โมเลกุลขนาดใหญ่เป็นโมเลกุลที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูง โครงสร้างของมันถูกนำเสนอในรูปแบบของการเชื่อมโยงซ้ำ ๆ กัน พิจารณาคุณสมบัติของสารประกอบดังกล่าว ความสำคัญต่อชีวิตของสิ่งมีชีวิต
คุณสมบัติขององค์ประกอบ
โมเลกุลขนาดใหญ่ทางชีวภาพเกิดขึ้นจากวัสดุตั้งต้นขนาดเล็กหลายแสนชนิด สิ่งมีชีวิตมีลักษณะเด่นด้วยโมเลกุลขนาดใหญ่สามประเภท: โปรตีน พอลิแซ็กคาไรด์ กรดนิวคลีอิก
โมโนเมอร์เริ่มต้นสำหรับพวกมันคือโมโนแซ็กคาไรด์ นิวคลีโอไทด์ กรดอะมิโน โมเลกุลขนาดใหญ่เกือบ 90 เปอร์เซ็นต์ของมวลเซลล์ ขึ้นอยู่กับลำดับของกรดอะมิโนที่ตกค้าง โมเลกุลโปรตีนจำเพาะจะถูกสร้างขึ้น
น้ำหนักโมเลกุลสูงคือสารที่มีมวลโมเลกุลมากกว่า 103 Da.
ประวัติคำศัพท์
โมเลกุลขนาดใหญ่ปรากฏขึ้นเมื่อใด แนวคิดนี้เปิดตัวโดยผู้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมี Hermann Staudinger ในปี 1922
ลูกโพลีเมอร์สามารถมองเห็นเป็นด้ายพันกันที่เกิดขึ้นจากการคลายออกโดยไม่ได้ตั้งใจทั่วทั้งห้องคอยล์ ขดลวดนี้เปลี่ยนรูปแบบอย่างเป็นระบบ นี่คือการกำหนดค่าเชิงพื้นที่ของโมเลกุลขนาดใหญ่ คล้ายกับวิถีการเคลื่อนที่แบบบราวเนียน
การก่อตัวของขดลวดดังกล่าวเกิดขึ้นเนื่องจากข้อเท็จจริงที่ว่าในระยะทางที่แน่นอนโซ่โพลีเมอร์ "สูญเสีย" ข้อมูลเกี่ยวกับทิศทาง เป็นไปได้ที่จะพูดถึงขดลวดในกรณีที่สารประกอบโมเลกุลสูงมีความยาวมากกว่าความยาวของชิ้นส่วนโครงสร้างมาก
การกำหนดค่าทั่วโลก
โมเลกุลขนาดใหญ่คือโครงสร้างที่มีความหนาแน่นซึ่งสามารถเปรียบเทียบเศษส่วนของปริมาตรของพอลิเมอร์กับหน่วยได้ สภาพทรงกลมจะเกิดขึ้นในกรณีเหล่านี้เมื่อแรงดึงดูดซึ่งกันและกันเกิดขึ้นภายใต้การกระทำร่วมกันของแต่ละหน่วยโพลีเมอร์ระหว่างตัวมันเองกับสภาพแวดล้อมภายนอก
แบบจำลองโครงสร้างของโมเลกุลขนาดใหญ่คือส่วนหนึ่งของน้ำที่ฝังตัวเป็นองค์ประกอบของโครงสร้างดังกล่าว เป็นสภาพแวดล้อมการให้น้ำที่ใกล้เคียงที่สุดของโมเลกุลขนาดใหญ่
ลักษณะพิเศษของโมเลกุลโปรตีน
โปรตีนโมเลกุลใหญ่เป็นสารที่ชอบน้ำ เมื่อโปรตีนแห้งละลายในน้ำ โปรตีนจะขยายตัวในขั้นต้น จากนั้นจะสังเกตการเปลี่ยนแปลงทีละน้อยเป็นสารละลาย ในระหว่างการบวม โมเลกุลของน้ำจะแทรกซึมเข้าไปในโปรตีน จับโครงสร้างของมันกับกลุ่มขั้ว สิ่งนี้จะคลายการบรรจุที่หนาแน่นของสายโพลีเปปไทด์ โมเลกุลโปรตีนที่บวมถือเป็นสารละลายย้อนกลับ ด้วยการดูดซึมโมเลกุลของน้ำในเวลาต่อมา จะสังเกตการแยกโมเลกุลโปรตีนออกจากมวลรวมและมีกระบวนการละลายด้วย
