Chemische Struktur eines Polypeptid- Makromoleküls

Ein Makromolekül ist ein „ Molekül mit hoher relativer Molekülmasse, dessen Struktur im Wesentlichen aus der mehrfachen Wiederholung von Einheiten besteht, die tatsächlich oder gedanklich von Molekülen mit niedriger relativer Molekülmasse abgeleitet sind.“ [ 1 ] Polymere , die häufig in Konsumgütern verwendet werden, sind Beispiele für Makromoleküle. Gängige Makromoleküle sind Biopolymere ( RNA und DNA , Proteine ​​und Kohlenhydrate ) [ 2 ] , Polyolefine ( Polyethylen ) und Polyamide ( Nylon ).

Synthetische Makromoleküle

Polyethylenterephthalat (PET), das zur Herstellung von Getränkebehältern verwendet wird

Viele Makromoleküle sind synthetische Polymere ( Kunststoffe , synthetische Fasern und synthetischer Kautschuk ). Polyethylen wird in besonders großem Maßstab hergestellt, sodass Ethylen das Hauptprodukt der chemischen Industrie ist . [ 3 ]

Beispiele für verschiedene Arten synthetischer Makromoleküle sind:

Bei der Betrachtung metallorganischer Materialien im Rahmen dieses Anwendungsbereichs können auch metallorganische Gerüstverbindungen (MOFs) eingeschlossen sein. Werden darüber hinaus auch andere nicht-kovalente Bindungen, wie Wasserstoffbrückenbindungen oder π-Stapelung, berücksichtigt, fallen viele verschiedene Arten von supramolekularen Netzwerken darunter. [ 4 ]

Makromoleküle in der Natur

Lineare Biopolymere

Alle Lebewesen sind für ihre biologischen Funktionen auf drei essentielle Biopolymere angewiesen : DNA , RNA und Proteine . [ 5 ] Jedes dieser Moleküle ist lebensnotwendig, da es eine spezifische und unverzichtbare Rolle in der Zelle spielt . [ 6 ] Vereinfacht gesagt: DNA synthetisiert RNA, und RNA synthetisiert anschließend Proteine .

DNA , RNA und Proteine ​​bestehen alle aus einer sich wiederholenden Struktur verwandter Bausteine ​​( Nukleotide bei DNA und RNA, Aminosäuren bei Proteinen). Im Allgemeinen handelt es sich um unverzweigte Polymere, die sich als Kette darstellen lassen. Man kann sie sich wie eine Perlenkette vorstellen, wobei jede Perle ein einzelnes Nukleotid- oder Aminosäuremonomer repräsentiert, die über kovalente Bindungen zu einer sehr langen Kette verbunden sind.

In den meisten Fällen weisen die Monomere innerhalb der Kette eine starke Affinität zur Wechselwirkung mit anderen Aminosäuren oder Nukleotiden auf. In DNA und RNA kann dies in Form von Watson-Crick-Basenpaaren ( G – C und A – T oder A– U ) erfolgen, obwohl auch viele komplexere Wechselwirkungen auftreten können.

Strukturelle Merkmale

DNA RNA Proteine
Kodiert genetische Informationen Ja Ja NEIN
Katalysiert biologische Reaktionen NEIN Ja Ja
Bausteine ​​(Typ) Nukleotide Nukleotide Aminosäuren
Bausteine ​​(Anzahl) 4 4 20
Gestrandetsein Doppelt Einzel Einzel
Struktur Doppelhelix Komplex Komplex
Stabilität gegenüber Abbau Hoch Variable Variable
Reparatursysteme Ja NEIN NEIN

Aufgrund der doppelsträngigen Struktur der DNA liegen praktisch alle Nukleotide in Form von Watson-Crick-Basenpaaren zwischen Nukleotiden auf den beiden komplementären Strängen der Doppelhelix vor . [ 7 ]

Im Gegensatz dazu sind RNA und Proteine ​​normalerweise einzelsträngig. Daher unterliegen sie nicht der regelmäßigen Geometrie der DNA-Doppelhelix und falten sich in komplexe, dreidimensionale Strukturen, die von ihrer Sequenz abhängen. Diese unterschiedlichen Strukturen sind für viele gemeinsame Eigenschaften von RNA und Proteinen verantwortlich, darunter die Bildung spezifischer Bindungstaschen und die Fähigkeit, biochemische Reaktionen zu katalysieren.

DNA ist für die Informationskodierung optimiert.

