Биополимеры – это природные полимеры , вырабатываемые клетками живых организмов . Как и другие полимеры, биополимеры состоят из мономерных звеньев, которые ковалентно связаны в цепи, образуя более крупные молекулы. Существует три основных класса биополимеров, классифицируемых в соответствии с используемыми мономерами и структурой образующегося биополимера: полинуклеотиды , полипептиды и полисахариды . Полинуклеотиды , РНК и ДНК , представляют собой длинные полимеры нуклеотидов . Полипептиды включают белки и более короткие полимерыаминокислоты ; некоторые основные примеры включают коллаген , актин и фибрин . Полисахариды представляют собой линейные или разветвленные цепи сахарных углеводов ; примеры включают крахмал, целлюлозу и альгинат. Другие примеры биополимеров включают натуральные каучуки (полимеры изопрена ), суберин и лигнин (сложные полифенольные полимеры), кутин и кутан (комплексные полимеры длинноцепочечных жирных кислот ) и меланин .
В дополнение к их многочисленным важным ролям в живых организмах биополимеры находят применение во многих областях, включая пищевую промышленность , производство , упаковку и биомедицинскую инженерию . [1]
Основное определяющее различие между биополимерами и синтетическими полимерами можно найти в их структуре. Все полимеры состоят из повторяющихся единиц, называемых мономерами . Биополимеры часто имеют четко определенную структуру, хотя это не является определяющей характеристикой (пример: лигноцеллюлоза ): точный химический состав и последовательность, в которой расположены эти единицы , в случае белков называется первичной структурой . Многие биополимеры спонтанно складываются в характерные компактные формы (см. также « свертывание белков », а также вторичную структуру и третичную структуру ).), которые определяют их биологические функции и сложным образом зависят от их первичных структур. Структурная биология изучает структурные свойства биополимеров. Напротив, большинство синтетических полимеров имеют гораздо более простую и более случайную (или стохастическую) структуру. Этот факт приводит к молекулярно-массовому распределению, отсутствующему в биополимерах. На самом деле, поскольку их синтез контролируется матричным процессом в большинстве систем in vivo , все биополимеры одного типа (скажем, одного конкретного белка) одинаковы: все они содержат одинаковые последовательности и количество мономеров и, следовательно, все они имеют одинаковые свойства. масса. Это явление называется монодисперсностью в отличие от полидисперсностивстречается в синтетических полимерах. В результате биополимеры имеют дисперсность 1. [2]
Условием для полипептида является перечисление входящих в его состав аминокислотных остатков по мере их расположения от амино-конца к карбокси-концу. Аминокислотные остатки всегда соединены пептидными связями . Белок , хотя и используется в просторечии для обозначения любого полипептида, относится к более крупным или полностью функциональным формам и может состоять из нескольких полипептидных цепей, а также из одиночных цепей. Белки также могут быть модифицированы для включения непептидных компонентов, таких как сахаридные цепи и липиды .
В последовательности нуклеиновой кислоты принято перечислять нуклеотиды по мере их появления от 5'-конца к 3'-концу полимерной цепи , где 5' и 3' относятся к нумерации атомов углерода вокруг рибозного кольца, которые участвуют в формировании фосфатно-диэфирные связи цепи. Такая последовательность называется первичной структурой биополимера.
Полимеры сахара могут быть линейными или разветвленными и обычно соединены гликозидными связями . Точное расположение связи может варьироваться, и ориентация связывающих функциональных групп также важна, что приводит к α- и β-гликозидным связям с нумерацией, определяющей расположение связывающих атомов углерода в кольце. Кроме того, многие сахаридные звенья могут подвергаться различным химическим модификациям, таким как аминирование , и даже могут образовывать части других молекул, таких как гликопротеины .