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:
Биология. 10 класс
Конспект урока
Урок 2. «Неорганические соединения клетки. Углеводы и липиды. Регулярные и нерегулярные биополимеры»
3. Перечень вопросов, рассматриваемых в теме;
Урок позволит выявить особенности химического состава организмов, роль неорганических (воды, солей) и органических (углеводов, липидов) веществ в жизни клетки и организма.
Обучающиеся узнают, какие химические элементы входят в состав живых организмов, рассмотрят самое важное минеральное вещество на Земле, структуру молекулы воды и её биологическую роль, выяснят физические и химические свойства воды, благодаря которым возможно существование жизни на Земле.
Также обучающиеся увидят особенности строения органических веществ, узнают, на какие классы делятся углеводы и липиды, их значение для жизнедеятельности клетки и организма в целом.
4. Глоссарий по теме (перечень терминов и понятий, введенных на данном уроке);
Биологически значимые элементы, органогены, неорганические вещества, вода, водородная связь, гидрофильные вещества, гидрофобные вещества; органические вещества, регулярные и нерегулярные биополимеры; углеводы, липиды
Биологически значимые элементы – химические элементы, необходимые живым организмам для обеспечения нормальной жизнедеятельности.
Органогены — химические элементы, входящие в состав всех органических соединений, составляют около 98% массы клетки (углерод, водород, кислород, азот).
Неорганические вещества (неорганические соединения) клетки — простые вещества и соединения, не являющиеся органическими, не имеют характерного для органических веществ углеродного скелета.
Органические вещества – это сложные соединения, основой строения которых являются атомы углерода, составляют отличительный признак живого. Органические соединения многообразны, но четыре группы из них имеют всеобщее биологическое значение: белки, нуклеиновые кислоты, углеводы и липиды.
Водородная связь – вид взаимодействия между молекулами вещества. Молекулы воды удерживаются за счет водородных связей, которые возникли между частично положительным атомом водорода одной молекулы и частично отрицательным атомом кислорода другой молекулы. Водородные связи заметно слабее по сравнению с ковалентными. Однако они намного крепче, чем стандартное молекулярное притяжение частиц, свойственное твёрдым и жидким телам.
Гидрофильные вещества – хорошо растворимые в воде вещества, молекулы которых полярны и легко соединяются с молекулами воды. К ним относятся ионные соединения (содержат заряженные частицы): соли, кислоты, основания и полярные соединения (в молекулах присутствуют заряженные группы): сахара, простые спирты, аминокислоты.
Гидрофобные вещества– нерастворимые в воде вещества, энергия притяжения молекул которых к молекулам воды меньше энергии водородных связей молекул воды. К числу гидрофобных веществ относятся жиры, полисахариды, нуклеиновые кислоты, большинство белков.
Буферность – способность клетки поддерживать слабощелочную реакцию своего содержимого на постоянном уровне.
Полимер (от греч. «поли» — много) — многозвеньевая цепь, в которой звеном является какое-либо относительно простое вещество — мономер.
Регулярные полимеры – полимеры, в молекуле которых группа мономеров периодически повторяется (полисахариды).
Нерегулярные полимеры – полимеры, в которых нет определенной закономерности в последовательности мономеров (белки, нуклеиновые кислоты, некоторые полисахариды).
Углеводы – органические соединения, состоящие из атомов углерода, кислорода и водорода. В большинстве углеводов водород и кислород находятся, как правило, в тех же соотношениях, что и в воде (отсюда их название — углеводы).
Полисахариды – высокомолекулярные углеводы, молекулы которых представляют собой длинные линейные или разветвлённые цепочки моносахаридных остатков, соединённых гликозидной связью. При гидролизе образуют моносахариды или олигосахариды.
Липиды — обширная группа органических соединений, включающая жиры и жироподобные вещества. Молекулы простых липидов состоят из спирта и жирных кислот, сложных — из спирта, высокомолекулярных жирных кислот и других компонентов
5. Основная и дополнительная литература по теме урока (точные библиографические данные с указанием страниц);
6. Открытые электронные ресурсы по теме урока (при наличии);
1.Российский общеобразовательный Портал www.school.edu.ru
2 Единая коллекция цифровых образовательных ресурсов www.school-collection.edu.ru
3.Каталог образовательных ресурсов по биологии http://www.mec.tgl.ru/index.php?module=subjects&func=viewpage&pageid=133
7. Теоретический материал для самостоятельного изучения;
В состав живой клетки входят те же химические элементы, которые входят в состав неживой природы. Из 104 элементов периодической системы Д. И. Менделеева в клетках обнаружено 60.
Их делят на три группы:
Молекулярный состав клетки сложный и разнородный. Отдельные соединения — вода и минеральные соли — встречаются также в неживой природе; другие — органические соединения: углеводы, жиры, белки, нуклеиновые кислоты и др.— характерны только для живых организмов.
