Մակրոմոլեկուլներ․ ներածություն

Փորձիր հիշել՝ ինչ ես կերել ճաշին։ Քո ճաշի ուտեստներից որևիցե մեկը ունեցե՞լ է արդյոք «Սննդային արժեք» պիտակը։ Եթե այո, և եթե դու աչքի ես անցկացրել ուտեստում սպիտակուցների, ածխաջրերի կամ ճարպերի պարունակությունը, ապա երևի արդեն ծանոթ ես կենսաբանական հսկա մոլեկուլների մի քանի տեսակի հետ, որոնք կքննարկենք այստեղ։ Եթե քեզ հետաքրքիր է, թե մի բան, որն ունի «կենսաբանական հսկա մոլեկուլ» տարօրինակ անունը, ինչ գործ ունի քո սննդի մեջ, պատասխանն այն է, որ դրանք ապահովում են քեզ կառուցվածքային տարրերով, որոնք անհրաժեշտ են քո մարմինը պահպանելու համար, քանի որ այն նույնպես կազմված է կենսաբանական հսկա մոլեկուլներից։

Ինչպես դու կարող ես դիտարկվել որպես ատոմների համախումբ կամ քայլող ու խոսող ջրի պարկ, նույն կերպ կարող ես համարվել կենսաբանական հսկա մոլեկուլների 4 հիմնական տեսակների՝ ածխաջրերի (օր․՝ շաքարներ), լիպիդների (օր․՝ ճարպեր), սպիտակուցների և նուկլեինաթթուների (օր․՝ ԴՆԹ ու ՌՆԹ) հավաքածու։ Դա չի նշանակում, որ միայն սրանք են քո մարմնի մոլեկուլները, այլ նշանակում է, որ քո ամենակարևոր կենսաբանական հսկա մոլեկուլները բաժանված են այսպիսի խմբերի։ Միասին այս 4 խումբը կազմում են բջջի չոր զանգվածի մեծ մասը։ (Ջրի փոքր մոլեկուլը կազմում է հեղուկ զանգվածի մեծ մասը)։

Կենսաբանական հսկա մոլեկուլները օրգանիզմում մի շարք գործառույթներ են կատարում։ Որոշ ածխաջրեր պահեստավորում են էներգիա հետագա կարիքների համար, իսկ որոշ լիպիդներ բջջաթաղանթի կարևոր կառուցվածքային բաղադրիչներ են։ Նուկլեինաթթուները պահեստավորում և փոխադրում են ժառանգական տեղեկույթ, որոնցից շատերը սպիտակուց սինթեզելու հրահանգներ են տալիս։ Սպիտակուցները, թերևս, գործառույթների ամենալայն շրջանակն ունեն․ որոշները կատարում են կառուցվածքային գործառույթ, բայց շատերը նման են այնպիսի փոքր մեխանիզմների, որոնք բջջում իրականացնում են հատուկ գործառույթներ, ինչպիսիք են նյութափոխանակային ռեակցիաների կատալիզումը կամ ազդանշանների ընդունումն ու փոխանցումը։

Ստորև ավելի մանրամասն կուսումնասիրենք ածխաջրերը, լիպիդները, նուկլեինաթթուները և սպիտակուցները։ Մենք ավելի շատ ուշադրություն կդարձնենք քիմիական առանցքային ռեակցիաներին, որոնք ձևավորում և քայքայում են այս մոլեկուլները։

Կենսաբանական հսկա մոլեկուլների մեծ մասը պոլիմերներ են՝ երկար շղթաներ՝ ձևավորված անընդհատ կրկնվող մոլեկուլային ենթամիավորներից կամ կառուցվածքային մասնիկներից, որոնք կոչվում են մոնոմերներ: Եթե պատկերացնես մոնոմերը որպես ուլունք, ապա պոլիմերը կլինի վզնոց՝ իրար ամուր միացած ուլունքների շարան։

