Макромолекула — это очень большая молекула, важная для биологических процессов, такая как белок или нуклеиновая кислота . Он состоит из тысяч ковалентно связанных атомов . Многие макромолекулы представляют собой полимеры более мелких молекул, называемых мономерами . Наиболее распространенными макромолекулами в биохимии являются биополимеры ( нуклеиновые кислоты , белки и углеводы ) и крупные неполимерные молекулы, такие как липиды , наногели и макроциклы . [1] Синтетические волокна и экспериментальные материалы, такие как углеродные нанотрубки [2] [3], также являются примерами макромолекул.
Термин макромолекула ( макро- + молекула ) был введен нобелевским лауреатом Германом Штаудингером в 1920-х годах, хотя в его первой соответствующей публикации в этой области упоминаются только высокомолекулярные соединения (более 1000 атомов). [4] В то время термин « полимер» , введенный Берцелиусом в 1832 году, имел другое значение, чем сегодня: это просто была другая форма изомерии , например, с бензолом и ацетиленом , и имело мало общего с размером. [5]
Использование этого термина для описания больших молекул варьируется в зависимости от дисциплины. Например, в то время как в биологии макромолекулы называются четырьмя большими молекулами, содержащими живые существа, в химии этот термин может относиться к агрегатам из двух или более молекул, удерживаемых вместе межмолекулярными силами , а не ковалентными связями , но которые не легко диссоциируют. [6]
Согласно стандартному определению ИЮПАК , термин «макромолекула» , используемый в науке о полимерах, относится только к одной молекуле. Например, одну полимерную молекулу уместно описать как «макромолекулу» или «полимерную молекулу», а не как «полимер», что предполагает вещество, состоящее из макромолекул. [7]
Из-за своего размера макромолекулы неудобно описывать только с точки зрения стехиометрии . Строение простых макромолекул, таких как гомополимеры, можно описать с точки зрения отдельной субъединицы мономера и общей молекулярной массы . С другой стороны, сложные биомакромолекулы требуют многогранного структурного описания, такого как иерархия структур, используемых для описания белков . В британском английском слово «макромолекула» обычно называют « высокополимерным ».
Макромолекулы часто обладают необычными физическими свойствами, которых нет у более мелких молекул. [ как? ]
Другим общим макромолекулярным свойством, которое не характеризует более мелкие молекулы, является их относительная нерастворимость в воде и подобных растворителях , вместо этого они образуют коллоиды . Многим из них для растворения в воде требуются соли или определенные ионы . Точно так же многие белки денатурируют, если концентрация растворенного вещества в их растворе слишком высока или слишком низка.
Высокие концентрации макромолекул в растворе могут изменять скорости и константы равновесия реакций других макромолекул за счет эффекта, известного как макромолекулярное краудинг . [8] Это происходит из-за того, что макромолекулы исключают другие молекулы из большой части объема раствора, тем самым увеличивая эффективные концентрации этих молекул.
Биологические функции всех живых организмов зависят от трех основных биополимеров : ДНК , РНК и белков . [9] Каждая из этих молекул необходима для жизни, поскольку каждая играет особую, незаменимую роль в клетке . [10] Если кратко, то ДНК создает РНК, а затем РНК создает белки .
ДНК, РНК и белки состоят из повторяющейся структуры связанных строительных блоков ( нуклеотидов в случае ДНК и РНК и аминокислот в случае белков). В общем, все они представляют собой неразветвленные полимеры, поэтому их можно представить в виде струны. Действительно, их можно рассматривать как цепочку бусинок, каждая из которых представляет собой один мономер нуклеотида или аминокислоты, соединенный ковалентными химическими связями в очень длинную цепь.
В большинстве случаев мономеры внутри цепи имеют сильную склонность к взаимодействию с другими аминокислотами или нуклеотидами. В ДНК и РНК это может принимать форму пар оснований Уотсона-Крика (G-C и A-T или A-U), хотя могут происходить и происходят многие более сложные взаимодействия.
Из-за двухцепочечной природы ДНК практически все нуклеотиды принимают форму пар оснований Уотсона-Крика между нуклеотидами на двух комплементарных цепях двойной спирали .
Напротив, и РНК, и белки обычно являются одноцепочечными. Следовательно, они не ограничены правильной геометрией двойной спирали ДНК и поэтому складываются в сложные трехмерные формы в зависимости от их последовательности. Эти различные формы ответственны за многие общие свойства РНК и белков, включая образование специфических связывающих карманов и способность катализировать биохимические реакции.
