الجزيء الكبير هو جزيء له وزن جزيئي مرتفع. يتم تقديم هيكلها في شكل روابط متكررة بشكل متكرر. ضع في اعتبارك ميزات هذه المركبات وأهميتها في حياة الكائنات الحية.
ميزات التكوين
الجزيئات البيولوجية الكبيرة تتكون من مئات الآلاف من المواد الأولية الصغيرة. تتميز الكائنات الحية بثلاثة أنواع رئيسية من الجزيئات الكبيرة: البروتينات والسكريات والأحماض النووية.
المونومرات الأولية بالنسبة لهم هي السكريات الأحادية والنيوكليوتيدات والأحماض الأمينية. يمثل الجزيء الكبير 90 بالمائة تقريبًا من كتلة الخلية. اعتمادًا على تسلسل بقايا الأحماض الأمينية ، يتم تكوين جزيء بروتين معين.
الوزن الجزيئي العالي هي تلك المواد التي لها كتلة مولية أكبر من 103 دا.
تاريخ المصطلح
متى ظهر الجزيء الكبير؟ تم تقديم هذا المفهوم من قبل الحائز على جائزة نوبل في الكيمياء هيرمان ستودينجر في عام 1922.
يمكن رؤية كرة البوليمر كخيط متشابك تم تشكيله عن طريق الفك العرضيفي جميع أنحاء غرفة الملف. يغير هذا الملف شكله بشكل منهجي ؛ هذا هو التكوين المكاني للجزيء الكبير. إنه مشابه لمسار الحركة البراونية.
يحدث تكوين مثل هذا الملف بسبب حقيقة أنه على مسافة معينة "تفقد" سلسلة البوليمر المعلومات حول الاتجاه. من الممكن التحدث عن ملف في الحالة التي تكون فيها المركبات عالية الجزيئات أطول بكثير من طول الجزء الهيكلي.
تكوين كروي
الجزيء الكبير هو شكل كثيف يمكن من خلاله مقارنة الجزء الحجمي للبوليمر بالوحدة. تتحقق الحالة الكروية في تلك الحالات عندما يحدث جذب متبادل تحت التأثير المتبادل لوحدات البوليمر الفردية فيما بينها وبين البيئة الخارجية.
نسخة طبق الأصل من بنية جزيء ضخم هي ذلك الجزء من الماء المضمّن كعنصر في مثل هذا الهيكل. إنها أقرب بيئة ترطيب للجزيء الكبير.
توصيف جزيء البروتين
جزيئات البروتين هي مواد محبة للماء. عندما يذوب البروتين الجاف في الماء ، فإنه يتضخم في البداية ، ثم يتم ملاحظة الانتقال التدريجي إلى المحلول. أثناء الانتفاخ ، تخترق جزيئات الماء البروتين ، وتربط بنيته بالمجموعات القطبية. هذا يخفف التعبئة الكثيفة لسلسلة البولي ببتيد. يعتبر جزيء البروتين المتورم حلاً خلفيًا. مع الامتصاص اللاحق لجزيئات الماء ، لوحظ فصل جزيئات البروتين عن الكتلة الكلية ، وهناك أيضا عملية حل
لكن تورم جزيء البروتين لا يتسبب في جميع الحالات في الذوبان. على سبيل المثال ، الكولاجين بعد امتصاص جزيئات الماء يبقى في حالة منتفخة.
نظرية الهيدرات
المركبات عالية الجزيئية وفقًا لهذه النظرية لا تمتص فقط ، ولكنها تربط جزيئات الماء كهربائياً بشظايا قطبية من الجذور الجانبية للأحماض الأمينية التي لها شحنة سالبة ، وكذلك الأحماض الأمينية الأساسية التي تحمل شحنة موجبة.
يرتبط الماء المائي جزئيًا بمجموعات الببتيد التي تشكل روابط هيدروجينية مع جزيئات الماء.
على سبيل المثال ، تنتفخ عديدات الببتيدات التي تحتوي على مجموعات جانبية غير قطبية. عند الارتباط بمجموعات الببتيد ، فإنه يدفع سلاسل البولي ببتيد بعيدًا. لا يسمح وجود جسور interchain لجزيئات البروتين بالانفصال تمامًا ، والانتقال إلى شكل محلول.
