สารประกอบต่าง ๆ จำนวนมากที่มีลักษณะทางเคมีต่างกันสามารถสังเคราะห์คนในห้องปฏิบัติการได้ อย่างไรก็ตาม สารธรรมชาติที่เหมือนกันทั้งหมดเป็นและจะยังคงมีความสำคัญและสำคัญที่สุดสำหรับชีวิตของทุกระบบชีวิต นั่นคือโมเลกุลที่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาทางชีวเคมีนับพันภายในสิ่งมีชีวิตและมีหน้าที่ในการทำงานตามปกติ
ส่วนใหญ่อยู่ในกลุ่มที่เรียกว่า "โพลิเมอร์ชีวภาพ"
แนวคิดทั่วไปของไบโอโพลีเมอร์
ก่อนอื่น ควรจะกล่าวว่าสารประกอบเหล่านี้มีโมเลกุลสูง มีมวลถึงล้านดาลตัน สารเหล่านี้เป็นพอลิเมอร์จากสัตว์และพืชที่มีบทบาทสำคัญในการสร้างเซลล์และโครงสร้างของพวกมัน ทำให้มั่นใจในการเผาผลาญ การสังเคราะห์แสง การหายใจ โภชนาการ และการทำงานที่สำคัญอื่นๆ ของสิ่งมีชีวิตใดๆ
เป็นการยากที่จะประเมินค่าความสำคัญของสารประกอบดังกล่าวให้สูงไป ไบโอโพลีเมอร์เป็นสารธรรมชาติที่มีต้นกำเนิดจากธรรมชาติซึ่งก่อตัวขึ้นในสิ่งมีชีวิตและเป็นพื้นฐานของทุกชีวิตบนโลกของเรา อะไรคือความเชื่อมโยงที่เฉพาะเจาะจงกับพวกเขาเป็นของ?
เซลล์ไบโอโพลีเมอร์
มีเยอะนะ ดังนั้น biopolymers หลักมีดังนี้:
- โปรตีน;
- โพลีแซคคาไรด์;
- กรดนิวคลีอิก (DNA และ RNA).
นอกจากนั้น ยังรวมถึงพอลิเมอร์ผสมจำนวนมากที่เกิดขึ้นจากการผสมผสานของที่ระบุไว้แล้ว ตัวอย่างเช่น ไลโปโปรตีน ไลโปโพลีแซคคาไรด์ ไกลโคโปรตีน และอื่นๆ
คุณสมบัติทั่วไป
มีคุณสมบัติหลายอย่างที่มีอยู่ในโมเลกุลที่พิจารณาทั้งหมด ตัวอย่างเช่น คุณสมบัติทั่วไปของไบโอโพลีเมอร์ต่อไปนี้:
- น้ำหนักโมเลกุลมากเนื่องจากการก่อตัวของแมคโครเชนขนาดใหญ่ที่มีกิ่งก้านในโครงสร้างทางเคมี
- ประเภทของพันธะในโมเลกุลขนาดใหญ่ (ไฮโดรเจน, ปฏิกิริยาของไอออนิก, แรงดึงดูดของไฟฟ้าสถิต, สะพานไดซัลไฟด์, พันธะเปปไทด์ และอื่นๆ);
- หน่วยโครงสร้างของแต่ละโซ่เป็นลิงค์โมโนเมอร์
- stereoregularity หรือไม่มีอยู่ในโครงสร้างของห่วงโซ่
แต่โดยทั่วไปแล้ว ไบโอโพลีเมอร์ทั้งหมดยังคงมีความแตกต่างในโครงสร้างและหน้าที่มากกว่าความคล้ายคลึงกัน
โปรตีน
โปรตีนโมเลกุลมีความสำคัญอย่างยิ่งในชีวิตของสิ่งมีชีวิตใดๆ ไบโอโพลีเมอร์ดังกล่าวเป็นพื้นฐานของชีวมวลทั้งหมด แท้จริงแล้ว ตามทฤษฎี Oparin-Haldane สิ่งมีชีวิตบนโลกมีต้นกำเนิดมาจากละออง coacervate ซึ่งเป็นโปรตีน
