پلیمرهای زیستی
پلیمرهای زیستی :پروتئین ها، کربوهیدرات ها، لیپیدها و نوکلئیک اسید
1.سیستم طبیعی و زندگی به خوبی میتواند ویژگی های انحصاری اتمها را نشان دهد.
تمایز عنصری زندگی در اتمهایی مانند کربن، اکسیژن و نیتروژن و هیدروژن نهفته است. هیچ جای تعجبی نیست که این اتمها قادرند مجموعه ای از مولکولهای منحصر بفرد(گروه اتمی) و ترکیبات (مولکولهایی که از اتمهایی با عنصر متفاوت تشکیل شده اند) را ایجادنمایند. این مولکلها خود ویژگی های سیستم های پویا و زنده را تعریف میکنند. اگرچه زمانی شیمی دانها تصور میکردند که مولکولهای حاوی کربن(ترکیبات ارگانیک) فقط توسط موجودات زنده تولید میشوند(ایده ای که با نام حیات گرایی مطرح شد و میدانیم که غلط است). البته کاملا مشخص است که وجود مولکولهای ارگانیک در یک محیط نشانی حتمی از وجود زندگی است. ترکیبات غیرارگانیک به مواردی اطلاق میشود که حاوی عنصر کربن نیستند. اگرچه انها ترکیبات ارگانیکی هستند که به صورت غیر بیولوژیک تولید شده اند ولی نقش این موضوع در مقایسه دو نوع ترکیبات از اهمیت کمی برخوردار است.
2.شیمی زندگی کاملا متنوع است.
ارگانیسم ها از مجموعه ای از دسته های متنوع و کوچک و بزرگ (ماکرومولکولها) مولکولهای ارگانیک تشکیل شده اند
3.زندگی پلیمریک است
تعداد زیادی از ماکرومولکولها همان پلیمرهایی هستند که از مولکولهای خیلی بزرگ تشکیل شده اند و و یک یا دو واحد تکرار شده با نام مونومر انها را بوجود میاورد. به طور مشابه، پلیمر همانند یک قطار ویژه حمل و نقل بار است که خودروهای زیادی را حمل میکند. هر کدام از خودروها نیز نشان دهنده ی مونومرهایی هستند که ساختار پلیمر را ایجاد میکند. اگر دو مونومر به یکدیگر متصل شوند، انگاه مولکول نهایی با نام دیمر خوانده میشود. در صورتی که سه مونومر به یکدیگر متصل شوند هم، ترکیب حاصل تریمر خوانده میشود. زندگی مدولار (پیمانه ای ) است و ساختاری پیمانه ای نیز دارد.
از مزایای پلیمرها میتوان به این موارد اشاره نمود:
- تنوعی نامتناهی از ساختارها که با تعداد محدودی از مواد اولیه بوجود می اید
- ساختار مدولار و یا پیمانه ای باعث میشود تا بتوان مونومرها را به سادگی بازیافت کرد. زمانی که یک پلیمر ویژه مورد نیاز نباشد، میتوان از مونومرهای ان برای ساخت سایر پلیمرها استفاده نمود.
- حمل و نقل: پلیمرها بزرگ بوده و نمیتوان به سادگی انها را جابجا نمود و حتی میتوان این عمل را غیر ممکن دانست.اما این موضوع در خصوص مونومر ها صدق نمیکند و انها به سادگی میتوانند به محلهایی حرکت کنند که در انها پلیمرها ساخته میشوند.
4.مولکولهای ارگانیک مجموعه ای شناخته شده از اتمها دارند-گروه های وظیفه ای
گروه های وظیفه ای مجموعه ای از اتمها هستند که از ویژگی های شیمیایی خاصی برخوردار میباشند. میتوان گروه های وظیفه اصلی و نامهای داده شده به انها را حفظ نمود به عنوان مثال : گروه هیدروکسیل که با نام الکل نیز شناخته میشود و یا کروبونیل که به ان کتون یا آلدهید هم می گویند. کربوکسیل( اسید ارگانیک و یا کربوکسیلیک، متیل و سولف هیدریل و فسفات )هم در همین گروه قرار میگیرند.
5.پلیمرهای سازنده زندگی
چهار نوع ماکرو مولکول(مولکولهای غول پیکر) در سیستم حیات وجود دارد. این ماکرومولکولها و و قطعات مونومریک سازنده انها (در صورت تناسب) عبارتند از :
- پلی ساکاریدها (که با نام کربوهیدرات ها ی پیچیده نیز شناخته میشوند) مونوساکارید ها و یا قندهای ساده
- پروتئین ها و آمینو اسیدها
- نوکلئیک اسید ها و نوکلئو تیک
- لیپیدها: لیپیدها گروهی متنوع و چندگانه از مولکولها هستند و یکی از مهم ترین ویژگی های انها نیز قابلیت انحلال در اب است که به ان هیدروفوبیک نیز گفته میشود. این گروه به طور کامل با مدل مونومریک و یا پلیمریک تطابق ندارد. اگرچه تری گلیسیرید ها را میتوان مطابق با مدلهای یاد شده دانست. تری گلیسیرید ها همان اسید های چرب و گلیسرول هستند.
