Макромолекула - основа организации и функционирования биологических систем.

Основу структурной и функциональной организации живых систем (клеток, организмов, экосистем) составляют специфические биополимеры – макромолекулы, в первую очередь, белки и нуклеиновые кислоты, полисахариды . Мономерами этих крупных молекул являются малые органические молекулы, которые представляют собой соединения углерода с мол. массой от 100 до 1000, содержащие до 30 атомов углерода.

Определенные простые комбинации атомов, такие, как метальные (—СН3), гидроксильные (—ОН), карбоксильные (—СООН) группы и аминогруппы (—NH2), неоднократно повторяются в биологических молекулах. Каждая такая группа обладает определенными химическими и физическими свойствами, которые оказывают влияние на поведение любых молекул, содержащих такие группы.

Органические молекулы находятся и в свободном состоянии в цитоплазматическом растворе, образуя пул промежуточных продуктов. Они служат также важнейшими промежуточными продуктами в химических реакциях, преобразующих извлеченную из пищи энергию в пригодную для использования форму.

На долю малых молекул приходится около одной десятой всего клеточного органического вещества, причем в клетке присутствует (по приближенным оценкам) около тысячи различных видов таких молекул. Расщепляясь, все биологические молекулы распадаются до тех простых соединений, из которых они и синтезируются, причем синтез и распад происходят в результате ограниченного количества химических превращений, которые подчиняются определенным правилам.

Все имеющиеся в клетке соединения можно разбить на небольшое число отдельных семейств. Вообще говоря, содержащиеся в клетках малые органические молекулы образуют четыре семейства: простые сахара, жирные кислоты, аминокислоты и нуклеотиды. В состав каждого из этих семейств входит много различных соединений, имеющих общие химические свойства. Хотя некоторые соединения клетки не попадают в эти категории, на упомянутые четыре семейства, включающие как малые молекулы, так и построенные из них макромолекулы, приходится удивительно большая часть клеточной массы. Рисунок 1. Примеры сахаров, аминокислот, жирные кислоты и нуклетидов (слайд)

Таблица

Содержание молекул и ионов в составе живой ( бактериальной) клетки

Виды молекул	Доля от общей массы клетки, %	Число типов молекул
Вода	70	1
Неорганические ионы	1	20
Сахара и их предшественники	1	250
Аминокислоты и их предшественники	0,4	100
Нуклеотиды и их предшественники	0,4	100
Жирные кислоты и их предшественники	1	50
Другие малые молекулы	0,2	~300
Макромолекулы (белки, нуклеиновые кислоты и полисахариды)	26	~3000

Макромолекулы характеризуются большой молекулярной массой (м.м.). Различные молекулы белков и нуклеиновых кислот значительно различаются по размерам и молекулярной массе, которая изменяется от 10³ до 10¹⁰ Да. Специфика больших полимерных молекул определяется большим числом однотипных звеньев - мономеров, связанных в линейную цепь. Так, молекула белка с м.м. 10⁶ Да состоит примерно из 10⁵ ковалентно соединенных атомных групп. Тепловое движение атомов и атомных групп, входящих в состав макромолекулы, повороты и вращения их вокруг единичных связей, обуславливают и большое число степеней свободы. Это позволяет рассматривать макромолекулу как макроскопическую систему, статистический характер поведения которой проявляется в наличии средних значений таких параметров, как размеры, форма, степень свернутости полимерной цепи. Вместе с тем, существующие между атомами химические связи и взаимодействия ближнего и дальнего порядка накладывают определенные ограничения на число возможных конформаций макромолекулы. Изменения конформации биомолекул в процессе их функционирования также носят вполне конкретный характер и отражают внутримолекулярную динамическую организацию биополимеров.

В основе функционирования макромолекул лежат электронно-конформационные взаимодействия, которые проявляются во всех процессах, где участвуют макромолекулярные комплексы. Во многих случаях, функционирование макромолекул обуславливается протеканием сложных процессов трансформации энергии, включающих миграцию электронного возбуждения и транспорт электронов.

Сложность строения на атомном и молекулярном уровнях предьявляет свои требования и имеет особенности при изучении биологических молекул. Информацию о пространственной структуре макромолекул можно получить, используя комплекс различных методов, таких как рентгено-структурный анализ, ЭПР, ЯМР-спектроскопия, дисперсия оптического вращения и т.д. Основная проблема заключается в раскрытии механизмов взаимодействия атомных групп, определяющих конформационные особенности и внутреннюю динамику макромолекул и на этой основе понять механизмы функционирования биополимеров в живых системах.

Разнообразие функций макромолекул определяется в значительной мере их пространственной организацией. Вращения вокруг одинарных ковалентных связей вызывают образование различных поворотных изомеров и конформаций полимерной цепи. Конформация макромолекулы - это расположение полимерной цепи в пространстве за счет образования большого количества слабых связей, в результате чего создается наиболее термодинамически выгодная и стабильная пространственная структура биополимера. Условно выделяют несколько уровней структурной организации биомолекул. Самым первым уровнем молекулярной организации является первичная структура макромолекулы - последовательность мономеров в полимерной цепи, связанных ковалентными связями. Ковалентные связи достаточно устойчивые. Свободная энергия их образования составляет 200 - 800 кДж моль^-1.

Вторичной структурой макромолекулы называют локальное упорядочивание отдельных участков полимерной цепи. Третьичная структура - пространственная укладка всей полимерной цепи в пространстве. Пространственную укладку нескольких компактно организованных полимерных цепей с образованием надмолекулярного комплекса называют четвертичной структурой. На уровне вторичной, третьичной и четвертичной организации макромолекул важную роль играют нековалентные, слабые связи (взаймодействия), за счет которых преимущественно осуществляется стабилизация прстранственной структуры биополимеров. Известен только один тип ковалентной связи ( S - S- связь), участвующий в стабилизации высших структур белковых молекул.