Polimerizācija raksturo polimēru veidošanos no monomēriem. Ķīmijā un bioloģijā ir dažādi polimerizācijas veidi. Organismos notiek polimerizācijas reakcijas, veidojot tādus biopolimērus kā proteīni, nukleīnskābes, vai polisaharīdi.
Kas ir polimerizācija?
Organismos notiek polimerizācijas reakcijas, veidojot tādus biopolimērus kā proteīni or nukleīnskābes. Nukleīnskābes ir DNS un RNS sastāvdaļas. Polimerizācija ir kolektīvs termins polimēru veidošanai no zemas molekulmasas monomēriem. Polimerizācijas reakcijām ir liela nozīme gan ķīmijā, gan bioloģijā. Polimēri ir augstas molekulas vielas, kas sastāv no noteiktiem pamatelementiem. Šie pamatelementi, kurus dēvē arī par monomēriem, uzkrājas polimerizācijas laikā un veido augsti molekulāras ķēdes. Polimēri var sastāvēt no vieniem vai dažādiem monomēriem. Ķīmijā, piemēram, poliesteris, polietilēns, polivinils hlorīds (PVC) vai citas plastmasas ir pazīstamas kā polimēri. Bioloģijā proteīni, nukleīnais skābes or polisaharīdi pārstāv ļoti sarežģītus biopolimērus. Ķīmiskajā jomā ir dažādi polimerizācijas reakciju veidi. Izšķir ķēdes augšanas reakcijas un pakāpeniskas augšanas reakcijas. Ķēdes augšanas reakcijās pēc sākotnējās reakcijas turpmākie monomēri pastāvīgi saistās ar aktivēto ķēdi. Tas noved pie ķēdes pieauguma. Augšanas pakāpes reakcijās iesaistītajiem monomēriem jābūt vismaz divām funkcionālām grupām. Nepārtrauc ķēdes augšanu, bet vispirms tiek veidoti dimēri, trimeri vai oligomēri, kas vēlāk apvienojas, veidojot garāku ķēdi. Tipiskas pakāpeniskas augšanas reakcijas notiek pievienošanas vai kondensācijas reakciju formā. Tomēr biopolimēru veidošanās bioloģiskajās sistēmās ir daudz sarežģītāka. Tas prasa daudz dažādu reakcijas soļu. Piemēram, olbaltumvielu vai nukleīnu veidošanās skābes notiek tikai ar veidņu palīdzību. Ģenētiskajā kodā slāpeklis bāzes kodolā skābes ir norādīts. Tie, savukārt, kodē secību aminoskābes atsevišķās olbaltumvielās.
Funkcija un uzdevums
Polimerizācijām ir būtiska loma visās bioloģiskajās sistēmās baktērijas, sēnītes, augi un dzīvnieki (ieskaitot cilvēkus). Tādējādi olbaltumvielas un nukleīnskābes vispirms ir dzīves priekšnoteikums. Būtībā polimerizācijas reakcijas šo biomolekulu veidošanai un to noārdīšanās ir faktiskās dzīves reakcijas. Nukleīnskābes ir DNS un RNS sastāvdaļas. Tie sastāv no fosforskābe, monosukurs (dezoksiriboze vai riboze) un četras slāpekļa grupas bāzes. Fosforskābe, cukurs un slāpeklis pamats tiek samontēti, veidojot nukleotīdu. Savukārt nukleīnskābes sastāv no rindā izvietotām nukleotīdu ķēdēm. DNS satur dezoksiribozi un RNS satur riboze kā cukurs molekula. Atsevišķi nukleotīdi atšķiras tikai pēc to veida slāpeklis bāze. Trīs secīgi nukleotīdi katrs kodē vienu aminoskābi kā tripletu. Tādējādi nukleotīdu secība atspoguļo ģenētisko kodu. DNS noteiktais ģenētiskais kods tiek pārvietots uz RNS, izmantojot sarežģītus mehānismus. Pēc tam RNS ir atbildīga par olbaltumvielu sintēzi ar fiksētu aminoskābju secību. Dažas DNS sekcijas (gēni) tādējādi kodē attiecīgos proteīnus. Katram proteīnam organismā ir noteikta funkcija. Tādējādi ir muskuļu olbaltumvielas, olbaltumvielas saistaudi, imūnglobulīni, peptīds hormoni or fermenti. Savukārt par katru vielmaiņas posmu ir atbildīgs īpašs ferments ar noteiktu sastāvu. Tas jau parāda, cik svarīgas ir precīzi koordinētas polimerizācijas reakcijas nukleīnskābju un olbaltumvielu veidošanai vienmērīgiem bioķīmiskajiem procesiem organismā. Piemēram, fermenti jābūt pareizai aminoskābju secībai, lai varētu katalizēt specifisko reakcijas posmu vielmaiņas procesā, par kuru tie ir atbildīgi. Papildus olbaltumvielām un nukleīnskābēm polisaharīdi ir arī svarīgi organisma biopolimēri. Augos viņi bieži veic atbalsta funkcijas. Turklāt tie arī uzkrāj enerģiju. Ciete kartupeļos, piemēram, ir rezerves viela, ko izmanto enerģijas radīšanai dīgšanas laikā. Cilvēki glabā glikogēnu arī aknas un muskuļi, lai apmierinātu enerģijas vajadzības pārtikas ierobežošanas vai intensīvas fiziskās aktivitātes laikā. Glikogēns, tāpat kā ciete, ir polimērs un veidojas no monomēra glikoze.
Slimības un kaites
Bioloģiskās polimerizācijas reakciju traucējumi var vadīt līdz nozīmīgam veselība problēmas. Kā minēts iepriekš, nukleīnskābes ir nozīmīgi biopolimēri. Kad ķīmiskie procesi maina noteiktu slāpekļa secību bāzes, ir tā saucamā mutācija. Mutētais gēns turpina kodēt olbaltumvielas, bet to aminoskābju kārtība mainās. Šādi izmainīti proteīni vairs nevar pienācīgi pildīt savu funkciju ietekmētajās šūnās. Tas var vadīt vielmaiņas traucējumiem, jo enzīms var neizdoties. Tomēr imūnglobulīni var arī mainīt. Šajā gadījumā rodas imūndeficīti. Protams, izmaiņas var ietekmēt arī strukturālos proteīnus ar daudzām dažādām izpausmēm un simptomiem. Mutācijas bieži tiek nodotas arī pēcnācējiem. Dzīves gaitā atkal un atkal rodas kļūdas ģenētiskā koda reproducēšanā. Vairumā gadījumu skartās ķermeņa šūnas iznīcina imūnā sistēma. Tomēr tas ne vienmēr ir veiksmīgs. Dažos gadījumos šīs šūnas attīstās vēzis piemēram, šūnas, un to augšana apdraud visu organismu. Daudzas citas deģeneratīvas slimības, piemēram, arterioskleroze, reimatiskas sūdzības vai autoimūnas slimības, var izsekot arī līdz traucējumiem biopolimēru sintēzē. Pat glikogēna sintēze, polisaharīds aknas muskuļi, var būt bojāti. Piemēram, ir glikogēna uzkrāšanās slimības ar patoloģiski izmainītu glikogēnu molekulas, ko savukārt var izraisīt defekti fermenti. Patoloģisko glikogēnu vairs nevar sadalīt un tas turpina uzkrāties aknas.
