Некоторые важные свойства природных макромолекул

Предмет химии природных высокомолекулярных

Соединений

Когда мы говорим о макромолекулах, или больших молекулах, то включаем в это понятие огромное разнообразие природных и синтетических органических инеорганических веществ. Значение природных органических макромолекулярныхвеществ трудно переоценить. В самом деле, весь растительный и животный мир во всем его великолепии и разнообразии, включая и самого человека, состоит из больших молекул. Наша пища, одежда, обувь, окружающие нас предметы и т. д. в значительной степени состоят из макромолекул.

Между макро- и микромолекулярными соединениями («макрос» в переводе с греческого – большой, «микрос» - маленький) резкого разграничения нет. Согласно общепринятым теперь взглядам, макромолекулы содержат 1000 и более атомов и не имеют предела для увеличения. Таким образом, макромолекула – это структурная единица определенного размера и строения, в которой все атомы связаны друг с другом первичными валентными связями [17].

Природные высокомолекулярные соединения, относятся к областиорганической химии, т.е. к химии соединений углерода. В настоящее время известно свыше 12 миллионов более или менее изученных углеродных соединений, но число возможных изомеров их неограниченно. Удивительно, сколько может существовать изомеров даже для относительно простых углеводородов. Например, должно быть 75 деканов (С₁₀Н₂₂), 2513 пентадеканов (С₁₅Н₃₂) и не менее 21500 эйкозанов (С₂₀Н₄₂). Объяснить это можно уникальной способностью атомов углерода сочетаться самыми различными способами. Кроме того, число изомеров увеличивается у ненасыщенных углеводородов и при наличии в углеродном скелете других атомов, кроме водорода. Можно вычислить, что полипептид, состоящий из 20 различных остатков аминокислот (содержащий С, Н, О, N и S) и имеющий молекулярную массу около 2400 должен иметь 2,4х10¹⁸ изомеров [18]. Однако это соединение еще микромолекулярно. Непостижимое число – 10¹²⁶⁸ изомеров может получиться, когда такое вычисление распространяется на макромолекулярный белок с молекулярной массой 120000. Даже если комбинация из аминокислотных остатков в макромолекуле будет ограниченной, возможности вариации остаются практически бесконечными. Можнотолько удивляться, как природа, имея в своем распоряжении такое безграничное множество соединений углерода, избирает лишь несколько основных путей, производя все это разнообразие. Например, только такие ненасыщенные полипрены, как натуральный каучук синтезируются определёнными растениями, многие же другие возможности, как, например, синтез полистирола, природа не использует. Несколько тысяч атомов С, Н и О могут быть соединены в бесчисленные макромолекулы, существенно различающиеся по своему составу и строению, однако клетки синтезируют только несколько основных типов макромолекул. Если бы в природе существовали тысячи различных структурных типов, химия высокомолекулярных соединений была бы в сущности невозможна.

Существует всего четыреосновных структурных типа макромолекул, наиболее важных для нас:

1) полипрены (каучук, гуттаперча);

2) полисахариды (целлюлоза, крахмал, пектины, гемицеллюлозы);

3) белки (альбумины, гемоглобины, ферменты);

4) нуклеиновые кислоты и нуклеопротеиды.

Некоторые важные свойства природных макромолекул

Все природные высокомолекулярные соединения являются нелетучими твердыми веществами, не имеющими определенных температур плавления. Большинство из них разрушается при температурах выше 300°. Растворимость высокомолекулярных соединений зависит от их состава и строения. Если высокомолекулярные цепи связаны между собой посредством прочных первичных связей, вещество не может растворяться ни в каких растворителях без разрушения. Иначе говоря, такие полярные макромолекулы, как белки, могут растворяться в полярных растворителях – воде или в водных растворах солей, а неполярные полимеры смешиваются с неполярными растворителями (например, каучук с октаном). Растворы всех высокомолекулярных веществ обладают свойствами коллоидов. Самые большие макромолекулы можно увидеть в электронном микроскопе; они осаждаются в сильном гравитационном поле ультрацентрифуги. По существу, различие между малыми и большими молекулами состоит в том, что если в случае малых молекул свойства вещества сильно изменяются с добавлением или замещением одного атома в молекуле, то для высокомолекулярных веществ это, как правило, не характерно. Например, присоединение двух атомов водорода к молекуле этилена превращает тот углеводород в этан, в то время как присоединение одного изопренового остатка к длинной полипреновой цепи каучука заметно не меняет свойств полимера. Чем больше молекулы, тем меньше их свойства зависят от небольших изменений в размере и химическом составе. Кроме того, высокомолекулярные вещества отличаются от простых низкомолекулярных соединений тем, что первые почти всегда полидисперсны, в то время как последние имеют совершенно одинаковые молекулы (монодисперсны). Макромолекулы даже чистейших природных или синтетических высокомолекулярных соединений не бывают совершенно одинаковыми, они более или менее заметно различаются между собой.