يتم تدمير بنية الجزيئات الكبيرة عند تسخينها ، مما يؤدي إلى كسر وإطلاق سلاسل البولي ببتيد.
ملامح الجيلاتين
التركيب الكيميائي للجيلاتين يشبه الكولاجين ، فهو يشكل سائل لزج مع الماء. ومن الخصائص المميزة للجيلاتين قدرته على التجلط.
تستخدم هذه الأنواع من الجزيئات كعوامل مرقئ واستبدال البلازما. تستخدم قدرة الجيلاتين على تكوين المواد الهلامية في إنتاج الكبسولات في صناعة الأدوية.
خاصية الذوبانالجزيئات الكبيرة
هذه الأنواع من الجزيئات لها قابلية ذوبان مختلفة في الماء. يتم تحديده من خلال تكوين الأحماض الأمينية. في وجود الأحماض الأمينية القطبية في الهيكل ، تزداد القدرة على الذوبان في الماء بشكل ملحوظ.
أيضًا ، تتأثر هذه الخاصية بخصوصية تنظيم الجزيء الكبير. البروتينات الكروية لها قابلية ذوبان أعلى من الجزيئات الكبيرة الليفية. في سياق العديد من التجارب ، تم إثبات اعتماد الذوبان على خصائص المذيب المستخدم.
يختلف الهيكل الأساسي لكل جزيء بروتين ، مما يعطي خصائص البروتين الفردية. يقلل وجود روابط متقاطعة بين سلاسل البولي ببتيد من قابلية الذوبان.
يتكون الهيكل الأساسي لجزيئات البروتين بسبب روابط الببتيد (الأميد) ؛ عندما يتم تدميرها ، يحدث تمسخ البروتين.
تمليح
لزيادة قابلية ذوبان جزيئات البروتين ، يتم استخدام محاليل الأملاح المحايدة. على سبيل المثال ، بطريقة مماثلة ، يمكن إجراء ترسيب انتقائي للبروتينات ، ويمكن إجراء تجزئة لها. يعتمد عدد الجزيئات الناتج على التكوين الأولي للخليط.
خصوصية البروتينات ، التي يتم الحصول عليها عن طريق التمليح ، هي الحفاظ على الخصائص البيولوجية بعد الإزالة الكاملة للملح.
جوهر العملية هو إزالة الملح من غلاف البروتين المائي بواسطة الأنيونات والكاتيونات ، مما يضمن استقرار الجزيء الكبير. يتم تمليح أقصى عدد من جزيئات البروتين عند استخدام الكبريتات. تُستخدم هذه الطريقة لتنقية جزيئات البروتين الكبيرة وفصلها ، نظرًا لأنها أساسيةتختلف في حجم الشحنة ، معلمات غلاف الماء. لكل بروتين منطقة تمليح خاصة به ، أي تحتاج إلى اختيار ملح بتركيز معين.
أحماض أمينية
حاليًا ، من المعروف أن حوالي مائتي حمض أميني هي جزء من جزيئات البروتين. اعتمادًا على الهيكل ، يتم تقسيمهم إلى مجموعتين:
- بروتيني ، وهي جزء من الجزيئات الكبيرة ؛
- غير بروتينية ، لا تشارك بنشاط في تكوين البروتينات.
تمكن العلماء من فك تشفير تسلسل الأحماض الأمينية في العديد من جزيئات البروتين من أصل حيواني ونباتي. من بين الأحماض الأمينية التي توجد غالبًا في تكوين جزيئات البروتين ، نلاحظ السيرين والجليسين والليوسين والألانين. كل بوليمر حيوي طبيعي له تركيبته الخاصة من الأحماض الأمينية. على سبيل المثال ، تحتوي البروتامين على حوالي 85 بالمائة من الأرجينين ، لكنها لا تحتوي على أحماض أمينية حلقية حمضية. Fibroin هو جزيء بروتين من الحرير الطبيعي ، والذي يحتوي على حوالي نصف الجلايسين. يحتوي الكولاجين على أحماض أمينية نادرة مثل هيدروكسي برولين ، هيدروكسي ليسين ، والتي لا توجد في جزيئات البروتين الأخرى.
يتم تحديد تكوين الأحماض الأمينية ليس فقط من خلال خصائص الأحماض الأمينية ، ولكن أيضًا من خلال وظائف والغرض من جزيئات البروتين. يتم تحديد تسلسلها من خلال الكود الجيني.