โครงสร้างของสารเหล่านี้มีระเบียบเข้มงวดในโครงสร้าง โปรตีนแต่ละชนิดประกอบด้วยกรดอะมิโนตกค้างที่สามารถเชื่อมต่อกันได้ไม่จำกัดความยาวของสายโซ่ สิ่งนี้เกิดขึ้นจากการก่อตัวของพันธะพิเศษ - พันธะเปปไทด์ พันธะดังกล่าวเกิดขึ้นระหว่างธาตุทั้งสี่: คาร์บอน ออกซิเจน ไนโตรเจน และไฮโดรเจน
โปรตีนโมเลกุลหนึ่งสามารถมีกรดอะมิโนตกค้างจำนวนมาก ทั้งที่เหมือนกันและต่างกัน (หลายหมื่นหรือมากกว่า) สารประกอบเหล่านี้มีกรดอะมิโนทั้งหมด 20 สายพันธุ์ อย่างไรก็ตาม การผสมผสานที่หลากหลายของกรดอะมิโนเหล่านี้ช่วยให้โปรตีนเจริญเติบโตในเชิงปริมาณและสปีชีส์
โปรตีนไบโอโพลีเมอร์มีโครงสร้างเชิงพื้นที่ต่างกัน ดังนั้น ตัวแทนแต่ละคนสามารถดำรงอยู่ในโครงสร้างหลัก รอง อุดมศึกษา หรือควอเทอร์นารี
ที่ง่ายที่สุดและเป็นเส้นตรงของพวกมันคืออันหลัก มันเป็นเพียงชุดของลำดับกรดอะมิโนที่เชื่อมต่อกัน
โครงสร้างทุติยภูมิมีโครงสร้างที่ซับซ้อนมากขึ้น เนื่องจากมาโครเชนโดยรวมของโปรตีนเริ่มหมุนเป็นเกลียว ทำให้เกิดขดลวด โครงสร้างมหภาคที่อยู่ติดกันสองโครงสร้างอยู่ใกล้กันเนื่องจากปฏิสัมพันธ์ของโควาเลนต์และไฮโดรเจนระหว่างกลุ่มของอะตอม แยกแยะระหว่างอัลฟาและเบตาเฮลิซของโครงสร้างรองของโปรตีน
โครงสร้างตติยภูมิคือโมเลกุลเดี่ยว (สายโซ่โพลีเปปไทด์) ของโปรตีนที่รีดเป็นลูกบอล เครือข่ายการโต้ตอบที่ซับซ้อนมากภายในทรงกลมนี้ช่วยให้มีเสถียรภาพและรักษารูปร่างไว้ได้
โครงสร้างสี่ส่วน - โซ่โพลีเปปไทด์สองสามเส้น ขดเป็นเกลียวเป็นขดลวดซึ่งในขณะเดียวกันก็สร้างพันธะหลายประเภทระหว่างกัน โครงสร้างทรงกลมที่ซับซ้อนที่สุด
หน้าที่ของโมเลกุลโปรตีน
- ขนส่ง. ดำเนินการโดยเซลล์โปรตีนที่ประกอบขึ้นเป็นเมมเบรนในพลาสมา พวกมันสร้างช่องไอออนซึ่งโมเลกุลบางตัวสามารถผ่านได้ นอกจากนี้ โปรตีนหลายชนิดยังเป็นส่วนหนึ่งของออร์แกเนลล์ในการเคลื่อนที่ของโปรโตซัวและแบคทีเรีย ดังนั้นพวกมันจึงเกี่ยวข้องโดยตรงกับการเคลื่อนไหวของพวกมัน
- การทำงานของพลังงานดำเนินการโดยโมเลกุลเหล่านี้อย่างแข็งขัน โปรตีนหนึ่งกรัมในกระบวนการเมแทบอลิซึมสร้างพลังงาน 17.6 kJ ดังนั้นการบริโภคผลิตภัณฑ์จากพืชและสัตว์ที่มีสารประกอบเหล่านี้จึงมีความสำคัญต่อสิ่งมีชีวิต