Ածխաջրերը, նուկլեինաթթուները և սպիտակուցները բնության մեջ հիմնականում հանդես են գալիս պոլիմերների ձևով։ Ելնելով պոլիմերի բնույթից և մեծ (երբեմն ահռելի) չափերից՝ դրանք դասակարգվում են որպես մակրոմոլեկուլներ՝ մեծ (մակրո-) մոլեկուլներ, որոնք ձևավորվել են ավելի փոքր ենթամիավորների միացմամբ։ Լիպիդները հիմնականում պոլիմերներ չեն և ավելի փոքր են, քան մյուս երեքը, այդ պատճառով էլ դրանք շատ աղբյուրներում չեն համարվում մակրոմոլեկուլներ$^{1,2}$start superscript, 1, comma, 2, end superscript։ Ամեն դեպքում, շատ այլ աղբյուրներ «մակրոմոլեկուլ» եզրույթը ավելի հաճախ օգտագործում են որպես կենսաբանական հսկա մոլեկուլների չորս տեսակների մեկ ընդհանուր անվանում$^{3,4}$start superscript, 3, comma, 4, end superscript։ Սա պարզապես անվանակարգման տարբերություն է, հետևաբար դրա վրա պետք չէ կենտրոնանալ։ Պարզապես հիշի՛ր, որ լիպիդները կենսաբանական հսկա մոլեկուլների 4 հիմնական տեսակներից մեկն են, բայց սովորաբար պոլիմերներ չեն առաջացնում։

Ինչպե՞ս մոնոմերներից ստեղծել պոլիմերներ։ Կենսաբանական հսկա մոլեկուլները հաճախ միավորվում են դեհիդրատացմամբ սինթեզի ռեակցիաների շնորհիվ, որոնց ընթացքում մեկ մոնոմերը կովալենտային կապ է առաջացնում մեկ այլ մոնոմերի (կամ մոնոմերների երկարող շարքի) հետ՝ անջատելով ջրի մոլեկուլ այդ գործընթացի ընթացքում։ Դու կարող ես ռեակցիայի անվանումով հիշել այն ամենը, ինչ կատարվում է այս ընթացքում․ դեհիդրատացում նշանակում է ջրազրկում՝ ջրի կորուստ, և սինթեզ՝ նոր կապի առաջացում։

Վերևում բերված դեհիդրատացման եղանակով սինթեզի ռեակցիայով գլյուկոզ շաքարի երկու մոլեկուլները (մոնոմերները) միանում են՝ ձևավորելով մեկ այլ շաքարի՝ մալթոզի մեկ մոլեկուլ։ Գլյուկոզի մեկ մոլեկուլը կորցնում է H, մյուսը՝ OH խումբ, և ջրի մոլեկուլ է անջատվում, երբ գլյուկոզի երկու մոլեկուլների միջև նոր կովալենտային կապ է առաջանում։ Երբ այլ մոնոմերներ են միանում նույն գործընթացով, շղթան դառնում է ավելի ու ավելի երկար և ձևավորում է պոլիմեր։

Թեև պոլիմերները կազմված են մոնոմերների կրկնվող հաջորդականություններից, դրանց ձևի և կազմության բազմազանության համար շատ հնարավորություններ կան։ Ածխաջրերը, նուկլեինաթթուները և սպիտակուցները կարող են պարունակել մոնոմերների մի քանի տարբեր տեսակներ, և դրանց կազմն ու հաջորդականությունը կարևոր են իրենց գործառույթի համար։ Օրինակ՝ քո ԴՆԹ-ում կա նուկլեոտիդային մոնոմերների չորս տեսակ, իսկ ամինաթթուների քսան տեսակ է հայտնաբերված քո օրգանիզմում՝ սպիտակուցներում։ Մոնոմերի մի տեսակն անգամ կարող է տարբեր հատկություններով տարբեր պոլիմերներ ձևավորել։ Օրինակ՝ օսլան, գլիկոգենը և թաղանթանյութը գլյուկոզի մոնոմերներից կազմված ածխաջրեր են, բայց դրանցից յուրաքանչյուրն ունի իրեն հատուկ կապեր և ճյուղավորում։