ДНК — это макромолекула, хранящая информацию, которая кодирует полный набор инструкций ( геном ), необходимых для сборки, поддержания и воспроизводства каждого живого организма. [11]
И ДНК, и РНК способны кодировать генетическую информацию, поскольку существуют биохимические механизмы, которые считывают информацию, закодированную в последовательности ДНК или РНК, и используют ее для создания определенного белка. С другой стороны, информация о последовательности белковой молекулы не используется клетками для функционального кодирования генетической информации. [1] : 5
У ДНК есть три основных свойства, которые позволяют ей кодировать генетическую информацию намного лучше, чем РНК. Во-первых, он обычно двухцепочечный, поэтому в каждой клетке имеется как минимум две копии информации, кодирующей каждый ген. Во-вторых, ДНК обладает гораздо большей устойчивостью к разрушению, чем РНК, и это свойство в первую очередь связано с отсутствием 2'-гидроксильной группы в каждом нуклеотиде ДНК. В-третьих, существуют весьма сложные системы наблюдения и восстановления ДНК, которые отслеживают повреждение ДНК и при необходимости восстанавливают последовательность. Аналогичные системы для восстановления поврежденных молекул РНК не созданы. Следовательно, хромосомы могут содержать многие миллиарды атомов, расположенных в определенной химической структуре.
Белки — это функциональные макромолекулы, ответственные за катализ биохимических реакций , поддерживающих жизнь. [1] : 3 Белки выполняют все функции организма, например фотосинтез, нервную функцию, зрение и движение. [12]
Одноцепочечная природа белковых молекул вместе с их составом из 20 или более различных аминокислотных строительных блоков позволяет им сворачиваться в огромное количество различных трехмерных форм, обеспечивая при этом связывающие карманы, через которые они могут специфически взаимодействовать с всевозможные молекулы. Кроме того, химическое разнообразие различных аминокислот вместе с различным химическим окружением, обеспечиваемым локальной трехмерной структурой, позволяет многим белкам действовать как ферменты , катализируя широкий спектр специфических биохимических преобразований внутри клеток. Кроме того, белки развили способность связывать широкий спектр кофакторов и коферментов , более мелких молекул, которые могут наделять белок специфической активностью, выходящей за рамки той, которая связана только с полипептидной цепью.
РНК многофункциональна, ее основная функция — кодировать белки в соответствии с инструкциями, содержащимися в ДНК клетки. [1] : 5 Они контролируют и регулируют многие аспекты синтеза белка у эукариот .
РНК кодирует генетическую информацию, которая может быть преобразована в аминокислотную последовательность белков, о чем свидетельствуют молекулы информационной РНК, присутствующие в каждой клетке, а также геномы РНК большого числа вирусов. Одноцепочечная природа РНК вместе со склонностью к быстрому распаду и отсутствием систем репарации означает, что РНК не так хорошо подходит для долговременного хранения генетической информации, как ДНК.
Кроме того, РНК представляет собой одноцепочечный полимер, который, как и белки, может сворачиваться в очень большое количество трехмерных структур. Некоторые из этих структур обеспечивают места связывания для других молекул и химически активные центры, которые могут катализировать определенные химические реакции на этих связанных молекулах. Ограниченное количество различных строительных блоков РНК (4 нуклеотида против >20 аминокислот в белках) вместе с отсутствием их химического разнообразия приводит к тому, что каталитические РНК ( рибозимы ) обычно являются менее эффективными катализаторами, чем белки, для большинства биологических реакций.
Основные макромолекулы:
Макромолекулы углеводов ( полисахариды ) образуются из полимеров моносахаридов . [1] : 11 Поскольку моносахариды имеют несколько функциональных групп , полисахариды могут образовывать линейные полимеры (например, целлюлоза ) или сложные разветвленные структуры (например, гликоген ). Полисахариды выполняют многочисленные роли в живых организмах, выступая в качестве запаса энергии (например, крахмал ) и структурных компонентов (например, хитин у членистоногих и грибов). Многие углеводы содержат модифицированные моносахаридные единицы, в которых заменены или удалены функциональные группы.
Полифенолы состоят из разветвленной структуры из множества фенольных субъединиц. Они могут выполнять структурную роль (например, лигнин ), а также роль вторичных метаболитов, участвующих в передаче сигналов , пигментации и защите .
Некоторыми примерами макромолекул являются синтетические полимеры ( пластики , синтетические волокна и синтетический каучук ), графен и углеродные нанотрубки . Полимеры могут быть получены из неорганических веществ, а также, например, из неорганических полимеров и геополимеров . Включение неорганических элементов позволяет настраивать свойства и/или отзывчивое поведение, как, например, в «умных» неорганических полимерах .