מספר עצום של תרכובות שונות בעלות אופי כימי שונים הצליחו לסנתז אנשים במעבדה. עם זאת, בכל זאת, חומרים טבעיים היו, הם ויישארו החשובים והמשמעותיים ביותר לחיי כל מערכות החיים. כלומר, אותן מולקולות שמעורבות באלפי תגובות ביוכימיות בתוך אורגניזמים ואחראיות לתפקוד התקין שלהם.
רובם המוחלט שייך לקבוצה המכונה "פולימרים ביולוגיים".
קונספט כללי של ביופולימרים
קודם כל, יש לומר שכל התרכובות הללו הן מולקולריות גבוהות, בעלות מסה שמגיעה למיליוני דלתונים. חומרים אלו הם פולימרים של בעלי חיים וצמחים הממלאים תפקיד מכריע בבניית תאים ומבנים שלהם, תוך הבטחת חילוף חומרים, פוטוסינתזה, נשימה, תזונה וכל שאר הפונקציות החיוניות של כל אורגניזם חי.
קשה להפריז בחשיבותן של תרכובות כאלה. ביופולימרים הם חומרים טבעיים ממקור טבעי שנוצרים באורגניזמים חיים ומהווים את הבסיס לכל החיים על הפלנטה שלנו. מה הקשרים הספציפיים אליהםשייך?
ביופולימרים של תאים
יש הרבה כאלה. אז, הביופולימרים העיקריים הם כדלקמן:
- proteins;
- polysaccharides;
- חומצות גרעין (DNA ו-RNA).
בנוסף אליהם, זה כולל גם פולימרים מעורבים רבים שנוצרו משילובים של אלה שכבר רשומים. לדוגמה, ליפופרוטאינים, ליפופוליסכרידים, גליקופרוטאין ואחרים.
נכסים כלליים
ישנן מספר תכונות הטבועות בכל המולקולות הנחשבות. לדוגמה, המאפיינים הכלליים הבאים של ביופולימרים:
- משקל מולקולרי גדול עקב היווצרות של שרשראות מאקרו ענקיות עם ענפים במבנה הכימי;
- סוגי קשרים במקרומולקולות (מימן, אינטראקציות יוניות, משיכה אלקטרוסטטית, גשרים דיסולפידים, קשרים פפטידים ואחרים);
- היחידה המבנית של כל שרשרת היא חוליה מונומרית;
- סדירות סטריאו או היעדר שלה במבנה השרשרת.
אבל באופן כללי, בכל הביופולימרים עדיין יש יותר הבדלים במבנה ובתפקוד מאשר קווי דמיון.
חלבונים
למולקולות חלבון יש חשיבות רבה בחייהם של כל יצור חי. ביו-פולימרים כאלה הם הבסיס לכל ביומסה. ואכן, אפילו על פי תיאוריית אופרין-הלדן, החיים על פני כדור הארץ מקורם מטיפה קואצרבטית, שהייתה חלבון.
מבנה החומרים הללו כפוף לסדר קפדני במבנה. כל חלבון מורכב משאריות חומצות אמינומסוגלים להתחבר אחד לשני באורכי שרשרת בלתי מוגבלים. זה קורה באמצעות יצירת קשרים מיוחדים – קשרים פפטידים. קשר כזה נוצר בין ארבעה יסודות: פחמן, חמצן, חנקן ומימן.
מולקולת חלבון יכולה להכיל הרבה שאריות חומצות אמינו, זהות ושונות (כמה עשרות אלפים או יותר). בסך הכל, ישנם 20 זנים של חומצות אמינו הנמצאות בתרכובות אלו. עם זאת, השילוב המגוון שלהן מאפשר לחלבונים לפרוח במונחים כמותיים ומינים.
לביופולימרים של חלבונים יש קונפורמציות מרחביות שונות. לפיכך, כל נציג יכול להתקיים כמבנה ראשוני, משני, שלישוני או רבעוני.
הפשוט והליניארי שבהם הוא העיקרי. זוהי פשוט סדרה של רצפי חומצות אמינו המחוברים זה לזה.
לקונפורמציה המשנית יש מבנה מורכב יותר, מכיוון ששרשרת המאקרו הכוללת של החלבון מתחילה להסתחרר וליצור סלילים. שני מאקרו מבנים סמוכים מוחזקים זה ליד זה עקב אינטראקציות קוולנטיות ומימן בין קבוצות האטומים שלהם. הבחנה בין סלילי אלפא ובטא של המבנה המשני של חלבונים.
המבנה השלישוני הוא מקרומולקולה אחת (שרשרת פוליפפטידים) של חלבון מגולגל לכדור. רשת מורכבת מאוד של אינטראקציות בתוך הכדור הזה מאפשרת לו להיות די יציב ולשמור על צורתו.
קונפורמציה רבעונית - כמה שרשראות פוליפפטידים, מפותלות ומפותלותלסליל, שבאותו הזמן גם יוצרים ביניהם קשרים מרובים מסוגים שונים. המבנה הכדורי המורכב ביותר.
פונקציות של מולקולות חלבון
- הובלה. זה מתבצע על ידי תאי החלבון המרכיבים את קרום הפלזמה. הם יוצרים תעלות יונים שדרכן מסוגלות לעבור מולקולות מסוימות. כמו כן, חלבונים רבים הם חלק מאברוני התנועה של פרוטוזואה וחיידקים, ולכן הם מעורבים ישירות בתנועתם.
- פונקציית האנרגיה מבוצעת על ידי מולקולות אלה באופן פעיל מאוד. גרם אחד של חלבון בתהליך חילוף החומרים יוצר 17.6 קילו-ג'יי של אנרגיה. לכן, צריכה של מוצרים מהצומח והחי המכילים תרכובות אלו חיונית לאורגניזמים חיים.
