Biopolymerer er en klasse af polymerer , der forekommer naturligt i naturen, og som er en del af levende organismer: proteiner , nukleinsyrer , polysaccharider , lignin . Biopolymerer består af identiske (eller lignende) enheder - monomerer . Proteiners monomerer er aminosyrer , nukleinsyrer er nukleotider , i polysaccharider er de monosaccharider .
Der er to typer biopolymerer - regulære (nogle polysaccharider) og uregelmæssige (proteiner, nukleinsyrer, nogle polysaccharider).
Proteiner - ordnede heteropolymerer af aminosyrer - har flere niveauer af organisation - primære, sekundære, tertiære og nogle gange kvaternære. Den primære struktur bestemmes af sekvensen af monomerer forbundet med peptidbindinger, den sekundære struktur bestemmes af intra- og intermolekylære interaktioner mellem monomerer, normalt ved hjælp af hydrogenbindinger . Den tertiære struktur afhænger af vekselvirkningen af sekundære strukturer, den kvaternære, som regel, dannes ved at kombinere flere molekyler med en tertiær struktur [1] [2] .
Den sekundære struktur af proteiner dannes ved interaktion af aminosyrer gennem hydrogenbindinger og hydrofobe interaktioner. De vigtigste typer af sekundær struktur er
Computerprogrammer bruges til at forudsige den sekundære struktur.
Den tertiære struktur eller "fold" dannes ved interaktion af sekundære strukturer og stabiliseres af ikke-kovalente, ioniske, hydrogenbindinger og hydrofobe interaktioner. Proteiner, der udfører lignende funktioner, har normalt en lignende tertiær struktur. Et eksempel på en fold er en β-tønde (tønde), når β-ark er arrangeret i en cirkel. Den tertiære struktur af proteiner bestemmes ved hjælp af røntgendiffraktionsanalyse .
Betydningen af proteiner i dyrelivet kan ikke overvurderes. De har en strukturel, mekanisk funktion, spiller rollen som biokatalysatorer - enzymer , der sikrer strømmen af biokemiske reaktioner, udfører transport- og signalfunktioner. For at udføre alle disse funktioner er den korrekte foldning af proteiner fundamentalt vigtig [1] .
Vores muskler, hår, hud består af fibrøse proteiner. Blodproteinet, som er en del af hæmoglobin , fremmer absorptionen af atmosfærisk ilt, et andet protein - insulin - er ansvarlig for nedbrydningen af sukker i kroppen og derfor forsyner den med energi. Molekylvægten af proteiner varierer meget. Således indeholder insulin , det første af de proteiner, hvis struktur blev etableret af F. Sanger i 1953, omkring 60 aminosyreenheder, og dets molekylvægt er kun 12.000. Til dato er flere tusinde proteinmolekyler blevet identificeret, molekylvægten på nogle af dem når 10 6 og mere.
Nukleinsyrer er heteropolymerer dannet af nukleotidrester. I overensstemmelse med arten af det kulhydrat , der er en del af deres sammensætning, kaldes nukleinsyrer ribonuklein og deoxyribonuklein . Almindelige forkortelser er RNA og DNA . I en celle er DNA normalt dobbeltstrenget, det vil sige, at det er et kompleks af to komplementære molekyler forenet af hydrogenbindinger. RNA er normalt i en enkeltstrenget tilstand Nukleinsyrer spiller en afgørende rolle i livsprocesser. Med deres hjælp løses problemerne med opbevaring, transmission og implementering af arvelig information . Grundlaget for disse processer er matrixsynteser: transkription , translation og replikation [1] .
Der er to niveauer af organisation af nukleinsyrer.
I 1868 isolerede den schweiziske videnskabsmand Friedrich Miescher et fosforholdigt stof fra cellekernerne, som han kaldte nuklein. Senere blev dette og lignende stoffer kaldt nukleinsyrer . Deres molekylvægt kan nå 10 9 , men varierer oftere fra 10 5 −10 6 .
Polysaccharider syntetiseret af levende organismer består af et stort antal monosaccharider forbundet med glykosidbindinger . Ofte er polysaccharider uopløselige i vand. Disse er normalt meget store, forgrenede molekyler. Eksempler på polysaccharider, der syntetiseres af levende organismer, er lagerstoffer stivelse og glykogen samt strukturelle polysaccharider - cellulose og kitin . Da biologiske polysaccharider er sammensat af molekyler af forskellig længde, gælder begreberne sekundær og tertiær struktur ikke for polysaccharider.
