Макромолекула - Википедия - Macromolecule

«Макромолекулы» перенаправляются сюда. Для журнала см. Макромолекулы (журнал).
«Макромолекулярная химия» перенаправляется сюда. О журнале, ранее известном как Macromolecular Chemistry, см. Макромолекулярная химия и физика.
Химическая структура полипептид макромолекула

А макромолекула очень большой молекула, например, белок, обычно состоящий из полимеризация малых подразделений, называемых мономеры. Обычно они состоят из тысяч атомы или больше. Вещество, состоящее из мономеров, называется полимер. Наиболее распространенные макромолекулы в биохимия находятся биополимеры (нуклеиновые кислоты, белки и углеводы ) и большие неполимерные молекулы (такие как липиды и макроциклы ),[1] синтетические волокна, а также экспериментальные материалы, такие как углеродные нанотрубки.[2][3]

Макромолекулы - это большие молекулы, состоящие из тысяч ковалентно связанных атомов. Углеводы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты - все это макромолекулы. Макромолекулы образованы множеством мономеров, соединяющихся вместе, образуя полимер. Углеводы состоят из углерода, кислорода и водорода. Мономером углеводов являются моносахариды. Есть три формы углеводов: энергетические, запасные и структурные молекулы. Дисахарид образуется, когда в результате реакции дегидратации два моносахарида соединяются. Другой тип макромолекул - липиды. Липиды - это углеводороды, не образующие полимеров. Жиры состоят из глицерина и жирных кислот. Фосфолипиды обычно находятся в фосфолипидном бислое мембран. У них гидрофильные головы и гидрофопные хвосты. Белок - это еще один тип макромолекул. Аминокислоты - это мономеры белков. Белки выполняют множество различных функций. Есть белки, которые используются для структурной поддержки, хранения, транспорта, клеточной коммуникации, движения, защиты от посторонних веществ и многого другого. Нуклеиновые кислоты передают и помогают выражать наследственную информацию. Они состоят из мономеров, называемых нуклеотидами. Два типа нуклеиновых кислот - это ДНК и РНК.

Определение

ИЮПАК определение
Макромолекулы
Большая молекула

Молекула с высокой относительной молекулярной массой, структура которой существенно
состоит из многократного повторения единиц, фактически или концептуально полученных из
молекулы с низкой относительной молекулярной массой.

Примечания

1. Во многих случаях, особенно для синтетических полимеров, молекулу можно рассматривать
как имеющие высокую относительную молекулярную массу, если добавление или удаление одного или
некоторые единицы оказывают незначительное влияние на молекулярные свойства. Это утверждение
не работает в случае определенных макромолекул, свойства которых могут быть
критически зависит от мелких деталей молекулярной структуры.

2. Если часть или вся молекула подпадает под это определение, она может быть описана
как либо макромолекулярный или же полимерный, или полимер употребляется прилагательно.[4]

Период, термин макромолекула (макро- + молекула) был придуман Нобелевский лауреат Герман Штаудингер в 1920-х годах, хотя в его первой соответствующей публикации в этой области упоминается только высокомолекулярные соединения (более 1000 атомов).[5] В то время срок полимер, как введено Берцелиус в 1832 году имел другое значение, чем сегодня: это просто была другая форма изомерия например с бензол и ацетилен и не имел ничего общего с размером.[6]

Использование термина для описания больших молекул варьируется в зависимости от дисциплины. Например, пока биология относится к макромолекулам как к четырем большим молекулам, составляющим живые существа, в химия, термин может относиться к агрегатам из двух или более молекул, удерживаемых вместе посредством межмолекулярные силы скорее, чем ковалентные связи но которые не легко диссоциируют.[7]

По стандарту ИЮПАК определение, термин макромолекула в науке о полимерах используется только для одной молекулы. Например, отдельная полимерная молекула надлежащим образом описывается как «макромолекула» или «молекула полимера», а не как «полимер», что предполагает наличие вещество состоит из макромолекул.[8]

Макромолекулы из-за их размера сложно описывать в терминах стехиометрия один. Структура простых макромолекул, таких как гомополимеры, может быть описана в терминах индивидуальной субъединицы мономера и общей молекулярная масса. Сложные биомакромолекулы, с другой стороны, требуют многогранного структурного описания, такого как иерархия структур, используемых для описания белки. В Британский английский, слово "макромолекула" обычно называют "высокий полимер".

Характеристики

Макромолекулы часто обладают необычными физическими свойствами, которых нет у более мелких молекул.