Вода составляет около 80 % массы клетки; в молодых быстрорастущих клетках — до 95 %, в старых — 60 %.
Роль воды в клетке велика.
Она является основной средой и растворителем, участвует в большинстве химических реакций, перемещении веществ, терморегуляции, образовании клеточных структур, определяет объем и упругость клетки. Большинство веществ поступает в организм и выводится из него в водном растворе. Биологическая роль воды определяется специфичностью строения: полярностью ее молекул и способностью образовывать водородные связи, за счет которых возникают комплексы из нескольких молекул воды. Если энергия притяжения между молекулами воды меньше, чем между молекулами воды и вещества, оно растворяется в воде. Такие вещества называют гидрофильными (от греч. «гидро» — вода, «филее» — люблю). Это многие минеральные соли, белки, углеводы и др. Если энергия притяжения между молекулами воды больше, чем энергия притяжения между молекулами воды и вещества, такие вещества нерастворимы (или слаборастворимы), их называют гидрофобными (от греч. «фобос» — страх) — жиры, липиды и др.
Органические вещества в комплексе образуют около 20—30% состава клетки.
Углеводы — органические соединения, состоящие из углерода, водорода и кислорода. Их делят на простые — моносахариды (от греч. «монос» — один) и сложные — полисахариды (от греч. «поли» — много).
Моносахариды (их общая формула СnН2nОn) — бесцветные вещества с приятным сладким вкусом, хорошо растворимы в воде. Они различаются по количеству атомов углерода. Из моносахаридов наиболее распространены гексозы (с 6 атомами С): глюкоза, фруктоза (содержащиеся в фруктах, меде, крови) и галактоза (содержащаяся в молоке). Из пентоз (с 5 атомами С) наиболее распространены рибоза и дезоксирибоза, входящие в состав нуклеиновых кислот и АТФ.
Полисахариды относятся к полимерам — соединениям, у которых многократно повторяется один и тот же мономер. Мономерами полисахаридов являются моносахариды. Полисахариды растворимы в воде, многие обладают сладким вкусом. Из них наиболее просты дисахариды, состоящие из двух моносахаридов. Например, сахароза состоит из глюкозы и фруктозы; молочный сахар — из глюкозы и галактозы. С увеличением числа мономеров растворимость полисахаридов падает. Из высокомолекулярных полисахаридов наиболее распространены у животных гликоген, у растений — крахмал и клетчатка (целлюлоза). Последняя состоит из 150—200 молекул глюкозы.
Углеводы — основной источник энергии для всех форм клеточной активности (движение, биосинтез, секреция и т. д.). Расщепляясь до простейших продуктов СO2 и Н2O, 1 г углевода освобождает 17,6 кДж энергии. Углеводы выполняют строительную функцию у растений (их оболочки состоят из целлюлозы) и роль запасных веществ (у растений — крахмал, у животных — гликоген).
Липиды — это нерастворимые в воде жироподобные вещества и жиры, состоящие из глицерина и высокомолекулярных жирных кислот. Животные жиры содержатся в молоке, мясе, подкожной клетчатке. При комнатной температуре это твердые вещества. У растений жиры находятся в семенах, плодах и других органах. При комнатной температуре это жидкости. С жирами по химической структуре сходны жироподобные вещества. Их много в желтке яиц, клетках мозга и других тканях.
Роль липидов определяется их структурной функцией. Из них состоят клеточные мембраны, которые вследствие своей гидрофобности препятствуют смешению содержимого клетки с окружающей средой. Липиды выполняют энергетическую функцию. Расщепляясь до СO2 и Н2O, 1 г жира выделяет 38,9 кДж энергии. Они плохо проводят тепло, накапливаясь в подкожной клетчатке (и других органах и тканях), выполняют защитную функцию и роль запасных веществ.
8. примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля (не менее 2 заданий).
Найдите и выделите цветом по вертикали и горизонтали названия химических элементов:
Тип вариантов ответов: Текстовые,Графические, Комбинированные.
Правильный вариант/варианты (или правильные комбинации вариантов):
Подсказка:при необходимости обратитесь к дополнительным материалам
Заполните пропуски в тексте, выбрав вариант ответа из выпадающего списка.
Выпадающий список 1.
Выпадающий список 2.
Тип вариантов ответов: Текстовые, Графические, Комбинированные.
Правильный вариант/варианты (или правильные комбинации вариантов):выделены жирным шрифтом
Выпадающий список 1.
Выпадающий список 2.
Подсказка:В большинстве клеток организма рН составляет 7,0 – 7,4.
Биологические полимеры — компонент всего живого
Какие вещества являются ими?
Состоят они изаминокислот, формирующих всевозможные вещества. Ихсостав предопределен вгенетическом коде, над изучением которого уже давно активно работают ученые совсего мира.
