Makromolekül - Macromolecule

Chemische Struktur eines Polypeptid- Makromoleküls

Ein Makromolekül ist ein sehr großes Molekül , beispielsweise ein Protein. Sie bestehen aus Tausenden kovalent gebundener Atome . Viele Makromoleküle sind Polymere kleinerer Moleküle, die als Monomere bezeichnet werden . Die gebräuchlichsten Makromoleküle in der Biochemie sind Biopolymere ( Nukleinsäuren , Proteine und Kohlenhydrate ) und große nicht-polymere Moleküle wie Lipide und Makrocyclen . Synthetische Fasern und experimentelle Materialien wie Kohlenstoffnanoröhrchen sind ebenfalls Beispiele für Makromoleküle.

Definition

Der Begriff Makromolekül ( Makro- + Molekül ) wurde in den 1920er Jahren von Nobelpreisträger Hermann Staudinger geprägt , obwohl seine erste einschlägige Veröffentlichung auf diesem Gebiet nur hochmolekulare Verbindungen (über 1.000 Atome) erwähnt. Damals hatte der Begriff Polymer , wie er 1832 von Berzelius eingeführt wurde , eine andere Bedeutung als heute: Er war einfach eine andere Form der Isomerie, zum Beispiel mit Benzol und Acetylen und hatte wenig mit Größe zu tun.

Die Verwendung des Begriffs zur Beschreibung großer Moleküle variiert zwischen den Disziplinen. Während sich beispielsweise Biologie auf Makromoleküle als die vier großen Moleküle bezieht, die Lebewesen umfassen, kann sich der Begriff in der Chemie auf Aggregate von zwei oder mehr Molekülen beziehen, die durch intermolekulare Kräfte zusammengehalten werden und nicht durch kovalente Bindungen , die sich jedoch nicht leicht dissoziieren.

Gemäß der Standarddefinition der IUPAC bezieht sich der Begriff Makromolekül, wie er in der Polymerwissenschaft verwendet wird, nur auf ein einzelnes Molekül. Zum Beispiel wird ein einzelnes Polymermolekül in geeigneter Weise als "Makromolekül" oder "Polymermolekül" und nicht als "Polymer" beschrieben, was auf eine aus Makromolekülen zusammengesetzte Substanz hindeutet .

Aufgrund ihrer Größe werden Makromoleküle nicht geeigneterweise allein in Bezug auf die Stöchiometrie beschrieben . Die Struktur einfacher Makromoleküle, wie Homopolymere, kann in Bezug auf die einzelne Monomer-Untereinheit und die Gesamtmolekularmasse beschrieben werden . Komplizierte Biomakromoleküle hingegen erfordern eine vielschichtige Strukturbeschreibung wie die Hierarchie der Strukturen, die zur Beschreibung von Proteinen verwendet werden . Im britischen Englisch wird das Wort "Makromolekül" in der Regel als " High Polymer " bezeichnet.

Eigenschaften

Makromoleküle haben oft ungewöhnliche physikalische Eigenschaften, die bei kleineren Molekülen nicht auftreten.

Eine weitere übliche makromolekulare Eigenschaft, die kleinere Moleküle nicht charakterisiert, ist ihre relative Unlöslichkeit in Wasser und ähnlichen Lösungsmitteln , anstatt Kolloide zu bilden . Viele benötigen Salze oder bestimmte Ionen, um sich in Wasser aufzulösen. In ähnlicher Weise denaturieren viele Proteine, wenn die Konzentration der gelösten Stoffe in ihrer Lösung zu hoch oder zu niedrig ist.

Hohe Konzentrationen von Makromolekülen in einer Lösung können die Geschwindigkeiten und Gleichgewichtskonstanten der Reaktionen anderer Makromoleküle durch einen als makromolekulares Crowding bekannten Effekt verändern . Dies kommt von Makromolekülen ohne andere Moleküle von einem großen Teil des Volumens der Lösung, um dadurch die Erhöhung der effektiven Konzentrationen dieser Moleküle.

Lineare Biopolymere

Alle lebenden Organismen sind für ihre biologischen Funktionen auf drei wesentliche Biopolymere angewiesen : DNA , RNA und Proteine . Jedes dieser Moleküle wird für das Leben benötigt, da jedes eine eigene, unverzichtbare Rolle in der Zelle spielt . Die einfache Zusammenfassung ist, dass DNA RNA herstellt und RNA dann Proteine ​​​​macht .