แต่การบวมของโมเลกุลโปรตีนไม่ได้ทำให้ละลายในทุกกรณี ตัวอย่างเช่น คอลลาเจนหลังจากการดูดซึมของโมเลกุลของน้ำยังคงอยู่ในสถานะบวม
ทฤษฎีไฮเดรต
สารประกอบโมเลกุลสูงตามทฤษฎีนี้ไม่เพียงดูดซับแต่ยังจับโมเลกุลของน้ำด้วยไฟฟ้าสถิตด้วยเศษขั้วของอนุมูลด้านข้างของกรดอะมิโนที่มีประจุลบ เช่นเดียวกับกรดอะมิโนพื้นฐานที่มีประจุบวก
น้ำไฮเดรทบางส่วนจับกับกลุ่มเปปไทด์ที่สร้างพันธะไฮโดรเจนกับโมเลกุลของน้ำ
ตัวอย่างเช่น โพลีเปปไทด์ที่มีกลุ่มด้านที่ไม่มีขั้วจะบวมขึ้น เมื่อจับกับกลุ่มเปปไทด์ มันจะผลักสายโพลีเปปไทด์ออกจากกัน การมีสะพานเชื่อมประสานกันไม่ให้โมเลกุลโปรตีนแตกออกจนหมด ไปอยู่ในรูปของสารละลาย
โครงสร้างของโมเลกุลขนาดใหญ่จะถูกทำลายเมื่อถูกความร้อน ส่งผลให้สายโซ่โพลีเปปไทด์แตกและปล่อย
คุณสมบัติของเจลาติน
องค์ประกอบทางเคมีของเจลาตินนั้นคล้ายกับคอลลาเจน มันเกิดเป็นของเหลวหนืดกับน้ำ คุณสมบัติเฉพาะของเจลาตินคือความสามารถในการทำให้เจล
โมเลกุลประเภทนี้ใช้เป็นสารห้ามเลือดและพลาสมาแทน ความสามารถของเจลาตินในการสร้างเจลใช้ในการผลิตแคปซูลในอุตสาหกรรมยา
คุณสมบัติการละลายโมเลกุลขนาดใหญ่
โมเลกุลประเภทนี้มีความสามารถในการละลายในน้ำต่างกัน ถูกกำหนดโดยองค์ประกอบของกรดอะมิโน เมื่อมีกรดอะมิโนขั้วอยู่ในโครงสร้าง ความสามารถในการละลายในน้ำจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก
คุณสมบัตินี้ยังได้รับผลกระทบจากลักษณะเฉพาะของการจัดระเบียบของโมเลกุลขนาดใหญ่ โปรตีนทรงกลมมีความสามารถในการละลายได้สูงกว่าโมเลกุลไฟบริลลาร์ ในระหว่างการทดลองจำนวนมาก การพึ่งพาการละลายในลักษณะของตัวทำละลายที่ใช้ได้ถูกสร้างขึ้น
โครงสร้างหลักของโมเลกุลโปรตีนแต่ละโมเลกุลนั้นแตกต่างกัน ซึ่งทำให้โปรตีนมีคุณสมบัติเฉพาะตัว การมีตัวเชื่อมขวางระหว่างสายโซ่โพลีเปปไทด์ช่วยลดความสามารถในการละลาย
โครงสร้างหลักของโมเลกุลโปรตีนเกิดขึ้นจากพันธะของเปปไทด์ (เอไมด์) เมื่อถูกทำลาย จะเกิดการเสื่อมสภาพของโปรตีน
เค็มออก
เพื่อเพิ่มความสามารถในการละลายของโมเลกุลโปรตีน จะใช้สารละลายของเกลือที่เป็นกลาง ตัวอย่างเช่น ในทำนองเดียวกัน การตกตะกอนแบบคัดเลือกของโปรตีนสามารถทำได้ การแยกส่วนสามารถดำเนินการได้ จำนวนโมเลกุลที่ได้จะขึ้นอยู่กับองค์ประกอบเริ่มต้นของส่วนผสม