- หน้าที่ในการสร้างคือการมีส่วนร่วมของโมเลกุลโปรตีนในการสร้างโครงสร้างเซลล์ส่วนใหญ่ ตัวเซลล์เอง เนื้อเยื่อ อวัยวะ และอื่นๆ โดยพื้นฐานแล้วเซลล์เกือบทั้งหมดถูกสร้างขึ้นจากโมเลกุลเหล่านี้ (โครงร่างโครงร่างของไซโตพลาสซึม พลาสมาเมมเบรน ไรโบโซม ไมโทคอนเดรีย และโครงสร้างอื่นๆ มีส่วนร่วมในการก่อตัวของสารประกอบโปรตีน)
- การทำงานของตัวเร่งปฏิกิริยาดำเนินการโดยเอนไซม์ ซึ่งโดยลักษณะทางเคมีของพวกมันนั้นไม่มีอะไรมากไปกว่าโปรตีน หากไม่มีเอนไซม์ ปฏิกิริยาทางชีวเคมีส่วนใหญ่ในร่างกายคงเป็นไปไม่ได้ เนื่องจากเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาทางชีวภาพในระบบสิ่งมีชีวิต
- Receptor (เช่นการส่งสัญญาณ) ฟังก์ชันช่วยให้เซลล์นำทางและตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงในสภาพแวดล้อมได้อย่างถูกต้อง เช่นเครื่องกลและเคมี
ถ้าเราพิจารณาโปรตีนในเชิงลึกมากขึ้น เราสามารถเน้นที่หน้าที่รองเพิ่มเติมบางอย่างได้ อย่างไรก็ตาม รายการที่อยู่ในรายการคือรายการหลัก
กรดนิวคลีอิก
ไบโอโพลีเมอร์ดังกล่าวเป็นส่วนสำคัญของทุกเซลล์ ไม่ว่าจะเป็นโพรคาริโอตหรือยูคาริโอต แท้จริงแล้ว กรดนิวคลีอิกประกอบด้วยโมเลกุล DNA (กรดดีออกซีไรโบนิวคลีอิก) และอาร์เอ็นเอ (กรดไรโบนิวคลีอิก) ซึ่งแต่ละชนิดเป็นส่วนเชื่อมโยงที่สำคัญมากสำหรับสิ่งมีชีวิต
โดยลักษณะทางเคมีของพวกมัน DNA และ RNA เป็นลำดับของนิวคลีโอไทด์ที่เชื่อมต่อกันด้วยพันธะไฮโดรเจนและสะพานฟอสเฟต DNA ประกอบด้วยนิวคลีโอไทด์เช่น:
- อะดีนีน;
- ไทมีน;
- guanine;
- ไซโตไซน์;
- 5-น้ำตาลคาร์บอนดีออกซีไรโบส
RNA ต่างกันตรงที่ไทมีนถูกแทนที่ด้วย uracil และน้ำตาลด้วย ribose
เนื่องจากการจัดระเบียบโครงสร้างพิเศษของโมเลกุลดีเอ็นเอสามารถทำหน้าที่สำคัญได้หลายอย่าง RNA ก็มีบทบาทสำคัญในเซลล์เช่นกัน
หน้าที่ของกรดดังกล่าว
กรดนิวคลีอิกเป็นโพลิเมอร์ชีวภาพที่มีหน้าที่ดังต่อไปนี้:
- DNA คือที่เก็บและส่งข้อมูลทางพันธุกรรมในเซลล์ของสิ่งมีชีวิต ในโปรคาริโอต โมเลกุลนี้มีการกระจายในไซโตพลาสซึม ในเซลล์ยูคาริโอต จะอยู่ภายในนิวเคลียส คั่นด้วยคาริโอเลมมา
- โมเลกุล DNA ที่มีเกลียวคู่แบ่งออกเป็นส่วนๆ - ยีนที่ประกอบเป็นโครงสร้างของโครโมโซม ยีนของทุกคนสิ่งมีชีวิตสร้างรหัสพันธุกรรมพิเศษซึ่งสัญญาณทั้งหมดของสิ่งมีชีวิตได้รับการเข้ารหัส