Die DNA ist ein Informationsspeichermolekül, das den vollständigen Satz an Anweisungen (das Genom ) kodiert, die für den Aufbau, die Erhaltung und die Fortpflanzung jedes lebenden Organismus erforderlich sind. [ 8 ]

DNA und RNA können beide genetische Information kodieren, da biochemische Mechanismen die in einer DNA- oder RNA-Sequenz kodierte Information lesen und zur Bildung eines spezifischen Proteins nutzen. Die Sequenzinformation eines Proteinmoleküls wird jedoch von den Zellen nicht zur funktionellen Kodierung genetischer Information verwendet. [ 2 ] : 5

DNA besitzt drei Haupteigenschaften, die sie der RNA bei der Kodierung genetischer Informationen weit überlegen machen. Erstens ist sie normalerweise doppelsträngig, sodass in jeder Zelle mindestens zwei Kopien der für jedes Gen kodierenden Information vorhanden sind. Zweitens ist DNA wesentlich stabiler gegenüber Abbauprozessen als RNA, eine Eigenschaft, die hauptsächlich auf das Fehlen der 2'-Hydroxylgruppe in jedem Nukleotid der DNA zurückzuführen ist. Drittens existieren hochkomplexe DNA-Überwachungs- und Reparatursysteme, die Schäden an der DNA erkennen und die Sequenz bei Bedarf reparieren . Vergleichbare Systeme zur Reparatur beschädigter RNA-Moleküle haben sich nicht entwickelt. Folglich können Chromosomen viele Milliarden Atome enthalten, die in einer spezifischen chemischen Struktur angeordnet sind.

Proteine ​​sind für die Katalyse optimiert.

Proteine ​​sind funktionelle Makromoleküle, die für die Katalyse der biochemischen Reaktionen verantwortlich sind , die das Leben erhalten. [ 2 ] : 3 Proteine ​​erfüllen alle Funktionen eines Organismus, zum Beispiel Photosynthese, neuronale Funktionen, Sehen und Bewegung. [ 9 ]

Die einzelsträngige Struktur von Proteinmolekülen und ihre Zusammensetzung aus 20 oder mehr verschiedenen Aminosäuren ermöglichen es ihnen, sich in eine Vielzahl unterschiedlicher dreidimensionaler Strukturen zu falten. Gleichzeitig bilden sie Bindungstaschen, über die sie spezifisch mit verschiedensten Molekülen interagieren können. Darüber hinaus ermöglicht die chemische Vielfalt der Aminosäuren in Verbindung mit den unterschiedlichen chemischen Umgebungen, die durch die lokale 3D-Struktur entstehen, vielen Proteinen, als Enzyme zu wirken und eine breite Palette spezifischer biochemischer Reaktionen in Zellen zu katalysieren. Zudem haben Proteine ​​die Fähigkeit entwickelt, eine Vielzahl von Cofaktoren und Coenzymen zu binden – kleinere Moleküle, die dem Protein spezifische Aktivitäten verleihen können, die über die alleinige Funktion der Polypeptidkette hinausgehen.

RNA ist multifunktional

RNA ist multifunktional; ihre Hauptfunktion besteht darin , Proteine ​​gemäß den Anweisungen in der DNA der Zelle zu codieren. [ 2 ] : 5 Sie kontrollieren und regulieren viele Aspekte der Proteinsynthese in Eukaryoten .

RNA kodiert genetische Information, die in die Aminosäuresequenz von Proteinen übersetzt werden kann , wie die in jeder Zelle vorhandenen Boten-RNA-Moleküle und die RNA-Genome zahlreicher Viren belegen. Aufgrund ihrer einzelsträngigen Struktur, ihrer Neigung zum schnellen Abbau und des Fehlens von Reparaturmechanismen eignet sich RNA weniger gut zur langfristigen Speicherung genetischer Information als DNA.

Darüber hinaus ist RNA ein einzelsträngiges Polymer, das sich – ähnlich wie Proteine ​​– in eine Vielzahl dreidimensionaler Strukturen falten kann. Einige dieser Strukturen bieten Bindungsstellen für andere Moleküle und chemisch aktive Zentren, die spezifische chemische Reaktionen an den gebundenen Molekülen katalysieren können. Die begrenzte Anzahl unterschiedlicher Bausteine ​​der RNA (4 Nukleotide gegenüber >20 Aminosäuren in Proteinen) sowie ihre geringe chemische Diversität führen dazu, dass katalytische RNA ( Ribozyme ) im Allgemeinen für die meisten biologischen Reaktionen weniger effektive Katalysatoren sind als Proteine.

