Makromolekul

Makromolekul je po definiciji veliki molekul, koji ima veliku molekulsku masu.^[1] U biohemiji se pojam makromolekula odnosi na biopolimere (nukleotide, proteine, ugljene hidrate i lipide),^[2] a takođe i na nepolimerne molekule velike molekulske mase.^[3] Sintetička vlakna i eksperimentalni materijali kao što su ugljenične nanocevi^[4][5] su takođe primeri makromolekula.

Makromolekul

Definicija

definicija

Makromolekul
Veliki molekul

Molekul visoke relativne molekulske mase, čija struktura u suštini
obuhvata višestruko ponavljanje konstitutivnih jedinica, stvarno ili
konceptualno, iz molekula male relativne molekulske mase.

Napomene

1. U mnogim slučajevima, posebno za sintetičke polimere, može se
smatrati da molekul ima visoku relativnu molekulsku masu ako
dodavanje ili uklanjanje jednog ilinekoliko jedinica ima zanemarljiv
uticaj na molekularna svojstva. Ova izjava ne važi u slučaju određenih
makromolekula za koje svojstva mogu biti kritično zavisna od finih
detalja molekularne strukture.
2. Ako se deo ili ceo molekul uklapa u ovu definiciju, može se opisati
kao makromolekularni ili polimerni, ili se polimer koji se koristi u
pridevu.^[6]

Termin makromolekul (makro- + molekul) skovao je nobelovac Herman Štaudinger tokom 1920-ih,^[7] iako njegova prva relevantna publikacija o ovoj oblasti pominje samo visokomolekularna jedinjenja (preko 1.000 atoma).^[8] U to vreme termin polimer, kako ga je uveo Bercelijus 1832, imao je drugačije značenje od današnjeg: to je jednostavno bio još jedan oblik izomerizma, na primer sa benzolom i acetilenom i nije imao mnogo veze sa veličinom.^[9]

Upotreba termina za opisivanje velikih molekula varira u različitim disciplinama. Na primer, dok se biologiji makromolekulima nazivaju četiri velika molekula od kojih se sastoje živa bića, u hemiji, termin se može odnositi na agregate od dva ili više molekula koji se drže zajedno intermolekularnim silama, a ne kovalentnim vezama, ali koji se lako ne rastavljaju.^[10]

Prema standardnoj definiciji IUPAC-a, termin makromolekul koji se koristi u nauci o polimerima odnosi se samo na pojedinačni molekul. Na primer, jedan polimerni molekul je prikladno opisan kao „makromolekul“ ili „molekul polimera“, a ne kao „polimer“, što sugeriše supstancu sastavljenu od makromolekula.^[11]

Zbog svoje veličine, makromolekuli se ne opisuju samo u smislu stehiometrije. Struktura jednostavnih makromolekula, kao što su homopolimeri, može se opisati u smislu individualne monomerne podjedinice i ukupne molekulske mase. Komplikovani biomakromolekuli, s druge strane, zahtevaju višestrani strukturni opis, kao što je hijerarhija struktura koje se koriste za opisivanje proteina.

Svojstva

Makromolekuli često imaju neobična fizička svojstva koja se ne javljaju kod manjih molekula.

Još jedno uobičajeno makromolekularno svojstvo koje ne karakteriše manje molekule je njihova relativna nerastvorljivost u vodi i sličnim rastvaračima, umesto toga formirajući koloide. Mnogi zahtevaju soli ili određene jone da bi se rastvorili u vodi. Slično tome, mnogi proteini se denaturišu ako je koncentracija rastvora u njihovom rastvoru previsoka ili preniska.

Visoke koncentracije makromolekula u rastvoru mogu da promene brzine i konstante ravnoteže reakcija drugih makromolekula, kroz efekat poznat kao makromolekularno pretrpavanje.^[12] Ovo dolazi od toga što makromolekuli isključuju druge molekule iz velikog dela zapremine rastvora, čime se povećavaju efektivne koncentracije ovih molekula.

Istorija

Prvu sintetičku smolu je sintetisao Leo Baekeland između 1905. i 1909. godine, fenol-formaldehidnom kondenzacijom i taj proizvod se naziva bakelit. Tada još uvek nije bila poznata makromolekularna priroda ovog materijala. U periodu 1900—1930 ideja o kovalentno vezanim molekulima čija je molekulska masa veća od 100000 nije bila prihvaćena. Smatralo se da bi takve strukture bile nestabilne. Umjesto toga bilo je prihvaćeno da su supstance polimernih osobina (elastičnost, nejasna tačka topljenja, viskoznost rastvora) agregati malih molekula vezani sekundarnim valencijama i da je potrebno prisustvo dvostruke veze. Hermann Staudinger je naprotiv dokazao, da hidrogenacijom prirodne gume ona zadržava polimerne osobine.^[13][14]

Tipovi makromolekula

Makromolekuli biološkog porekla su jako zastupljeni u prirodi. Npr. proteini kože su predominantno biopolimeri kolagena. Kosa je izgrađena od keratina. Molekuli DNK i RNK su takođe makromolekuli. Nasuprot njima, sintetičke makromolekuli se mogu dobiti u laboratoriji, npr. polistiren.

