Ю.Д. Семчиков - Высокомолекулярные соединения (1109596), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Природные органическое полимеры образуются в растительных и животных организмах. Важнейшими из них являются полисахариды, белки и нуклеиновые кислоты, из которых в значительной степени состоят тела растений и животных (табл. 1.1) и которые обеспечивают само функционирование жизни на Земле. Считается, Табл и иа !.! Содержание различных веществ в теле человека Массовый, ж Тип вещества 60 — 80 20-40 15-20 3- 20 ! — !5 <2 <О,! Вода Сухой остаток: белки жиры полисвхариды иизкомолекуляриые соединения и клеииовые кислоты сталлизации. Затем были внедрены в массовое производство полиуретаны— наиболее распространенные герметики, адгезивы и пористые мягкие материалы 1поролон), а также полисилоксаны — элементорганические полимеры, обладающие более высокими по сравнению с органическими полимерами термостойкостью и эластичностью.
Список замыкают так называемые уникальные полимеры, синтезированные в 60 — 70 гг. ХХ в. К ним относятся ароматические полиамиды, полиимиды, полиэфиры, полиэфиркетоны и дрл непременным атрибутом этих полимеров является наличие у них ароматических циклов и (или) ароматических конденсированных структур. Для них характерно сочетание выдающихся значений прочности и термостойкости.
Период разработки и освоения производства основных полимерных материалов закончился в 70-х ет. К 90-м гг. ХХ в. ежегодное потребление полимерных материалов на душу населения 1кг/год) достигло в развитых странах высокого уровня, который постоянно увеличивается на 2 — 3'Ув в год: что решающим этапом в возникновении жизни на Земле явилось образование из простых органических молекул более сложных — высокомолекулярных. Полисахариды образуются из низкомолекулярных соединений общей формулы С„Н,„О„, называемых сахарами или углеводами.
Для сахаров характерно наличие альдегидной или кетонной ~руин, в соответствии с этим первые называются альдозами, вторые — кетозами. Среди сахаров с л = б, называемых гексозами, имеется 1б изомерных альдогексоз и 1б кетогексоз. Однако только четыре из них (а-галактоза, И-манноза, с1-глюкоза, с7-фруктоза) встречаются в живой клетке.
Биологическая роль сахаров определяется тем, что они являются источником энергии, необходимой организму, которая выделяется при их окислении, и исходным материалом для синтеза макромолекул. В последнем случае большое значение имеет способность сахаров образовывать циклические структуры, что иллюстрируется ниже на примере глюкозы и фруктозы; оно б сн,он нсон сн,он СО б Н 3 О Н НОСН НОНгС О ОН он н — 4 Н 1 нсон НСОН но 3 2 ОН Н~ — ~СН ОН нсон 4 3 2 ! Н ОН нсон ОН Н1 Н СОН а-Р-глюкопираноза Н~ОН Р-Р-фруктофураноза альдегидо-Р-глюкоза кето-Р-фруктоза В водном растворе глюкоза содержит 99,976% циклического изомера. У кстогексоз циклические изомеры пятичленные. Циклические молекулы моносахаридов могут связываться между собой с образованием так называемых гликозидных связей путем конденсации гидроксильных групп.
Наиболее распространены полисахариды, повторяющиеся звенья которых являются остатками и-Р-глюкопиранозы или ее производных. Наиболее известна и широко применяема целлюлоза. В этом полисахариде кислородный мостик связывает 1- и 4-й атомы углерода в соседних звеньях, такая связь называется а-1,4-гликозидной: СН ОН Н О О ОНн н Н ОН О Н Н ОН целлюлоза Химический состав, аналогичный целлюлозе, имеют крахмал, состоящий из амилозы и аминопектина, гликоген и декстран. Отличие первых от цел- 10 люлозы состоит в разветвленности макромолекул, причем амилопектин и гликоген могут быть отнесены к сверхразветвленным природным полимерам, т.е. дендримерам нерегулярного строения.
Точкой ветвления обычно является шестой атом углерода а-Р-гл!окопиранозного кольца, который связан гликозидной связью с боковой цепью. Отличие декстрана от целлюлозы состоит в природе гликозидных связей — наряду с а-1,4-, декстран содсржит также а-1,3- и а-1,6-гликозидные связи, причем последние являются доминирующими. Химический состав, отличный от целлюлозы, имеют хитин и хитозан, но они близки к нсй по структуре. Отличие заключается в том, что при втором атоме углерода а-Р-глюкопиранозных звеньев, связанных а-1,4- гликозидными связями, ОН-группа заменена группами — МНСН>СОО в хитине и группой — ЫН! в хитозане. Целлюлоза содержится в коре и древесине деревьев, стеблях растений: хлопок содержит более 90;4 целлюлозы, деревья хвойных пород — свыше 60",4, лиственных — около 40;4.
Прочность волокон целлюлозы обусловлена тем, что они образованы монокристаллами, в которых макромолекулы упакованы !зара>!лельно одна другой. Целлюлоза сосгав>!яет с>руктур>!у>о основу пред" ставитслей не только растительного мира, !!о и некоторых бактерий.
