Биополимеры

Что такое биополимеры?
Биополимеры - это большие молекулы, состоящие из большого количества одинаковых или похожих частей - остатков мономеров, образующиеся в живых организмах.
Соединение мономеров в полимер может происходить двумя способами - полимеризацией (мономеры просто соединяются друг с другом путём раскрытия кратной связи) и поликонденсацией (функциональные группы мономерах реагируют друг с другом так,что образуется собственно полимер и побочный продукт.)

Образование биополимеров идёт, в основном, за счёт реакции поликонденсации, причём побочный продукт чаще всего - вода.

Белки
Белки представляют собой наиболее разнообразный и распространённый в природе вид биополимеров.Функции белков в клетках живых организмов более разнообразны, чем функции других биополимеров — полисахаридов и ДНК. Так, белки-ферменты катализируют протекание биохимических реакций и играют важную роль в обмене веществ. Некоторые белки выполняют структурную или механическую функцию, образуя цитоскелет, поддерживающий форму клеток. Также белки играют ключевую роль в сигнальных системах клеток, при иммунном ответе и в клеточном цикле.

Уровни организации белка
В строении белка выделяют 4 уровня: первичный, вторичный, третичный и четвертичный. Все они поддерживаются разными типами связей. Каждый из уровней влияет на формирование следующего.

Первичная структура белка - это последовательность аминокислот в нём, он поддерживается при помощи пептидных связей между карбоксильной и амино- группами аминокислот. Она формирует полипептидную цепочку

Вторичная структура белка - это то, каким образом упакованы отдельные участки полипептидной цепочки: в виде альфа-спирали(справа) или в виде бета-складчатого слоя(слева). Вторичную структуру поддерживают очень слабые, но очень многочисленные водородные связи между водородом и кислородом.

Третичная структура белка - это способ организации вторичных структур (α-спиралей, β-складок и неупорядоченных участков). Выше изображены: глобулярный (шарообразной формы, растворимый в воде) и фибриллярный (преимущественно имеет форму нитей и волокон, нерастворим в воде) белки

Третичная структура поддерживается с при помощи перемычек между атомами серы аминокислоты цистеин (дисульфидных мостиков), водородных связей, взаимодействий остатков аминокислот друг с другом и с водой

Четвертичная структура присуща только сложным белкам, состоящим из нескольких полипептидов. Это то, какие полипептиды составляют белок и каким образом они организованы. На картинках изображены: молекула гемоглобина, состоящая из 4х полипептидов и микротрубочка, состоящая из непостоянного числа единиц белка тубулина

Из белка коллагена изготавливают матрицы, в которые могут прорастать клетки пациента. Такие матрицы используются в хирургии для заполнения образованных в ходе операции или патологического процесса полостей
Использование белков в медицине

В человеческом организме имеется немало гормонов белкового происхождения, самые известные из которых - инсулин и соматотропин (гормон роста). При их дефиците или полном отсутствии в организме, их приходится вводить извне. Так, люди с диабетом первого типа нуждаются в ежедневных уколах инсулина, который с конца XX века производят при помощи генно-модифицированных дрожжей.

Без гормона роста люди могут жить, но у них развивается карликовость. Однако, если проводить терапию гормоном роста до совершеннолетия, пациент может вырасти до нормальных размеров

В защите организма от патогенных организмов крайне важную роль играет специфический иммунитет - способность организма нейтрализовать чужеродные тела при помощи особых белков - антител. Антитела, как правило, связываются с антигенами - посторонними белками и гликопротеинами, причём для узнавания антигеном нужен лишь небольшой фрагмент молекулы - эпитоп.