ลักษณะเฉพาะของโปรตีนที่ได้มาจากการทำให้เป็นเกลือ คือการคงไว้ซึ่งลักษณะทางชีววิทยาหลังจากกำจัดเกลือออกจนหมด
สาระสำคัญของกระบวนการคือการกำจัดโดยแอนไอออนและไอออนบวกของเกลือของเปลือกโปรตีนไฮเดรต ซึ่งทำให้มั่นใจเสถียรภาพของโมเลกุลขนาดใหญ่ จำนวนสูงสุดของโมเลกุลโปรตีนจะถูกทำให้เค็มเมื่อใช้ซัลเฟต วิธีนี้ใช้เพื่อทำให้บริสุทธิ์และแยกโปรตีนโมเลกุลขนาดใหญ่ออก เนื่องจากเป็นส่วนประกอบหลักขนาดของประจุแตกต่างกัน พารามิเตอร์ของเปลือกไฮเดรชั่น โปรตีนแต่ละชนิดมีโซนเกลือของตัวเอง นั่นคือ คุณต้องเลือกเกลือที่มีความเข้มข้นที่กำหนด
กรดอะมิโน
ปัจจุบันรู้จักกรดอะมิโนประมาณสองร้อยตัวซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของโมเลกุลโปรตีน ขึ้นอยู่กับโครงสร้าง พวกเขาแบ่งออกเป็นสองกลุ่ม:
- โปรตีนซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของโมเลกุลขนาดใหญ่;
- ไม่ใช่โปรตีน ไม่เกี่ยวข้องกับการก่อตัวของโปรตีน
นักวิทยาศาสตร์สามารถถอดรหัสลำดับของกรดอะมิโนในโมเลกุลโปรตีนหลายชนิดที่มาจากสัตว์และพืช ในบรรดากรดอะมิโนที่มักพบในองค์ประกอบของโมเลกุลโปรตีน เราสังเกตซีรีน, ไกลซีน, ลิวซีน, อะลานีน ไบโอโพลีเมอร์ธรรมชาติแต่ละชนิดมีองค์ประกอบของกรดอะมิโนของตัวเอง ตัวอย่างเช่น โปรทามีนประกอบด้วยอาร์จินีนประมาณ 85 เปอร์เซ็นต์ แต่ไม่มีกรดที่เป็นกรดและกรดอะมิโนแบบไซคลิก ไฟโบรอินเป็นโมเลกุลโปรตีนของไหมธรรมชาติซึ่งมีไกลซีนประมาณครึ่งหนึ่ง คอลลาเจนประกอบด้วยกรดอะมิโนที่หายาก เช่น ไฮดรอกซีโพรลีน ไฮดรอกซีไลซีน ซึ่งไม่มีอยู่ในโมเลกุลโปรตีนขนาดใหญ่อื่นๆ
องค์ประกอบของกรดอะมิโนไม่ได้ถูกกำหนดโดยลักษณะของกรดอะมิโนเท่านั้น แต่ยังพิจารณาจากการทำงานและวัตถุประสงค์ของโมเลกุลโปรตีนขนาดใหญ่ด้วย ลำดับของพวกมันถูกกำหนดโดยรหัสพันธุกรรม
ระดับการจัดโครงสร้างพอลิเมอร์ชีวภาพ
มีสี่ระดับ: ประถม มัธยม อุดมศึกษา และควอเทอร์นารี โครงสร้างแต่ละอย่างมีลักษณะเด่น
โครงสร้างหลักของโมเลกุลโปรตีนคือสายโซ่โพลีเปปไทด์เชิงเส้นของสารตกค้างของกรดอะมิโนที่เชื่อมโยงกันด้วยพันธะเปปไทด์
โครงสร้างนี้มีความคงตัวมากที่สุด เนื่องจากมีพันธะโควาเลนต์เปปไทด์ระหว่างหมู่คาร์บอกซิลของกรดอะมิโนหนึ่งกับหมู่อะมิโนของอีกโมเลกุล
โครงสร้างรองเกี่ยวข้องกับการซ้อนของสายโซ่โพลีเปปไทด์ด้วยความช่วยเหลือของพันธะไฮโดรเจนในรูปแบบเกลียว
