Синтез біологічних макромолекул Безмежна біологія

Біологічні макромолекули, великі молекули, необхідні для життя, включають вуглеводи, ліпіди, нуклеїнові кислоти та білки.

Мета навчання

Визначте чотири основних класи біологічних макромолекул

Ключові винос

Ключові моменти

Біологічні макромолекули є важливими клітинними компонентами і виконують широкий спектр функцій, необхідних для виживання та росту живих організмів.
Чотири основних класи біологічних макромолекул - це вуглеводи, ліпіди, білки та нуклеїнові кислоти.

Ключові терміни

полімер: Порівняно велика молекула, що складається з ланцюга або мережі з безлічі однакових або подібних мономерів, хімічно пов'язаних один з одним.
мономер: Порівняно невелика молекула, яка може утворювати ковалентні зв’язки з іншими молекулами цього типу, утворюючи полімер.

Поживні речовини - це молекули, необхідні живим організмам для виживання та росту, але які тварини та рослини не можуть синтезувати самі. Тварини отримують поживні речовини, споживаючи їжу, тоді як рослини витягують поживні речовини з ґрунту.

Джерела біологічних макромолекул: Такі продукти, як хліб, фрукти та сир, є багатим джерелом біологічних макромолекул.

Багато важливих поживних речовин - це біологічні макромолекули. Термін «макромолекула» вперше був введений у 20-х роках ХХ століттям лауреатом Нобелівської премії Германом Штаудінгером. Штаудінгер першим запропонував, що багато великих біологічних молекул будуються шляхом ковалентного зв’язування менших біологічних молекул.

Живі організми складаються з хімічних будівельних блоків: Усі організми складаються з безлічі цих біологічних макромолекул.

Мономери та полімери

Біологічні макромолекули відіграють вирішальну роль у структурі та функції клітин. Більшість (але не всі) біологічних макромолекул - це полімери, які є будь-якими молекулами, сконструйованими шляхом зв’язування між собою багатьох менших молекул, які називаються мономерами. Зазвичай всі мономери в полімері, як правило, однакові або, принаймні, дуже схожі один на одного, зв'язані знову і знову, щоб утворити більшу макромолекулу. Ці прості мономери можуть бути зв’язані в багатьох різних комбінаціях, утворюючи складні біологічні полімери, так само, як кілька типів блоків Lego можуть будувати що завгодно - від будинку до автомобіля.

Мономери та полімери: Багато невеликих мономерних субодиниць об'єднуються, утворюючи цей вуглеводний полімер.

Приклади цих мономерів та полімерів можна знайти в цукрі, який ви можете покласти у свою каву чи чай. Звичайним столовим цукром є дисахарид сахароза (полімер), до складу якого входять моносахариди фруктоза та глюкоза (які є мономерами). Якби нам набрати багато вуглеводних мономерів, ми могли б отримати такий полісахарид, як крохмаль. Префікси “моно-” (один), “ді-” (два) та “полі-” (багато) повідомлять вам, скільки мономерів об’єднано у молекулі.

Молекула сахарози (звичайний столовий цукор): Вуглеводні моносахариди (фруктоза та глюкоза) приєднуються до дисахариду сахарози.

Всі біологічні макромолекули містять вуглець у формі кільця або ланцюга, що означає, що вони класифікуються як органічні молекули. Зазвичай вони також містять водень і кисень, а також азот і додаткові другорядні елементи.

Чотири класи біологічних макромолекул

Існує чотири основних класи біологічних макромолекул:

вуглеводи
ліпіди
білки
нуклеїнові кислоти

Кожен із цих типів макромолекул виконує широкий спектр важливих функцій всередині клітини; клітина не може виконувати свою роль в організмі без багатьох різних типів цих важливих молекул. У поєднанні ці біологічні макромолекули складають більшість сухої маси клітини. (Молекули води становлять більшу частину загальної маси клітини.) Всі молекули як усередині клітини, так і зовні, знаходяться у водному (тобто водному) середовищі, і всі реакції біологічних систем відбуваються в цьому ж середовищі.

Інтерактивні: Мономери та полімери: Вуглеводи, білки та нуклеїнові кислоти будуються з невеликих молекулярних одиниць, які зв’язані між собою міцними ковалентними зв’язками. Малі молекулярні одиниці називаються мономерами (моно означає один або поодинокі), і вони з’єднані між собою у довгі ланцюги, що називаються полімерами (полі означає багато або множинні). Кожен різний тип макромолекули, крім ліпідів, побудований з різного набору мономерів, які нагадують один одного за складом та розмірами. Ліпіди не є полімерами, оскільки вони не будуються з мономерів (одиниць зі схожим складом).

Синтез зневоднення

При синтезі дегідратації мономери поєднуються між собою за допомогою ковалентних зв’язків, утворюючи полімери.

