Biopolymerer är en klass av polymerer som förekommer naturligt i naturen, som ingår i levande organismer: proteiner , nukleinsyror , polysackarider , lignin . Biopolymerer består av identiska (eller liknande) enheter - monomerer . Proteiners monomerer är aminosyror , nukleinsyror är nukleotider , i polysackarider är de monosackarider .
Det finns två typer av biopolymerer - vanliga (vissa polysackarider) och oregelbundna (proteiner, nukleinsyror, vissa polysackarider).
Proteiner - ordnade heteropolymerer av aminosyror - har flera nivåer av organisation - primära, sekundära, tertiära och ibland kvartära. Den primära strukturen bestäms av sekvensen av monomerer kopplade av peptidbindningar, den sekundära strukturen bestäms av intra- och intermolekylära interaktioner mellan monomerer, vanligtvis med vätebindningar . Den tertiära strukturen beror på samverkan mellan sekundära strukturer, den kvartära, som regel, bildas genom att kombinera flera molekyler med en tertiär struktur [1] [2] .
Den sekundära strukturen hos proteiner bildas genom interaktion av aminosyror genom vätebindningar och hydrofoba interaktioner. Huvudtyperna av sekundär struktur är
Datorprogram används för att förutsäga den sekundära strukturen.
Den tertiära strukturen eller "veckningen" bildas genom växelverkan mellan sekundära strukturer och stabiliseras av icke-kovalenta, joniska, vätebindningar och hydrofoba växelverkningar. Proteiner som utför liknande funktioner har vanligtvis en liknande tertiär struktur. Ett exempel på ett veck är en β-pipa (pipa), när β-skivor är ordnade i en cirkel. Den tertiära strukturen av proteiner bestäms med hjälp av röntgendiffraktionsanalys .
Vikten av proteiner i vilda djur kan inte överskattas. De har en strukturell, mekanisk funktion, spelar rollen som biokatalysatorer - enzymer som säkerställer flödet av biokemiska reaktioner, utför transport- och signalfunktioner. För att utföra alla dessa funktioner är korrekt veckning av proteiner fundamentalt viktig [1] .
Våra muskler, hår, hud består av fibrösa proteiner. Blodproteinet, som är en del av hemoglobinet , främjar absorptionen av atmosfäriskt syre, ett annat protein - insulin - är ansvarigt för nedbrytningen av socker i kroppen och därför förser det med energi. Molekylvikten hos proteiner varierar kraftigt. Således innehåller insulin , det första av de proteiner vars struktur fastställdes av F. Sanger 1953, cirka 60 aminosyraenheter och dess molekylvikt är bara 12 000. Hittills har flera tusen proteinmolekyler identifierats, molekylvikten av några av dem når 10 6 och mer.
Nukleinsyror är heteropolymerer bildade av nukleotidrester. I enlighet med arten av kolhydraterna som är en del av deras sammansättning kallas nukleinsyror ribonuklein och deoxiribonuklein . Vanliga förkortningar är RNA och DNA . I en cell är DNA vanligtvis dubbelsträngat, det vill säga det är ett komplex av två komplementära molekyler förenade av vätebindningar. RNA är vanligtvis i ett enkelsträngat tillstånd Nukleinsyror spelar en avgörande roll i livsprocesser. Med deras hjälp löses problemen med lagring, överföring och implementering av ärftlig information . Grunden för dessa processer är matrissynteser: transkription , translation och replikering [1] .
Det finns två nivåer av organisation av nukleinsyror.
1868 isolerade den schweiziska vetenskapsmannen Friedrich Miescher ett fosforinnehållande ämne från cellkärnorna, som han kallade nuklein. Senare kallades detta och liknande ämnen nukleinsyror . Deras molekylvikt kan nå 10 9 , men varierar oftare från 10 5 −10 6 .
Polysackarider som syntetiseras av levande organismer består av ett stort antal monosackarider förbundna med glykosidbindningar . Ofta är polysackarider olösliga i vatten. Dessa är vanligtvis mycket stora, grenade molekyler. Exempel på polysackarider som syntetiseras av levande organismer är lagringsämnen stärkelse och glykogen , samt strukturella polysackarider - cellulosa och kitin . Eftersom biologiska polysackarider är sammansatta av molekyler av olika längd, gäller inte begreppen sekundär och tertiär struktur för polysackarider.
