V laboratoři se lidem podařilo syntetizovat obrovské množství různých sloučenin různé chemické povahy. Přesto však přírodní látky byly, jsou a zůstanou nejdůležitější a nejvýznamnější pro život všech živých systémů. Tedy ty molekuly, které se účastní tisíců biochemických reakcí v organismech a jsou zodpovědné za jejich normální fungování.
Naprostá většina z nich patří do skupiny zvané „biologické polymery“.
Obecný koncept biopolymerů
Především je třeba říci, že všechny tyto sloučeniny jsou vysokomolekulární a mají hmotnost dosahující milionů D altonů. Tyto látky jsou živočišné a rostlinné polymery, které hrají rozhodující roli při budování buněk a jejich struktur, zajišťují metabolismus, fotosyntézu, dýchání, výživu a všechny další životně důležité funkce každého živého organismu.
Je těžké přeceňovat význam takových sloučenin. Biopolymery jsou přírodní látky přírodního původu, které se tvoří v živých organismech a jsou základem veškerého života na naší planetě. Jaké jsou konkrétní souvislosti s nimipatří?
Buněčné biopolymery
Je jich spousta. Takže hlavní biopolymery jsou následující:
- proteiny;
- polysacharidy;
- nukleové kyseliny (DNA a RNA).
Kromě nich sem patří také mnoho směsných polymerů vytvořených z kombinací již uvedených. Například lipoproteiny, lipopolysacharidy, glykoproteiny a další.
Obecné vlastnosti
Existuje několik vlastností, které jsou vlastní všem uvažovaným molekulám. Například následující obecné vlastnosti biopolymerů:
- velká molekulová hmotnost díky tvorbě obrovských makrořetězců s větvemi v chemické struktuře;
- typy vazeb v makromolekulách (vodík, iontové interakce, elektrostatická přitažlivost, disulfidové můstky, peptidové vazby a další);
- konstrukční jednotka každého řetězce je monomerní článek;
- stereoregularita nebo její nepřítomnost ve struktuře řetězce.
Obecně však mají všechny biopolymery stále více rozdílů ve struktuře a funkci než podobností.
Proteiny
Proteinové molekuly jsou velmi důležité v životě všech živých bytostí. Takové biopolymery jsou základem veškeré biomasy. Dokonce i podle Oparin-Haldaneovy teorie život na Zemi pocházel z koacervátové kapičky, což byl protein.
Struktura těchto látek podléhá přísnému řádu ve struktuře. Každý protein se skládá z aminokyselinových zbytků, kterémožnost vzájemného spojení v neomezených délkách řetězu. To se děje prostřednictvím tvorby speciálních vazeb - peptidových vazeb. Taková vazba je vytvořena mezi čtyřmi prvky: uhlíkem, kyslíkem, dusíkem a vodíkem.
Proteinová molekula může obsahovat mnoho aminokyselinových zbytků, stejných i různých (několik desítek tisíc nebo více). Celkem se v těchto sloučeninách nachází 20 druhů aminokyselin. Nicméně jejich různorodá kombinace umožňuje proteinům prosperovat z kvantitativního i druhového hlediska.
Proteinové biopolymery mají různé prostorové konformace. Každý zástupce tedy může existovat jako primární, sekundární, terciární nebo kvartérní struktura.
Nejjednodušší a nejlineárnější z nich je ten primární. Je to jednoduše série vzájemně propojených aminokyselinových sekvencí.
Sekundární konformace má složitější strukturu, protože celkový makrořetězec proteinu se začíná spirálovat a tvoří spirály. Dvě sousední makrostruktury jsou drženy blízko sebe kvůli kovalentním a vodíkovým interakcím mezi skupinami jejich atomů. Rozlišujte mezi alfa a beta helixy sekundární struktury proteinů.
Terciární struktura je jedna makromolekula (polypeptidový řetězec) proteinu srolovaná do koule. Velmi složitá síť interakcí uvnitř této globule umožňuje, aby byla docela stabilní a udržela si svůj tvar.
Kvartérní konformace – několik polypeptidových řetězců, stočených a zkroucenýchdo cívky, které zároveň také mezi sebou tvoří vícenásobné vazby různých typů. Nejsložitější globulární struktura.
Funkce proteinových molekul
- Doprava. Provádějí ho proteinové buňky, které tvoří plazmatickou membránu. Tvoří iontové kanály, kterými mohou procházet určité molekuly. Mnoho proteinů je také součástí organel pohybu prvoků a bakterií, a proto se přímo účastní jejich pohybu.
- Energetickou funkci plní tyto molekuly velmi aktivně. Jeden gram bílkovin v procesu metabolismu tvoří 17,6 kJ energie. Proto je konzumace rostlinných a živočišných produktů obsahujících tyto sloučeniny pro živé organismy životně důležitá.
