- Что собой представляют полимеры?
- Полимеры - органические вещества
- Расшифровка структуры полимеров белков
Полимеры – это особенные вещества, которые ученые по праву называют вершиной эволюции неживой природы, так как именно они положили начало жизни на планете Земля. Эти вещества отличаются большим разнообразием по своим физическим свойствам, структуре, химическому составу, а также способностью к изменчивости. К полимерам относятся не только такие всем известные материалы, как пластмасса, но и полимеры белков, которые являются строительным материалом для тела человека, различные полисахариды (например - целлюлоза), ДНК, в которых запрограммирован код наследственности живых существ.
Именно благодаря появлению на планете полимеров белков неживая материя получила выполнять такие функции как самовоспроизведение, передача наследственной информации, размножение и реплицирование. Их способность к изменчивости дает возможность природе вносить поправки в ДНК, осуществляя естественный отбор.
Что собой представляют полимеры?
Это большая молекула, состоящая из более мелких молекул, связанных друг с другом прочными ковалентными связями. Полимеры могут быть одномерными (линейная молекула, состоящая из звеньев), двумерными или трехмерными.
В неорганической химии структуру многих силикатных минералов можно считать одно-, двух- или трехмерными полимерами. Например, циалиды – своеобразное молекулярное «сито», сквозь которое фильтруется вода, прежде чем попадает в квартиры жилых домов. Циалид - трехмерный материал, который выглядит как ажурная сетка из люмоселикатных единиц.
Различают два вида синтетических полимеров: термопластичные и термореактивные. Термопластичные (полиэтилен, полистирол) способны выдерживать повторную обработку высокими температурами, так как нагрев не меняет их структуры. Термореактивные при нагреве теряют свою первоначальную структуру, которая уже не поддается восстановлению.
Относится к широко распространенным полимерам и пластмасса, которая представляет собой сплав различных отвердителей, пластификаторов, стабилизирующих веществ. Сфера применения пластмасс огромна – они незаменимы в авиатехнике, стоматологии, космической отрасли и быту.
Полимеры - органические вещества
В органической химии полимеры в подавляющем большинстве случаев являются одномерными. Эти органические цепи могут быть развернутыми или свернутыми в клубок. Например, фибриллярные белки, такие как коллаген, из которого состоят сухожилия человека и треть его белковой массы. Коллаген обладает большой прочностью и состоит из одномерных цепочек.
Смотрите видео о том, что такое полимеры.
Органические полимеры - белки могут быть глобулярными (одномерная цепь, свернутая в клубок - «глобулу»). В организме одна из важных биологических функций полимеров белков – ферментативная. Глобулярные белки являются катализатором – внутри каждого такого «клубка» возникают особые центры с повышенной активностью, где возникают химические реакции, которые ускоряет белковая матрица.
Белковые цепи могут быть соединены крепкими водородными связями, из которых создаются прочные трехмерные конструкции, такие как кератин, шелк или целлюлоза. Целлюлоза входит в состав коры деревьев, кустов и является наиболее распространенным твердым полимером в мире. Похож на целлюлозу крахмал, который растворяется в воде и усваивается человеческим организмом. Нужно знать, что целлюлоза и крахмал – это одно и то же химическое вещество по формуле, но различное по структуре.
У ряда органических молекул живых существ масса, размеры и количество функциональных групп незначительны. Существуют макромолекулы, которые формируют ткани или хранят генетическую информацию. В ряде случаев эти молекулы являются полимерами. Например, сложные углеводы - это полимеры элементарных сахаров. Белки являются полимерами аминокислот, а хранящие генетический код молекулы – РНК и ДНК – это полимеры нуклеотидов.
В основе состава волос, перьев и шерсти - вещество кератин, который также считается полимером. Наружные скелеты членистоногих – самых распространенных представителей животного царства, состоят из полимера хитина.
Читайте о функциях цитоплазмы у бактерий.
А также о том, что такое универсальный полимер или акрил.
Расшифровка структуры полимеров белков
Сейчас особое значение придается расшифровке структуры белков. У белков есть несколько уровней структур:
- первичная – прямая цепь мономерных блоков;
- вторичная – куски структуры белка, упакованные в стандартные единицы (спирали, глобулы, листа);
- третичная – сочетание нескольких стандартных единиц в пространстве;
- четвертичная – когда несколько белковых молекул переплетаются вместе
С помощью стартовой модели – первичной структуры белка можно рассчитать ее минимальную энергию. Исследователи смотрят, во что она сворачивается в пространстве, чтобы обеспечить наибольшую устойчивость и таким образом определяют количество минимальной энергии.
Обычная белковая молекула очень сложна – она состоит из ста аминокислот и имеет огромное количество степеней свободы. Если когда-нибудь человечество научится точно и быстро предсказывать структуру белка по аминокислотной последовательности, то это позволит далеко продвинуться в решении многих медицинских и биологических задач.
Ведь именно нарушения в структуре белка часто приводят к различным болезням. Такие заболевания называют молекулярными и в настоящее время их открыто несколько тысяч. К молекулярным относятся: болезнь Альцгеймера, алиментарная дистрофия, серповидноклеточная анемия и многие другие.
Расшифровав структуру белка, мы сможем понять, какое лекарство может вылечить от этих болезней. Экспериментально вычислить структуру белка - очень сложная задача, требующая много времени. Если было бы возможно предварить ее теоретически, это позволило бы ускорить прогресс в биологии и медицине.
Самой первой была расшифрована структура белка, молекула которого содержит всего две полипептидные цепочки (соответственно на 21 и 30 аминокислотных остатков). Этим простым белком являлся бычий инсулин. Сейчас ученые умеют расшифровывать структуру только маленьких белков на 30-40 аминокислотных остатков и со временем планируют расширить ее до 100-200. На данный момент это основная задача биологии в мире.
А какие еще полимеры знаете вы? Делитесь своими знаниями в комментариях! А также смотрите видео о функциональных особенностях белков.
