מאקרומולקולה היא מולקולה בעלת משקל מולקולרי גבוה. המבנה שלו מוצג בצורה של קישורים שחוזרים על עצמם שוב ושוב. שקול את התכונות של תרכובות כאלה, את משמעותן עבור חיי היצורים החיים.
תכונות של ההרכב
מאקרומולקולות ביולוגיות נוצרות ממאות אלפי חומרי מוצא קטנים. אורגניזמים חיים מאופיינים בשלושה סוגים עיקריים של מקרומולקולות: חלבונים, פוליסכרידים, חומצות גרעין.
המונומרים הראשוניים עבורם הם חד סוכרים, נוקלאוטידים, חומצות אמינו. מקרומולקולה היא כמעט 90 אחוז ממסת התא. בהתאם לרצף של שאריות חומצות אמינו, נוצרת מולקולת חלבון ספציפית.
משקל מולקולרי גבוה הם אותם חומרים בעלי מסה מולרית גדולה מ-103 Da.
היסטוריית המונח
מתי הופיעה המקרומולקולה? מושג זה הוצג על ידי חתן פרס נובל בכימיה הרמן סטאודינגר בשנת 1922.
ניתן לראות את כדור הפולימר כחוט סבוך שנוצר בעקבות התפרקות בטעותבכל חדר הסליל. סליל זה משנה באופן שיטתי את הקונפורמציה שלו; זוהי התצורה המרחבית של המקרומולקולה. זה דומה למסלול של תנועה בראונית.
היווצרות סליל כזה מתרחשת בשל העובדה שבמרחק מסוים שרשרת הפולימר "מאבדת" מידע על הכיוון. אפשר לדבר על סליל במקרה שבו תרכובות גבוהות מולקולריות באורך הרבה יותר מאורך השבר המבני.
תצורה גלובלית
מאקרומולקולה היא מבנה צפוף שבו אפשר להשוות את חלק הנפח של פולימר ליחידה. המצב הכדורי מתממש באותם מקרים שבהם, תחת פעולה הדדית של יחידות פולימר בודדות בינן לבין הסביבה החיצונית, מתרחשת משיכה הדדית.
העתק של מבנה של מקרומולקולה הוא אותו חלק מהמים שמוטבע כאלמנט של מבנה כזה. זוהי סביבת ההידרציה הקרובה ביותר של המקרומולקולה.
אפיון של מולקולת חלבון
מאקרומולקולות חלבון הן חומרים הידרופיליים. כאשר חלבון יבש מומס במים, הוא מתנפח בתחילה, ואז נצפה מעבר הדרגתי לתמיסה. במהלך התנפחות, מולקולות מים חודרות לתוך החלבון, קושרות את המבנה שלו עם קבוצות קוטביות. זה משחרר את האריזה הצפופה של שרשרת הפוליפפטיד. מולקולת חלבון נפוחה נחשבת לתמיסת גב. עם הספיגה הבאה של מולקולות מים, נצפית ההפרדה של מולקולות חלבון מהמסה הכוללת, ויש גם תהליך של פירוק.
אבל התנפחות של מולקולת חלבון לא גורמת בכל המקרים להתמוססות. לדוגמה, קולגן לאחר ספיגת מולקולות מים נשאר במצב נפוח.
תורת הידרט
תרכובות מולקולריות גבוהות לפי תיאוריה זו לא רק סופגות, אלא קושרות אלקטרוסטטית מולקולות מים עם שברים קוטביים של רדיקלים צדדיים של חומצות אמינו בעלות מטען שלילי, כמו גם חומצות אמינו בסיסיות הנושאות מטען חיובי.
מים המוחים חלקית קשורים לקבוצות פפטידים היוצרות קשרי מימן עם מולקולות מים.
לדוגמה, פוליפפטידים שיש להם קבוצות צד לא קוטביות מתנפחים. כאשר נקשר לקבוצות פפטידים, הוא דוחק את שרשראות הפוליפפטידים זה מזה. נוכחותם של גשרים בין שרשרת אינה מאפשרת למולקולות חלבון להתפרק לחלוטין, הולכות לצורת תמיסה.
