Биологические полимеры (биополимеры).

Биополиме­ры – это органические полимерные соединения, входящие в состав клеток жи­вых организмов и продуктов их жизнедеятельности и не встречающиеся в неживой природе.

Полимер (от греч. «поли» – много) – многозвеньевая цепь, в ко­торой звеном является какое-либо относительно простое вещество – мономер. Мономеры, соединяясь между собой, образуют цепи, состо­ящие из тысяч мономеров.

Если мономеры одинаковые, то полимер называют гомополимером, если разные – гетерополимером. Они могут быть линейными, или разветвленными.

Биополимерами являются известные вам органические вещества: полисахариды (крахмал, гликоген, целлюлоза), белки, нуклеиновые кис­лоты и т.д. При этом:

Целлюлоза – линейный гомополимер (мономер – глюкоза).

Крахмал – разветвленный гомополимер (мономер – глюкоза).

Гликоген – разветвленный гомополимер (мономер – глюкоза).

Белки – линейные гетерополимеры (мономеры – 20 вариантов аминокислот).

Нуклеиновые кис­лоты – линейные гетерополимеры (мономеры – по 4 варианта нуклеотидов для РНК и для ДНК).

Свойства биополимеров зависят от строения их молекул: от чис­ла и разнообразия мономерных звеньев, образующих полимер. Если соединить вместе два типа мономеров А и Б, то можно по­лучить очень большой набор разнообразных полимеров. Строение и свойства таких полимеров будут зависеть от числа, соотношения и порядка чередования, т. е. положения мономеров в цепях. Полимер, в молекуле которого группа мономеров периодически повторяется, называют регулярным. Таковы, например, схематически изображен­ные полимеры с закономерным чередованием мономеров:

...АБАБАБАБ......ААББААББ......АББАББАББАББ...

Однако значительно больше можно получить вариантов полиме­ров, в которых нет видимой закономерности в повторяемости моно­меров. Такие полимеры называют нерегулярными. Схематически их можно изобразить так:

... ААБАБББАААББАБББББААБ...

Допустим, что каждый из мономеров определяет какое-либо свой­ство полимера. Например, мономер А определяет высокую прочность, а мономер Б – электропроводность. Сочетая эти два мономера в разных соотношениях и по-разному чередуя их, можно получить огром­ное число полимерных материалов с разными свойствами. Если же взять не два типа мономеров (А и Б), а больше, то и число вари­антов полимерных цепей значительно возрастет.

Оказалось, что сочетание и перестановка нескольких типов моно­меров в длинных полимерных цепях обеспечивает построение мно­жества вариантов и определяет различные свойства биополимеров, входящих в состав всех организмов. Этот принцип лежит в основе многообразия жизни на нашей планете.

Углеводы

Строение углеводов. В составе клеток всех живых организ­мов широкое распространение имеют углеводы. Углеводами называ­ют органические соединения, состоящие из углерода, водорода и кис­лорода. В большинстве углеводов водород и кислород находятся, как правило, в тех же соотношениях, что и в воде (отсюда их назва­ние – углеводы). Общая формула таких углеводов C_n(H₂0)_m. Приме­ром может служить один из самых распространенных углеводов – глюкоза, элементный состав которой С₆Н₁₂0₆ (рис. слева). Глюкоза яв­ляется простым сахаром. Несколько остатков простых Сахаров со­единяются между собой и образуют сложные сахара. В составе мо­лока находится молочный сахар, который состоит из остатков моле­кул двух простых Сахаров (дисахарид). Молочный сахар – основной источник энергии для детенышей всех млекопитающих.

Тысячи остатков молекул одинаковых Сахаров, соединяясь меж­ду собой, образуют биополимеры – полисахариды. В составе живых организмов имеется много разнообразных полисахаридов: у растений это крахмал, у животных – гликоген, тоже состоящий из тысяч молекул глюкозы, но еще более ветвистый. Крахмал и гли­коген играют роль как бы аккумуляторов энергии, необходимой для жизнедеятельности клеток организма. Очень богаты крахмалом кар­тофель, зерна пшеницы, ржи, кукурузы и др.

Участок ветвящейся полимерной молекулы крахмала, где каждое звено – глюкоза

Функции углеводов. Важнейшая функция углеводов – энергети­ческая. Углеводы служат основным источником энергии для орга­низмов, питающихся органическими веществами. В пищеваритель­ном тракте человека и животных полисахарид крахмал расщепляет­ся особыми белками (ферментами) до мономерных звеньев – глю­козы. Глюкоза, всасываясь из кишечника в кровь, окисляется в клет­ках до углекислого газа и воды с освобождением энергии химичес­ких связей, а избыток ее запасается в клетках печени и мышц в виде гликогена. В периоды интенсивной мышечной работы или нерв­ного напряжения (либо при голодании) в мышцах и печени живот­ных расщепление гликогена усиливается. При этом образуется глю­коза, которая потребляется интенсивно работающими мышечными и нервными клетками.

Таким образом, биополимеры полисахариды – это вещества, в которых запасается используемая клетками энергия растительных и животных организмов.

В растениях в результате полимеризации глюкозы образуется не только крахмал, но и целлюлоза. Из целлюлозных волокон строит­ся прочная основа клеточных стенок растений. Благодаря особому строению целлюлоза нерастворима в воде и обладает высокой проч­ностью. По этой причине целлюлозу используют и для изготовления тканей. Ведь хлопок почти чистая целлюлоза. В кишечнике челове­ка и большинства животных нет ферментов, способных расщеплять связи между молекулами глюкозы, входящими в состав целлюлозы. У жвачных животных целлюлозу расщепляют ферменты бактерий, постоянно обитающих в специальном отделе желудка.

Известны также сложные полисахариды, состоящие из двух ти­пов простых Сахаров, которые регулярно чередуются в длинных це­пях. Такие полисахариды выполняют структурные функции в опор­ных тканях животных. Они входят в состав межклеточного вещест­ва кожи, сухожилий, хрящей, придавая им прочность и эластичность. Таким образом, важной функцией углеводных биополимеров являет­ся структурная функция.

Имеются полимеры сахаров, которые входят в состав клеточных мембран; они обеспечивают взаимодействие клеток одного типа, уз­навание клетками друг друга. Если разделенные клетки печени сме­шать с клетками почек, то они самостоятельно разойдутся в две группы благодаря взаимодействию однотипных клеток: клетки почек соединятся в одну группу, а клетки печени – в другую. Утрата спо­собности узнавать друг друга характерна для клеток злокачествен­ных опухолей. Выяснение механизмов узнавания и взаимодействия клеток может иметь важное значение, в частности для разработки средств лечения рака.