ბიოპოლიმერები

ბიოპოლიმერები — მაღალმოლეკულური ბუნებრივი ნაერთები, რომლებიც ყველა ცოცხალი ორგანიზმის სტრუქტურულ საფუძველს წარმოადგენენ და ცხოველმოქმედების პროცესში განმსაზღვრელ როლს ასრულებენ. ესენი არიან ცილები, ნუკლეინის მჟავები და პოლისაქარიდები; ცნობილია აგრეთვე შერეული ბიოპოლიმერები — გლიკოპროტეიდები, ლიპოპროტეიდები, გლიკოლიპიდები და სხვა.

ბიოლოგიური ფუნქციები
ნუკლეინის მჟავები უჯრედში გენეტიკურ ფუნქციებს ასრულებენ. დეზოქსირიბონუკლეინის მჟავაში (დნმ) და რიბონუკლეინის მჟავაში (რნმ) მონომერული რგოლების (ნუკლეოტიდების) თანამიმდევრობა განსაზღვრავს (გენეტიკური კოდის სახით) სინთეზირებულ ცილებში მონომერული რგოლების (ამინომჟავა ნაშთების) თანამიმდევრობას და, ამრიგად, ორგანიზმის აგებულებას და მასში მიმდინარე ბიოქიმიურ პროცესებსაც. გენეტიკური კოდი დნმ-სგან გადაეცემა რნმ-ს, რომელიც ისე სინთეზირდება დნმ-ზე, როგორც მატრიცაზე. სინთეზირებული რნმ თავის მხრივ წარმოადგენს მატრიცას რიბოსომებში მიმდინარე ცილის სინთეზისათვის (ამ პროცესში მონაწილეობს აგრეთვე სატრანსპორტო რნმ). ევოლუციისათვის აუცილებელი ბიოლოგიური ცვალებადობა მოლეკულურ დონეზე ხდება დნმ-ში მომხდარ ცვლილებათა ხარჯზე.

ცილები უჯრედში მთელ რიგ უმნიშვნელოვანეს ფუნქციას ასრულებენ. ცილა-ფერმენტები აუცილებელი თანამიმდევრობითაა და საჭირო სიჩქარით ახორციელებენ უჯრედში ნივთიერებათა ცვლის ყველა ქიმიურ რეაქციას. კუნთების, მიკრობთა შოლტების, უჯრედის წამწამებისა და სხვა. ცილები განაპირობებენ შეკუმშვას — ისინი გარდაქმნიან ქიმიურ ენერგიას მექანიკურ მუშაობად და უზრუნველყოფენ მთელი ორგანიზმის ან მისი რომელიმე ნაწილის მოძრაობას. ცილები ყველა ცოცხალი ორგანიზმის უჯრედულ სტრუქტურათა უმეტესობის, ვირუსებისა და ფაგების გარსთა ძირითადი მასალაა; მათი სტრუქტურული ფუნქციები მჭიდროდ უკავშირდება სუბუჯრედულ ორგანელებში სხვადასხვა ნივთიერების მიწოდების რეგულაციას (იონების აქტიური ტრანსპორტი) და ფერმენტულ კატალიზს. ისინი მარეგულირებელ ფუნქციებსაც ასრულებენ „კრძალავენ“ ან „ნებას რთავენ“ ამა თუ იმ გენის გამოვლინებას.
უმაღლეს ორგანიზმებში არის სხვადასხვა ნივთიერების გადამტანი ცილები (მაგ. ჰემოგლობინი, რომელსაც გადააქვს მოლეკულური ჟანგბადი) და იმუნური ცილები, რომლებიც ორგანიზმს იცავენ მასში შეღწეული უცხო ნივთიერებებისგან. პოლისაქარიდები ასრულებენ სტრუქტურულ (მაგ. შემაერთებელი ქსოვილის პოლისაქარიდი ცელულოზა) და სამარაგო საკვებ (მაგ. სახამებელი, გლიკოგენი) ფუნქციებს; განაპირობებენ უჯრედების გარე მემბრანის სპეციფიკურ თვისებებს, უზრუნველყოფენ ორგანიზმის მთლიან დაცვას.