В животном мире в качестве опорных, структурообразующих полимеров полисахариды «используются» лишь насекомыми и членистоногими. Наиболее часто для этих целей применяется хмтин, 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 болыние перспсктивы широкого практического применения в ближайшем будущем. Крахмал относится к числу полисахаридов, выполняющих роль резервного пищевого вещесзва в растениях. Клубни, плоды, семена содержат до 70'4 крахмала.
Запасаемым полисахаридом животных является гликоген, который содержится преимущественно в печени и мышцах. Функцию запасаемого питательного продукта выполняет инулин, который содержи> ся в спарже и артишоках, что придает им специфический вкус. Его мономерныс звенья пятичленны, поскольку фруктоза относится к кетозам, в целом же этот полимер построен так же, как полимеры гл!окозы. Прочность стволов и стеблей растений, помимо скелета из целлюлозных волокон, определяется соединительной растительной тканью. Значительную ее часть в деревьях составляет лигнин — до 30 ',4. Его строение точно не установлено.
Известно, что это относительно цизкомолекулярный (М - 1О') сверхразветвленный полимер, образованный в основном из остатков фенолов, замешенных в о7>пю-положении группами — ОСНь в лара-положении группами — СН=СН-СН>ОН, В настоящее время накоплено громадное количество лигнинов как отходов целлюлозно-гидролизной промышленности, но проблема их утилизации не решена. К опорным элементам расти- 11 тельной ткани относятся пектиновые вещества и, в частности пектин, находящийся в основном в стенках клеток. Его содержание в кожуре яблок и белой части кожуры цитрусовых доходит до 30;4. Пектин относится к гетерополисахаридам, т.е.
сополимерам. Его макромолекулы в основном построены из остатков Р-галактуроновой кислоты и ее метилового эфира, связанных и-1,4-гликозидными связями; Н ОН СООН Из пентоз значение имеют полимеры арабинозы и ксилозы, которые образуют полисахариды, называемые арабинами и ксиланами. Они, наряду с целлюлозой, определяют типичные свойства древесины. Упомянутый выше пектин относится к гетерополисахаридам.
Помимо пего, известны гетерополисахариды, входящие в состав животного организма. Гиалуроновая кислота входит в состав стекловидного тела глаза, а также жидкости, обеспечивающей скольжение в суставах (она находится в суставных сумках). Другой важный полисахарид животных — хондроитинсульфат — содержится в ткани и хрящах. Оба полисахарида часто образуют в организме животных сложные комплексы с белками и липидами. Белки.
В животном мире в качестве опорного, структурообразующего полимера обычно выступают белки. Эти полимеры построены из 20 типов так называемых а-аминокислот общей формулы: Н ! й — С вЂ” СООН МН~ В табл. !.2 представлены важнейн)ие аминокислоты, образующие белки. Остатки аминокислот связаны в макромолекулы белка пептидными связями, возникающими в результате реакции карбоксильных и аминогрупп. Ниже эта реакция приведена для двух аминокислот — глнцина и аланина: Н 1Ч вЂ” СН вЂ” СООН + Н 1Ч вЂ” СН вЂ” СООН вЂ” Н 1Ч вЂ” СН вЂ” С вЂ” 1Ч вЂ” СН вЂ” СООН + Н О 2 2 2 2 2 2 ~~3 О Н СН3 Из табл. 1.2 видно, что большинство аминокислот, из остатков которых построен белок, имеют достаточно простое строение и алифатический радикал.
Реже встречаются аминокислоты, содержащие ароматические и насыщенные циклы. Практически все аминокислоты содержат атомы С, Н, О, 1~1, и только цистеин содержит, наряду с»ими, атом серы. Образование сульфидных мостиков играет важную роль в процессах структурообразования в белках. В результате соответствующей реакции, протекающей за счет сульфогидрильных групп цистеина, образуются меж- и внутримолекулярные «сшивки» макромолекул белка. Помимо карбоксильной и аминогрупп, 12 Таблииа 1.2 Некоторые аминокислоты, входящие в состав белков Формула Название СН-СН вЂ” СООН з НН Алании НООС вЂ” СН вЂ” СН вЂ” СООН 2 НН2 Асиарагиновая кислота НЯ вЂ” СН вЂ” СН вЂ” СООН 7 НН2 Цистсии НООС вЂ” СН вЂ” СН вЂ” СН вЂ” СООН 2 2 2 Глутаминовая кислота Н и — С вЂ” СН вЂ” СН вЂ” СН вЂ” СООН 2 11 2 2 О НН Глутамии Н7М СН2 СООН Глиции Лсйции Н,С СН вЂ” СН вЂ” СН вЂ” СООН 2 НзС ИН2 С Н вЂ” СН вЂ” СН вЂ” СООН Б 5 2 ИН2 Феиилаланин СН вЂ” СН вЂ” СООН 1 1 СН ИН ~,~г' СН, Нролии НΠ— СН вЂ” СН вЂ” СООН 2 ИН2 Серии Н С вЂ” СН вЂ” СН вЂ” СООН з ОН НН Треоиин Тирозии НО СН2 СН СООН НН2 13 аминокислоты белка могут содержать также гидроксильные группы, как, например в серине и треонине.
Значение белков в живой природе трудно переоценить. Это строительный материал живых организмов, биокатализаторы — фсрменты, обеспечивающие протекание реакций в клетках, и энзимы, стимулирующие определенные биохимические реакции, т. е. обеспечивающие избирательность биокатализа.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
