Природные полимеры

Автор: Лон Дж. Матиас (Lon J. Mathias)
Много лет тому назад, до того как появились пластмассы и синтетические полимеры, то есть на самом деле почти столь же давно, как существует сама Земля, природа использовала природные полимеры для того, чтобы стала возможной жизнь. Мы думаем о природных полимерах иначе, чем о полимерах синтетических, поскольку мы не можем похвастать, что они являются плодом нашей изобретательности, а химические компании не могут продавать их с целью получения доходов. Однако, все это не делает природные полимеры менее важными. На самом деле оказывается, что во многом они даже важнее синтетических.

К природным полимерам относятся РНК и ДНК, которые так важны для генов и процесса продолжения жизни. На самом деле, РНК служит для передачи сигналов и благодаря ей существуют протеины, пептиды и энзимы. Энзимы способствуют протеканию химических процессов в живых организмах, а пептиды являются одними из наиболее интересных составляющих, образующих кожу. волосы, и даже рога носорогов. Среди природных полимеров можно назвать полисахариды (полимеры сахара) и полипептиды, как шелк, кератин (волосы). Натуральный каучук, конечно же, тоже является природным полимером, сделанным просто из углерода и водорода. Давайте посмотрим на каждое из основных семейств природных полимеров более подробно.

Полисахариды

ДНК и РНК

ДНК и РНК содержат основную цепь, состоящую из звеньев глюкозы. Поэтому они относятся к группе полимеров полисахаридов, хотя в случае ДНК и РНК именно боковые группы, хорошо упорядоченные, придают этим полимерам их уникальные свойства.

Wood and Potatoes

Другое семейство полисахаридов включает крахмал и целлюлозу. Крахмал - это полисахарид с высокой молекулярной массой. Пищевые продукты такие, как хлеб, кукуруза и картошка полны крахмала. В состав крахмала может входить до 10000 звеньев глюкозы, связанных между собой. Способ, которым эти звенья соединены между собой, либо все в одну линию, либо с некоторыми разветвлениями, определяют, каким типом крахмала или другого полисахарида является данная молекула (подробнее об этом мы расскажем позже). Другим очень важным членом семейства полисахаридов является целлюлоза. Она является основным полимером, из которого построены растения. Древесина в основном состоит из целлюлозы. Этот полимер отличается от крахмала. (Нажмите сюда, чтобы выяснить, чем же именно они отличаются.) Крахмал растворим в горячей воде и из него можно легко сделать полезные предметы. Целлюлоза же, напротив, в высокой степени кристаллична, поэтому не растворяется практически ни в чем. Хлопок является одной из разновидностей целлюлозы, которую мы часто используем в нашей одежде. То, что хлопок нерастворим в горячей воде, для нас очень важно. В противном случае наша одежда растворялась бы при попытке выстирать ее. Целлюлоза также обладает тем приятным свойством, что если вы намочите ее, а затем проведете по ней горячим утюгом, она снова выравнивается и разглаживается. Это придает опрятный вид нашей одежде (по крайней мере, на некоторое время), но тем не менее позволяет легко смывать с нее грязь, когда мы ее стираем.

Хитин: полимер для тех из вас, кто любит морепродукты!

Другим семейством полисахаридов является хитин. Из него сделаны панцири раков, креветок, крабов, лобстеров и других ракообразных. Он тверд, нерастворим… и тем не менее почему-то гибок. Мы пока еще не поняли, что хорошего можно сделать из хитина, хотя мы используем целлюлозу в ряде химических процессов, а также для изготовления бумаги, деревянных домов, деревянных башмаков и так далее. Для того, чтобы использовать хитин для создания новых материалов проводятся обширные исследования, и может быть, когда-нибудь мы будем делать из него одежду или пластмассы. Эти исследования очень важны, поскольку они направлены на использование природных полимеров, поступающих из возобновляемых источников или отходов производства. (А вы знаете, сколько креветок ради нас расстаются со своими панцирями?)