პირველადი სტრუქტურები
ბიოპოლიმერების მონომერული რგოლების შედგენილობა და თანამიმდევრობა განსაზღვრავს მათ ე. წ. პირველად სტრუქტურას. ყველა ნუკლეინმჟავა ხაზოვანი ჰეტეროპოლიმერია, საქაროფოსფატური ჯაჭვებით რომელთა რგოლებთანაც მიერთებულია გვერდითი ჯგუფები — აზოტოვანი ფუძეები: ადენინი და თიმინი, გუანინი და ციტოზინი; ზოგ შემთხვევაში გვერდითი ჯგუფები შეიძლება სხვა აზოტოვანი ფუძეები იყოს. ცილებიც ჰეტეროპოლიმერებია — მათი მოლეკულები დისულფიდური ხიდებით შეერთებული ერთი ან რამდენიმე პოლიპეპტიდური ჯაჭვისაგან შედგება. პოლიპეპტიდური ჯაჭვები შეიცავენ 20 ამინომჟავას ნაშთს, რომელთა ურთიერთდაკავშირების თანამიმდევრობა დადგენილია პოლიპეპტიდებში საფეხურებრივი ჰიდროლიზით. კონფორმაციას, ანუ ბიოპოლიმერების მოლეკულათა სივრცით ფორმას, განსაზღვრავს მათი პირველადი სტრუქტურა. ქიმიური სტრუქტურისა და გარეგანი პირობების გავლენით ბიოპოლიმერების მოლეკულები შეიძლება ერთ ან რამდენიმე უმთავრეს კონფორმაციაში იმყოფებოდეს, ან მეტ-ნაკლებად თანაბარსაალბათო კონფორმაცია მიიღოს.
სივრცითი სტრუქტურის მიხედვით ცილები შეიძლება იყოს ფიბრილური და გლობულარული. ცილა-ფერმენტებს, ცილა-გადამტანებს, იმუნურ და ზოგიერთ სხვა ცილას ძირითადად გლობულარული სტრუქტურა აქვთ. დეტალურად არის შესწავლილი ჰემოგლობინის, მიოგლობინის, ლიზოციმისა და სხვა ცილების სტრუქტურა. ყოველი ცილა-ფერმენტის სივრცითი სტრუქტურა უნიკალურია და უზრუნველყოფს ბიოპოლიმერების ყველა რგოლის ისეთ განლაგებას სივრცეში, როგორიც აუცილებელია მისი ფუნქციონირებისათის. ნატივური დნმ-ის სივრცითი სტრუქტურა ორი კომპლემენტარული ძაფით არის წარმოქმნილი და წარმოადგენს კრიკ-უოტსონის ორმაგ სპირალს, სადაც მოპირდაპირე აზოტოვანი ფუძეები წყალბადური ბმებით წყვილ-წყვილად არის დაკავშირებული ერთმანეთთან.

დენატურაცია
სხვადასხვაგვარი ზემოქმედებისას (ტემპერატურის მატება ან ხსნარის მჟავიანობის შეცვლა) ბიოპოლიმერების ნატივური სივრცითი სტრუქტურა ირღვევა. ამ მოვლენას დენატურაცია ეწოდება და ზოგჯერ იგი შექცევადია (რენატურაცია).

აგებულება და თვისებები
ბიოპოლიმერების აგებულება ხანგრძლივი ევოლუციური შედეგია, რის გამოც აღნიშნული მოლეკულები იდეალურად შეეგუა თავის ბიოლოგიურ დანიშნულებას. ბიოპოლიმერების პირველად სტრუქტურას, კონფორმაციასა და კონფორმაციულ გარდაქმნებსა და მათ ბიოლოგიურ ფუნქციებს შორის მჭიდრო კავშირი არსებობს, რომლის გამოკვლევა მოლეკულური ბიოლოგიის ერთ-ერთი მთავარი ამოცანაა. დნმ-ში ამგვარი კავშირების დადგენამ შესაძლებელი გახადა ახსნილიყო რედუპლიკაციის, ტრანსკრიპციისა და ტრანსლაციის, აგრეთვე მუტაგენეზისა და ზოგიერთი სხვა მნიშვნელოვანი ბიოლოგიური პროცესის ძირითადი მექანიზმი. დნმ-ის მოლეკულის ხაზოვანი სტრუქტურა უზრუნველყოფს გენეტიკური ინფორმაციის ჩაწერას, მის გაორმაგებას დნმ-ის მატრიცული სინთეზის დროს და ერთი და იმავე გენის ასლების ე. ი. რნმ-ის მოლეკულების მიღებას. ფერმენტაციული რეაქციების სხვადასხვა სტადიაზე ცილა-ფერმენტების სივრცითი და კონფორმაციული ცვლილებების კვლევა საშუალებას იძლევა დადგინდეს ბიოკატალიზის მექანიზმი და გაგებულ იქნას ქიმიური რეაქციების დიდად დაჩქარების ბუნება, რომლებიც ფერმენტებით ხორციელდება.

კვლევის მეთოდები
ბიოპოლიმერების აგებულებისა და კონფორმაციული გარდაქმნების კვლევისას იყენებენ როგორც სუფთა ბიოპოლიმერებს, ისე მათ სინთეზურ მოდელებს, რომლებიც უფრო მარტივი აგებულებისაა. მაგ. ცილების მოდელებად გამოყენებულია ჰომოგენური ან ჰეტეროგენური პოლიპეპტიდები, ხოლო დნმ-სა და რნმ-ის მოდელებად შესაბამისი სინთეზური ჰომოგენური ან ჰეტეროგენური პოლინუკლეოტიდები. ბიოპოლიმერებისა და მათი მოდელების კვლევისას იყენებენ რენტგენოსტრუქტურულ ანალიზს, ელექტრონულ მიკროსკოპიას და კვლევის სხვა ფიზიოლოგიურ მეთოდებს. სინთეზური პოლიმერების კვლევისათვის შემუშავებული ყველა მეთოდი ბიოპოლიმერებისთვისაც გამოიყენება. ბიოპოლიმერებისა და მათი მოდელების თვისებების, მათი კონფორმაციული გარდაქმნების ინტერპრეტაციისათვის იყენებენ აგრეთვე თეორიული ფიზიკის მეთოდებს.