מבנה המקרומולקולות נהרס בעת חימום, וכתוצאה מכך שבירה ושחרור של שרשראות פוליפפטידים.
תכונות של ג'לטין
ההרכב הכימי של ג'לטין דומה לקולגן, הוא יוצר נוזל צמיג עם מים. בין התכונות האופייניות לג'לטין היא יכולתו לג'ל.
סוגים אלה של מולקולות משמשים כסוכנים המוסטטיים ומחליפים פלזמה. היכולת של ג'לטין ליצור ג'לים משמשת לייצור כמוסות בתעשיית התרופות.
תכונת מסיסותמקרומולקולות
לסוגי מולקולות אלה יש מסיסות שונה במים. זה נקבע על ידי הרכב חומצות האמינו. בנוכחות חומצות אמינו קוטביות במבנה, יכולת ההמסה במים עולה משמעותית.
כמו כן, תכונה זו מושפעת מהמוזרות של הארגון של המקרומולקולה. לחלבונים כדוריים יש מסיסות גבוהה יותר מאשר מקרומולקולות פיברילריות. במהלך ניסויים רבים, נקבעה התלות של הפירוק במאפייני הממס המשמשים.
המבנה הראשוני של כל מולקולת חלבון שונה, מה שנותן לחלבון תכונות אינדיבידואליות. נוכחותם של קישורים צולבים בין שרשראות פוליפפטידים מפחיתה את המסיסות.
המבנה הראשוני של מולקולות חלבון נוצר עקב קשרי פפטיד (אמיד); כאשר הוא נהרס, מתרחשת דנטורציה של חלבון.
מלוח
כדי להגביר את המסיסות של מולקולות חלבון, משתמשים בתמיסות של מלחים ניטרליים. לדוגמה, באופן דומה, ניתן לבצע משקעים סלקטיביים של חלבונים, ניתן לבצע חלוקה שלהם. מספר המולקולות המתקבל תלוי בהרכב הראשוני של התערובת.
המוזרות של חלבונים, המתקבלים בהמלחה, היא שימור המאפיינים הביולוגיים לאחר הסרה מלאה של המלח.
מהות התהליך היא סילוק על ידי אניונים וקטיונים של המלח של מעטפת החלבון המולח, מה שמבטיח את יציבות המקרומולקולה. המספר המרבי של מולקולות חלבון מומלח כאשר משתמשים בסולפטים. שיטה זו משמשת לטיהור והפרדה של מקרומולקולות חלבון, שכן הן בעצםשונים בגודל המטען, בפרמטרים של מעטפת ההידרציה. לכל חלבון יש אזור ההמלחה שלו, כלומר, בשבילו אתה צריך לבחור מלח בריכוז נתון.
חומצות אמינו
כיום ידועות כמאתיים חומצות אמינו שהן חלק ממולקולות חלבון. בהתאם למבנה, הם מחולקים לשתי קבוצות:
- proteinogenic, שהן חלק ממקרומולקולות;
- לא חלבון, לא מעורב באופן פעיל ביצירת חלבונים.
מדענים הצליחו לפענח את רצף חומצות האמינו במולקולות חלבון רבות ממקור מן החי והצומח. בין חומצות האמינו שנמצאות לעתים קרובות למדי בהרכב מולקולות החלבון, נציין סרין, גליצין, לאוצין, אלנין. לכל ביופולימר טבעי יש הרכב חומצות אמינו משלו. לדוגמה, פרוטמינים מכילים כ-85 אחוז ארגינין, אך הם אינם מכילים חומצות אמינו חומציות ומחזוריות. פיברואין היא מולקולת חלבון של משי טבעי, המכילה כמחצית מהגליצין. קולגן מכיל חומצות אמינו נדירות כמו הידרוקסיפרולין, הידרוקסיליזין, אשר נעדרות במקרומולקולות חלבון אחרות.