Мета навчання

Поясніть реакції дегідратації (або конденсації)

Ключові винос

Ключові моменти

Під час синтезу дегідратації або водень одного мономеру поєднується з гідроксильною групою іншого мономеру, виділяючи молекулу води, або два водню з одного мономеру поєднуються з одним киснем з іншого мономеру, виділяючи молекулу води.
Мономери, які приєднуються за допомогою реакцій синтезу дегідратації, діляться електронами і утворюють між собою ковалентні зв’язки.
Коли додаткові мономери приєднуються за допомогою множинних реакцій синтезу дегідратації, цей ланцюг повторюваних мономерів починає утворювати полімер.
Складні вуглеводи, нуклеїнові кислоти та білки - все це приклади полімерів, які утворюються шляхом синтезу дегідратації.
Такі мономери, як глюкоза, можуть з’єднуватися по-різному і утворювати різноманітні полімери. Мономери, такі як мононуклеотиди та амінокислоти, об'єднуються в різні послідовності, утворюючи різноманітні полімери.

Ключові терміни

ковалентний зв’язок: Тип хімічного зв’язку, коли два атоми пов’язані між собою за допомогою спільного використання двох або більше електронів.
мономер: Порівняно невелика молекула, яка може ковалентно зв’язуватися з іншими мономерами з утворенням полімеру.

Синтез зневоднення

Більшість макромолекул виготовляються з одиничних субодиниць або будівельних блоків, які називаються мономерами. Мономери поєднуються між собою за допомогою ковалентних зв’язків, утворюючи більші молекули, відомі як полімери. При цьому мономери виділяють молекули води як побічні продукти. Цей тип реакції відомий як синтез дегідратації, що означає “збирати разом, втрачаючи воду. ”Це також вважається реакцією конденсації, оскільки дві молекули конденсуються в одну більшу молекулу з втратою меншої молекули (води).

При реакції синтезу дегідратації між двома неіонізованими мономерами, такими як моносахаридні цукри, водень одного мономеру поєднується з гідроксильною групою іншого мономеру, виділяючи при цьому молекулу води. Видалення водню з одного мономеру та видалення гідроксильної групи з іншого мономеру дозволяє мономерам ділитися електронами та утворювати ковалентний зв’язок. Таким чином, з’єднані між собою мономери зневоднюються, щоб забезпечити синтез більшої молекули.

Реакція дегідратаційного синтезу за участю неіонізованих монерів.: У реакції синтезу дегідратації між двома молекулами глюкози гідроксильна група з першої глюкози поєднується з воднем з другої глюкози, утворюючи ковалентний зв’язок, який зв’язує два мономерних цукру (моносахариди) з утворенням дисахаридної мальтози. У процесі утворюється молекула води.

Коли мономери іонізовані, як у випадку з амінокислотами у такому водному середовищі, як цитоплазма, два водню з позитивно зарядженого кінця одного мономеру поєднуються з киснем із негативно зарядженого кінця іншого мономеру, знову утворюючи воду, який виділяється як побічний продукт, і знову з'єднує два мономери ковалентним зв'язком.

Реакція дегідратаційного синтезу за участю іонізованих мономерів.: У реакції синтезу дегідратації між двома амінокислотами, які іонізуються у водних середовищах, таких як клітина, кисень з першої амінокислоти поєднується з двома воднями з другої амінокислоти, створюючи ковалентний зв’язок, що зв’язує два мономери з утворюють дипептид. У процесі утворюється молекула води.

Коли додаткові мономери приєднуються за допомогою множинних реакцій синтезу дегідратації, ланцюг повторюваних мономерів починає утворювати полімер. Різні типи мономерів можуть поєднуватися в багатьох конфігураціях, породжуючи різноманітну групу макромолекул. Три з чотирьох основних класів біологічних макромолекул (складні вуглеводи, нуклеїнові кислоти та білки) складаються з мономерів, які з’єднуються за допомогою реакцій синтезу дегідратації. Складні вуглеводи утворюються з моносахаридів, нуклеїнові кислоти - з мононуклеотидів, а білки - з амінокислот.

Існує велика різноманітність способів, за допомогою яких мономери можуть поєднуватися, утворюючи полімери. Наприклад, мономери глюкози є складовими крохмалю, глікогену і целюлози. Це три полісахариди, класифіковані як вуглеводи, що утворилися в результаті множинних реакцій синтезу дегідратації між мономерами глюкози. Однак спосіб з'єднання мономерів глюкози, зокрема розташування ковалентних зв'язків між пов'язаними мономерами та орієнтація (стереохімія) ковалентних зв'язків, призводить до цих трьох різних полісахаридів з різними властивостями та функціями. У нуклеїнових кислотах та білках розташування та стереохімія ковалентних зв’язків, що з’єднують мономери, не відрізняються від молекули до молекули, а натомість декількох видів мономерів (п’ять різних мономерів у нуклеїнових кислотах, A, G, C, T та U мононуклеотиди; 21 різні амінокислотні мономери в білках) поєднуються у величезній різноманітності послідовностей. Кожен білок або нуклеїнова кислота з різною послідовністю - це інша молекула з різними властивостями.

Гідроліз

Реакції гідролізу призводять до розщеплення полімерів до мономерів за допомогою молекули води та ферментативного каталізатора.