Macromolécula - Macromolecule

Estrutura química de uma macromolécula polipeptídica

Uma macromolécula é uma molécula muito grande , como uma proteína. Eles são compostos de milhares de átomos covalentemente ligados . Muitas macromoléculas são polímeros de moléculas menores chamadas monômeros . As macromoléculas mais comuns em bioquímica são biopolímeros ( ácidos nucléicos , proteínas e carboidratos ) e grandes moléculas não poliméricas, como lipídios e macrociclos . Fibras sintéticas e materiais experimentais, como nanotubos de carbono, também são exemplos de macromoléculas.

Definição

Definição IUPAC

Macromolécula
Molécula grande

Molécula de alta massa molecular relativa, cuja estrutura
compreende essencialmente a múltipla repetição de unidades derivadas, real ou conceitualmente, de
moléculas de baixa massa molecular relativa.

Notas

1. Em muitos casos, especialmente para polímeros sintéticos, uma molécula pode ser considerada
como tendo uma alta massa molecular relativa se a adição ou remoção de uma ou
algumas das unidades tiver um efeito desprezível nas propriedades moleculares. Esta afirmação
falha no caso de certas macromoléculas para as quais as propriedades podem ser
criticamente dependentes de detalhes finos da estrutura molecular.
2. Se uma parte ou a totalidade da molécula se encaixa nesta definição, ela pode ser descrita
como macromolecular ou polimérica , ou por polímero usado adjetivalmente.

O termo macromolécula ( macro- + molécula ) foi cunhado pelo Prêmio Nobel Hermann Staudinger na década de 1920, embora sua primeira publicação relevante neste campo apenas mencione compostos de alto peso molecular (acima de 1.000 átomos). Naquela época, o termo polímero , introduzido por Berzelius em 1832, tinha um significado diferente do atual: era simplesmente outra forma de isomerismo, por exemplo, com benzeno e acetileno e tinha pouco a ver com tamanho.

O uso do termo para descrever moléculas grandes varia entre as disciplinas. Por exemplo, enquanto a biologia se refere a macromoléculas como as quatro grandes moléculas que compreendem seres vivos, em química , o termo pode se referir a agregados de duas ou mais moléculas mantidas juntas por forças intermoleculares em vez de ligações covalentes, mas que não se dissociam prontamente.

De acordo com a definição padrão da IUPAC , o termo macromolécula, conforme usado na ciência dos polímeros, refere-se apenas a uma única molécula. Por exemplo, uma única molécula polimérica é apropriadamente descrita como uma "macromolécula" ou "molécula de polímero" em vez de um "polímero", o que sugere uma substância composta de macromoléculas.

Devido ao seu tamanho, as macromoléculas não são convenientemente descritas em termos de estequiometria apenas. A estrutura de macromoléculas simples, como homopolímeros, pode ser descrita em termos de subunidade monomérica individual e massa molecular total . As biomacromoléculas complicadas, por outro lado, requerem uma descrição estrutural multifacetada, como a hierarquia das estruturas usadas para descrever as proteínas . No inglês britânico , a palavra "macromolécula" tende a ser chamada de " alto polímero ".

Propriedades

As macromoléculas geralmente têm propriedades físicas incomuns que não ocorrem para moléculas menores.

Outra propriedade macromolecular comum que não caracteriza moléculas menores é sua relativa insolubilidade em água e solventes semelhantes , formando coloides . Muitos requerem sais ou íons específicos para se dissolverem na água. Da mesma forma, muitas proteínas irão desnaturar se a concentração de soluto de sua solução for muito alta ou muito baixa.

Altas concentrações de macromoléculas em uma solução podem alterar as taxas e constantes de equilíbrio das reações de outras macromoléculas, por meio de um efeito conhecido como aglomeração macromolecular . Isso vem de macromoléculas excluindo outras moléculas de uma grande parte do volume da solução, aumentando assim as concentrações eficazes dessas moléculas.

Biopolímeros lineares

Todos os organismos vivos são dependentes de três biopolímeros essenciais para suas funções biológicas: DNA , RNA e proteínas . Cada uma dessas moléculas é necessária para a vida, pois cada uma desempenha um papel distinto e indispensável na célula . O resumo simples é que o DNA faz o RNA, e então o RNA faz as proteínas .