ไบโอโพลีเมอร์ชนิดตติยภูมิได้มาจากการบรรจุเชิงพื้นที่ของโพลีเปปไทด์ พวกเขาแบ่งย่อยรูปแบบเกลียวและชั้นพับของโครงสร้างตติยภูมิ
โปรตีนทรงกลมมีรูปร่างเป็นวงรี ในขณะที่โมเลกุลไฟบริลจะมีรูปร่างยาว
ถ้าโมเลกุลขนาดใหญ่มีสายพอลิเปปไทด์เพียงสายเดียว แสดงว่าโปรตีนนั้นมีโครงสร้างระดับตติยภูมิเท่านั้น ตัวอย่างเช่น เป็นโปรตีนจากเนื้อเยื่อของกล้ามเนื้อ (ไมโอโกลบิน) ที่จำเป็นสำหรับการจับออกซิเจน ไบโอโพลีเมอร์บางชนิดถูกสร้างขึ้นจากสายโซ่โพลีเปปไทด์หลายสาย ซึ่งแต่ละสายมีโครงสร้างแบบตติยภูมิ ในกรณีนี้ โมเลกุลขนาดใหญ่มีโครงสร้างแบบควอเทอร์นารี ซึ่งประกอบด้วยทรงกลมหลายเม็ดรวมกันเป็นโครงสร้างขนาดใหญ่ เฮโมโกลบินถือได้ว่าเป็นโปรตีนสี่ส่วนชนิดเดียวที่มีฮิสติดีนประมาณ 8 เปอร์เซ็นต์ เขาเป็นคนที่เป็นบัฟเฟอร์ภายในเซลล์ที่ใช้งานอยู่ในเม็ดเลือดแดงซึ่งช่วยให้รักษาค่า pH ของเลือดให้คงที่
กรดนิวคลีอิก
พวกมันคือสารประกอบโมเลกุลขนาดใหญ่ที่เกิดจากเศษชิ้นส่วนนิวคลีโอไทด์ พบอาร์เอ็นเอและดีเอ็นเอในเซลล์ที่มีชีวิตทั้งหมด ทำหน้าที่จัดเก็บ ส่งผ่าน และนำข้อมูลทางพันธุกรรมไปใช้ นิวคลีโอไทด์ทำหน้าที่เป็นโมโนเมอร์ แต่ละตัวมีสารตกค้างของฐานไนโตรเจน คาร์โบไฮเดรต และกรดฟอสฟอริก จากการศึกษาพบว่าหลักการของการเติมเต็ม (complementarity) สังเกตได้จาก DNA ของสิ่งมีชีวิตต่างๆ กรดนิวคลีอิกสามารถละลายได้ในน้ำ แต่ไม่ละลายในตัวทำละลายอินทรีย์ ไบโอโพลีเมอร์เหล่านี้ถูกทำลายโดยการเพิ่มอุณหภูมิ รังสีอัลตราไวโอเลต
แทนที่จะสรุป
นอกจากโปรตีนและกรดนิวคลีอิกหลายชนิดแล้ว คาร์โบไฮเดรตยังเป็นโมเลกุลขนาดใหญ่อีกด้วย โพลีแซ็กคาไรด์ในองค์ประกอบของพวกเขามีโมโนเมอร์หลายร้อยตัวซึ่งมีรสหวานที่น่าพึงพอใจ ตัวอย่างของโครงสร้างลำดับชั้นของโมเลกุลขนาดใหญ่ ได้แก่ โมเลกุลขนาดใหญ่ของโปรตีนและกรดนิวคลีอิกที่มีหน่วยย่อยที่ซับซ้อน
ตัวอย่างเช่น โครงสร้างเชิงพื้นที่ของโมเลกุลโปรตีนทรงกลมเป็นผลมาจากการจัดลำดับกรดอะมิโนหลายระดับตามลำดับชั้น มีความเชื่อมโยงอย่างใกล้ชิดระหว่างแต่ละระดับ องค์ประกอบของระดับที่สูงกว่าเชื่อมโยงกับชั้นล่าง
ไบโอโพลีเมอร์ทั้งหมดทำหน้าที่สำคัญที่คล้ายคลึงกัน เป็นวัสดุก่อสร้างสำหรับเซลล์ที่มีชีวิตมีหน้าที่ในการจัดเก็บและส่งข้อมูลทางพันธุกรรม สิ่งมีชีวิตแต่ละชนิดมีโปรตีนจำเพาะ ดังนั้นนักชีวเคมีจึงต้องเผชิญกับงานที่ยากและมีความรับผิดชอบ การแก้ปัญหาซึ่งพวกมันช่วยชีวิตสิ่งมีชีวิตจากความตายบางอย่าง