Polysackarider bildas av föreningar med låg molekylvikt som kallas sockerarter eller kolhydrater . Cykliska molekyler av monosackarider kan binda till varandra med bildning av så kallade glykosidbindningar genom kondensering av hydroxylgrupper.
De vanligaste polysackariderna , vars repeterande enheter är resterna av α-D-glukopyranos eller dess derivat. Den mest kända och mest använda cellulosan . I denna polysackarid länkar en syrebrygga den 1:a och 4:e kolatomen i angränsande enheter, en sådan bindning kallas α-1,4-glykosid.
Kemisk sammansättning som liknar cellulosa har stärkelse , bestående av amylos och amylopektin, glykogen och dextran . Skillnaden mellan den förra och cellulosa ligger i förgrening av makromolekyler, och amylopektin och glykogen kan klassificeras som hyperförgrenade naturliga polymerer, det vill säga dendrimerer med en oregelbunden struktur. Grenpunkten är vanligtvis den sjätte kolatomen i α-D-glukopyranosringen, som är länkad med en glykosidbindning till sidokedjan. Skillnaden mellan dextran och cellulosa ligger i naturen hos glykosidbindningar - tillsammans med α-1,4- innehåller dextran även α-1,3- och α-1,6-glykosidbindningar, varvid de senare är dominerande.
Kitin och kitosan har en kemisk sammansättning som skiljer sig från cellulosa , men de är nära den i sin struktur. Skillnaden ligger i det faktum att vid den andra kolatomen i α-D-glukopyranosenheterna kopplade med α-1,4-glykosidbindningar, ersätts OH-gruppen med -NHCH 3 COO-grupperna i kitin och -NH 2 grupp i kitosan .
Cellulosa finns i barken och träet på träd, växtstammar: bomull innehåller mer än 90% cellulosa, barrträd - över 60%, lövträd - cirka 40%. Styrkan hos cellulosafibrer beror på det faktum att de bildas av enkristaller , i vilka makromolekyler packas parallellt med varandra. Cellulosa är den strukturella grunden för representanter inte bara för växtvärlden utan också för vissa bakterier .
I djurriket "används" polysackarider endast av insekter och leddjur som stödjande, strukturbildande polymerer . Oftast används kitin för dessa ändamål , vilket tjänar till att bygga det så kallade yttre skelettet hos krabbor, kräftor och räkor. Från kitin genom deacetylering erhålls kitosan som, till skillnad från olösligt kitin , är lösligt i vattenlösningar av myrsyra , ättiksyra och saltsyra . I detta avseende, och även på grund av ett komplex av värdefulla egenskaper i kombination med biokompatibilitet , har kitosan stora möjligheter för bred praktisk tillämpning inom en snar framtid.
Stärkelse är en av de polysackarider som fungerar som reservnäringsämne i växter. Knölar, frukter, frön innehåller upp till 70% stärkelse . Den lagrade polysackariden hos djur är glykogen , som huvudsakligen finns i levern och musklerna.
Styrkan hos växtstammar och stjälkar, förutom skelettet av cellulosafibrer, bestäms av bindväxtvävnaden. En betydande del av det i träd är lignin - upp till 30%. Dess struktur har inte fastställts exakt. Det är känt att detta är en hyperförgrenad polymer med relativt låg molekylvikt (M ≈ 104) huvudsakligen bildad av fenolrester substituerade i orto -positionen med -OCH3- grupper , i para -positionen med -CH = CH-CH2OH - grupper . För närvarande har en enorm mängd ligniner ackumulerats som avfall från cellulosahydrolysindustrin, men problemet med bortskaffande av dem har inte lösts. De stödjande elementen i växtvävnad inkluderar pektinämnen och i synnerhet pektin , som huvudsakligen finns i cellväggarna. Dess innehåll i skalet av äpplen och den vita delen av skalet av citrusfrukter når 30%. Pektin hänvisar till heteropolysackarider, det vill säga sampolymerer . Dess makromolekyler är huvudsakligen uppbyggda av rester av D-galakturonsyra och dess metylester kopplade av α-1,4-glykosidbindningar.
Av pentoserna är polymerer av arabinos och xylos viktiga, som bildar polysackarider som kallas arabiner och xylaner. De, tillsammans med cellulosa, bestämmer träets typiska egenskaper.