DNA, RNA e proteínas consistem em uma estrutura repetitiva de blocos de construção relacionados ( nucleotídeos no caso do DNA e RNA, aminoácidos no caso das proteínas). Em geral, eles são todos polímeros não ramificados e, portanto, podem ser representados na forma de uma string. Na verdade, eles podem ser vistos como uma cadeia de grânulos, com cada grânulo representando um único nucleotídeo ou monômero de aminoácido ligados entre si por meio de ligações químicas covalentes em uma cadeia muito longa.

Na maioria dos casos, os monômeros dentro da cadeia têm uma forte propensão para interagir com outros aminoácidos ou nucleotídeos. No DNA e no RNA, isso pode assumir a forma de pares de bases Watson-Crick (GC e AT ou AU), embora muitas interações mais complicadas possam ocorrer e de fato ocorram.

Características estruturais

DNA RNA Proteínas
Codifica informação genética sim sim Não
Catalisa reações biológicas Não sim sim
Blocos de construção (tipo) Nucleotídeos Nucleotídeos Aminoácidos
Blocos de construção (número) 4 4 20
Encalhe Dobro Solteiro Solteiro
Estrutura Dupla hélice Complexo Complexo
Estabilidade à degradação Alto Variável Variável
Sistemas de reparo sim Não Não

Devido à natureza de fita dupla do DNA, essencialmente todos os nucleotídeos tomam a forma de pares de bases Watson-Crick entre os nucleotídeos nas duas fitas complementares da dupla hélice .

Em contraste, tanto o RNA quanto as proteínas são normalmente de fita simples. Portanto, eles não são limitados pela geometria regular da dupla hélice do DNA e, portanto, dobram-se em formas tridimensionais complexas dependentes de sua sequência. Essas formas diferentes são responsáveis ​​por muitas das propriedades comuns do RNA e das proteínas, incluindo a formação de bolsas de ligação específicas e a capacidade de catalisar reações bioquímicas.

DNA é otimizado para codificar informações

O DNA é uma macromolécula de armazenamento de informações que codifica o conjunto completo de instruções (o genoma ) necessárias para montar, manter e reproduzir todos os organismos vivos.

DNA e RNA são ambos capazes de codificar informação genética, porque existem mecanismos bioquímicos que lêem a informação codificada dentro de uma sequência de DNA ou RNA e a usam para gerar uma proteína específica. Por outro lado, a informação da sequência de uma molécula de proteína não é usada pelas células para codificar funcionalmente a informação genética.

O DNA tem três atributos principais que permitem ser muito melhor do que o RNA na codificação de informações genéticas. Primeiro, é normalmente de fita dupla, de modo que há no mínimo duas cópias das informações que codificam cada gene em cada célula. Em segundo lugar, o DNA tem uma estabilidade muito maior contra a quebra do que o RNA, um atributo principalmente associado à ausência do grupo 2'-hidroxila em cada nucleotídeo do DNA. Terceiro, sistemas altamente sofisticados de vigilância e reparo de DNA estão presentes, os quais monitoram os danos ao DNA e reparam a sequência quando necessário. Sistemas análogos não evoluíram para reparar moléculas de RNA danificadas. Conseqüentemente, os cromossomos podem conter muitos bilhões de átomos, dispostos em uma estrutura química específica.

As proteínas são otimizadas para catálise

As proteínas são macromoléculas funcionais responsáveis ​​por catalisar as reações bioquímicas que sustentam a vida. As proteínas realizam todas as funções de um organismo, por exemplo, fotossíntese, função neural, visão e movimento.

A natureza de fita simples das moléculas de proteína, juntamente com sua composição de 20 ou mais blocos de construção de aminoácidos diferentes, permite que elas se dobrem em um vasto número de formas tridimensionais diferentes, enquanto fornecem bolsas de ligação através das quais podem interagir especificamente com todos os tipos de moléculas. Além disso, a diversidade química dos diferentes aminoácidos, juntamente com diferentes ambientes químicos proporcionados pela estrutura 3D local, permite que muitas proteínas atuem como enzimas , catalisando uma ampla gama de transformações bioquímicas específicas dentro das células. Além disso, as proteínas desenvolveram a capacidade de se ligar a uma ampla gama de cofatores e coenzimas , moléculas menores que podem dotar a proteína de atividades específicas além daquelas associadas apenas à cadeia polipeptídica.