- פונקציית הבנייה היא השתתפותן של מולקולות חלבון בבניית רוב המבנים התאיים, התאים עצמם, רקמות, איברים וכו'. כמעט כל תא בנוי בעצם ממולקולות אלו (שלד הציטופלזמה, קרום הפלזמה, הריבוזום, המיטוכונדריה ומבנים אחרים לוקחים חלק ביצירת תרכובות חלבון).
- הפונקציה הקטליטית מתבצעת על ידי אנזימים, שמטבעם הכימי אינם אלא חלבונים. ללא אנזימים, רוב התגובות הביוכימיות בגוף יהיו בלתי אפשריות, מכיוון שהן זרזים ביולוגיים במערכות חיות.
- פונקציית קולטן (גם איתות) עוזרת לתאים לנווט ולהגיב בצורה נכונה לכל שינוי בסביבה, כגוןמכאני וכימי.
אם נשקול חלבונים יותר לעומק, נוכל להדגיש עוד כמה פונקציות משניות. עם זאת, הרשומים הם העיקריים.
חומצות גרעין
ביופולימרים כאלה הם חלק חשוב מכל תא, בין אם זה פרוקריוטי או אוקריוטי. ואכן, חומצות גרעין כוללות מולקולות DNA (חומצה דאוקסיריבונוקלאית) ו-RNA (חומצה ריבונוקלאית), שכל אחת מהן מהווה חוליה חשובה מאוד עבור יצורים חיים.
לפי הטבע הכימי שלהם, DNA ו-RNA הם רצפים של נוקלאוטידים המחוברים בקשרי מימן וגשרי פוספט. DNA מורכב מנוקלאוטידים כגון:
- adenine;
- thymine;
- guanine;
- cytosine;
- 5-פחמן סוכר deoxyribose.
RNA שונה בכך שתימין מוחלף באורציל, וסוכר בריבוז.
בשל הארגון המבני המיוחד של מולקולות DNA מסוגלות לבצע מספר פונקציות חיוניות. ל-RNA גם תפקיד גדול בתא.
פונקציות של חומצות כאלה
חומצות גרעין הן ביו-פולימרים האחראים על הפונקציות הבאות:
- DNA הוא האחסון והמעביר של מידע גנטי בתאים של אורגניזמים חיים. בפרוקריוטים, מולקולה זו מופצת בציטופלזמה. בתא איקריוטי, הוא ממוקם בתוך הגרעין, מופרד על ידי קריולמה.
- מולקולת DNA דו-גדילית מחולקת למקטעים - גנים המרכיבים את מבנה הכרומוזום. הגנים של כולםיצורים יוצרים קוד גנטי מיוחד שבו כל הסימנים של האורגניזם מוצפנים.
- RNA הוא משלושה סוגים - תבנית, ריבוזומלית ותחבורה. Ribosomal לוקח חלק בסינתזה והרכבה של מולקולות חלבון על המבנים המתאימים. מידע העברת מטריקס ותחבורה נקרא מ-DNA ומפענח את המשמעות הביולוגית שלו.
פוליסכרידים
תרכובות אלו הן בעיקר פולימרים צמחיים, כלומר, הם נמצאים בדיוק בתאים של נציגי הפלורה. דופן התא שלהם, המכילה תאית, עשירה במיוחד בפוליסכרידים.
לפי הטבע הכימי שלהם, פוליסכרידים הם מקרומולקולות מורכבות של פחמימות. הם יכולים להיות קונפורמציות ליניאריות, שכבות ומצולבות. מונומרים הם סוכרים פשוטים של חמישה, לרוב שישה פחמנים - ריבוז, גלוקוז, פרוקטוז. יש להם חשיבות רבה עבור יצורים חיים, שכן הם חלק מהתאים, הם מהווים חומר הזנה רזרבה לצמחים, הם מתפרקים עם שחרור כמות גדולה של אנרגיה.
משמעות של נציגים שונים
פולימרים ביולוגיים כגון עמילן, תאית, אינולין, גליקוגן, כיטין ואחרים חשובים מאוד. הם מקורות האנרגיה החשובים באורגניזמים חיים.
אז, תאית היא מרכיב חיוני בדופן התא של צמחים, חלק מהחיידקים. נותן כוח, צורה מסוימת. בתעשייה משתמשים באדם כדי להשיג נייר, סיבי אצטט יקרי ערך.
עמילן הוא חומר מזין צמחי רזרבה,שהוא גם מוצר מזון בעל ערך לבני אדם ובעלי חיים.
גליקוגן, או שומן מן החי, הוא חומר מזין מילואים עבור בעלי חיים ובני אדם. מבצע את הפונקציות של בידוד תרמי, מקור אנרגיה, הגנה מכנית.
ביופולימרים מעורבים ביצורים חיים
בנוסף לאלו ששקלנו, ישנם שילובים שונים של תרכובות מקרומולקולריות. ביו-פולימרים כאלה הם מבנים מעורבים מורכבים של חלבונים ושומנים (ליפופרוטאין) או פוליסכרידים וחלבונים (גליקופרוטאינים). אפשרי גם שילוב של ליפידים ופוליסכרידים (ליפופוליסכרידים).
לכל אחד מהביופולימרים הללו יש זנים רבים המבצעים מספר פונקציות חשובות ביצורים חיים: תחבורה, איתות, קולטן, רגולציה, אנזימטי, בנייה ועוד רבים אחרים. המבנה שלהם מורכב מאוד מבחינה כימית ורחוק מפענוח עבור כל הנציגים, לכן, הפונקציות אינן מוגדרות במלואן. כיום, ידועים רק הנפוצים ביותר, אך חלק ניכר נותר מעבר לגבולות הידע האנושי.