С химической точки зрения хитин является поли(N-ацетоглюкозамином). Вот его структура:

Мы учимся у Природы

Пока вы внимательно смотрите на каждого члена семейства природных полимеров, подумайте вот о чем: природа додумалась до всего этого намного раньше нас! Одной из важных задач для нас, ученых, является попытка понять, как же природа изобретает такие хорошие вещи, чтобы мы впредь могли подражать ей. Например, когда мы поняли, почему шелк обладает такими замечательными свойствами, мы смогли сделать синтетический шелк в виде найлонов. Но нам надо пройти, однако, еще очень долгий путь, прежде чем мы сможем делать синтетические РНК и ДНК, которые приведут к появлению синтетических живых организмов. И хотя мы, может быть, никогда и не сможем пройти этот путь до конца, но сами попытки сообразить, как же это делается, очень интересны и приводят к появлению значительных открытий в области создания синтетических полимеров, а также и в других областях, включая медицину и биохимию. Это приводит нас к важной мысли о том, что наука похожа на саму жизнь. В ней не бывает отдельных вопросов, а все вопросы переплетены между собой. И хотя наука о полимерах - не единственная наука, и может быть, даже не самая важная (хотя нам и очень хочется так думать, поскольку мы ею занимаемся!, она является одной из сфер, которая может помочь нам понять и использовать те знания, которые мы приобретаем, изучая природу. Таким образом мы способствуем развитию технологии.

(Замечание: Просто для того, чтобы разобраться с вопросом о соотношении науки и технологии, мы заметим, что наука и технология являются разными вещами. Наука является действием, направленным на увеличение знаний путем наблюдений и экспериментов. Технология стремится применить эти знания для нашей пользы. Пример: При помощи науки мы узнали, что горячие газы расширяются. Затем, при помощи технологии мы используем принцип расширения горячих газов для создания бензинового двигателя внутреннего сгорания, который может двигать автомобиль. Вы поняли, как это происходит?)

Протеины (белки) и полипептиды

Протеины

Протеины или белки были первым примером полиамидов (это умное слово, которым обозначают найлон). У них очень много схожих черт, но они очень сильно отличаются: и тем, как они делаются, и своими физическими свойствами. Схожи они в том, что все они содержат амидные связи в основной цепи. Амиды получаются из амино- групп и карбоксильных кислот при потере воды. (Для выяснения подробностей, загляните сюда.) Амидное звено молекулы уникально по своим структурным свойствам и по свойственным ему межмолекулярным взаимодействиям. Благодаря гибридизации атомов азота, углерода и водорода в амино- группе, это звено является практически плоским. Что еще более важно, водород, соединенный с атомом азота, и атом кислорода в карбонильной группе способны к образованию сильной водородной связи. Вследствие этого амидные группы настолько нравятся друг другу, что они образуют сильные межмолекулярные связи, придающие амидосодержащим полимерам необыкновенные свойства. Этот тип взаимодействий также подробно обсуждается в разделе, посвященном найлонам, и именно он является основным сходством между природными и синтетическими полиамидами.

Различия же между тем, как природа и мы, делаем найлоны, просто поразительны. Как правило, мы делаем найлоны из молекул, содержащих большое число групп CH2. В разделе, посвященном найлонам, показаны структуры для найлона 6 и найлона 6,6, двух из наиболее распространенных полиамидов. Они обладают четырьмя, пятью или шестью группами CH2, заключенными между амидными звеньями. Природа, однако, более экономична, и она предпочитает использовать лишь один атом углерода между амидными группами. В чем еще заключается отличие природного метода, так это в замене этого углерода большим количеством различных функциональных звеньев и групп.

Это приводит к проявлению двух следующих важных свойств. Во-первых, отдельные звенья и целые молекулы оптически активны, они обладают хиральностью. Это означает, что такие молекулы похожи на перчатки: есть правый вариант и левый. По некоторым причинам природа решила использовать только левый вариант аминокислот, которые синтезируются растениями и животными. Тот факт, что только один из двух возможных изомеров используется в живой природе, приводит к некоторым интересным стереохимическим последствиям. Например, природные полипептиды могут образовывать спиральные структуры, тогда как нaйлоны лишены этой возможности. Спиралевидная форма увеличивает устойчивость природных полипептидов. Знаете ли вы, что существуют бактерии, которые могут выживать в кипящей воде? Все это потому, что их природные полимеры были стабилизированы за счет образования таких спиралевидных структур. На рисунке внизу показана такая спиральная структура, называемая a-спираль. Маленькие звенья таких спиральных структур природа использует для создания энзимов с их специфической формой, для того чтобы они могли творить свои небольшие каталитические чудеса. Например, гибкое случайно скрученное звено может присоединить два a-спиральных звена, так чтобы они могли вместе взаимодействовать с некоторой подложкой.

