Что такое полимеры в биологии определение

Что такое Полимер

Полимер (от греч. «πολυ» — много и «μερές» — часть) — это вещество, которое состоит из большого числа молекул. Эти молекулы связаны между собой в звенья и повторяются.

Немецкий химик Герман Штаудингер совместно с группой учёных на опытах доказал, что полимеры состоят из повторяющихся звеньев молекул, которые соединены между собой ковалентными связями. Это такая химическая связь, при которой два атома имеют общую электронную пару. То есть один электрон находится в одном атоме, другой — в другом и при этом они соединены. Учёные назвали такие молекулы «макромолекулами».

Химик также доказал, что пластмасса — это полимер (о пластмассе читайте ниже). За что получил Нобелевскую премию по химии в 1953 году.

Типы полимеров

По химическому составу различают:

Органические полимеры:

Природные полимеры

Такие полимеры можно найти в природе. Человек не участвует в производстве таких полимеров. В качестве примера можно привести белки, крахмал, натуральный каучук, хлопок, шерсть и др.

Искусственные полимеры

Чтобы получить такие полимеры, человек проводит химические опыты. Например, чтобы получить модифицированный полимер, который затем будет применён при производстве красок, химики добавляют в раствор стирола в толуоле или ксилоле льняное или касторовое масло и нагревают его.

Пример такого полимера — целлюлоза.

Синтетические полимеры

Произвести такие полимеры можно с помощью химического синтеза (т. е. химическим путём). В синтезе участвуют высокомолекулярные органические продукты. Например, чтобы получить синтетический полимер лавсан нужно поликонденсировать (т. е. провести химический опыт) терефталевую кислоту и этиленгликоль.

Пример — капрон, нейлон, полиэтилен, полипропилен, полистирол, фенолформальдегидные смолы.

Элементоорганические полимеры

Содержат атомы других химических элементов, например кремния, алюминия, титана и др. Выделяют:

Химики получают такие полимеры при взаимодействии определённых органических веществ с солями или заменяя некоторые атомы углерода в молекулах на другие составляющие. Пример — полисилоксаны, полититаноксаны и др.

Неорганические полимеры

Полимеры, молекулы которых построены из неорганических боковых цепей (или неорганических радикалов). Неорганические полимеры можно обнаружить в составе земной коры.

Полимеры могут отличаться составом мономерных звеньев. Мономерное звено — это составная часть макромолекулы полимера. Различают:

Гомополимеры

Это такие полимеры, у которых одинаковые мономерные звенья. Например: полихлорвинил, поливинилацетат и полистирол.

Гетерополимеры

Это полимеры, которые имеют различные мономерные звенья. Например: сополимер хлористого винила с винилацетатом, сополимер стирола с бутадиеном.

Полимеры могут также подразделяются также на карбоцепные (или гомоцепные) и гетероцепные полимеры.

Карбоцепные полимеры

Главные цепи макромолекул таких полимеров включают только атомы углерода. Например: каучук.

Гетероцепные полимеры

Главные цепи макромолекул таких полимеров включают не только атомы углерода, но ещё и атомы кислорода, азота и серы. Например: простые эфиры (например, полиэтиленгликоль), сложные эфиры (глифталевые смолы, полипептиды (белки) и др.).

Полимеры также могут подразделяться в зависимости от расположения мономерных цепей в пространстве. Различают:

Строение макромолекул полимеров может быть различным. Таким образом, есть полимеры:

Полимеры можно получить разными способами:

В зависимости от реакции полимера на нагревание выделяют:

Свойства полимеров

Где используются полимеры?

Благодаря своим свойствам, полимеры используются сейчас во многих отраслях. Их используют для производства множества материалов.

Например, в строительстве — как материал для электротехнических конструкций, кабелей, проводов, труб, изоляционных эмалей и лаков. Полимеры химическим путём добавляют в состав бетона и железобетона, чтобы улучшить их качества. Полимеры используют при производстве плёнок и защитных покрытий, сеток и ограждений.

Полимеры также используют в автомобилестроении. Из них делают детали для машин: резину, решётки радиаторов, колпаки для колёс, чехлы для сидений, вентиляционные решётки, коврики; их добавляют в лаки и краски. Они используются также при производстве клея.

В нефтегазовой промышленности также используются полимеры: при производстве оборудования, например насосов, камер и т. д.

В медицине полимеры применяют для изготовления капсул для лекарств. Полимер поликарбонат используют даже при разработке искусственного сердца. А гиалуроновая кислота, которая также является полимером, используется в процессе наращивания тканей.

