Inimesed suutsid laboris sünteesida tohutul hulgal erineva keemilise olemusega ühendeid. Siiski olid, on ja jäävad looduslikud ained kõigi elussüsteemide elu jaoks kõige olulisemateks ja olulisemateks. See tähendab, need molekulid, mis osalevad organismides tuhandetes biokeemilistes reaktsioonides ja vastutavad nende normaalse toimimise eest.
Valdav enamus neist kuulub rühma, mida nimetatakse "bioloogilisteks polümeerideks".
Biopolümeeride üldkontseptsioon
Esiteks tuleks öelda, et kõik need ühendid on kõrgmolekulaarsed ja nende mass ulatub miljonite d altoniteni. Need ained on loomsed ja taimsed polümeerid, mis mängivad otsustavat rolli rakkude ja nende struktuuride ülesehitamisel, ainevahetuse, fotosünteesi, hingamise, toitumise ja kõigi muude elusorganismide elutähtsate funktsioonide tagamisel.
Selliste ühendite tähtsust on raske üle hinnata. Biopolümeerid on loodusliku päritoluga looduslikud ained, mis tekivad elusorganismides ja on kogu meie planeedi elu aluseks. Millised on konkreetsed seosed nendegakuulud?
Rakubiopolümeerid
Neid on palju. Niisiis on peamised biopolümeerid järgmised:
- valgud;
- polüsahhariidid;
- nukleiinhapped (DNA ja RNA).
Lisaks neile hõlmab see ka paljusid segapolümeere, mis on moodustatud juba loetletud kombinatsioonidest. Näiteks lipoproteiinid, lipopolüsahhariidid, glükoproteiinid ja teised.
Üldomadused
Kõigile vaadeldavatele molekulidele on omane mitmeid omadusi. Näiteks järgmised biopolümeeride üldised omadused:
- suur molekulmass, mis on tingitud tohutute makroahelate moodustumisest koos harudega keemilises struktuuris;
- sidemete tüübid makromolekulides (vesinik, ioonsed vastasmõjud, elektrostaatiline külgetõmme, disulfiidsillad, peptiidsidemed ja muud);
- iga ahela struktuuriüksus on monomeerne lüli;
- stereoregulaarsus või selle puudumine ahela struktuuris.
Kuid üldiselt on kõigil biopolümeeridel siiski rohkem erinevusi struktuuris ja funktsioonis kui sarnasusi.
Valgud
Valgu molekulid on iga elusolendi elus suure tähtsusega. Sellised biopolümeerid on kogu biomassi aluseks. Tõepoolest, isegi Oparin-Haldane'i teooria kohaselt tekkis elu Maal koacervaadi tilgast, mis oli valk.
Nende ainete struktuur allub struktuuris rangele järjestusele. Iga valk koosneb aminohappejääkidest, mison võimalik üksteisega ühendada piiramatu pikkusega ahelates. See toimub spetsiaalsete sidemete - peptiidsidemete - moodustumise kaudu. Selline side moodustub nelja elemendi vahel: süsinik, hapnik, lämmastik ja vesinik.
Valgu molekul võib sisaldada palju aminohappejääke, nii samu kui ka erinevaid (mitu kümneid tuhandeid või rohkemgi). Kokku leidub neis ühendites 20 sorti aminohappeid. Nende mitmekesine kombinatsioon võimaldab aga valkudel õitseda nii kvantitatiivselt kui ka liigiliselt.
Valgu biopolümeeridel on erinev ruumiline konformatsioon. Seega võib iga esindaja eksisteerida primaarse, sekundaarse, tertsiaarse või kvaternaarse struktuurina.
Kõige lihtsam ja lineaarsem neist on esmane. See on lihts alt rida aminohappejärjestusi, mis on omavahel ühendatud.
Sekundaarsel konformatsioonil on keerulisem struktuur, kuna valgu üldine makroahel hakkab spiraalima, moodustades spiraale. Kaks kõrvuti asetsevat makrostruktuuri hoitakse üksteise lähedal tänu kovalentsele ja vesiniku interaktsioonile nende aatomite rühmade vahel. Tehke vahet valkude sekundaarstruktuuri alfa- ja beetaheeliksitel.
Tertsiaarne struktuur on valgu üks makromolekul (polüpeptiidahel), mis on rullitud palliks. Väga keeruline interaktsioonide võrgustik selles kerases võimaldab sellel olla üsna stabiilne ja säilitada oma kuju.
Kvaternaarne konformatsioon – mõned keerdunud ja keerdunud polüpeptiidaheladmähisesse, mis samal ajal moodustavad ka omavahel mitut erinevat tüüpi sidet. Kõige keerulisem kerakujuline struktuur.
Valgumolekulide funktsioonid
- Transport. Seda viivad läbi plasmamembraani moodustavad valgurakud. Need moodustavad ioonkanalid, millest teatud molekulid on võimelised läbima. Samuti on paljud valgud osa algloomade ja bakterite liikumise organellidest, mistõttu on nad nende liikumisega otseselt seotud.
- Need molekulid täidavad energiafunktsiooni väga aktiivselt. Üks gramm valku ainevahetusprotsessis moodustab 17,6 kJ energiat. Seetõttu on neid ühendeid sisaldavate taimsete ja loomsete saaduste tarbimine elusorganismide jaoks ülioluline.