Verzweigte Biopolymere

Idealisierte Struktur von Lignin aus einem Nadelholz

Lignin ist ein weit verbreitetes natürliches Makromolekül. Es macht etwa ein Drittel der Baummasse aus. Lignin entsteht durch Vernetzung. Verwandt mit Lignin sind Polyphenole , die aus einer verzweigten Struktur mehrerer phenolischer Untereinheiten bestehen. Sie können sowohl strukturelle Funktionen (z. B. Lignin) als auch Funktionen als sekundäre Metaboliten übernehmen , die an Signalprozessen , Pigmentierung und Abwehr beteiligt sind .

Himbeer-Ellagitannin , ein Tannin , das aus einem Kern aus Glucoseeinheiten besteht, der von Gallussäureestern und Ellagsäureeinheiten umgeben ist

Kohlenhydratmakromoleküle ( Polysaccharide ) entstehen aus Polymeren von Monosacchariden . [ 2 ] : 11 Da Monosaccharide mehrere funktionelle Gruppen besitzen , können Polysaccharide lineare Polymere (z. B. Cellulose ) oder komplexe, verzweigte Strukturen (z. B. Glykogen ) bilden. Polysaccharide erfüllen zahlreiche Funktionen in lebenden Organismen, indem sie als Energiespeicher (z. B. Stärke ) und als Strukturkomponenten (z. B. Chitin in Arthropoden und Pilzen) dienen. Viele Kohlenhydrate enthalten modifizierte Monosaccharideinheiten, bei denen funktionelle Gruppen ersetzt oder entfernt wurden.

Struktur eines beispielhaften Polyphenylen- Dendrimer -Makromoleküls [ 10 ]

Siehe auch

Referenzen

  1. ^ „Makromolekül (Polymermolekül)“ . IUPAC Goldbook . doi : 10.1351/goldbook.M03667 .
  2. ^ a b c d e Stryer L, Berg JM, Tymoczko JL (2002). Biochemie (5. Aufl.). San Francisco: W. H. Freeman . ISBN 978-0-7167-4955-4Archiviert vom Original am 10. Dezember 2010.
  3. ^ Whiteley, Kenneth S.; Heggs, T. Geoffrey; Koch, Hartmut; Mawer, Ralph L.; Immel, Wolfgang (2000). „Polyolefine“. Ullmanns Enzyklopädie der Technischen Chemie . doi : 10.1002/14356007.a21_487 . ISBN 3-527-30673-0Die
  4. ^ de Heer Kloots, MHP; Schoustra, SK; Dijksman, JA; Smulders, MMJ (3. April 2023). „Phasentrennung in supramolekularen und kovalenten anpassungsfähigen Netzwerken“ . Weiche Materie (19). Royal Society of Chemistry: 2857–2877 . doi : 10.1039/d3sm00047h . PMC 10131172 . 
  5. ^ Berg, Jeremy Mark; Tymoczko, John L.; Stryer, Lubert (2010). Biochemie, 7. Aufl. (Biochemie (Berg)) . WH Freeman & Company . ISBN 978-1-4292-2936-4DieDie fünfte Auflage ist online über die NCBI-Bibliothek verfügbar: Link
  6. ^Walter, Peter; Alberts, Bruce; Johnson, Alexander S.; Lewis, Julian; Raff, Martin C.; Roberts, Keith (2008). Molecular Biology of the Cell (5th edition, Extended version). New York: Garland Science. ISBN 978-0-8153-4111-6.. Fourth edition is available online through the NCBI Bookshelf: link
  7. ^Watson, James D.; Crick, Francis H. C. "Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid". Nature. doi:10.1038/171737a0. Retrieved 29 December 2025.
  8. ^Golnick, Larry; Wheelis, Mark. (1991-08-14). The Cartoon Guide to Genetics. Collins Reference. ISBN 978-0-06-273099-2.
  9. ^Takemura, Masaharu (2009). The Manga Guide to Molecular Biology. No Starch Press. ISBN 978-1-59327-202-9.
  10. ^Roland E. Bauer; Volker Enkelmann; Uwe M. Wiesler; Alexander J. Berresheim; Klaus Müllen (2002). "Single-Crystal Structures of Polyphenylene Dendrimers". Chemistry: A European Journal. 8 (17): 3858–3864. doi:10.1002/1521-3765(20020902)8:17<3858::AID-CHEM3858>3.0.CO;2-5. PMID 12203280.