Linearni biopolimeri

Svi živi organizmi za svoje biološke funkcije zavise od tri esencijalna biopolimera: DNK, RNK i proteina.^[15] Svaki od ovih molekula je neophodan za život pošto svaki igra posebnu, nezamenljivu ulogu u ćeliji.^[16] Jednostavan rezime je da DNK stvara RNK, a zatim RNK stvara proteine.

DNK, RNK i proteini se sastoje od ponavljajuće strukture povezanih građevnih blokova (nukleotidi u slučaju DNK i RNK, aminokiseline u slučaju proteina). Uopšteno govoreći, svi su nerazgranati polimeri, te se mogu predstaviti u obliku niza. Oni se mogu posmatrati kao niz perli, pri čemu svaka perla predstavlja jedan nukleotid ili aminokiselinski monomer povezan zajedno kovalentnim hemijskim vezama u veoma dug lanac.

U većini slučajeva, monomeri unutar lanca imaju jaku sklonost ka interakciji sa drugim aminokiselinama ili nukleotidima. U DNK i RNK, ovo može imati oblik Votson-Krikovih baznih parova ( i ili ), iako se mogu javiti i mnoge komplikovanije interakcije.

Strukturne karakteristike

	DNK	RNK	Proteini
Kodira genetske informacije	Da	Da	Ne
Katalizuje biološke reakcije	Ne	Da	Da
Građevinski blokovi (tip)	Nukleotidi	Nukleotidi	Aminokiseline
Građevinski blokovi (broj)	4	4	20
Mnogostrukost	Dvostruki	Jednostruki	Jednostruki
Struktura	Dvostruki heliks	Kompleks	Kompleks
Stabilnost do degradacije	Visoka	Promenljiva	Promenljiva
Sistemi za popravku	Da	Ne	Ne

Zbog dvolančane prirode DNK, u biti svi nukleotidi imaju oblik Votson-Krikovih parova baza između nukleotida na dva komplementarna lanca dvostrukog heliksa.

Nasuprot tome, RNA i proteini su normalno jednolančani. Stoga nisu ograničeni pravilnom geometrijom dvostruke spirale DNK, te se tako sklapaju u složene trodimenzionalne oblike zavisne od njihove sekvence. Ti različiti oblici odgovorni su za mnoga zajednička svojstva RNK i proteina, uključujući stvaranje specifičnih mesta vezivanja, i sposobnost katalitičkog posredovanja biohemijskih reakcija.

DNK je optimizovana za kodiranje informacija

DNK je makromolekul za pohranu informacija koji kodira kompletan skup uputstava (genom) koja su potrebna za sastavljanje, održavanje i reprodukciju svakog živog organizma.^[17]

DNK i RNK su molekuli sposobni da kodiraju genetske informacije, jer postoje biohemijski mehanizmi koji čitaju informacije kodirane unutar DNK ili RNK sekvence i koriste ih za generiranje određenog proteina. S druge strane, informacije o sekvenci proteinskog molekula ćelije ne koriste za funkcionalno kodiranje genetskih informacija.^[18]

Proteini su optimizovani za katalizu

Proteini su funkcionalni makromolekuli odgovorni za katalizovanje biohemijskih reakcija koje održavaju život.^[19] Proteini sprovode sve funkcije organizma, na primer fotosintezu, neuralnu funkciju, vid i kretanje.^[20]

Sintetički makromolekuli

Struktura makromolekula polifenilen dendrimera koju su objavili Milen, et al.^[21]

Neki primeri makromolekula su sintetički polimeri (plastika, sintetička vlakna i sintetička guma), grafen i ugljenične nanocevi. Polimeri se mogu pripremiti od neorganske materije, kao i na primer u neorganskim polimerima i geopolimerima. Inkorporacija neorganskih elemenata omogućava podešavanje svojstava i/ili odzivnog ponašanja kao na primer kod pametnih neorganskih polimera.