- Ehitusfunktsioon on valgumolekulide osalemine enamiku rakustruktuuride, rakkude endi, kudede, elundite jne ehitamisel. Peaaegu iga rakk on põhiliselt üles ehitatud nendest molekulidest (valguühendite moodustumisel osalevad tsütoplasma tsütoskelett, plasmamembraan, ribosoom, mitokondrid ja muud struktuurid).
- Katalüütilist funktsiooni teostavad ensüümid, mis oma keemilise olemuse poolest pole muud kui valgud. Ilma ensüümideta oleks enamik biokeemilisi reaktsioone kehas võimatu, kuna need on elussüsteemides bioloogilised katalüsaatorid.
- Retseptori (ka signalisatsiooni) funktsioon aitab rakkudel navigeerida ja õigesti reageerida mis tahes muutustele keskkonnas, nagu näiteksmehaaniline ja keemiline.
Kui vaatleme valke põhjalikum alt, võime esile tõsta mõningaid sekundaarsemaid funktsioone. Loetletud on aga peamised.
Nukleiinhapped
Sellised biopolümeerid on iga raku oluline osa, olgu see siis prokarüootne või eukarüootne. Tõepoolest, nukleiinhapete hulka kuuluvad DNA (desoksüribonukleiinhape) ja RNA (ribonukleiinhappe) molekulid, millest igaüks on elusolendite jaoks väga oluline lüli.
Oma keemilise olemuse järgi on DNA ja RNA nukleotiidide järjestused, mis on ühendatud vesiniksidemete ja fosfaatsildadega. DNA koosneb nukleotiididest, näiteks:
- adeniin;
- tüümiin;
- guaniin;
- tsütosiin;
- 5-süsinikuga suhkru desoksüriboos.
RNA erineb selle poolest, et tümiin on asendatud uratsiiliga ja suhkur riboosiga.
DNA molekulide erilise struktuurse korralduse tõttu on nad võimelised täitma mitmeid elutähtsaid funktsioone. RNA-l on ka rakus suur roll.
Selliste hapete funktsioonid
Nukleiinhapped on biopolümeerid, mis vastutavad järgmiste funktsioonide eest:
- DNA on elusorganismide rakkudes geneetilise informatsiooni talletaja ja edasikandja. Prokarüootides on see molekul jaotunud tsütoplasmas. Eukarüootses rakus asub see tuuma sees, eraldatuna karüolemmaga.
- Kaheahelaline DNA molekul on jagatud osadeks – geenideks, mis moodustavad kromosoomi struktuuri. Igaühe geenidolendid moodustavad spetsiaalse geneetilise koodi, milles on krüpteeritud kõik organismi märgid.
- RNA-d on kolme tüüpi – matriits-, ribosoom- ja transport. Ribosomal osaleb valgu molekulide sünteesis ja kokkupanemises vastavatel struktuuridel. Maatriksi ja transpordi ülekandeteave loetakse DNA-st ja dešifreeritakse selle bioloogiline tähendus.
Polüsahhariidid
Need ühendid on valdav alt taimsed polümeerid, see tähendab, et neid leidub just taimestiku esindajate rakkudes. Nende rakusein, mis sisaldab tselluloosi, on eriti rikas polüsahhariidide poolest.
Oma keemilise olemuse poolest on polüsahhariidid komplekssed süsivesikute makromolekulid. Need võivad olla lineaarsed, kihilised, ristseotud konformatsioonid. Monomeerid on lihtsad viie-, sagedamini kuue süsinikuga suhkrud – riboos, glükoos, fruktoos. Elusolendite jaoks on neil suur tähtsus, kuna nad on osa rakkudest, on taimede varutoitaineteks, nad lagunevad suure energiahulga vabanemisega.
Erinevate esindajate tähendus
Bioloogilised polümeerid, nagu tärklis, tselluloos, inuliin, glükogeen, kitiin ja teised, on väga olulised. Need on elusorganismide olulised energiaallikad.
Niisiis, tselluloos on taimede, mõnede bakterite rakuseina oluline komponent. Annab jõudu, kindla kuju. Tööstuses kasutatakse inimest paberi ja väärtuslike atsetaatkiudude saamiseks.
Tärklis on taime varutoiteaine,mis on ka väärtuslik toiduaine inimestele ja loomadele.
Glükogeen ehk loomne rasv on loomade ja inimeste jaoks varutoitaine. Täidab soojusisolatsiooni, energiaallika, mehaanilise kaitse funktsioone.
Segabiopolümeerid elusolendites
Lisaks neile, mida oleme käsitlenud, on olemas mitmesuguseid makromolekulaarsete ühendite kombinatsioone. Sellised biopolümeerid on valkude ja lipiidide (lipoproteiinide) või polüsahhariidide ja valkude (glükoproteiinide) komplekssed segastruktuurid. Võimalik on ka lipiidide ja polüsahhariidide (lipopolüsahhariidide) kombinatsioon.
Igal neist biopolümeeridest on palju sorte, mis täidavad elusolendites mitmeid olulisi funktsioone: transport, signaalimine, retseptor, reguleeriv, ensümaatiline, ehitav ja paljud teised. Nende struktuur on keemiliselt väga keeruline ja kaugeltki kõigi esindajate jaoks dešifreeritud, seetõttu pole funktsioonid täielikult määratletud. Tänapäeval on teada vaid kõige levinumad, kuid märkimisväärne osa jääb inimteadmiste piiridest väljapoole.