Единственная проблема заключается в том, что, чтобы в организме началась выработка антител, требуется время, за которое патоген может успеть серьёзно навредить носителю. Для того, чтобы иммунитет был готов к вторжению используются вакцины - ослабленные патогены или их участки. В частности, сейчас очень распространены пептидные вакцины, представляющие собой участки белка патогена, производимые генно-модифицированными организмами в специальных лабораториях. После введения их в организм иммунитет “узнаёт” этот участок и начинает выработку антител к нему

Полисахариды
Полисахариды — это высокомолекулярные углеводы. У живых организмов выполняют резервные (крахмал, гликоген), структурные (целлюлоза, хитин) и другие функции

Мономеры полисахаридов - моносахариды или простые сахара имеют общую структурную формулу СnН2nОn, где n –число от 3 и больше, и не гидролизируются. По количеству атомов углерода их разделяют на: триозы, имеющие 3 атома, тетрозы –4 атома, пентозы –5 атомов… декозы, имеющие 10 атомов. Могут существовать в двух формах: линейной и циклической. Циклические –это молекулы моносахаридов с пятью и большим количеством атомов, заключенных в кольцо.

Все моносахариды имеют гидроксильные (-ОН) и прочие полярные группы, поэтому растворяются в воде.В природе наиболее распространенными являются гексозы (6 атомов углерода), а именно глюкоза и фруктоза. Глюкоза (виноградный сахар) есть во всех организмах. Она – главный поставщик энергии в клетках, один из регуляторов осмоса. Фруктоза (плодовый сахар) есть в сахарной свекле, фруктах, меде и т. п.

Друг с другом и с другими классами соединений моносахариды соединяются при помощи гликозидных связей, образующихся в ходе реакции между полуацетальной и гидроксильной группами

В медицине полисахариды используются главным образом для доставки лекарственных средств, для создания питательных сред и как эмульгаторы.

Так, агар широко применяют для произведения посевов на возбудителей бактериальных заболеваний а также для тестов эффективности антибиотиков на культурах клеток

Помимо самих полисахаридов существует множество их производных, к которым присоединены какие-либо химические группы, отличные от гидроксогрупп или даже другие полимеры. Примерами таких веществ можно назвать аминоспирты хитин и хитозан - производные полисахаридов, у которых OH группа заменена на ацетиламинную и аминную, соответственно

Производное хитина, входящего в состав покровов членистоногих и клеточной стенки грибов хитозан используется для доставки лекарственных средств через слизистые глаз, носа и ротовой полости благодаря своей способности прилипать к слизистым оболочкам

Гепарин - гликозаминогликан, производимый печенью человека и животных, способный препятствовать свёртыванию крови. В медицине он используется для предотвращения развития тромбозов у пациентов группы риска

Нуклеиновые кислоты
Ещё одним важнейшим классом органических веществ в нашем организме являются нуклеиновые кислоты. В организме они выполняют, главным образом, функцию сохранения, передачи и воспроизводства наследственной информации.

Мономерами нуклеиновых кислот являются нуклеотиды - соединения, состоящие из азотистого основания, пятиуглеродного сахара и остатка фосфорной кислоты

последовательно соединённые путём конденсации остатка фосфорной кислоты с гидроксильной группой пентозы нуклеотиды образуют цепочку, которая является первичной структурой полинуклеотида.

Вторичная структура нуклеиновой кислоты может быть разной - это и двойная цепочка ДНК(слева) и петли транспортной(справа) и рибосомной РНК и одиночная цепь матричной РНК

Третичной структурой нуклеиновой кислоты называют способ укладки вторичных структур и их расположение друг относительно друга. Это могут быть двойные А и B спирали ДНК(слева) или сложенная в форме буквы г транспортная РНК(справа).

Четвертичная структура нуклеиновой кислоты - это то, какие комплексы она формирует с белками. Её имеют не все нуклеиновые кислоты. Примерами могут быть комплекс ДНК с гистонами - специальными белками, необходимыми для плотной упаковки ДНК(слева) или рибосомы - органоиды клетки, представляющие собой РНК матрицу, на которую нанизаны белковые ферменты(справа)

В настоящее время в медицине нуклеиновые кислоты применяются, в основном, в медицинской генетике, занимающейся выявлением наследственных заболеваний в явной или скрытой форме.

Так, для проведения ПЦР (Полимеразная Цепная Реакция используется для создания большого количества копии необходимого участка ДНК) необходимы праймеры - короткие участки ДНК - “затравки”, с которых начинается синтез второй цепи ДНК. Именно праймеры и ограничивают копируемый участок