RNA é multifuncional

O RNA é multifuncional, sua função primária é codificar proteínas , de acordo com as instruções do DNA de uma célula. Eles controlam e regulam muitos aspectos da síntese de proteínas em eucariotos .

O RNA codifica a informação genética que pode ser traduzida na sequência de aminoácidos das proteínas, conforme evidenciado pelas moléculas de RNA mensageiro presentes em cada célula e os genomas de RNA de um grande número de vírus. A natureza de fita simples do RNA, junto com a tendência para rápida decomposição e a falta de sistemas de reparo, significa que o RNA não é tão adequado para o armazenamento de longo prazo de informações genéticas como o DNA.

Além disso, o RNA é um polímero de fita simples que pode, como as proteínas, se dobrar em um grande número de estruturas tridimensionais. Algumas dessas estruturas fornecem locais de ligação para outras moléculas e centros quimicamente ativos que podem catalisar reações químicas específicas nessas moléculas ligadas. O número limitado de diferentes blocos de construção de RNA (4 nucleotídeos vs> 20 aminoácidos nas proteínas), junto com sua falta de diversidade química, resulta em RNA catalítico ( ribozimas ) sendo catalisadores geralmente menos eficazes do que as proteínas para a maioria das reações biológicas.

As principais macromoléculas:

Macromolécula

(Polímero)

Bloco de Construção

(Monômero)

Títulos que os unem
Proteínas Aminoácidos Peptide
Ácidos nucleicos Fosfodiester
DNA Nucleotídeos (um fosfato, ribose e uma base-adenina, guanina, timina ou citosina)
RNA Nucleotídeos (um fosfato, ribose e uma base-adenina, guanina, uracila ou citosina)
Polissacarídeos Monossacarídeos Glicosídico
Lipídios ao contrário das outras macromoléculas, os lipídios não são definidos pela estrutura química. Os lipídios são qualquer molécula orgânica apolar. Alguns lipídios são mantidos juntos por ligações de éster; alguns são enormes agregados de pequenas moléculas mantidas juntas por interações hidrofóbicas.

Biopolímeros ramificados

Elagitanino de framboesa , um tanino composto de núcleos de unidades de glicose rodeados por ésteres de ácido gálico e unidades de ácido elágico

Macromoléculas de carboidratos ( polissacarídeos ) são formadas a partir de polímeros de monossacarídeos . Como os monossacarídeos têm vários grupos funcionais , os polissacarídeos podem formar polímeros lineares (por exemplo, celulose ) ou estruturas ramificadas complexas (por exemplo, glicogênio ). Os polissacarídeos desempenham vários papéis em organismos vivos, agindo como estoques de energia (por exemplo, amido ) e como componentes estruturais (por exemplo, quitina em artrópodes e fungos). Muitos carboidratos contêm unidades monossacarídicas modificadas que tiveram grupos funcionais substituídos ou removidos.

Os polifenóis consistem em uma estrutura ramificada de múltiplas subunidades fenólicas . Eles podem desempenhar papéis estruturais (por exemplo, lignina ), bem como papéis como metabólitos secundários envolvidos na sinalização , pigmentação e defesa .

Macromoléculas sintéticas

Estrutura de uma macromolécula de dendrímero de polifenileno relatada por Müllen, et al.

Alguns exemplos de macromoléculas são polímeros sintéticos ( plásticos , fibras sintéticas e borracha sintética ), grafeno e nanotubos de carbono . Os polímeros podem ser preparados a partir de matéria inorgânica, bem como, por exemplo, em polímeros inorgânicos e geopolímeros . A incorporação de elementos inorgânicos permite a sintonia de propriedades e / ou comportamento responsivo como, por exemplo, em polímeros inorgânicos inteligentes .

Veja também

Referências

links externos