ماکرومولکولها

بسیاری از مولکولهای بیولوژیک ماکرومولکول یا پلیمرهایی با وزن مولکولی بالا حاصل اتصال پیش سازهای نسبتا ساده به یکدیگر می‌باشند. پلی ساکاریدها ، پروتئینها و اسیدهای نوکلئیک در اثر پلیمریزاسیون ترکیبات نسبتا کوچک دارای وزن مولکولی 500 دالتون یا کمتر ایجاد می‌گردند.

مقدمه

ماکرومولکولها از پلیمریزاسیون مونومرها ساخته شده‌اند. تعداد کل واحدهای پلیمریزه شده می‌تواند از دهها تا میلیونها واحد متفاوت باشد. سنتز ماکرومولکولها یکی از فعالیتهای اصلی مصرف کننده انرژی در سلول است.ماکرومولکولها ممکن است در کمپلکسهای سوپرامولکولی همایش بیشتری یافته و واحدهای وظیفه‌داری را تشکیل دهند. تقریبا تمامی مواد جامد موجود در سلولها آلی هستند. املاح غیر آلی و عناصر معدنی کسر بسیار کوچکی از کل وزن خشک را تشکیل می‌دهند. پلیمرها همچنین در صنعت به صورت مصنوعی ساخته می‌شوند که کاربردهای فراوانی دارند.

ماکرومولکولها از واحدهای منومری تشکیل شده‌اند

با وجود اینکه موجودات حاوی تعداد بسیار زیادی پروتئینهای مختلف و اسیدهای نوکلئیک هستند اساس ساختمانی آنها ساده می‌باشد. تعداد زیرواحدهای منومری ساده که از آنها این ماکرومولکولها ساخته می‌شوند کم بوده و در تمامی گونه‌های زنده یکسان می‌باشد.پروتئینها و اسیدهای نوکلئیک ماکرومولکولهای اطلاعاتی هستند. پلی ساکاریدهای متشکل از تنها یک نوع زیرواحد یا دو واحد تکراری مختلف نمی‌تواند همانند پروتئینها و اسیدهای نوکلئیک مولکولهای حاوی اطلاعات باشند. هر چند پلیمرهای قندی کوتاه متشکل از 6 نوع یا انواع بیشتری از واحدهای قندی که به شکل زنجیرهای شاخه‌دار می‌باشند دارای انواع ساختمانی و شیمی فضایی متفاوت بوده و اطلاعاتی در خود دارند که توسط سایر ماکرومولکولها شناسایی می‌گردند.

بهم پیوستن زیرواحدها نیاز به انرژی دارد

بسیار بعید به نظر می‌رسد که اسیدهای آمینه موجود در مخلوط بتوانند بطور خودبخودی با یکدیگر ترکیب شده و ایجاد یک مولکول پروتئینی با یک توالی بی‌همتا نمایند. بر حسب قانون دوم ترمودینامیک تمایل طبیعی به سمت افزایش بی‌نظمی در جهان است. برای سنتز ماکرومولکولها از واحدهای منومری آنها ، لازم است به سیستم در این حالت انرژی داده شود. بی‌نظمی اجزای یک سیستم شیمیایی را به صورت آنتروپی بیان می‌نمایند. ماکرومولکولها نسبت به اجزای تشکیل دهنده خود دارای پایداری کمتر و نظم بیشتری هستند.

ماکرومولکولها از واحدهای منومری تشکیل شده‌اند

با وجود اینکه موجودات حاوی تعداد بسیار زیادی پروتئینهای مختلف و اسیدهای نوکلئیک هستند اساس ساختمانی آنها ساده می‌باشد. تعداد زیرواحدهای منومری ساده که از آنها این ماکرومولکولها ساخته می‌شوند کم بوده و در تمامی گونه‌های زنده یکسان می‌باشد.پروتئینها و اسیدهای نوکلئیک ماکرومولکولهای اطلاعاتی هستند. پلی ساکاریدهای متشکل از تنها یک نوع زیرواحد یا دو واحد تکراری مختلف نمی‌تواند همانند پروتئینها و اسیدهای نوکلئیک مولکولهای حاوی اطلاعات باشند. هر چند پلیمرهای قندی کوتاه متشکل از 6 نوع یا انواع بیشتری از واحدهای قندی که به شکل زنجیرهای شاخه‌دار می‌باشند دارای انواع ساختمانی و شیمی فضایی متفاوت بوده و اطلاعاتی در خود دارند که توسط سایر ماکرومولکولها شناسایی می‌گردند.

بهم پیوستن زیرواحدها نیاز به انرژی دارد

بسیار بعید به نظر می‌رسد که اسیدهای آمینه موجود در مخلوط بتوانند بطور خودبخودی با یکدیگر ترکیب شده و ایجاد یک مولکول پروتئینی با یک توالی بی‌همتا نمایند. بر حسب قانون دوم ترمودینامیک تمایل طبیعی به سمت افزایش بی‌نظمی در جهان است. برای سنتز ماکرومولکولها از واحدهای منومری آنها ، لازم است به سیستم در این حالت انرژی داده شود. بی‌نظمی اجزای یک سیستم شیمیایی را به صورت آنتروپی بیان می‌نمایند. ماکرومولکولها نسبت به اجزای تشکیل دهنده خود دارای پایداری کمتر و نظم بیشتری هستند.

