сборки, поддержания и воспроизведения 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
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 ]
Белки являются функциональными макромолекулами , ответственными за катализировать те биохимические реакции , которые поддерживают жизнь. [1] : 3 Белки выполняют все функции организма, например фотосинтез, нервную функцию, зрение и движение. [13]
Одноцепочечная природа белковых молекул вместе с их составом из 20 или более различных строительных блоков аминокислот позволяет им складываться в огромное количество различных трехмерных форм, обеспечивая при этом карманы для связывания, через которые они могут специфически взаимодействовать с 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 конкретных биохимических превращений в клетках. Кроме того, белки развили способность связывать широкий спектр кофакторов и коферментов., более мелкие молекулы, которые могут наделять белок специфическими активностями помимо тех, которые связаны только с полипептидной цепью.
РНК многофункциональна [ править ]
РНК многофункциональна, ее основная функция - кодировать белки в соответствии с инструкциями внутри клеточной ДНК. [1] : 5 Они контролируют и регулируют многие аспекты синтеза белка у эукариот .
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.
Основные макромолекулы:
| Макромолекула (Полимер) | Структурный элемент (Мономер) | Узы, которые к ним присоединяются |
|---|---|---|
| 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 из них представляют собой огромные агрегаты небольших молекул, удерживаемых вместе гидрофобными взаимодействиями. |
Разветвленные биополимеры [ править ]
Макромолекулы углеводов ( полисахариды ) образуются из полимеров моносахаридов . [1] : 11 Поскольку моносахариды имеют несколько функциональных групп , полисахариды могут образовывать линейные полимеры (например, целлюлозу ) или сложные разветвленные структуры (например, гликоген ). Полисахариды выполняют многочисленные функции в живых организмах, выступая в качестве накопителей энергии (например, крахмал ) и в качестве структурных компонентов (например, хитин у членистоногих и грибов). Многие углеводы содержат модифицированные моносахаридные звенья, у которых функциональные группы заменены или удалены.
Полифенолы состоят из разветвленной структуры из множества фенольных субъединиц. Они могут выполнять структурные роли (например, лигнин ), а также роли вторичных метаболитов, участвующих в передаче сигналов , пигментации и защите .
Синтетические макромолекулы [ править ]
Некоторыми примерами макромолекул являются синтетические полимеры ( пластмассы , 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 реагирующее поведение, как, например, в интеллектуальных неорганических полимерах .
См. Также [ править ]
- Список биофизически важных структур макромолекулярных кристаллов
Ссылки [ править ]
- ^ а б в г д 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 пластмассового изделия. Архивировано 17 марта 2010 г. в Wayback Machine . Americanchemistry.com. Проверено 1 июля 2011.
- ^ Gullapalli, S .; Вонг, MS (2011). «Нанотехнологии: Путеводитель по нанообъектам» (PDF) . Прогресс химического машиностроения . 107 (5): 28–32. Архивировано из оригинального (PDF) 13 августа 2012 года . Проверено 28 июня 2015 .
- ^ Дженкинс, A.D; Kratochvíl, P; Степто, РФ Т; Сутер, У. В. (1996). «Глоссарий основных терминов в науке о полимерах (Рекомендации ИЮПАК 1996 г.)» (PDF) . Чистая и прикладная химия . 68 (12): 2287–2311. DOI : 10,1351 / pac199668122287 .
- ^ Staudinger, H .; Фритчи, Дж. (1922). "Über Isopren und Kautschuk. 5. Mitteilung. Über die Hydrierung des Kautschuks und über seine Konstitution" . Helvetica Chimica Acta . 5 (5): 785. DOI : 10.1002 / hlca.19220050517 .
- ^ Дженсен, Уильям Б. (2008). «Происхождение концепции полимера». Журнал химического образования . 85 (5): 624. Bibcode : 2008JChEd..85..624J . DOI : 10.1021 / ed085p624 .
- ^ van Holde, KE (1998) Принципы физической биохимии Prentice Hall: Нью-Джерси, ISBN 0-13-720459-0
- ^ Дженкинс, AD; Kratochvíl, P .; Степто, RFT; Сутер, UW (1996). «Глоссарий основных терминов в науке о полимерах» (PDF) . Чистая и прикладная химия . 68 (12): 2287. DOI : 10,1351 / pac199668122287 . Архивировано из оригинального (PDF) 23 февраля 2007 года.
- ^ Минтон AP (2006). «Чем биохимические реакции внутри клеток могут отличаться от таковых в пробирках?» . J. Cell Sci . 119 (Pt 14): 2863–9. DOI : 10,1242 / jcs.03063 . PMID 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, Кит (2008). Молекулярная биология клетки (5-е издание, расширенная версия) . Нью-Йорк: Наука о гирляндах . ISBN 978-0-8153-4111-6.. Четвертое издание доступно в Интернете на книжной полке NCBI: ссылка
- ^ Гольник, Ларри; Уилис, Марк. (1991-08-14). Мультяшный справочник по генетике . Справочник Коллинза. ISBN 978-0-06-273099-2.
- ^ Такемура, Масахару (2009). Манга Руководство 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 дендримеров полифенилена». Химия: Европейский журнал . 8 (17): 3858. DOI : 10.1002 / 1521-3765 (20020902) 8:17 <3858 :: АИД-CHEM3858> 3.0.CO; 2-5 .
Внешние ссылки [ править ]
- Сводка главы 5, Campbell & Reece, 2002 г.
- Конспект лекций о структуре и функциях макромолекул
- Несколько (бесплатных) вводных интернет-курсов по макромолекулам
- Гигантские молекулы! Улисс Маги, Обзор ISSA Winter 2002–2003, ISSN 1540-9864 . Кешированная HTML-версия отсутствующего файла PDF. Проверено 10 марта 2010 г. Статья основана на книге Ясу Фурукавы « Изобретая науку о полимерах: Штаудингер, Каротерс и появление макромолекулярной химии ».
