Полимеры – это биологические вещества сложной химической структуры.
Структура биологических полимеров
Полмеры были исследованы Г. Штаудингером, и он опытным путем доказал тот факт, что полимеры состоят из повторяющихся молекулярных звеньев, соединенных между собой ковалентными связями. Такая химическая связь отличается тем, что два атома имеют общую электронную пару. Химик также доказал тот факт, что пластмасса имеет структур полимера. За это открытие он был удостоен Нобелевской премии.
Все органические соединения, которые входят в состав живых организмов обладают высокой степенью разнообразия. Количество природных органических соединений исчисляется несколькими тысячами. Многие из них имеют очень сложную структуру.
Все органические вещества делятся на две группы:
- полимеры;
- низкомолекулярные вещества.
Молекулярная масса полимеров составляет от нескольких тысяч до нескольких миллионов. Все полимеры строятся из большого количества повторяющихся мономеров.
Полимеры могут быть органическими, неорганическими, элементарно органическими. Органические полимеры могут быть природными, искусственными, синтетическими. Природные полимеры можно обнаружить в естественной среде обитания. Человек не участвует в производстве таких полимеров.
Примеры биологических полимеров
К биологическим полимерам относятся крахмал, каучук, хлопок и пр.
Искусственные полимеры получаются человеком при проведении химических опытов. Например, чтобы получить модифицированный полимер, который затем будет применён при производстве красок, химики добавляют в раствор стирола в толуоле или ксилоле льняное или касторовое масло и нагревают его.
Синтетические полимеры можно получить при реализации реакций химического синтеза. В синтезе участвуют различные высокомолекулярные органические продукты. Например, химический полимер лавсан получают с помощью поликонденсирования таких веществ, как терефталевую кислоту и этиленгликоль.
Внутри молекулы полимера может присутствовать различное количество мономеров. Причем степень вариации весьма большая. Например, пептид глутатион состоит из трех аминокислот, но при этом играет важнейшую роль в процессах окисления и восстановления. Молекула ДНК состоит из более чем трех миллионов нуклеотидов и образует наследственную информацию не только эукариотических клеток, но и бактерий.
Большинство биологических полимеров предотвращают процесс передачи тепла, то есть являются теплоизоляторами. Они обладают большой эластичностью, способностью выдерживать агрессивную химическую среду. Также они являются диэлектриками, плохо проводят электрический ток и не пропускают его через себя.
К основным характеристикам биологических полимеров относят гомо и гетерополимерность (полимер может состоять из одинаковых или разных мономеров).
Большая часть полимеров построена из нескольких мономеров, относящихся, как правило, к одному и тому же классу веществ, соединенных одинаковых типом связей. Примером является гиалуроновая кислота.
Также полимеры могут быть регулярными и нерегулярными. Такая классификация отражает порядок расположения мономеров в полимере.
Регулярные полмеры состоят из повторяющихся единиц, нескольких мономеров. Уже упоминавшаяся гиалуроновая кислота состоит из чередующихся остатков двух типов — N-ацетилглюкозамина и глюкуроновой кислоты.
Чаще всего в живых организмах встречаются гетерополимеры. В них мономеры не образуют повторяющихся единиц. Последовательность мономеров внутри имеет уникальный характер. Это обуславливает высокую степень разнообразия таких полимеров.
Также при характеристике биологических полимеров учитывается степень разветвленности.
Неразветвленные полмеры – это линейные полмеры, которые образуются, если каждый входящий в их состав мономер образует две связи с соседними мономерами.
Примером таких полимеров можно назвать белки, нуклеиновые кислоты и многочисленные полисахариды.
Что касается разветвленных полимеров, то к ним относят такие полисахариды, как крахмал и гликоген. Разветвление характерно для небольшой части мономеров, поэтому разветвленные полимеры различаются также и по частоте ветвления. Длина таких ветвлений также весьма различна. Встречаются полимеры, в которых основная цепь состоит из одного мономера, а боковые — из другого.
Полмеры выделяются в несколько основных классов, в зависимости от состава тех низкомолекулярных веществ, которые входят в их молекулы. Самыми распространенными классами являются: углеводы, аминокислоты и белки, липиды, нуклеиновые кислоты и нуклеотиды.
Строение биополимеров можно рассмотреть на примере молекулы белков. Эта молекула имеет значительный размер, за что получила название макромолекулы. Такое разнообразие обеспечивается аминокислотным составом белковых молекул: в них входит 20 аминокислот. Аминокислоты внутри белков состоят из аминогрупп, имеющих основные свойства (NH2). Карбоксильная группа имеет кислотные свойства (COOH). Также в состав аминокислот имеется радикал. Первые две части в составе аминокислот одинаковые, а радикал придает ей нужную степень оригинальности.
Аминокислоты взаимодействуют с друг другом и образуют пептидную связь. Она формируется за счет сближения аминогрупп и карбоксильной группы. Также при этом происходит выделение молекул воды. Пептидная связь формируется между C и N.
Таким образом, анализируя строение молекулы белка как биополимера, можно формулировать следующие выводы:
- в белковой молекуле амфотерные свойства белкам придают радикалы аминокислот (кислотно - основные группы боковых радикалов аминокислот);
- сами аминокислоты имеют амфотерность, поскольку в их состав входят амино- и карбоксильные группы. Щелочные свойства аминокислотам придает аминогруппа, а кислотные формируются за счет карбоксильной группы;
- радикалы придают одним аминокислотам гидрофильные, а другим — гидрофобные свойства.