Энзимы

Энзимы являются одним из важнейших видов полипептидов, которые являются ключевым звеном для появления жизни на Земле. Все живые организмы используют энзимы для того, чтобы строить, изменять и разрушать другие виды обсуждаемых здесь полимеров. Энзимы являются катализаторами, которые выполняют четко определенную работу. На самом деле, часто каждый энзим делает только один тип работы или создает только один тип молекул. Это значит, что должно быть очень много различных видов энзимов, каждый из которых сделан из различных сочетаний аминокислот, соединенных уникальным образом в полипептидную молекулу, чтобы выполнять все работы, необходимые живому организму. И что действительно странно, что каждый из энзимов должен быть сделан при помощи других энзимов. Это приводит к появлению очень сложных механизмов управления: у нас нет ни малейших идей (в больщинстве случаев), как природа решает, какой энзим и когда должен быть создан, или как энзимы включаются и выключаются. Мы только начинаем понимать это, и изучение таких систем является важной частью биохимии и биологии.

Вдаль по Великому Шелковому Пути

Одним из уникальных полипептидов, который стали использовать уже очень давно благодаря его превосходным свойствам, был шелк. Шелк был открыт китайцами очень задолго до Рождества Христова. Шелк делают маленькие гусеницы, пытаясь сплести из него коконы для своего превращения в бабочек. Мы крадем шелк у этих гусениц, что, конечно же, оставляет их в весьма затруднительном положении. Затем из шелка прядут волокно. Пучки очень тонких отдельных макромолекул соединяются вместе, что придает им прочность. Именно таким же способом и делают веревки, сплетая отдельные непрочные пряди вместе таким образом, что в результате получается нечто и гибкое, и прочное. Структура молекул шелка очень нехарактерна для полипептидов. Они содержат большое количество незамещенной аминокислоты, глицина. Звенья глицина способны образовывать плоские протяженные цепочки, которые очень хорошо и плотно упаковываются друг с другом. Это придает шелку его исключительную прочность, блеск и гибкость. Шелк обладает столь уникальными свойствами, особенно важными в жарком и влажном климате, что он был основным предметом торговли в Восточной Азии на протяжении многих веков. Торговля шелком между Японией и Китаем управляла экономикой цивилизаций в этом регионе гораздо дольше, чем любая из этих стран готова признать. Даже в Америке шелк был важен до второй мировой войны, ведь из него делались шелковые чулки. Когда весь шелк в США пошел на изготовление парашютов, женщины Америки были очень расстроены. В результате химические компании синтезировали искусственный шелк, найлон, так что из него можно было делать нaйлоновые чулки. Теперь женские ноги могли оставаться в тепле, а мужчины могли спокойно продолжать воевать дальше.

Другим существенным различием между полипептидами и найлонами является то, как они делаются. Мы, люди, делаем найлоны тоннами на огромных химических заводах, где маленькие молекулы соединяются в больших количествах, чтобы мы могли делать из них нужные нам вещи. Природа же действует гораздо более тонко и осторожно. Для того, чтобы живой организм создал энзим, должны быть задействованы другие энзимы или действующие образцы. При синтезе всегда должен присутствовать образец, или запись того, как должны быть соединены друг с другом различные аминокслоты, чтобы в конце концов образовать нужный полимер. Этим образцом или картой является молекула РНК - носитель генетической информации. Сообщение, которое она передает, заключается, конечно же, в том, как энзимы, занятые в производстве полипептидов, должны это делать. Каждую аминокислоту приносит к энзиму специальная молекула - транспортер, после чего аминокислота активируется для включения ее в целый каскад стадий реакции. Энзим добавляет единственную аминокислоту, каждый раз только одну, как ему предписывает РНК- носитель генетической информации. Это медленный и кропотливый процесс, который занимает немалое время. Иногда энзиму надоедает ждать, пока подоспеет необходимая аминокислота, и он пришлепывает на ее место другую. Чтобы компенсировать это, устроено так, что энзим иногда возвращается, чтобы проверить свою работу. Если он допустил ошибку, то он запускает процесс вырезания неправильной аминокислоты и вставления на ее место нужной. Мы, люди никогда этого не делаем. Если мы допустили ошибку, то мы просто сминаем листок бумаги и выкидываем его.