Ինչպե՞ս են պոլիմերները կրկին վերածվում մոնոմերների (օրինակ՝ երբ մարմինը կարիք ունի մեկ մոլեկուլ ստանալու համար վերամշակելու մեկ ուրիշ մոլեկուլ)։ Պոլիմերները մանրացվում են մոնոմերների հիդրոլիզի ռեակցիաների շնորհիվ, որոնց ժամանակ կապը խզվում է կամ քայքայվում՝ ջրի մոլեկուլի ավելացմամբ։

Հիդրոլիզի ռեակցիայի ընթացքում մի քանի ենթամիավորներից կազմված մոլեկուլը բաժանվում է երկու մասի․ նոր մոլեկուլներից մեկը ստանում է ջրածնի ատոմ, մյուսը՝ հիդրօքսիլ (-OH) խումբ, որոնք երկուսն էլ ստացվել են ջրից։ Սա դեհիդրատացման հակառակ ռեակցիան է, որի արդյունքում անջատվում է մոնոմեր, որը կարող է օգտագործվել նոր պոլիմեր ձևավորելու համար։ Օրինակ՝ ստորև ներկայացված հիդրոլիզի ռեակցիայի ընթացքում ջրի մոլեկուլը մալթոզը վերածում է գլյուկոզի երկու մոնոմերի։ Այստեղ կատարվում է վերևում բերված դեհիդրատացման ռեակցիայի հակառակ գործընթացը։

Դեհիդրատացմամբ սինթեզի ռեակցիաները ձևավորում են մոլեկուլներ և սովորաբար պահանջում են էներգիա, իսկ հիդրոլիզի ռեակցիաները քայքայում են մոլեկուլները և էներգիա անջատում։ Ածխաջրերը, սպիտակուցները և նուկլեինաթթուները առաջանում և քանդվում են այս ռեակցիաների շնորհիվ, չնայած, որ ներառված մոնոմերները յուրաքանչյուր դեպքում տարբեր են։ (Բջջի մեջ նուկլեինաթթուները իրականում չեն պոլիմերիզացվում դեհիդրատացմամբ սինթեզի շնորհիվ։ Մենք նրանց միավորումը կքննարկենք նուկլեինաթթուների մասին հոդվածում)։ Դեհիդրատացմամբ սինթեզի ռեակցիաները նաև մասնակցում են լիպիդների որոշակի տեսակների միավորմանը, չնայած, որ դրանք պոլիմերներ չեն։

Մարմնում ֆերմենտները կատալիզում կամ արագացնում են և՛ դեհիդրատացմամբ սինթեզի, և՛ հիդրոլիզի ռեակցիաները։ Դրանք մասնակցում են կապերի խզմանը և առավել հաճախ ստանում -ազ վերջածանցով ավարտվող անուններ։ Օրինակ՝ մալտազը կազմալուծում է մալթոզը, լիպազները՝ լիպիդները, պեպտիդազները՝ սպիտակուցները (սպիտակուցները հայտնի են նաև որպես պոլիպեպտիդներ, ինչը մենք կտեսնենք սպիտակուցների մասին հոդվածում)։ Քանի որ սնունդը ճանապարհորդում է քո մարսողական համակարգով, փաստացի այն պահից, երբ դիպչում է քո թքին, այն մշակվում է այսպիսի ֆերմենտների շնորհիվ։ Դրանք կազմալուծում են կենսաբանական հսկա մոլեկուլներ՝ առաջացնելով կառուցվածքային փոքր մասնիկներ, որոնք կարող են հեշտությամբ ներծծվել և օգտագործվել օրգանիզմի կողմից։