DNA, RNA und Proteine ​​bestehen alle aus einer sich wiederholenden Struktur verwandter Bausteine ​​( Nukleotide bei DNA und RNA, Aminosäuren bei Proteinen). Im Allgemeinen sind sie alle unverzweigte Polymere und können daher in Form einer Schnur dargestellt werden. Tatsächlich können sie als eine Perlenkette angesehen werden, wobei jede Perle ein einzelnes Nukleotid- oder Aminosäuremonomer darstellt, das durch kovalente chemische Bindungen zu einer sehr langen Kette verbunden ist.

In den meisten Fällen haben die Monomere innerhalb der Kette eine starke Neigung, mit anderen Aminosäuren oder Nukleotiden zu interagieren. In DNA und RNA kann dies die Form von Watson-Crick- Basenpaaren (GC und AT oder AU) annehmen , obwohl viele kompliziertere Wechselwirkungen auftreten können und auch vorkommen.

Strukturelle Eigenschaften

Aufgrund der doppelsträngigen Natur der DNA nehmen im Wesentlichen alle Nukleotide die Form von Watson-Crick-Basenpaaren zwischen Nukleotiden auf den zwei komplementären Strängen der Doppelhelix an .

Im Gegensatz dazu sind sowohl RNA als auch Proteine ​​normalerweise einzelsträngig. Daher sind sie nicht durch die reguläre Geometrie der DNA-Doppelhelix eingeschränkt und falten sich in Abhängigkeit von ihrer Sequenz zu komplexen dreidimensionalen Formen . Diese unterschiedlichen Formen sind für viele der gemeinsamen Eigenschaften von RNA und Proteinen verantwortlich, einschließlich der Bildung spezifischer Bindungstaschen und der Fähigkeit, biochemische Reaktionen zu katalysieren.

DNA ist für die Kodierung von Informationen optimiert

DNA ist ein Makromolekül zur Informationsspeicherung, das den vollständigen Satz von Anweisungen (das Genom ) codiert , die erforderlich sind, um jeden lebenden Organismus zusammenzusetzen, zu erhalten und zu reproduzieren.

DNA und RNA sind beide in der Lage, genetische Informationen zu kodieren, da es biochemische Mechanismen gibt, die die in einer DNA- oder RNA-Sequenz kodierten Informationen lesen und daraus ein bestimmtes Protein erzeugen. Andererseits wird die Sequenzinformation eines Proteinmoleküls von Zellen nicht verwendet, um genetische Information funktionell zu kodieren.

DNA hat drei Hauptattribute, die es ihr ermöglichen, bei der Kodierung genetischer Informationen weitaus besser als RNA zu sein. Erstens ist es normalerweise doppelsträngig, so dass es in jeder Zelle mindestens zwei Kopien der für jedes Gen kodierenden Information gibt. Zweitens hat DNA eine viel größere Stabilität gegenüber dem Abbau als RNA, eine Eigenschaft, die hauptsächlich mit dem Fehlen der 2'-Hydroxylgruppe in jedem Nukleotid der DNA verbunden ist. Drittens sind hochentwickelte DNA-Überwachungs- und Reparatursysteme vorhanden, die Schäden an der DNA überwachen und die Sequenz bei Bedarf reparieren . Analoge Systeme haben sich nicht zur Reparatur beschädigter RNA-Moleküle entwickelt. Folglich können Chromosomen viele Milliarden Atome enthalten, die in einer bestimmten chemischen Struktur angeordnet sind.

Proteine ​​sind für die Katalyse optimiert

Proteine sind funktionelle Makromoleküle , die für die Katalyse der biochemischen Reaktionen , die am Leben erhalten. Proteine ​​übernehmen alle Funktionen eines Organismus, zum Beispiel Photosynthese, neuronale Funktion, Sehen und Bewegung.

Die einzelsträngige Natur von Proteinmolekülen zusammen mit ihrer Zusammensetzung aus 20 oder mehr verschiedenen Aminosäurebausteinen ermöglicht es ihnen, sich in eine Vielzahl unterschiedlicher dreidimensionaler Formen zu falten und gleichzeitig Bindungstaschen bereitzustellen, durch die sie spezifisch interagieren können alle möglichen Moleküle. Darüber hinaus ermöglicht die chemische Vielfalt der verschiedenen Aminosäuren zusammen mit den unterschiedlichen chemischen Umgebungen, die durch die lokale 3D-Struktur bereitgestellt werden, vielen Proteinen, als Enzyme zu fungieren und eine breite Palette spezifischer biochemischer Transformationen innerhalb von Zellen zu katalysieren. Darüber hinaus haben Proteine ​​die Fähigkeit entwickelt, eine breite Palette von Cofaktoren und Coenzymen zu binden , kleinere Moleküle, die dem Protein spezifische Aktivitäten verleihen können, die über diejenigen hinausgehen, die mit der Polypeptidkette allein verbunden sind.