הרכב חומצות האמינו נקבע לא רק לפי המאפיינים של חומצות אמינו, אלא גם לפי הפונקציות והמטרה של מקרומולקולות חלבון. הרצף שלהם נקבע על ידי הקוד הגנטי.
רמות הארגון המבני של ביופולימרים
ישנן ארבע רמות: ראשונית, משנית, שלישונית וגם רבעונית. כל מבנהיש מאפיינים ייחודיים.
המבנה העיקרי של מולקולות חלבון הוא שרשרת פוליפפטידית ליניארית של שיירי חומצות אמינו המקושרות בקשרי פפטידים.
מבנה זה הוא היציב ביותר, מכיוון שהוא מכיל קשרים קוולנטיים פפטידיים בין קבוצת הקרבוקסיל של חומצת אמינו אחת לקבוצת האמינו של מולקולה אחרת.
המבנה המשני כולל הערמה של שרשרת הפוליפפטיד בעזרת קשרי מימן בצורה סלילנית.
הסוג השלישוני של ביופולימר מתקבל על ידי אריזה מרחבית של הפוליפפטיד. הם מחלקים צורות ספירליות ומקופלות שכבות של מבנים שלישוניים.
לחלבונים כדוריים יש צורה אליפטית, בעוד שלמולקולות פיברילריות יש צורה מוארכת.
אם מקרומולקולה מכילה רק שרשרת פוליפפטידית אחת, לחלבון יש רק מבנה שלישוני. לדוגמה, זהו חלבון רקמת שריר (מיוגלובין) הדרוש לקשירת חמצן. חלק מהביופולימרים בנויים מכמה שרשראות פוליפפטידיות, שלכל אחת מהן מבנה שלישוני. במקרה זה, למקרומולקולה יש מבנה רבעוני, המורכב ממספר כדוריות המשולבות למבנה גדול. המוגלובין יכול להיחשב לחלבון הרבעוני היחיד המכיל כ-8 אחוז היסטידין. הוא זה שמהווה חוצץ תוך תאי פעיל באריתרוציטים, המאפשר שמירה על ערך pH יציב בדם.
חומצות גרעין
הם תרכובות מקרומולקולריות שנוצרות על ידי שבריםנוקלאוטידים. RNA ו-DNA נמצאים בכל התאים החיים, הם מבצעים את הפונקציה של אחסון, שידור, וגם יישום מידע תורשתי. נוקלאוטידים פועלים כמונומרים. כל אחד מהם מכיל שאריות של בסיס חנקני, פחמימה, וגם חומצה זרחתית. מחקרים הראו שעיקרון ההשלמה (השלמה) נצפה ב-DNA של אורגניזמים חיים שונים. חומצות גרעין מסיסות במים אך אינן מסיסות בממיסים אורגניים. ביו-פולימרים אלו נהרסים על ידי הגברת הטמפרטורה, קרינה אולטרה סגולה.
במקום מסקנה
בנוסף לחלבונים וחומצות גרעין שונות, פחמימות הן מקרומולקולות. לפוליסכרידים בהרכבם יש מאות מונומרים, בעלי טעם מתקתק נעים. דוגמאות למבנה ההיררכי של מקרומולקולות כוללות מולקולות ענקיות של חלבונים וחומצות גרעין עם תת-יחידות מורכבות.
לדוגמה, המבנה המרחבי של מולקולת חלבון כדורית הוא תוצאה של הארגון הרב-שכבתי ההיררכי של חומצות אמינו. יש קשר הדוק בין הרמות הבודדות, האלמנטים של רמה גבוהה יותר מחוברים עם השכבות התחתונות.
כל הביופולימרים מבצעים תפקיד דומה חשוב. הם חומר הבנייה לתאים חיים, אחראים על אחסון והעברת מידע תורשתי. כל יצור חי מאופיין בחלבונים ספציפיים, ולכן ביוכימאים עומדים בפני משימה קשה ואחראית, ולפתור אותה הם מצילים אורגניזמים חיים ממוות בטוח.
