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Lexikon der Chemie: Biopolymere

Biopolymere, natürlich vorkommende makromolekulare Verbindungen. Zu den B. gehören Polypeptide und Proteine, Nucleinsäuren, Polysaccharide, Polyprene, Lignin, Poly-β-hydroxyalkansäuren u. a. Einbezogen werden auch die entsprechenden totalsynthetischen Verbindungen, wie Polyaminosäuren und Polynucleotide. An Polysaccharide und Proteine können ferner noch kovalent Polymere jeweils anderer chem. Struktur gebunden sein (Pfropfpolymere). So unterscheidet man Proteoglycane und Glycoproteine, je nachdem, ob das Pfropfpolymer in seinen Eigenschaften einem Polysaccharid (Glycan) oder Protein entspricht. Ihrer Struktur nach handelt es sich bei den B. selten um Homopolymere (Homopolysaccharide, Polyprene), meist jedoch um Copolymere, die aus verschiedenen Aminosäuren (Proteine), Monosacchariden (Heteropolysaccharide) oder Nucleotiden (Nucleinsäuren) bestehen. Polypeptide, Proteine, Nucleinsäuren und Polyprene sind unverzweigt, Polysaccharide können verzweigt oder unverzweigt sein. Lignin ist außerordentlich stark verzweigt und quervernetzt. Bei den Polysacchariden kommen Blockpolymere vor.

Die B. haben essentielle Bedeutung für alle Lebewesen. Nucleinsäuren sind die allg. Informationsträger (Gene). Proteine liefern aufgrund ihrer biologischen Aktivität als Enzyme, Hormone u. a. die Grundlage für jede Stoffwechselaktivität der Organismen. Fibrilläre Proteine haben Stützfunktionen im tierischen Organismus. Polysaccharide sind die wesentlichen Reservestoffe (stärkeähnliche Polysaccharide). Cellulose und Chitin haben Stützfunktionen. Das Holz als hauptsächliches Stützelement der Pflanze besteht im wesentlichen aus Lignin und Cellulose. Die bakterielle Zellwand wird aus einem Peptidoglycan (Murein) gebildet. Proteine und Polysaccharide sind die wesentlichen Bestandteile der Nahrungs- und Futtermittel. Zahlreiche B. sind ferner wichtige Rohstoffe von großer technischer Bedeutung, so für die Textil-, Leder- und Papierindustrie. Zahlreiche Erkenntnisse der makromolekularen Chemie wurden zuerst an B. (Polyprene, Polysaccharide) erarbeitet.

Bei den Proteinen, Nucleinsäuren und Polysacchariden werden verschiedene Strukturebenen unterschieden. Unter Primärstruktur wird die Reihenfolge (Sequenz) der einzelnen Monomeren in der Polymerkette verstanden. Die Primärstruktur bestimmt wesentlich die Eigenschaften der Copolymeren. Als Sekundärstruktur wird die Konformation einzelner Teile der Kette bezeichnet. Die Ketten können außer in einer ungeordneten Struktur (statistisches Knäuel, random coiled structure) aufgrund von nichtkovalenten Bindungen, insbesondere Wasserstoffbrücken, noch in räumlich geordneten Konformationen vorliegen. Die wichtigsten Sekundärstrukturen sind Helix und Faltblatt (Proteine). Unter Tertiärstruktur wird die räumliche Struktur des gesamten Moleküls verstanden, also auch die Konformation von Seitenketten sowie Wechselwirkungen mit entfernter stehenden Segmenten des Moleküls. Durch Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Molekülen kann es durch Selbstorganisation (self-assembly) zur Ausbildung von übermolekularen Strukturen kommen. Die Quartärstruktur umschreibt die räumliche Anordnung dieser Assoziate.

Hochgeordnete Strukturen der B. gehen durch Änderung äußerer Parameter (Temperatur, Druck, pH-Wert, Zugabe organischer Lösungsmittel) in andere, weniger geordnete Strukturen über. Der Übergang wird auch als Phasenübergang bezeichnet. Unter Denaturierung wird die Veränderung der nativen Struktur des B., z. B. eines Proteins, verstanden. Die Denaturierung ist erkennbar an Veränderungen der biologischen Aktivität, der optischen oder hydrodynamischen Eigenschaften des B. Bei der reversiblen Denaturierung werden nichtkovalente Bindungen, bei der irreversiblen Denaturierung auch kovalente Bindungen gelöst.

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