RNA ist multifunktional

RNA ist multifunktional, ihre Hauptfunktion besteht darin, Proteine gemäß den Anweisungen in der DNA einer Zelle zu kodieren . Sie kontrollieren und regulieren viele Aspekte der Proteinsynthese in Eukaryoten .

RNA kodiert die genetische Information , die werden kann übersetzte in die Aminosäuresequenz von Proteinen, wie sie in der Messenger - RNA nachgewiesen Moleküle in jeder Zelle vorhanden und das RNA - Genome von einer großen Anzahl von Viren. Die einzelsträngige Natur der RNA in Verbindung mit der Neigung zum schnellen Abbau und dem Fehlen von Reparatursystemen macht RNA für die Langzeitspeicherung genetischer Informationen nicht so gut geeignet wie DNA.

Darüber hinaus ist RNA ein einzelsträngiges Polymer, das sich wie Proteine ​​zu sehr vielen dreidimensionalen Strukturen falten kann. Einige dieser Strukturen bieten Bindungsstellen für andere Moleküle und chemisch aktive Zentren, die spezifische chemische Reaktionen an diesen gebundenen Molekülen katalysieren können. Die begrenzte Anzahl verschiedener Bausteine ​​der RNA (4 Nukleotide vs. > 20 Aminosäuren in Proteinen) zusammen mit ihrer fehlenden chemischen Vielfalt führt dazu, dass katalytische RNA ( Ribozyme ) im Allgemeinen weniger wirksame Katalysatoren für die meisten biologischen Reaktionen als Proteine ​​ist.

Die wichtigsten Makromoleküle:

Verzweigte Biopolymere

Himbeer-Ellagitannin , ein Tannin, das aus einem Kern aus Glucoseeinheiten besteht, die von Gallussäureestern und Ellagsäureeinheiten umgeben sind

Kohlenhydratmakromoleküle ( Polysaccharide ) werden aus Polymeren von Monosacchariden gebildet . Da Monosaccharide mehrere funktionelle Gruppen aufweisen , können Polysaccharide lineare Polymere (zB Cellulose ) oder komplexe verzweigte Strukturen (zB Glykogen ) bilden. Polysaccharide erfüllen zahlreiche Funktionen in lebenden Organismen, als Energiespeicher (zB Stärke ) und als Strukturkomponenten (zB Chitin in Arthropoden und Pilzen). Viele Kohlenhydrate enthalten modifizierte Monosaccharideinheiten, bei denen funktionelle Gruppen ersetzt oder entfernt wurden.

Polyphenole bestehen aus einer verzweigten Struktur mehrerer phenolischer Untereinheiten. Sie können sowohl strukturelle Funktionen (zB Lignin ) als auch Funktionen als Sekundärmetaboliten übernehmen, die an Signalübertragung , Pigmentierung und Abwehr beteiligt sind .

Synthetische Makromoleküle

Struktur eines Polyphenylen- Dendrimer- Makromoleküls, das von Müllen et al.

Einige Beispiele für Makromoleküle sind synthetische Polymere ( Kunststoffe , synthetische Fasern und synthetischer Gummi ), Graphen und Kohlenstoff-Nanoröhrchen . Polymere können aus anorganischen Stoffen sowie beispielsweise in anorganischen Polymeren und Geopolymeren hergestellt werden . Der Einbau anorganischer Elemente ermöglicht die Abstimmung von Eigenschaften und/oder Reaktionsverhalten wie beispielsweise bei intelligenten anorganischen Polymeren .

Siehe auch

• Liste biophysikalisch wichtiger makromolekularer Kristallstrukturen

Verweise

Externe Links

• Zusammenfassung von Kapitel 5, Campbell & Reece, 2002
• Skript zur Struktur und Funktion von Makromolekülen
• Mehrere (kostenlose) Einführungskurse zu Makromolekülen im Internet Archived 2011-07-18 at the Wayback Machine
• Riesige Moleküle! von Ulysses Magee, IVSS Review Winter 2002–2003, ISSN  1540-9864 . Zwischengespeicherte HTML-Version einer fehlenden PDF-Datei. Abgerufen am 10. März 2010. Der Artikel basiert auf dem Buch Inventing Polymer Science: Staudinger, Carothers, and the Emergence of Macromolecular Chemistry von Yasu Furukawa.