Взависимости отпоследовательности мономеров, выделяют регулярные инерегулярные вещества. Крегулярным относятся тебиополимеры, вчьих молекулах периодически повторяется определенная группа мономеров (аминокислот). Посути, мономеры это своеобразные строительные единицы организма, которые позволяют достичь столь высокого разнообразия существующих биополимеров. Именно засчет такого многообразия исуществует огромное количество различных живых существ.
Какие вещества ими являются? Один изшироко распространенных регулярных биологических полимеров— полисахарид. Это разветвленные молекулы, связанные между собой при помощи гликозидных соединений. Речь идет отаких элементах, как гликоген, хитин, целлюлоза, крахмал идругие.
Кслову, последние два вещества имеют абсолютно одинаковый химический состав, отличающийся лишь структурой. Интересен тот факт, что такое, казалосьбы, небольшое отличие играет важную роль. Например, целлюлоза нерастворяется вводе инеусваивается организмом человека. Авот крахмал, наоборот, нетолько водорастворим, ноилегко усваивается.
Стебли множества растений, атакже скелет животных всвоем составе содержат различные полисахариды.
Белки ‒ нерегулярные биополимеры
Самый распространенный вид нерегулярных биополимеров— белки. Они содержатся вовсех живых существах иявляются своеобразным строительным материалом. Именно благодаря имвозможно осуществление массы важных химических реакций, протекающих втеле.
Белки принимают активное участие вусвоении кислорода, атакже вразложении сахаров. Более того, они обеспечивают поступление питательных веществ вклетки, являются источником энергии иподдерживают работу иммунной системы.
Также, существует отдельный вид— сократительные белки, которые позволяют осуществлять двигательную функцию. Речь идет оразнообразных движениях, начиная собразования псевдоподий идвижения ресничек упростейших, закачивая сокращением мышц умногоклеточных организмов идвижением листьев растений.
Помимо этого, все существующие ферменты, ускоряющие химические процессы ворганизме, имеют белковую природу. Таким образом, они выполняют катализаторную функцию. Антитела, которые защищают отчужеродных соединений имикроорганизмов иподдерживают иммунную систему, также относятся кбелкам.
Ученые ведут активные исследования белковых полимеров. Полученные результаты позволяют синтезировать новые лекарства помассе направлений. Существующие методы синтеза дают возможность дополнять белки различными аминокислотами, получая соединения, несуществующие вприроде. Помимо этого, таким образом, добавляются различные маркеры, облегчающие проведение опытов иэкспериментов.
Один изнаиболее важных результатов работы ссинтезом биополимеров— это разработка метода добычи инсулина, атакже получение информации оструктуре таких веществ, как гемоглобин имиоглобин.
Ворганизме человека обнаружено пять миллионов различных типов белковых молекул, которые непросто рознятся между собой, ноиотличаются отподобных соединений удругих живых существ. Достигается такое разнообразие засчет всего лишь двадцати базовых аминокислот, которые соединяются вовсевозможных комбинациях. Всего вприроде насчитывается свыше 300 видов таких мономеров.
Многообразие белковых соединений необходимо было как-то классифицировать. Поэтому, ученые разделили ихнанесколько типов. Выделяют следующие разновидности белков, отличающихсяпо форме:
Также есть следующее разделение посоставу:
Кпротеидам также относятся инуклеиновые кислоты, которые посвоей сути относятся кполинуклеотидам.
Что такое нуклеиновые кислоты?
Основу данных веществ составляют мономерные единицы— нуклеотиды, которые включают всебя азот, углевод иостатки фосфорной кислоты. Исследования данного вида соединений человечество начало еще столетие назад.
Впервые подобное соединение удалось синтезировать измышц быка. Современем ученым удалось получить «чистые» соединения, всоставе которых небыло белка вовсе. Наданный момент классическим вариантом синтеза нуклеиновых кислот является обработка анионным детергентом разрушенных стенок клеток.
Нуклеиновая кислота— это одно изосновных веществ клеток, наряду суглеводами ибелками. Вчастности, они содержатся непосредственно вядре клетки. Найти ихможно уабсолютно всех живых организмов. Собственно, этим иобусловлено название, произошедшее отлатинского слова nucleus (ядро).
Посути, нуклеиновые кислоты— это химические элементы, служащие основой для всех организмов. Основная функция данных веществ— хранение ипередача информации. Именно они определяют рост, развитие инаследственные признаки живых существ.
Классическими примерами нуклеиновых кислот являются РНК иДНК, которые несут всебе генетическую информацию организма.
РНК— рибонуклеиновая кислота— побольшей части является одноцепочечными молекулами. Выделяют три вида РНК, различающихся посвоей структуре, местоположению ифункционалу:
Данные нуклеиновых кислот легко разрушаются под влиянием таких веществ, как щелочь, например. Авот ДНК, напротив, обладает устойчивостью кподобному воздействию.