Vidi još

• Polimer

Reference

1. Donald Voet; Judith G. Voet (2005). Biochemistry (3 изд.). Wiley. ISBN 9780471193500.
2. Bruce Alberts; Alexander Johnson; Julian Lewis; Martin Raff; Keith Roberts; Peter Walter (2002). Molecular Biology of the Cell. New York: Garlard Science. 0815332181.
3. Stryer L, Berg JM, Tymoczko JL (2002). Biochemistry (5th изд.). San Francisco: W.H. Freeman. ISBN 978-0-7167-4955-4.
4. „Life cycle of a plastic product”. Архивирано из оригинала 17. 03. 2010. г. Приступљено 1. 7. 2011.. Americanchemistry.com
5. Gullapalli, S.; Wong, M.S. (2011). „Nanotechnology: A Guide to Nano-Objects” (PDF). Chemical Engineering Progress. 107 (5): 28—32. Архивирано из оригинала (PDF) 13. 08. 2012. г. Приступљено 28. 06. 2015.
6. Jenkins, A. D; Kratochvíl, P; Stepto, R. F. T; Suter, U. W (1996). „Glossary of basic terms in polymer science (IUPAC Recommendations 1996)” (PDF). Pure and Applied Chemistry. 68 (12): 2287—2311. doi:10.1351/pac199668122287. Архивирано из оригинала (PDF) 04. 03. 2016. г. Приступљено 31. 10. 2021.
7. Staudinger, H. (1920). „Über Polymerisation”. Ber. Dtsch. Chem. Ges. 53 (6): 1073—1085. doi:10.1002/cber.19200530627.
8. Staudinger, H.; Fritschi, J. (1922). „Über Isopren und Kautschuk. 5. Mitteilung. Über die Hydrierung des Kautschuks und über seine Konstitution”. Helvetica Chimica Acta. 5 (5): 785. doi:10.1002/hlca.19220050517.
9. Jensen, William B. (2008). „The Origin of the Polymer Concept”. Journal of Chemical Education. 85 (5): 624. Bibcode:2008JChEd..85..624J. doi:10.1021/ed085p624.
10. van Holde, K.E. (1998). Principles of Physical Biochemistry. Prentice Hall: New Jersey,. ISBN 0-13-720459-0.
11. Jenkins, A D; Kratochvíl, P.; Stepto, R. F. T.; Suter, U. W. (1996). „Glossary of Basic Terms in Polymer Science” (PDF). Pure and Applied Chemistry. 68 (12): 2287. doi:10.1351/pac199668122287. Архивирано из оригинала (PDF) 2007-02-23. г.
12. Minton AP (2006). „How can biochemical reactions within cells differ from those in test tubes?”. J. Cell Sci. 119 (Pt 14): 2863—9. PMID 16825427. doi:10.1242/jcs.03063 .
13. Staudinger, H.; Fritschi, J. (1922). „Über die Hydrierung des Kautschuks und über seine Konstitution”. Helv. Chim. Acta. 5: 785—806.
14. Meyers, Robert A. (2002). Encyclopedia of physical science and technology. Boston: Academic Press. ISBN 978-0-12-227410-7.
15. Berg, Jeremy Mark; Tymoczko, John L.; Stryer, Lubert (2010). Biochemistry, 7th ed. (Biochemistry (Berg)). W.H. Freeman & Company. ISBN 978-1-4292-2936-4. Fifth edition available online through the NCBI Bookshelf: link
16. Walter, Peter; Alberts, Bruce; Johnson, Alexander S.; Lewis, Julian; Raff, Martin C.; Roberts, Keith (2008). Molecular Biology of the Cell (5th edition, Extended version). New York: Garland Science. ISBN 978-0-8153-4111-6.. Fourth edition is available online through the NCBI Bookshelf: link
17. Golnick, Larry; Wheelis, Mark (14. 08. 1991). The Cartoon Guide to Genetics. Collins Reference. ISBN 978-0-06-273099-2.
18. Stryer 2002, стр. 5 harvnb грешка: no target: CITEREFStryer2002 (help)
19. Stryer 2002, стр. 3 harvnb грешка: no target: CITEREFStryer2002 (help)
20. Takemura, Masaharu (2009). The Manga Guide to Molecular Biology. No Starch Press. ISBN 978-1-59327-202-9.
21. Bauer, Roland E.; Volker Enkelmann; Wiesler, Uwe M.; Berresheim, Alexander J.; Klaus Müllen (2002). „Single-Crystal Structures of Polyphenylene Dendrimers”. Chemistry: A European Journal. 8 (17): 3858. doi:10.1002/1521-3765(20020902)8:17<3858::AID-CHEM3858>3.0.CO;2-5.

Literatura

• Meyers, Robert A. (2002). Encyclopedia of physical science and technology. Boston: Academic Press. ISBN 978-0-12-227410-7.

Spoljašnje veze

• Struktura i funkcija makromolekula Архивирано на сајту (26. март 2009)
• Synopsis of Chapter 5, Campbell & Reece, 2002
• Several (free) introductory macromolecule related internet-based courses Архивирано 2011-07-18 на сајту
• „Giant Molecules!” (PDF). Архивирано из оригинала (PDF) 02. 09. 2006. г. Приступљено 10. 3. 2010.CS1 одржавање: Формат датума (веза) by Ulysses Magee, ISSA Review Winter 2002–2003, ISSN 1540-9864. Cached HTML version of a missing PDF file.. The article is based on the book, Inventing Polymer Science: Staudinger, Carothers, and the Emergence of Macromolecular Chemistry by Yasu Furukawa.