Другое общее свойство макромолекул, которое не характеризует более мелкие молекулы, - их относительная нерастворимость в воде и т.п. растворители, вместо этого формируя коллоиды. Многие требуют соли или в частности ионы растворить в воде. Точно так же многие белки будут денатурировать если концентрация растворенного вещества в их растворе слишком высока или слишком мала.

Высокие концентрации макромолекул в растворе могут изменить тарифы и константы равновесия реакций других макромолекул за счет эффекта, известного как макромолекулярное скопление.[9] Это происходит от макромолекул без учета другие молекулы из большой части объема раствора, тем самым увеличивая эффективные концентрации этих молекул.

Линейные биополимеры

Все живые организмы зависят от трех основных биополимеры за свои биологические функции: ДНК, РНК и белки.[10] Каждая из этих молекул необходима для жизни, поскольку каждая играет особую и незаменимую роль в жизнедеятельности человека. клетка.[11] Простое резюме таково: ДНК создает РНК, а затем РНК создает белки.

ДНК, РНК и белки состоят из повторяющейся структуры связанных строительных блоков (нуклеотиды в случае ДНК и РНК, аминокислоты 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 шариков, каждая из которых представляет собой один нуклеотид или мономер аминокислоты, связанные вместе через ковалентные химические связи в очень длинную цепочку.

В большинстве случаев мономеры в цепи имеют сильную склонность к взаимодействию с другими аминокислотами или нуклеотидами. В ДНК и РНК это может принимать форму Уотсона-Крика. пар оснований (G-C и A-T или A-U), хотя могут происходить и происходят гораздо более сложные взаимодействия.

Конструктивные особенности

ДНКРНКБелки
Кодирует генетическую информациюдадаНет
Катализирует биологические реакцииНетдада
Строительные блоки (тип)НуклеотидыНуклеотидыАминокислоты
Строительные блоки (количество)4420
БеспризорностьДвойнойОдинокий Одинокий
СтруктураДвойная спиральСложныйСложный
Устойчивость к деградацииВысокоПеременнаяПеременная
Системы ремонтадаНетНет

Из-за двухцепочечной природы ДНК практически все нуклеотиды имеют форму Пары оснований Уотсона-Крика между нуклеотидами на двух комплементарных цепях двойная спираль.

Напротив, как РНК, так 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 карманы для переплетов и способность катализировать биохимические реакции.

ДНК оптимизирована для кодирования информации

ДНК макромолекула хранения информации, которая кодирует полный набор инструкции (в геном ), которые необходимы для сборки, обслуживания и воспроизводства 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, так что 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 ремонт последовательность при необходимости. Аналогичные системы не разработаны для восстановления поврежденных молекул РНК. Следовательно, хромосомы могут содержать многие миллиарды атомов, расположенных в определенной химической структуре.

Белки оптимизированы для катализа

Белки - это функциональные макромолекулы, отвечающие за катализирование в 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 преобразований в клетках. Кроме того, белки развили способность связывать широкий спектр кофакторы и коферменты, более мелкие молекулы, которые могут наделять белок специфической активностью помимо тех, которые связаны только с полипептидной цепью.

РНК многофункциональна

РНК является многофункциональным, его основная функция - кодировать белки в соответствии с инструкциями в ДНК клетки.[1]:5 Они контролируют и регулируют многие аспекты синтеза белка в эукариоты.

РНК кодирует генетическую информацию, которая может быть переведено 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 недостаточным химическим разнообразием приводит к каталитической РНК (рибозимы ), как правило, являются менее эффективными катализаторами большинства биологических реакций, чем белки.

Основные макромолекулы:

Макромолекулы

(Полимер)

Структурный элемент

(Мономер)

Узы, которые к ним присоединяются
БелкиАминокислотыПептид
Нуклеиновые кислотыФосфодиэфир
ДНКНуклеотиды (фосфат, рибоза и основание - аденин, гуанин, тимин или цитозин)
РНКНуклеотиды (фосфат, рибоза и основание - аденин, гуанин, урацил или цитозин)
ПолисахаридыМоносахаридыГликозидный
Липидыв отличие от других макромолекул, липиды не определяются химической структурой. Липиды - это любые органические неполярные молекулы.Некоторые липиды удерживаются вместе сложноэфирными связями; некоторые представляют собой огромные агрегаты небольших молекул, удерживаемых вместе за счет гидрофобных взаимодействий.