Молекулы и атомы

Любое вещество состоит из очень маленьких частиц, которые можно увидеть только через микроскоп. Эти частицы называются атомами. Когда атомы объединяются, получаются молекулы.

Количество молекул бесконечно, потому что различные атомы могут объединяться. Но если убрать одни атомы и заменить их другими, это будет уже другая молекула, а соответственно, другое вещество.

Пластмасса

Пластмасса — это полимер, который не существует в природе. Его производит человек.

Это сокращение слов «пластическая» и «масса». Такое название было дано, потому что, когда пластмассу производят, она может принимать любую форму и потом держать эту форму. Чтобы изготовить пластмассу, нужны кристаллические и аморфные полимеры и органические соединения, которые можно найти в нефти.

В пластмассу в процессе производства могут добавляться красители для изменения её цвета.

Источник

Полимеры

Из Википедии — свободной энциклопедии

Если связь между макромолекулами осуществляется с помощью слабых сил Ван-Дер-Ваальса, они называются термопласты, если с помощью химических связей — реактопласты. К линейным полимерам относится, например, целлюлоза, к разветвлённым, например, амилопектин, есть полимеры со сложными пространственными трёхмерными структурами.

В строении полимера можно выделить мономерное звено — повторяющийся структурный фрагмент, включающий несколько атомов. Полимеры состоят из большого числа повторяющихся группировок (звеньев) одинакового строения, например поливинилхлорид (−CH₂−CHCl−)_n, каучук натуральный и др. Высокомолекулярные соединения, молекулы которых содержат несколько типов повторяющихся группировок, называют сополимерами или гетерополимерами.

Полимер образуется из мономеров в результате реакций полимеризации или поликонденсации. К полимерам относятся многочисленные природные соединения: белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды, каучук и другие органические вещества. В большинстве случаев понятие относят к органическим соединениям, однако существует и множество неорганических полимеров. Большое число полимеров получают синтетическим путём на основе простейших соединений элементов природного происхождения путём реакций полимеризации, поликонденсации и химических преобразований. Названия полимеров образуются из названия мономера с приставкой поли-: полиэтилен, полипропилен, поливинилацетат и т. п.

Источник

Что такое полимер: структура, основные характеристики и примеры полимеров

Полимер в биологии

Структура биологического полимера

Полимер представляет собой биологические вещества, которые отличаются сложной химической структурой.

Исследованием полимером активно занимался Г. Штаудингер. В ходе многочисленных опытов он доказал, что в составе полимеров есть повторяющиеся молекулярные звенья, которые соединены друг с другом при помощи ковалентных связей.

Отличительная особенность таких связей — в наличии общей электронной пары у двух атомов.

Также ученым было доказано, что для пластмассы характерна структура полимера — это открытие принесло Штаудингеру Нобелевскую премию.

Органические соединения в составе живых организмов характеризуются высокой степенью разнообразия. Природных органических соединений насчитывается несколько тысяч, и многие из них отличаются сложной структурой.

Выделяют 2 группы органических веществ:

Если говорить о молекулярной массе полимеров, то она варьируется от нескольких тысяч до нескольких миллионов. В основе всех полимеров лежит большое количество повторяющихся мономеров.

Есть несколько вариантов полимеров: органические, неорганические, элементарно органические. В свою очередь в группе органических выделяют природные, искусственные и синтетические.

Природные полимеры — продукт естественной среды обитания. В производстве таких полимеров человек участие не принимает.

Примеры биологических полимеров

Самые известные биологические полимеры — крахмал, хлопок, каучук и др.

Чтобы получить какие-либо искусственные полимеры, человек проводит определенные химические опыты.

Для получения модифицированного полимера с последующим его использованием в производстве красок, в раствор стирола в толуоле или ксилоле добавляется льняное или касторовое масла, которые затем нагреваются.

Результат реализации реакций химического синтеза — синтетические полимеры. В синтезе принимают участие разнообразные высокомолекулярные органические продукты.

Лавсан (химический полимер) получается в результате поликонденсирования терефталевой кислоты и этиленгликоля.

Основные характеристики полимеров

Молекула полимера может содержать разное количество мономеров — и это количество сильно варьируется. К примеру, в пептиде глутатиона всего три аминокислоты, хотя его роль в таких процессах как окисление и восстановления огромная. Для сравнения, в молекуле ДНК насчитывается больше трех миллионов нуклеотидов. Эта молекула способна образовывать наследственную информацию не только в отношении эукариотических клеток, но и бактерий.

