V laboratóriu sa ľuďom podarilo syntetizovať obrovské množstvo rôznych zlúčenín rôznej chemickej povahy. Prírodné látky však boli, sú a zostanú najdôležitejšie a najvýznamnejšie pre život všetkých živých systémov. Teda tie molekuly, ktoré sa podieľajú na tisíckach biochemických reakcií v organizmoch a sú zodpovedné za ich normálne fungovanie.
Prevažná väčšina z nich patrí do skupiny nazývanej "biologické polyméry".
Všeobecný koncept biopolymérov
V prvom rade by sa malo povedať, že všetky tieto zlúčeniny sú vysokomolekulárne a majú hmotnosť dosahujúcu milióny d altonov. Tieto látky sú živočíšne a rastlinné polyméry, ktoré zohrávajú rozhodujúcu úlohu pri budovaní buniek a ich štruktúr, zabezpečujú metabolizmus, fotosyntézu, dýchanie, výživu a všetky ostatné životne dôležité funkcie každého živého organizmu.
Je ťažké preceňovať dôležitosť takýchto zlúčenín. Biopolyméry sú prírodné látky prírodného pôvodu, ktoré vznikajú v živých organizmoch a sú základom všetkého života na našej planéte. Aké sú konkrétne súvislosti s nimipatrí?
Bunkové biopolyméry
Je ich veľa. Takže hlavné biopolyméry sú nasledovné:
- proteíny;
- polysacharidy;
- nukleové kyseliny (DNA a RNA).
Okrem nich sem patria aj mnohé zmiešané polyméry vytvorené z kombinácií už uvedených. Napríklad lipoproteíny, lipopolysacharidy, glykoproteíny a iné.
Všeobecné vlastnosti
Existuje niekoľko vlastností, ktoré sú vlastné všetkým uvažovaným molekulám. Napríklad nasledujúce všeobecné vlastnosti biopolymérov:
- veľká molekulová hmotnosť vďaka tvorbe obrovských makroreťazcov s vetvami v chemickej štruktúre;
- typy väzieb v makromolekulách (vodík, iónové interakcie, elektrostatická príťažlivosť, disulfidové mostíky, peptidové väzby a iné);
- štrukturálna jednotka každého reťazca je monomérny článok;
- stereoregularita alebo jej absencia v štruktúre reťazca.
Vo všeobecnosti však majú všetky biopolyméry stále viac rozdielov v štruktúre a funkcii ako podobnosti.
Proteíny
Proteínové molekuly sú veľmi dôležité v živote každého živého tvora. Takéto biopolyméry sú základom všetkej biomasy. Dokonca aj podľa Oparin-Haldaneovej teórie život na Zemi vznikol z koacervátových kvapiek, čo bol proteín.
Štruktúra týchto látok podlieha prísnemu poriadku v štruktúre. Každý proteín sa skladá zo zvyškov aminokyselín, ktoréschopné sa navzájom spájať v neobmedzených dĺžkach reťazí. To sa deje prostredníctvom vytvárania špeciálnych väzieb - peptidových väzieb. Takáto väzba vzniká medzi štyrmi prvkami: uhlíkom, kyslíkom, dusíkom a vodíkom.
Proteínová molekula môže obsahovať veľa aminokyselinových zvyškov, rovnakých aj rôznych (niekoľko desiatok tisíc alebo viac). Celkovo sa v týchto zlúčeninách nachádza 20 druhov aminokyselín. Avšak ich rôznorodá kombinácia umožňuje proteínom prekvitať z kvantitatívneho a druhového hľadiska.
Proteínové biopolyméry majú rôzne priestorové tvary. Každý zástupca teda môže existovať ako primárna, sekundárna, terciárna alebo kvartérna štruktúra.
Najjednoduchšia a najlineárnejšia z nich je tá primárna. Je to jednoducho séria vzájomne prepojených aminokyselinových sekvencií.
Sekundárna konformácia má zložitejšiu štruktúru, pretože celkový makroreťazec proteínu sa začína špirálovať a vytvára špirály. Dve susedné makroštruktúry sú držané blízko seba v dôsledku kovalentných a vodíkových interakcií medzi skupinami ich atómov. Rozlišujte medzi alfa a beta helixmi sekundárnej štruktúry bielkovín.
Terciárna štruktúra je jedna makromolekula (polypeptidový reťazec) proteínu zvinutá do gule. Veľmi zložitá sieť interakcií v rámci tejto globule umožňuje, aby bola celkom stabilná a udržala si svoj tvar.
Kvartérna konformácia - niekoľko polypeptidových reťazcov, stočených a skrútenýchdo cievky, ktoré zároveň medzi sebou vytvárajú aj viacnásobné väzby rôzneho typu. Najkomplexnejšia globulárna štruktúra.
Funkcie proteínových molekúl
- Doprava. Vykonávajú ho proteínové bunky, ktoré tvoria plazmatickú membránu. Tvoria iónové kanály, cez ktoré môžu prechádzať určité molekuly. Mnohé proteíny sú tiež súčasťou organel pohybu prvokov a baktérií, preto sa priamo podieľajú na ich pohybe.
- Energetickú funkciu vykonávajú tieto molekuly veľmi aktívne. Jeden gram bielkovín v procese metabolizmu tvorí 17,6 kJ energie. Preto je konzumácia rastlinných a živočíšnych produktov obsahujúcich tieto zlúčeniny životne dôležitá pre živé organizmy.