Polysaccharider er dannet af lavmolekylære forbindelser kaldet sukkerarter eller kulhydrater . Cykliske molekyler af monosaccharider kan binde sig til hinanden med dannelse af såkaldte glykosidbindinger ved kondensering af hydroxylgrupper.
De mest almindelige polysaccharider , hvis gentagne enheder er resterne af α-D-glucopyranose eller dets derivater. Den bedst kendte og udbredte cellulose . I dette polysaccharid forbinder en oxygenbro det 1. og 4. carbonatom i naboenheder, en sådan binding kaldes α-1,4-glykosid.
Kemisk sammensætning svarende til cellulose har stivelse , bestående af amylose og amylopectin, glykogen og dextran . Forskellen mellem førstnævnte og cellulose ligger i forgrening af makromolekyler, og amylopektin og glykogen kan klassificeres som hyperforgrenede naturlige polymerer, det vil sige dendrimerer med en uregelmæssig struktur. Forgreningspunktet er normalt det sjette carbonatom i α-D-glucopyranoseringen, som er forbundet med en glykosidbinding til sidekæden. Forskellen mellem dextran og cellulose ligger i arten af glykosidbindinger - sammen med α-1,4- indeholder dextran også α-1,3- og α-1,6-glykosidbindinger, hvor sidstnævnte er dominerende.
Chitin og chitosan har en anden kemisk sammensætning end cellulose , men de er tæt på den i struktur. Forskellen ligger i det faktum, at ved det andet carbonatom af α-D-glucopyranose-enhederne forbundet med α-1,4-glykosidbindinger, er OH-gruppen erstattet af -NHCH 3 COO-grupperne i chitin og -NH 2 gruppe i chitosan .
Cellulose findes i bark og træ af træer, plantestængler: bomuld indeholder mere end 90% cellulose, nåletræer - over 60%, løvfældende - omkring 40%. Styrken af cellulosefibre skyldes, at de er dannet af enkeltkrystaller , hvor makromolekyler er pakket parallelt med hinanden. Cellulose er det strukturelle grundlag for repræsentanter ikke kun for planteverdenen, men også for nogle bakterier .
I dyreriget "bruges" polysaccharider kun af insekter og leddyr som understøttende, strukturdannende polymerer . Oftest bruges kitin til disse formål , som tjener til at opbygge det såkaldte ydre skelet hos krabber, krebs og rejer. Fra chitin ved deacetylering opnås chitosan , som i modsætning til uopløseligt chitin er opløseligt i vandige opløsninger af myresyre , eddikesyre og saltsyre . I denne henseende, og også på grund af et kompleks af værdifulde egenskaber kombineret med biokompatibilitet , har chitosan store udsigter til bred praktisk anvendelse i den nærmeste fremtid.
Stivelse er et af de polysaccharider , der fungerer som reservenæringsstof i planter. Knolde, frugter, frø indeholder op til 70% stivelse . Dyrenes lagrede polysaccharid er glykogen , som hovedsageligt findes i leveren og musklerne.
Styrken af planters stammer og stængler, foruden skelettet af cellulosefibre, bestemmes af bindeplantevævet. En væsentlig del af det i træer er lignin - op til 30%. Dens struktur er ikke præcist fastlagt. Det er kendt, at dette er en hyperforgrenet polymer med relativt lav molekylvægt (M ≈ 104) hovedsageligt dannet af phenolrester substitueret i ortho - stillingen med -OCH3 - grupper , i para -stillingen med -CH=CH- CH2OH - grupper . I øjeblikket er en enorm mængde ligniner blevet akkumuleret som affald fra cellulosehydrolyseindustrien, men problemet med deres bortskaffelse er ikke løst. De støttende elementer i plantevæv omfatter pektinstoffer og især pektin , der hovedsageligt er placeret i cellevægge. Dens indhold i æblernes skræl og den hvide del af skallen af citrusfrugter når 30%. Pektin refererer til heteropolysaccharider, det vil sige copolymerer . Dens makromolekyler er hovedsageligt bygget af rester af D-galacturonsyre og dens methylester forbundet med α-1,4-glykosidbindinger.
Af pentoserne er polymerer af arabinose og xylose vigtige, som danner polysaccharider kaldet arabiner og xylaner. De bestemmer sammen med cellulose træets typiske egenskaber.