مستويات التنظيم الهيكلي للبوليمرات الحيوية
هناك أربعة مستويات: الابتدائي والثانوي والجامعي وكذلك الرباعي. كل هيكلهناك خصائص مميزة
الهيكل الأساسي لجزيئات البروتين عبارة عن سلسلة خطية متعددة الببتيد من بقايا الأحماض الأمينية المرتبطة بروابط الببتيد.
هذا الهيكل هو الأكثر استقرارًا ، لأنه يحتوي على روابط تساهمية ببتيدية بين مجموعة الكربوكسيل لأحد الأحماض الأمينية والمجموعة الأمينية لجزيء آخر.
يتضمن الهيكل الثانوي تكديس سلسلة البولي ببتيد بمساعدة روابط الهيدروجين في شكل حلزوني.
يتم الحصول على النوع الثالث من البوليمر الحيوي من خلال التعبئة المكانية للبولي ببتيد. يقسمون أشكالًا لولبية وطبقات مطوية من الهياكل الثلاثية.
البروتينات الكروية لها شكل بيضاوي الشكل ، بينما الجزيئات الليفية لها شكل ممدود.
إذا احتوى الجزيء الكبير على سلسلة بولي ببتيد واحدة فقط ، فإن البروتين له بنية ثلاثية فقط. على سبيل المثال ، هو بروتين أنسجة عضلية (ميوغلوبين) ضروري لربط الأكسجين. يتم بناء بعض البوليمرات الحيوية من عدة سلاسل متعددة الببتيد ، ولكل منها هيكل ثلاثي. في هذه الحالة ، يكون للجزيء الكبير هيكل رباعي ، يتكون من عدة كريات مدمجة في بنية كبيرة. يمكن اعتبار الهيموغلوبين البروتين الرباعي الوحيد الذي يحتوي على حوالي 8 في المائة من الهيستيدين. هو من هو المخزن المؤقت النشط داخل الخلايا في كريات الدم الحمراء ، والذي يسمح بالحفاظ على قيمة ثابتة لدرجة الحموضة في الدم.
الأحماض النووية
هي مركبات جزيئية كبيرة تتشكل بواسطة شظاياالنيوكليوتيدات. تم العثور على الحمض النووي الريبي والحمض النووي في جميع الخلايا الحية ، ويقومان بوظيفة تخزين ونقل وتنفيذ المعلومات الوراثية. تعمل النيوكليوتيدات كمونومرات. يحتوي كل منهم على بقايا قاعدة نيتروجينية وكربوهيدرات وكذلك حمض الفوسفوريك. أظهرت الدراسات أن مبدأ التكامل (التكاملية) يتم ملاحظته في الحمض النووي للكائنات الحية المختلفة. الأحماض النووية قابلة للذوبان في الماء ولكنها غير قابلة للذوبان في المذيبات العضوية. يتم تدمير هذه البوليمرات الحيوية عن طريق زيادة درجة الحرارة والأشعة فوق البنفسجية.
بدلا من الاستنتاج
بالإضافة إلى البروتينات المختلفة والأحماض النووية ، تعتبر الكربوهيدرات جزيئات كبيرة. تحتوي السكريات المتعددة في تركيبها على مئات المونومرات ، التي لها طعم حلو لطيف. تتضمن أمثلة الهيكل الهرمي للجزيئات الكبيرة جزيئات ضخمة من البروتينات والأحماض النووية ذات الوحدات الفرعية المعقدة.
على سبيل المثال ، فإن التركيب المكاني لجزيء البروتين الكروي هو نتيجة للتنظيم الهرمي متعدد المستويات للأحماض الأمينية. هناك ارتباط وثيق بين المستويات الفردية ، ترتبط عناصر المستوى الأعلى بالطبقات السفلية.
تؤدي جميع البوليمرات الحيوية وظيفة مهمة مماثلة. إنها مادة بناء الخلايا الحية ، وهي مسؤولة عن تخزين ونقل المعلومات الوراثية. يتميز كل كائن حي ببروتينات معينة ، لذلك يواجه علماء الكيمياء الحيوية مهمة صعبة ومسؤولة ، حيث ينقذون الكائنات الحية من موت محقق