Большая часть биологических полимеров — теплоизоляторы: они препятствуют процессу передачи тепла. Они достаточно эластичны и легко выдерживают агрессивную химическую среду. А еще биологические полимеры — диэлектрики. То есть, они практически не могут проводить электрический ток и не пропускают его через себя.

Основные характеристики биологических полимеров — гомо- и гетерополимерность. Это значит, что в составе полимера могут быть как одинаковые, так и разные мономеры.

В основе большинства полимеров лежит несколько мономеров: они относятся к одному классу веществ и соединены одинаковой связью. Яркий пример — гиалуроновая кислота.

Полимеры бывают регулярными и нерегулярными. Такое разделение связано с порядком расположения мономеров в полимере.

В состав регулярных полимеров входят повторяющиеся единицы и несколько мономеров. Та же гиалуроновая кислота включает два типа чередующихся остатков: глюкуроновую кислоту и N-ацетилглюкозамин.

Обычно в живых организмах присутствуют гетерополимеры, в которых мономеры не образуют повторяющиеся единицы. Отмечается уникальный характер последовательности мономеров внутри, который обусловлен высокой степенью разнообразия таких полимеров.

Характеристика биологических полимеров учитывает степень разветвленности.

Неразветвленные полимеры — линейные полимеры, образующиеся в результате формирования мономерами, входящими в их состав, двух связей с мономерами по соседству.

Пример таких полимеров — белки, нуклеиновые кислоты, разнообразные полисахариды.

Разветвленные полимеры — гликоген и крахмал. Разветвление отмечается у небольшой группы мономеров. По этой причине у разветвленных полимеров есть различия по частоте ветвления. Различается и длина таких ветвлений. Есть полимеры, основная цепь которых состоит из одного мономера, а боковые цепи — из другого.

В зависимости от состава низкомолекулярных веществ, входящих в состав молекулы полимера, выделяют несколько основных классов полимеров:

Особенности строения полимеров

Разобраться в строении биополимеров помогает молекула белков. Благодаря своему внушительному размеру, ее стали называть макромолекулой. Аминокислотный состав белковых молекул обеспечивает разнообразие: в них входит до 20 аминокислот. Аминокислоты внутри белков включают аминогруппы, отвечающие за основные свойства (NH2). У карбоксильной группы отмечаются кислотные свойства (COOH). В составе аминокислот есть радикал.

В составе аминокислот первые две части идентичные. Нужную степень уникальности им придает радикал.

При взаимодействии аминокислот одна с другой образуется пептидная связь. Она возникает, когда аминогруппы и карбоксильная группа сближаются. В процессе происходит выделение воды. Формирование пептидной связи происходит между С и N.

Подводя итоги и принимая во внимание особенности строения молекулы белка как биополимера, можно утверждать, что:

Источник

Биополимеры

Биополиме́ры — класс полимеров, встречающихся в природе в естественном виде, входящие в состав живых организмов: белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды, лигнин. Биополимеры состоят из одинаковых (или схожих) звеньев — мономеров. Мономеры белков — аминокислоты, нуклеиновых кислот — нуклеотиды, в полисахаридах — моносахариды.

Выделяют два типа биополимеров — регулярные (некоторые полисахариды) и нерегулярные (белки, нуклеиновые кислоты, некоторые полисахариды).

Содержание

Белки

Белки имеют несколько уровней организации — первичная, вторичная, третичная, и иногда четвертичная. Первичная структура определяется последовательностью мономеров, вторичная задаётся внутри- и межмолекулярными взаимодействиями между мономерами, обычно при помощи водородных связей. Третичная структура зависит от взаимодействия вторичных структур, четвертичная, как правило, образуется при объединении нескольких молекул с третичной структурой.

Вторичная структура белков образуется при взаимодействии аминокислот с помощью водородных связей и гидрофобных взаимодействий. Основными типами вторичной структуры являются

Для предсказания вторичной структуры используются компьютерные программы.

Третичная структура или «фолд» образуется при взаимодействии вторичных структур и стабилируется нековалентными, ионными, водородными связями и гидрофобными взаимодействиями. Белки, выполняющие сходные функции обычно имеют сходную третичную структуру. Примером фолда является β-баррел (бочка), когда β-листы располагаются по окружности. Третичная структура белков определяется с помощью рентгеноструктурного анализа.