6.ماکرومولکولها توسط واکنش های تراکمی ترکیب شده و با هیدرولیز(آبکافت) از هم جدا میشوند
مونومرها با واکنش های تراکمی و یا ترکیبات دهیدراسیون( به دلیل از دست دادن آب ) به یکدیگر متصل میشوند. هیدرولیز که با نام آبکافت نیز شناخته میشود، فرایند فروپاشی پلیمرها، دیمرها و سایر موارد است. انواع مختلفی از پیوندهای میتواند ایجاد شود و این موضوع به گروه وظیفه ای مونومرهای متصل شده به هم وابسته است. ویژگی یکسان و مشترک در بین تمامی انها، خذف آب است. کمی بعد متوجه میشویم که این واکنش به آنزیمهایی نیاز دارند تا به درستی صورت پذیرند.
7.پلی ساکاریدها
این گروه با نام کربوهیدراتها نیز شناخته میشوند. قطعات اصلی تشکیل دهنده ی پلی ساکارید های غول پیکر و یا قندهای پیچیده، مونوساکاریدها هستند و نام دیگر انها قند های ساده است مانند گلوکز، فروکتوز و گلاکتوز.
- مونوساکاریدها
مونوساکاریدها با اسامی مانند پلی هیدروکسیل آلدهید و یا کتون تعریف میشوند. به بیانی دیگر، انها دارای دو یا تعداد بیشتری از گروه های وظیفه ای هیدروکسیل و یک گروه وظیفه ای کربونیل هستند که میتوانند در بخش پایانی نیز باشند (همانند آلدهید :گلوکز و گلاکتوز ) و یا در قسمت میانی قرار گیرند مانند کتون در فروکتوز.
مونوساکاریدها بیشتر به حالت حلقه ای به یکدیگر متصل میشوند.موقعیت گروه وظیفه ای هیدروکسیل در این حلقه دارای اهمیت است زیرا ویژگی های شیمیایی مولکول را تعیین میکند.
مونوساکاریدها مانند گلوکز، فروکتوز و گالاکتوز میتوان به تنهایی وجود داشته باشند.انها در انواع فعالیت های سلولی پر اهمیت نقش دارند مانند متابولیزم(سوخت و ساز انرژی ) و ساخت پلیمر از طریق واکنش های ترکیبی که با حذف آب و یا تراکم همراه میباشند.
- دی ساکاریدها
این نوع از دو مونوساکارید ساخته شده است. دی ساکارید های مهم عبارتند از :ساکروز که از ترکیب گلوکز و فروکتوز بوجود می ایند، مالتوز یا قند مالت که ترکیبی از دو گلوکز است و لاکتوز یا قند شیر که شامل گلوکز و گالاکتوز میشود.
- الیگوساکاریدها
این نوع نیز قندهایی هستند که از سه و یا تعداد یبیشتری از مونوساکاریدها تشکیل شده اند (اگرچه این تعداد خیلی زیاد نیست).
- پلی ساکاریدها
این نوع از پلیمرها از اتصال تعداد بسیار زیادی از مونو ساکاریدهها بوجود می ایند و معمولا برای ذخیره سازی یا ساخت واحدهای سلولی استفاده میشوند. موارد ذیل در همین دسته قرار میگیرند:
- سلولز: بتا 1.4گلوکان (پلیمر گلوکز) (زنجیره های پلیمری صاف و مسطح ) زنجیره های متنوعی از هیدروژن ها به یکدیگر متصل میشوند تا رشته ها را تشکیل دهند مانند فیبر موجود در نخ. اجزای اصلی دیواره های سلولی گیاهان و حامی ساختاری سلولی نیز در این دسته قرار میگیرند.
- نشاسته: آلفا1.4 گلوکان، آمیلوز و آمیلوپکتین که با توجه به تعداد شاخه ها از یکدیگر متمایز میشوند و نوع اصلی کربوهیدرات های ذخیره شده در گیاهان را تشکیل میدهند.
- گلیکوژن: پلیمر گلیکوز که دارای شاخه های فراوانی هستند
- چیتین
8.لیپیدها
لیپیدها همان چربی ها، روغن ها و موم ها هستند و قابلیت انحلال در آب را ندارند و یا هیدروفوبیک هستند.این گروه تنوع خیلی زیادی دارد. انواع متمایزی از لیپیدها وجود دارد مانند تری گلیسیرید ها، فسفو لیپیدها و استروئید ها.