- Stavební funkcí je účast proteinových molekul na stavbě většiny buněčných struktur, buněk samotných, tkání, orgánů a tak dále. Téměř každá buňka je v podstatě postavena z těchto molekul (cytoskelet cytoplazmy, plazmatická membrána, ribozom, mitochondrie a další struktury se účastní tvorby proteinových sloučenin).
- Katalytickou funkci provádějí enzymy, které svou chemickou podstatou nejsou nic jiného než bílkoviny. Bez enzymů by většina biochemických reakcí v těle nebyla možná, protože jsou biologickými katalyzátory v živých systémech.
- Funkce receptoru (také signalizace) pomáhá buňkám navigovat a správně reagovat na jakékoli změny v prostředí, jako je např.mechanické a chemické.
Pokud se podíváme na proteiny hlouběji, můžeme zdůraznit některé další sekundární funkce. Nicméně ty uvedené jsou hlavní.
Nukleové kyseliny
Takové biopolymery jsou důležitou součástí každé buňky, ať už prokaryotické nebo eukaryotické. Nukleové kyseliny skutečně zahrnují molekuly DNA (deoxyribonukleová kyselina) a RNA (ribonukleová kyselina), z nichž každá je velmi důležitým článkem pro živé bytosti.
Svou chemickou povahou jsou DNA a RNA sekvence nukleotidů spojených vodíkovými můstky a fosfátovými můstky. DNA se skládá z nukleotidů, jako jsou:
- adenin;
- thymin;
- guanin;
- cytosin;
- 5-uhlíkový cukr deoxyribóza.
RNA se liší v tom, že thymin je nahrazen uracilem a cukr ribózou.
Díky speciální strukturní organizaci jsou molekuly DNA schopny vykonávat řadu životně důležitých funkcí. RNA také hraje v buňce velkou roli.
Funkce takových kyselin
Nukleové kyseliny jsou biopolymery zodpovědné za následující funkce:
- DNA je úložiště a přenašeč genetické informace v buňkách živých organismů. U prokaryot je tato molekula distribuována v cytoplazmě. V eukaryotické buňce se nachází uvnitř jádra a je oddělena karyolemou.
- Dvouřetězcová molekula DNA je rozdělena na sekce - geny, které tvoří strukturu chromozomu. Geny každéhotvorové tvoří speciální genetický kód, ve kterém jsou zašifrovány všechny znaky organismu.
- RNA je tří typů – templátová, ribozomální a transportní. Ribozomální se účastní syntézy a sestavování molekul proteinů na odpovídajících strukturách. Informace o matici a transportním přenosu jsou přečteny z DNA a dešifrovány její biologický význam.
Polysacharidy
Tyto sloučeniny jsou převážně rostlinné polymery, to znamená, že se nacházejí právě v buňkách zástupců flóry. Jejich buněčná stěna, která obsahuje celulózu, je obzvláště bohatá na polysacharidy.
Svou chemickou povahou jsou polysacharidy komplexní sacharidové makromolekuly. Mohou to být lineární, vrstvené, zesíťované konformace. Monomery jsou jednoduché pěti-, častěji šestiuhlíkaté cukry – ribóza, glukóza, fruktóza. Pro živé bytosti mají velký význam, protože jsou součástí buněk, jsou zásobní živinou pro rostliny, odbourávají se za uvolnění velkého množství energie.
Význam různých zástupců
Biologické polymery jako škrob, celulóza, inulin, glykogen, chitin a další jsou velmi důležité. Jsou důležitým zdrojem energie v živých organismech.
Celulóza je tedy základní složkou buněčné stěny rostlin, některých bakterií. Dává sílu, určitý tvar. V průmyslu se člověk používá k získávání papíru, cenných acetátových vláken.
Škrob je rezervní rostlinná živina,který je také cenným potravinovým produktem pro lidi a zvířata.
Glykogen neboli živočišný tuk je rezervní živinou pro zvířata a lidi. Plní funkce tepelné izolace, zdroje energie, mechanické ochrany.
Smíšené biopolymery v živých bytostech
Kromě těch, které jsme uvažovali, existují různé kombinace makromolekulárních sloučenin. Takové biopolymery jsou komplexní smíšené struktury proteinů a lipidů (lipoproteiny) nebo polysacharidů a proteinů (glykoproteiny). Je také možná kombinace lipidů a polysacharidů (lipopolysacharidů).
Každý z těchto biopolymerů má mnoho odrůd, které plní v živých bytostech řadu důležitých funkcí: transportní, signalizační, receptorové, regulační, enzymatické, stavební a mnoho dalších. Jejich struktura je chemicky velmi složitá a zdaleka není dešifrována pro všechny zástupce, proto funkce nejsou plně definovány. Dnes jsou známy pouze ty nejběžnější, ale významná část zůstává za hranicemi lidského poznání.