Что такое ДНК?
ДНК— дезоксирибонуклеиновая кислота— это стойкая кразрушению структура, перманентно хранящая все необходимые данные отом или ином живом организме. Вчастности, вней содержится информация опоследовательности аминокислот, которые синтезирует клетка. Это химическое соединение было открыто еще в1869 году идосих пор полностью неизучено.
Еемолекулы представляют изсебядвуцепочечные полимеры сбольшой массой. Внешне они представляют собой закрученную вдвойную спираль последовательность элементов. Всостав ДНК входят четыре основных вещества:
Таким образом, существует два вида перекладин молекулы, составленные изтой или иной пары веществ. Особая форма молекулы обусловлена еедлиной. Для того чтобы компактно разместить ДНК, две молекулы закручиваются друг вокруг друга. Таким образом получается сократить размер цепочки в Этот процесс называется спирализацией.
Сами молекулы способны ксамопроизведению. Процесс образования новой ДНК посути является своеобразным раздвоением спирали надве ветви, вовремя которого происходит разрушение ферментами существующих связей между базовыми парами. Каждая полученная ветвь является частью новой ДНК, апоследовательность соединения базовых пар аналогична последовательности изначальной спирали.
Ученые активно работают над расшифровкой генетического кода, содержащегося вданном виде кислот. Результаты работы помогут понять принцип строения живых организмов, втом числе ичеловека. Более того, полученная информация может лечь воснову разработок технологии искусственного синтеза клеток стеми или иными предопределенными характеристиками.
Некоторые ученые придерживаются мнения, что путем внедрения всуществующий код ДНК определенной новой информации, можно изменить характеристики организма. Предполагается, что таким образом станет возможной нетолько борьба срядом заболеваний, ноиполное ихискоренение путем внедрения генетической устойчивости.
Биологические полимеры. Строение белков
Полимеры представляют собой высокомолекулярные органические соединения, состоящие из мономеров, которые соединяются посредством ковалентных связей в длинные цепи. Биологические полимеры входят в состав живых организмов, их них строится основная масса клеток. Цепи мономеров могут быть линейными и разветвленными. Различают регулярные и нерегулярные полимеры.
1. Регулярные полимеры состоят из идентичных мономеров. Если мономер обозначить буквой А, то такой полимер будет выглядеть как последовательность одинаковых букв А-А-А-А-А. А. Сюда относятся полисахариды, например, крахмал, целлюлоза, а также нуклеиновые кислоты. Фактически полисахариды состоят из чаще одинаковых повторяющихся моносахаридов — глюкозы. Также и нуклеиновые кислоты состоят из повторяющихся нуклеотидов с азотистыми основаниями.
2. Нерегулярные полимеры — созданы из разных мономеров, в последовательности которых нет строгой закономерности. Буквенно их можно обозначить как А-Б-В-Б-А-В. Сюда относятся белки, состоящие из 20 очень разных аминокислот.
3. Белки к тому же — линейные полимеры, они напоминают цепочки, как правило, не прямые, а изогнутые, перепутанные и переплетенные. Выглядят белки чаще всего либо как компактные шары — глобулы, либо как фибриллы — вытянутые структуры.
Строение молекулы белка
Молекула белка имеет значительный размер, за что и получила название макромолекулы. Помимо кислорода, углерода, водорода и азота в составе белковой молекулы обнаруживаются железо, фосфор, сера. Как мы уже сказали, все невероятное разнообразие белков обеспечивают всего 20 аминокислот. Но эти кислоты-мономеры складываются, словно кирпичики, в огромные строения. В каждой молекуле может быть как сотня мономеров, так и свыше тысячи!
Всякая аминокислота имеет свое особое название и свойства. Каково строение аминокислоты?
1. Аминогруппа (NH2), имеющая основные свойства.
2. Карбоксильная группа (COOH), имеющая кислотные свойства.
3. Радикал — если первые две части одинаковы у аминокислот, то радикал имеет особое строение и придает кислоте «оригинальность».
Взаимодействие аминокислот и образование пептидной связи
1. Сближение аминогруппы и карбоксильной группы двух аминокиcлот.
2. Выделение молекулы воды.
3. Образование пептидной связи между С и N.
Рассмотрим вопросы, встречающиеся в тестах по биологии:
1. В белковой молекуле амфотерные свойства белкам придают радикалы аминокислот (кислотно-основные группы боковых радикалов аминокислот).
2. Что придает амфотерность именно аминокислотам? Самим аминокислотам амфотерность сообщает наличие в их молекуле амино- и карбоксильной групп. Щелочные свойства аминокислотам придает аминогруппа, кислотные — карбоксильная.
3. Радикалы придают одним аминокислотам гидрофильные, а другим — гидрофобные свойства.