- RNA มีสามประเภท - แม่แบบ ไรโบโซม และการขนส่ง Ribosomal มีส่วนร่วมในการสังเคราะห์และประกอบโมเลกุลโปรตีนบนโครงสร้างที่สอดคล้องกัน ข้อมูลการถ่ายโอนข้อมูลเมทริกซ์และการขนส่งอ่านจาก DNA และถอดรหัสความหมายทางชีวภาพ
โพลีแซคคาไรด์
สารประกอบเหล่านี้ส่วนใหญ่เป็นโพลีเมอร์จากพืช กล่าวคือ พวกมันพบได้อย่างแม่นยำในเซลล์ของตัวแทนของพืชพรรณ ผนังเซลล์ของพวกมันซึ่งมีเซลลูโลสนั้นอุดมไปด้วยโพลีแซ็กคาไรด์มากเป็นพิเศษ
โดยลักษณะทางเคมีของพวกมัน โพลีแซคคาไรด์เป็นโมเลกุลคาร์โบไฮเดรตเชิงซ้อนที่มีคาร์โบไฮเดรตเชิงซ้อน พวกเขาสามารถเป็นรูปแบบเชิงเส้นชั้นและเชื่อมโยงข้าม โมโนเมอร์เป็นน้ำตาลห้าชนิดธรรมดา มักจะเป็นน้ำตาลคาร์บอน 6 ชนิด ได้แก่ น้ำตาลไรโบส กลูโคส ฟรุกโตส มีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับสิ่งมีชีวิต เนื่องจากเป็นส่วนหนึ่งของเซลล์ เป็นสารอาหารสำรองสำหรับพืช และถูกทำลายด้วยการปล่อยพลังงานจำนวนมาก
ความหมายของตัวแทนต่างๆ
โพลีเมอร์ชีวภาพ เช่น แป้ง เซลลูโลส อินนูลิน ไกลโคเจน ไคตินและอื่น ๆ มีความสำคัญมาก เป็นแหล่งพลังงานที่สำคัญในสิ่งมีชีวิต
ดังนั้น เซลลูโลสจึงเป็นองค์ประกอบสำคัญของผนังเซลล์ของพืช แบคทีเรียบางชนิด ให้ความแข็งแรงรูปร่างบางอย่าง ในอุตสาหกรรม มนุษย์เคยชินเพื่อให้ได้กระดาษ เส้นใยอะซิเตทอันมีค่า
แป้งเป็นธาตุอาหารพืชสำรองซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์อาหารทรงคุณค่าสำหรับมนุษย์และสัตว์
ไกลโคเจนหรือไขมันสัตว์เป็นสารอาหารสำรองสำหรับสัตว์และมนุษย์ ทำหน้าที่ฉนวนกันความร้อน แหล่งพลังงาน การป้องกันทางกล
ไบโอโพลีเมอร์ผสมในสิ่งมีชีวิต
นอกจากที่เราได้พิจารณาแล้ว ยังมีสารประกอบโมเลกุลขนาดใหญ่หลายชนิดรวมกันอีกด้วย ไบโอโพลีเมอร์ดังกล่าวเป็นโครงสร้างผสมที่ซับซ้อนของโปรตีนและลิปิด (ไลโปโปรตีน) หรือโพลีแซ็กคาไรด์และโปรตีน (ไกลโคโปรตีน) ส่วนผสมของลิพิดและโพลีแซ็กคาไรด์ (ไลโปโพลีแซ็กคาไรด์) ก็เป็นไปได้เช่นกัน
ไบโอโพลีเมอร์แต่ละชนิดมีหลายพันธุ์ที่ทำหน้าที่สำคัญหลายประการในสิ่งมีชีวิต: การขนส่ง การส่งสัญญาณ ตัวรับ การควบคุม เอนไซม์ การสร้าง และอื่นๆ อีกมากมาย โครงสร้างของพวกเขามีความซับซ้อนทางเคมีมากและห่างไกลจากการถอดรหัสสำหรับตัวแทนทั้งหมด ดังนั้น ฟังก์ชันจึงไม่ได้กำหนดไว้อย่างสมบูรณ์ ทุกวันนี้ รู้จักกันมากที่สุดเท่านั้น แต่ส่วนสำคัญยังคงอยู่นอกเหนือขอบเขตของความรู้ของมนุษย์