Разветвленные биополимеры

Малиновый эллагитаннин, а танин состоит из ядра единиц глюкозы, окруженных эфирами галловой кислоты и единицами эллаговой кислоты

Углеводы макромолекулы (полисахариды ) образованы из полимеров моносахариды.[1]:11 Поскольку моносахариды имеют несколько функциональные группы, полисахариды могут образовывать линейные полимеры (например, целлюлоза ) или сложные разветвленные структуры (например, гликоген ). Полисахариды выполняют многочисленные функции в живых организмах, выступая в качестве накопителей энергии (например, крахмал ) и как структурные компоненты (например, хитин у членистоногих и грибов). Многие углеводы содержат модифицированные моносахаридные единицы, в которых функциональные группы заменены или удалены.

Полифенолы состоят из разветвленной структуры из нескольких фенольный субъединицы. Они могут выполнять структурные роли (например, лигнин ), а также роли вторичные метаболиты участвует в сигнализация, пигментация и защита.

Синтетические макромолекулы

Структура полифенилена дендример макромолекула, описанная Müllen, et al.[14]

Некоторыми примерами макромолекул являются синтетические полимеры (пластмассы, синтетические волокна, и синтетическая резина ), графен, и углеродные нанотрубки. Полимеры могут быть получены из неорганических веществ, а также, например, из неорганические полимеры и геополимеры. Включение неорганических элементов позволяет настраивать свойства и / или реагирующее поведение, как, например, в умные неорганические полимеры.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c d е Страйер Л., Берг Дж. М., Тимочко Дж. Л. (2002). Биохимия (5-е изд.). Сан-Франциско: W.H. Freeman. ISBN  978-0-7167-4955-4.
  2. ^ Жизненный цикл пластмассового изделия В архиве 2010-03-17 на Wayback Machine. Americanchemistry.com. Проверено 1 июля 2011.
  3. ^ Gullapalli, S .; Вонг, М. (2011). «Нанотехнологии: Путеводитель по нанообъектам» (PDF). Прогресс химического машиностроения. 107 (5): 28–32. Архивировано из оригинал (PDF) на 2012-08-13. Получено 2015-06-28.
  4. ^ Jenkins, A.D; Kratochvíl, P; Степто, Р. Ф. Т; Suter, U. W (1996). «Глоссарий основных терминов в науке о полимерах (Рекомендации ИЮПАК 1996 г.)» (PDF). Чистая и прикладная химия. 68 (12): 2287–2311. Дои:10.1351 / pac199668122287.
  5. ^ 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. Дои:10.1002 / hlca.19220050517.
  6. ^ Дженсен, Уильям Б. (2008). «Происхождение концепции полимера». Журнал химического образования. 85 (5): 624. Bibcode:2008JChEd..85..624J. Дои:10.1021 / ed085p624.
  7. ^ ван Холде, К. (1998) Принципы физической биохимии Прентис Холл: Нью-Джерси, ISBN  0-13-720459-0
  8. ^ Jenkins, A.D .; Kratochvíl, P .; Степто, Р. Ф. Т .; Сутер, У. В. (1996). «Глоссарий основных терминов в науке о полимерах» (PDF). Чистая и прикладная химия. 68 (12): 2287. Дои:10.1351 / pac199668122287. Архивировано из оригинал (PDF) 23 февраля 2007 г.
  9. ^ Минтон А.П. (2006). «Чем биохимические реакции внутри клеток могут отличаться от таковых в пробирках?». J. Cell Sci. 119 (Pt 14): 2863–9. Дои:10.1242 / jcs.03063. PMID  16825427.
  10. ^ Берг, Джереми Марк; Тимочко, Джон Л .; Страйер, Люберт (2010). Биохимия, 7-е изд. (Биохимия (Берг)). W.H. Freeman & Company. ISBN  978-1-4292-2936-4. Пятое издание доступно онлайн на книжной полке NCBI: связь
  11. ^ 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: связь
  12. ^ Гольник, Ларри; Уилис, Марк. (1991-08-14). Мультяшный путеводитель по генетике. Справочник Коллинза. ISBN  978-0-06-273099-2.
  13. ^ Такемура, Масахару (2009). Манга: руководство по молекулярной биологии. Пресс без крахмала. ISBN  978-1-59327-202-9.
  14. ^ Роланд Э. Бауэр; Фолькер Энкельманн; Уве М. Вислер; Александр Дж. Берресхайм; Клаус Мюллен (2002). «Монокристаллические структуры дендримеров полифенилена». Химия: европейский журнал. 8 (17): 3858. Дои:10.1002 / 1521-3765 (20020902) 8:17 <3858 :: AID-CHEM3858> 3.0.CO; 2-5.

внешняя ссылка