پروتئینها

پروتئینها ، ماکرومولکولهایی با وزن مولکولی حدود 6000 تا 1000000 هستند و از ترکیبات ساده‌تری به نام - آمینو اسیدها تشکیل شده‌اند. - آمینو اسیدها ، اسید کربوکسلیکی است که یک گروه آمینو ، ، به اتم کربن مجاور گروه کربوکسیل ، COOH- ، آن متصل شده است. نشانه (آلفا) موقعیت گروه آمینو را مشخص می‌کند. اتم کربن مجاور گروه کربوکسیل ، اتم نامیده می‌شود. فرمول عمومی این ترکیبات به صورت زیر است:

گروه بازی است و با اسیدها ترکیب می‌شود و تولید می‌کند. بنابراین در PH کم ، آمینو اسید به عنوان کاتیون عمل می‌کند و به سوی قطب منفی میدان الکتریکی کشیده می‌شود. گروه COOH- اسیدی است و با بازها ، تولید می‌کند. بنابراین در PH زیاد ، آمینو اسید به عنوان آنیون عمل می‌کند و به سوی قطب مثبت میدان الکتریکی کشیده می‌شود.

انسولین

انسولین نمایش خوبی از ساختمان سه بعدی حاصل از ترتیب پیچیده‌ای از آمینو اسیدهاست. این هورمون پروتئینی داروی مهمی در درمان دیابت است، زیرا قادر است متابولیسم گلوکز را تنظیم کند (بیوشیمی). انسولین حاوی 51 باقیمانده آمینو اسیدی در دو زنجیر A و B است. زنجیرها توسط دو پل دی‌سولفیدی با هم در ارتباط می‌باشند. همچنین چنین اتصالی باقیمانده سیستئین را به مواضع 6 و 11 زنجیر A متصل کرده، یک حلقه ایجاد می‌کند.

هر دو زنجیر به طریقی تا می‌خورند که برهمکنشهای فضایی حداقل و برهمکنشهای الکتروستاتیکی لندن و جاذبه‌های پیوند هیدروژنی حداکثر شود. این نیروها انسجام خوبی به ساختمان سه بعدی می‌بخشند. از آنجا که بیشتر روشهای سنتزی فقط بهره کمی از این ماده بدست می‌دهند، منبع اصلی انسولین هنوز پانکراس حیوانات ذبح شده است. پیشرفت در تهیه این ماکرومولکول از طریق روشهای مهندسی ژنتیکی ادامه دارد.

کربوهیدراتهای پلی ساکارید

پلی ساکاریدها ، پلیمر مونوساکاریدها هستند. از نظر تنوع در ساختمان ممکن آنها ، به خصوص در اندازه زنجیر و انشعاب قابل مقایسه با پلیمرهای آلکنی هستند، ولی در طبیعت در ساختن چنین پلیمرهایی بسیار محافظه‌کار است. سه تا از فراوانترین پلی ساکاریدها سلولز ، نشاسته و گلیکوژن می‌باشند که از مونومر گلوکز مشتق شده‌اند.

سلولز

سلولز پلیمر بی‌شاخه است. سلولز ، پلی- - گلوکوپیرانوزید است که از طریق C-4 پیوند دارد و از حدود 3000 واحد مونومر تشکیل شده و دارای وزن مولکولی در حدود 500000 بوده و بیشتر به صورت خطی است. رشته‌های سلولزی تمایل دارند که با پیوندهای هیدروژنی چندگانه به هم متصل شوند. تشکیل تعداد بسیار زیاد پیوند هیدروژنی باعث ساختمان کاملا سخت سلولز می‌شود و به عنوان دیواره سلولی مواد زنده کاربرد موثر دارد.

نشاسته

نشاسته پلی گلوکزی با پیوند استالی است و ساختمانهای متفاوتی است. به عنوان ماده غذایی در گیاهان ذخیره می‌شود و مانند سلولز به سادگی توسط محلول اسیدی به گلوکز تفکیک می‌شود. جرم مولکولی آن از 150000 تا 600000 است.

گلیکوژن

گلیکوژن پلی ساکاریدی است با جرم مولکولی نزدیک یک صد میلیون و با شاخه‌های فرعی زیاد. این ترکیب به عنوان منبع انرژی است و از نظر بیولوژیکی بسیار مهم می‌باشد، زیرا یکی از پلی ساکاریدهای اصلی برای ذخیره انرژی در انسان و حیوانات است. این ماده در مقادیر نسبتا بالا ، بخصوص در جگر و در محلهای غیر فعال ماهیچه‌ها ذخیره می‌شود.

اسیدهای نوکلئیک

اسیدهای نوکلئیک DNA و RNA پلیمرهای نوکلئوتیدها هستند. این پلیمرها اطلاعات ژنتیکی را ذخیره و انتقال داده و تعدادی از مولکولهای RNA در کمپلسکهای ماکرومولکولی دارای نقش ساختمانی هستند.

پلیمرهای سنتزی

پلیمرهای سنتزی امروزه جزو لاینفک زندگی ما می‌باشند. به هر جا که بنگریم، از رومیزیها تا ظرفهای پلاستیکی ، کیف و کفش و لباس ، اتومبیلها ، هواپیماها و ... همه از پلیمرها ساخته شده‌اند. مونومرهای پلیمرهای سنتزی اغلب از هیدروکربنهای گرفته شده از نفت خام می‌باشند. پلیمرهای سنتزی جرم مولکولی 10000 تا 44000000 دارند.

در زیرمجموعه پلیمرهای سنتزی ، پلیمرهایی با عنوان پلیمر مصنوعی داریم. این پلیمرها در اثر انجام یک سری واکنشها بر روی پلیمرهای طبیعی بوجود می‌آیند (فرایند پلیمریزاسیون). به عنوان مثال ، سلولز که یک یک پلیمر طبیعی است، در صنعت ، چندان کاربرد دارند، اما در اثر واکنش نیتراسیون یا متیلاسیون یا استیلاسیون به موادی تبدیل می‌شود که کاربرد بسیار ارزنده‌ای دارد. به عنوان مثال ، نیتروسلولز به صورت الیاف و یا در صنایع ورنی سازی کاربرد دارد