Наши слабые способности

Мы начинаем понимать, как природа составляет эти молекулы, и мы сообразили, как мы можем делать это сами. Однако, у нас это еще не очень хорошо получается, и мы не можем очень эффективно делать очень большие молекулы. Причина этого в том, что если мы допусткаем ошибку, то она губит всю молекулу, и мы не знаем, как это исправить. Существует машина, используемая для получения синтетических аналогов полипептидов, которая называется "пептидный синтезатор". Такая машина построена вокруг маленьких шариков полимера, которые мы присоединяем к первой аминокислоте, которую мы хотим поместить в нашу полипептидную макромолекулу. (Это называется Методом Синтеза Меррифилда [Merrifield Synthesis Approach]. Использование шариков полимера было выдающейся и продуктивной идеей, за которую Роберт Меррифилд получил Нобелевскую Премию в уже довольно далеком 1984 году.) Мы берем активированную аминокислоту, подобно тому, как это делает природа, и прикрепляем ее, образуя пептидную связь. Мы повторяем этот процесс снова и снова, пытаясь добиться, чтобы эта реакция шла каждый раз, с каждой молекулой на каждом шарике. Иногда нам не везет, и мы пропускаем аминокислоту. Это означает, что у некоторых полипептидов будет недоставать каких-то звеньев. Это всегда приводит к образованию смеси хорошего продукта и бракованного, причем хороший продукт может быть меньшей составляющей в этой смеси. Эта ситуация усложняется по мере того, как мы хотим сделать полипептид все больших и больших размеров, и это является одной из основных проблем, с которыми мы сталкиваемся при нашем способе получения полипептидов. Если нам только удастся сообразить, как можно обратить процесс и проверить каждую из присоединенных аминокислот, а затем исправить допущенные ошибки, то, возможно, нам удастся проделать эту работу так же хорошо, как это получается в природе. Может быть.

Вы, возможно, задаете себе вопрос, зачем же нам нужно делать такую плохую работу, пытаясь получить синтетические аналоги того, что природа и сама делает так хорошо. (Если вам это не очень интересно, в любом случае лучше дочитайте до конца). Тому есть целый ряд причин, одна из которых состоит в том, чтобы понять, как же все-таки природа делает это. Другая заключается в том, чтобы понять, почему пептиды и энзимы делают свое дело именно так, как они это делают. Нам, простым смертным, не всегда ясно, почему данная последовательность аминокислот заставляет полипептид принимать определенную форму или образовывать определенную структуру. Эти структуры являются ключем к пониманию того, как полипептиды делают ту работу, которая им назначена природой. Иногда, когда мы видим, как природа строит эти молекулы из составных частей, мы можем сделать синтетические аналоги, которые бы обладали теми же функциями, но которые было бы проще изготовить. Это привело к созданию новых лекарств и к лечению некоторых болезней, передающихся по наследству.

Природа также и в том отличается от нас, что при изготовлении полипептидов она использует воду. Большинство применяемых нами реакций синтеза на самом деле не используют воду. Мы синтезируем наши полиамиды в ядовитых органических растворителях. Это приводит к следующей проблеме: что делать с органическими растворителями после того, как реакция закончилась? Иногда мы сжигаем их, но постепенно мы пытаемся все больше и больше повторно использовать эти вещества. Они не только возрастают в цене, когда мы их впервые покупаем, (по сравнению с дешевой водой, которая есть везде) но и берем на себя ответственность по их переработке, очистке и окончательном захоронении. Одним из примеров того, как природа использует воду в этих целях, является производство паутины пауками (а мы до сих пор так и не поняли, как это происходит). Пауки плетут свою паутину из раствора полипептидов в воде. Этот раствор выдавливается сквозь маленькие отверстия прядильных органов паука и быстро удлинняется, образуя паутинки, которые мы все видели и в которых мы иногда запутывались. Это действительно странно, но как только паутина образуется, она уже становится нерастворимой в воде. Если нам только удастся сообразить, как пауки делают свою паутину в воде, а потом плетут из нее свои сети, то мы могли бы делать найлоны таким же способом. Это может сэкономить нам много денег и решить проблему утилизации отходов производства. Это одна из областей исследования, в которой нам очень и очень необходима помощь. Может быть, вам удастся придумать способ, который мы можем попытаться реализовать.

Если у вас есть идея, сообщите нам о ней, использовав приведенную ниже форму!


Ваше имя? (необязательно)
Организация? (необязательно)
Сообщите нам, пожалуйста, ваш адрес электронной почты. (необязательно)

Вернуться в директорию Третьего Уровня

Вернуться в основную директорию Макрогалереи

Авторское право ©1995,1996 | Факультет Науки о Полимерах | Университет Южного Миссисипи