- Stavebná funkcia je účasť molekúl bielkovín na stavbe väčšiny bunkových štruktúr, buniek samotných, tkanív, orgánov atď. Takmer každá bunka je v podstate postavená z týchto molekúl (cytoskelet cytoplazmy, plazmatická membrána, ribozóm, mitochondrie a ďalšie štruktúry sa podieľajú na tvorbe proteínových zlúčenín).
- Katalytickú funkciu vykonávajú enzýmy, ktoré svojou chemickou podstatou nie sú nič iné ako bielkoviny. Bez enzýmov by väčšina biochemických reakcií v tele bola nemožná, pretože sú biologickými katalyzátormi v živých systémoch.
- Receptorová (aj signalizačná) funkcia pomáha bunkám navigovať a správne reagovať na akékoľvek zmeny v prostredí, ako napr.mechanické a chemické.
Ak zvážime proteíny hlbšie, môžeme zdôrazniť niektoré ďalšie sekundárne funkcie. Uvedené sú však hlavné.
Nukleové kyseliny
Takéto biopolyméry sú dôležitou súčasťou každej bunky, či už prokaryotickej alebo eukaryotickej. Nukleové kyseliny skutočne zahŕňajú molekuly DNA (deoxyribonukleová kyselina) a RNA (ribonukleová kyselina), z ktorých každá je veľmi dôležitým článkom pre živé bytosti.
Svojou chemickou povahou sú DNA a RNA sekvencie nukleotidov spojené vodíkovými väzbami a fosfátovými mostíkmi. DNA sa skladá z nukleotidov ako:
- adenin;
- tymín;
- guanín;
- cytozín;
- 5-uhlíkový cukor deoxyribóza.
RNA sa líši v tom, že tymín je nahradený uracilom a cukor ribózou.
Vďaka špeciálnej štruktúrnej organizácii sú molekuly DNA schopné vykonávať množstvo životne dôležitých funkcií. RNA tiež hrá veľkú úlohu v bunke.
Funkcie takýchto kyselín
Nukleové kyseliny sú biopolyméry zodpovedné za nasledujúce funkcie:
- DNA je sklad a prenášač genetických informácií v bunkách živých organizmov. U prokaryotov je táto molekula distribuovaná v cytoplazme. V eukaryotickej bunke sa nachádza vo vnútri jadra, oddelené karyolemou.
- Dvojvláknová molekula DNA je rozdelená na sekcie – gény, ktoré tvoria štruktúru chromozómu. Gény každéhotvory tvoria špeciálny genetický kód, v ktorom sú zašifrované všetky znaky organizmu.
- RNA je troch typov – templátová, ribozomálna a transportná. Ribozomálny sa zúčastňuje syntézy a zostavovania proteínových molekúl na zodpovedajúcich štruktúrach. Informácie o matrici a transportnom prenose sa čítajú z DNA a dešifruje sa jej biologický význam.
Polysacharidy
Tieto zlúčeniny sú prevažne rastlinné polyméry, to znamená, že sa nachádzajú práve v bunkách zástupcov flóry. Ich bunková stena, ktorá obsahuje celulózu, je obzvlášť bohatá na polysacharidy.
Vo svojej chemickej povahe sú polysacharidy komplexnými sacharidovými makromolekulami. Môžu to byť lineárne, vrstvené, zosieťované konformácie. Monoméry sú jednoduché päť-, častejšie šesťuhlíkové cukry – ribóza, glukóza, fruktóza. Pre živé organizmy majú veľký význam, keďže sú súčasťou buniek, sú rezervnou živinou pre rastliny, odbúravajú sa za uvoľnenia veľkého množstva energie.
Význam rôznych zástupcov
Biologické polyméry ako škrob, celulóza, inulín, glykogén, chitín a iné sú veľmi dôležité. Sú dôležitým zdrojom energie v živých organizmoch.
Celulóza je teda základnou zložkou bunkovej steny rastlín, niektorých baktérií. Dáva silu, určitý tvar. V priemysle sa človek používa na získavanie papiera, cenných acetátových vlákien.
Škrob je rezervná rastlinná živina,ktorý je tiež cenným potravinovým produktom pre ľudí a zvieratá.
Glykogén alebo živočíšny tuk je rezervná živina pre zvieratá a ľudí. Plní funkcie tepelnej izolácie, zdroja energie, mechanickej ochrany.
Zmiešané biopolyméry v živých bytostiach
Okrem tých, ktoré sme uvažovali, existujú rôzne kombinácie makromolekulárnych zlúčenín. Takéto biopolyméry sú komplexné zmiešané štruktúry proteínov a lipidov (lipoproteíny) alebo polysacharidov a proteínov (glykoproteíny). Možná je aj kombinácia lipidov a polysacharidov (lipopolysacharidov).
Každý z týchto biopolymérov má mnoho odrôd, ktoré v živých bytostiach vykonávajú množstvo dôležitých funkcií: transport, signalizácia, receptor, regulácia, enzymatika, budovanie a mnohé ďalšie. Ich štruktúra je chemicky veľmi zložitá a zďaleka nie je dešifrovaná pre všetkých zástupcov, preto funkcie nie sú úplne definované. Dnes sú známe len tie najbežnejšie, no značná časť zostáva za hranicami ľudského poznania.