Важный класс полимерных белков составляют Фибриллярные белки, самый известный из которых коллаген.

В животном мире в качестве опорного, структурообразующего полимера обычно выступают белки. Эти полимеры построены из 20 α-аминокислот. Остатки аминокислот связаны в макромолекулы белка пептидными связями, возникающими в результате реакции карбоксильных и аминогрупп.

Значение белков в живой природе трудно переоценить. Это строительный материал живых организмов, биокатализаторы — ферменты, обеспечивающие протекание реакций в клетках, и энзимы, стимулирующие определённые биохимические реакции, то есть обеспечивающие избирательность биокатализа. Наши мышцы, волосы, кожа состоят из волокнистых белков. Белок крови, входящий в состав гемоглобина, способствует усвоению кислорода воздуха, другой белок — инсулин — ответственен за расщепление сахара в организме и, следовательно, за его обеспечение энергией. Молекулярная масса белков колеблется в широких пределах. Так, инсулин — первый из белков, строение которого удалось установить Ф. Сэнгеру в 1953 г., содержит около 60 аминокислотных звеньев, а его молекулярная масса составляет лишь 12 000. К настоящему времени идентифицировано несколько тысяч молекул белков, молекулярная масса некоторых из них достигает 10 6 и более.

Нуклеиновые кислоты

В соответствии с природой углевода, входящего в их состав, нуклеиновые кислоты называются рибонуклеиновой и дезоксирибонуклеиновой кислотами. Общеупотребительными сокращениями являются РНК и ДНК. Нуклеиновые кислоты играют наиболее ответственную роль в процессах жизнедеятельности. С их помощью решаются две важнейшие задачи: хранения и передачи наследственной информации и матричный синтез макромолекул ДНК, РНК и белка.

Полисахариды

Полисахариды, синтезируемые живыми организмами, состоят из большого количества моносахаридов, соединённых гликозидными связями. Зачастую полисахариды нерастворимы в воде. Обычно это очень большие, разветвлённые молекулы. Примерами полисахаридов, которые синтезируют живые организмы, являются запасные вещества крахмал и гликоген, а также структурные полисахариды — целлюлоза и хитин. Так как биологические полисахариды состоят из молекул разной длины, понятия вторичной и третичной структуры к полисахаридам не применяются.

Полисахариды образуются из низкомолекулярных соединений, называемых сахарами или углеводами. Циклические молекулы моносахаридов могут связываться между собой с образованием так называемых гликозидных связей путём конденсации гидроксильных групп.

Наиболее распространены полисахариды, повторяющиеся звенья которых являются остатками α-D-глюкопиранозы или её производных. Наиболее известна и широко применяема целлюлоза. В этом полисахариде кислородный мостик связывает 1-й и 4-й атомы углерода в соседних звеньях, такая связь называется α-1,4-гликозидной.

Химический состав, аналогичный целлюлозе, имеют крахмал, состоящий из амилозы и амилопектина, гликоген и декстран. Отличие первых от целлюлозы состоит в разветвлённости макромолекул, причём амилопектин и гликоген могут быть отнесены к сверхразветвлённым природным полимерам, то есть дендримерам нерегулярного строения. Точкой ветвления обычно является шестой атом углерода α-D-глюкопиранозного кольца, который связан гликозидной связью с боковой цепью. Отличие декстрана от целлюлозы состоит в природе гликозидных связей — наряду с α-1,4-, декстран содержит также α-1,3- и α-1,6-гликозидные связи, причем последние являются доминирующими.

Целлюлоза содержится в коре и древесине деревьев, стеблях растений: хлопок содержит более 90 % целлюлозы, деревья хвойных пород — свыше 60 %, лиственных — около 40 %. Прочность волокон целлюлозы обусловлена тем, что они образованы монокристаллами, в которых макромолекулы упакованы параллельно одна другой. Целлюлоза составляет структурную основу представителей не только растительного мира, но и некоторых бактерий.

В животном мире в качестве опорных, структурообразующих полимеров полисахариды «используются» лишь насекомыми и членистоногими. Наиболее часто для этих целей применяется хитин, который служит для построения так называемого внешнего скелета у крабов, раков, креветок. Из хитина деацетилированием получается хитозан, который, в отличие от нерастворимого хитина, растворим в водных растворах муравьиной, уксусной и соляной кислот. В связи с этим, а также благодаря комплексу ценных свойств, сочетающихся с биосовместимостью, хитозан имеет большие перспективы широкого практического применения в ближайшем будущем.