- تری گلیسیرید
که از گلیسرول و سه اسید چرب بوجود می اید. اسید های چرب دارای گروه وظیفه ای کروبوکسیل هستند.( مولکولی با یک گروه وظیفه ای کروبکسیل که با نام اسید ارگانیک شناخته میشود زیرا به مقدار کمی میتواند یونیزه شود)
- فسفولیپیدها
این گروه شباهت خیلی زیادی با تری گلیسیرید ها دارند با این تفاوت که اسید های چرب در گروه تری گلیسیرید ها با گروه قطبی جایگزین میشود که نوعی ترکیب آبدوست است. در واقع انها خاصیت آبدوست و اب گریز را با هم دارند. مولکولهای یاد شده با نام امفی فیل نیز شناخته میشوند زیرا انها رابطه خوبی با آب و روغن دارند.
- استروئیدها
این گروه اهمیت زیادی در ساخت غشا دارند مانند کلسترول که به حفظ مایعات در یک غشا کمک میکند. نقش انها در هورمون نیز پررنگ است.
- وظایف لیپیدها
لیپیدها وظایف متنوعی دارند و شامل این موارد میشوند:ذخیره انرژی، اجزای غشایی, عایق سازی، بالشتک سازی، ایحاد پوشش حفاظتی دور سلولها، شناخت سطح سلولی،هورمونها و ویتامین ها و سایر موارد.
9.پروتئین ها
- موارد کلی
پروتئین ها از آمینو اسیدبوجود می اید که خود ترکیبی از آمینو اسیدو یک گروه وظیفه ای کربوکسیل است. تقریبا بیست نوع متفاوت از آمینو اسیدها در پروتئین وجود دارد که بعضی آبدوست و بعضی آب گریز هستند. بار الکتریکی در آمینو اسیدها توسط pH بوجود می آید. زمانی که این مقدار حالت خنثی داشته باشد، کربوکسیل ها و گروه های امینو هر دو در حالت یونیزه قرار میگیرند ولی با کاهش آن، گروه کربوکسیل یک یون هیدروژن را میگیرد. با افزایش مقدار این ماده، گروه آمینو یک پروتون را از دست میدهد. پروتئین ها با واکنش های تراکمی بوجود می ایند که گروه آمینویی یک آمینو اسید را به گروه کربوکسیل دیگری متصل میکند. اتصال نهایی نوعی اتصال کووالانسی است که با نام پپتاید نیز شناخته میشود.
- ساختار پروتئین
1.ساختار اولیه :به ترتیب آمینو اسیدها در پروتئین اشاره میکند. زمانی که این ترتیب شکل گیرد، پروتئین خمیده شده و وضعیتی سه بعدی پیدا میکند. شکل پروتئین نیز با ترتیب آمینو اسیدها تعیین میشود.
2.ساختار ثانویه: بخش هایی از پروتئین که دارای الگوی تکرار شونده و یا منظم و قابل پیش بینی هستند، ساختار ثانویه را تشکیل میدهند. کلاژن ( تاندون و رباط ها ) و کراتین (مو) دو نوع پروتئینی هستند که مقادیر بالایی از ساختار ثانویه را شامل میشوند.
-چه چیزی ساختار پروتئین ها را تعیین میکند؟
پاسخ-نوع و ترتیب آمینو اسیدها در پروتئین(ساختار اولیه). چه چیزی ساختار اولیه را تعیین میکند؟ پاسخ- ژن ها (DNA) .
-چه چیزی باعث میشود تا پروتئین ها در وضعیتی سه بعدی قرار گیرند؟
- پیوندهای آبدوست و یا اب گریز بین آمینو اسیدها و پپتاید های چندتایی
- پیوندهای هیدروژنی
- پیوندهای دی سولفید بین دو اتم سولفور که به سادگی توسط جیوه از هم پاشیده میشود.
- پیوندهای یونی: بین گروه های کربوکسیل که بار منفی دارند و گروه های آمینو اسیدی که بار مثبت دارند.
وظایف پروتئین ها
- ساختاری (بافتهای متصل مانند کلاژن )
- قابل انقباض( عضلات مانند آکتین و میوسین)
- حفاظتی (پادتنها و انعقاد)
- هورمونی مانند انسولین
- حفاظت و ذخیره سازی مانند آلبومین در تخم مرغ و کازئین در شیر.
- حمل و نقل مانند هموگلوبین
- سموم
- کاتالیزوری مانند آنزیمها
- تنظیم کننده ی فعالیت های ژنی
10.نوکلئیک اسید
از انواع نوکلئیک اسید ها میتوان به DNA یا دی اکسی ریبو نوکلئیک اسید و RNA ( ریبو نوکلئیک اسید ) اشاره نمود. این مولکولها در ذخیره سازی و انتقال دستورات ژنتیکی نقش حائز اهمیتی دارند. نوکلئیک اسید ها از نوکلئوتید ها ساخته میشوند.