Крахмал относится к числу полисахаридов, выполняющих роль резервного пищевого вещества в растениях. Клубни, плоды, семена содержат до 70 % крахмала. Запасаемым полисахаридом животных является гликоген, который содержится преимущественно в печени и мышцах.

Из пентоз значение имеют полимеры арабинозы и ксилозы, которые образуют полисахариды, называемые арабинами и ксиланами. Они, наряду с целлюлозой, определяют типичные свойства древесины.

Источник

ПОЛИМЕРЫ БИОЛОГИЧЕСКИЕ

П. б. являются высокомолекулярными соединениями (мол. масса а. е. м)., к ним приложимы все закономерности, установленные для др. природных и синтетич. полимеров. Однако особенности хим. строения приводят к появлению у П. б. уникальной пространств, структуры, необычных физ., хим. и биол. свойств. По строению осн. цепи белки и НК однородны, подобно г о-мополимерам, у к-рых все мономерные звенья цепи идентичны. Но в последовательности боковых групп у П. б. закодирована генетич. информация организма, поэтому П. б. следует отнести к гетеропо-лимерам с заданной нерегулярной последователь-ностью мономерных звеньев. В структуре и свойствах П. б. отражены эти особенности их хим. строения. Пространств. строение П. б. с определ. структурой всей макромолекулы наз. конформацией; от конформации зависит взаимодействие П. б. с др. молекулами. Наиб. важные биол. ф-ции П. б. также определяются его конформацией и способностью изменять её при разл. взаимодействиях. В большинстве случаев взаимодействия П. б. являются специфически-м и, т. е. зависят от последовательности мономерных звеньев и локальной структуры (см. также Биофизика).

Рис. 1. Вращение пептидных групп.

b- изгибы, обеспечивающие поворот цепи примерно на 180 при образовании водородной связи. Возможны и др. типы спиралей. Все названные вторичные структуры характерны для глобулярных белков. Фибриллярный белок, из к-рого строятся длинные ориентиров. волокна, образует спирали иного вида. Вторичную (и третичную) структуру белка исследуют с помощью рентгеновского структурного анализа, позволяющего определить положение всех атомов в молекуле. Трудности здесь связаны с тем, что не каждый белок можно получить в виде кристаллов необходимого размера. Обычно структура белка в растворе мало отличается от структуры в кристалле, это связано с тем, что кристаллы белка содержат много воды. Однако в целом вопрос о соответствии структуры белка в растворе и в кристалле остаётся открытым. Содержаниеa- и b-структур сильно различается для разл. белков.

Исключение составляют мембранные белки, контактирующие с неполярной жирной внутр. частью липидной мембраны. На поверхности белка в этом случае находятся гидрофобные аминокислотные остатки.

Четвертичная структура. В тех случаях, когда глобулярный белок состоит из неск. субъединиц, не связанных между собой хим. связями, говорят о его четвертичной структуре. Связь субъединиц между собой осуществляется гл. обр. за счёт гидрофобных взаимодействий; при этом на контактирующих частях поверхности субъединиц расположены в осн. гидрофобные аминокислотные остатки. Иногда во взаимодействие между субъединицами глобулярных белков дают заметный вклад водородные связи. Др. тип четвертичных структур представляют белки, образующие нити цитоскелета. Цитоскелет заполняет пространство между ядром и внутр. поверхностью клеточной мембраны и выполняет ряд важных ф-ций, определяя форму клетки, её перемещение как целого, размещение и транспорт внутр. компонентов. Известны три типа таких нитей: микрофиламенты, микротрубочки и промежуточные филаменты. Подробно изучены первые два типа. Микрофиламенты собираются из молекул глобулярного белка актина, соединяясь в длинные цепи, образующие двойные спирали. Микротрубочки также собираются из глобулярных молекул белка тубулина и являются важным компонентом ми-тотич. аппарата (аппарата деления) клетки, образующим т. н. митотич. веретно и определяющим распределение генетич. материала между дочерними клетками.

Особый тип структур представляют фибриллярные белки актин и миозин, образующие упорядоченные структуры (саркомеры). Их скольжение друг относительно друга составляет основу механизма мышечного сокращения. В сложные пространств. структуры собираются белки оболочек вирусов, бактериофагов и таких структур, как рибосомы, нуклеосомы и др.

Нуклеиновые кислоты. Дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК) и рибонуклеиновые кислоты (РНК) являются полинуклеотидами, т. е. П.

Источник