Polümeerid on erilised ained, mida teadlased nimetavad õigustatult elutu looduse evolutsiooni tipuks, kuna just nemad panid aluse elule planeedil Maa. Neid aineid eristab nende füüsikaliste omaduste, struktuuri, keemilise koostise ja ka muutumisvõime suur mitmekesisus. Polümeeride hulka kuuluvad mitte ainult sellised tuntud materjalid nagu plast, vaid ka valgupolümeerid, mis on inimkeha ehitusmaterjaliks, erinevad polüsahhariidid (näiteks tselluloos), DNA, millesse on programmeeritud elusolendite pärilikkuse kood.
Just tänu valgupolümeeride ilmumisele planeedile suutis elutu aine täita selliseid funktsioone nagu isepaljunemine, päriliku teabe edastamine, paljunemine ja replikatsioon. Nende võime muutuda võimaldab loodusel teha DNA-s kohandusi loodusliku valiku kaudu.
Mis on polümeerid?
See on suur molekul, mis koosneb väiksematest molekulidest, mis on omavahel seotud tugevate kovalentsete sidemetega. Polümeerid võivad olla ühemõõtmelised (ühikutest koosnev lineaarne molekul), kahe- või kolmemõõtmelised.
Anorgaanilises keemias võib paljude silikaatmineraalide struktuuri pidada ühe-, kahe- või kolmemõõtmelisteks polümeerideks. Näiteks tsialiidid on omamoodi molekulaarne "sõel", mille kaudu filtreeritakse vesi enne, kui see siseneb elumajade korteritesse. Cialiid on kolmemõõtmeline materjal, mis näeb välja nagu luminosilikaatüksuste ažuurne võrgustik.
Sünteetilisi polümeere on kahte tüüpi: termoplastsed ja termoreaktiivsed. Termoplast (polüetüleen, polüstüreen) talub korduvat töötlemist kõrgel temperatuuril, kuna kuumutamine ei muuda nende struktuuri. Kuumutamisel kaotavad termoreaktiivid oma esialgse struktuuri, mida ei saa enam taastada.
Viitab laialt levinud polümeeridele ja plastile, mis on mitmesuguste kõvendite, plastifikaatorite, stabilisaatorite sulam. Plastide ulatus on tohutu – need on lennukiehituses, hambaravis, kosmosetööstuses ja igapäevaelus asendamatud.
Polümeerid on orgaanilised ained
Orgaanilises keemias on polümeerid valdavalt ühemõõtmelised. Need orgaanilised ahelad võivad olla lahtivolditud või kokku keeratud. Näiteks fibrillaarsed valgud, nagu kollageen, mis moodustavad inimese kõõlused ja kolmandiku selle valgu massist. Kollageen on suure tugevusega ja koosneb ühemõõtmelistest ahelatest.
Vaadake videot selle kohta, mis on polümeerid.
Orgaanilised polümeerid – valgud võivad olla kerakujulised (palliks keritud ühedimensiooniline ahel – "gloobul"). Organismis on valgupolümeeride üks olulisi bioloogilisi funktsioone ensümaatiline. Globulaarsed valgud on katalüsaatoriks – iga sellise "spiraali" sees on spetsiaalsed suurenenud aktiivsusega keskused, kus toimuvad keemilised reaktsioonid, mida kiirendab valgumaatriks.
Valguahelaid saab ühendada tugevate vesiniksidemetega, mis moodustavad tugevaid kolmemõõtmelisi struktuure, nagu keratiin, siid või tselluloos. Tselluloosi leidub puude ja põõsaste koores ning see on maailmas kõige levinum tahke polümeer. Tärklis sarnaneb tselluloosiga, mis lahustub vees ja imendub inimkehasse. Peate teadma, et tselluloos ja tärklis on valemis sama keemiline aine, kuid erinevad struktuurilt.
Paljudes elusolendite orgaanilistes molekulides on funktsionaalrühmade mass, suurus ja arv tähtsusetud. On makromolekule, mis moodustavad kudesid või salvestavad geneetilist teavet. Mõnel juhul on need molekulid polümeerid. Näiteks liitsüsivesikud on elementaarsete suhkrute polümeerid. Valgud on aminohapete polümeerid, samas kui geneetilist koodi talletavad molekulid – RNA ja DNA – on nukleotiidide polümeerid.
Juuste, sulgede ja villa koostis põhineb ainel keratiin, mida peetakse ka polümeeriks. Loomariigi levinumate esindajate lülijalgsete välisskeletid koosnevad kitiini polümeerist.
Valgupolümeeride struktuuri dešifreerimine
Nüüd pööratakse erilist tähelepanu valkude struktuuri dešifreerimisele. Valkudel on mitu struktuuritasandit:
- esmane – monomeersete plokkide otseahel;
- sekundaarne – valgu struktuuri tükid, pakitud standardühikutesse (heeliksid, gloobulid, lehed);
- tertsiaarne – mitmete standardühikute kombinatsioon ruumis;
- kvaternaarne – kui mitu valgumolekuli on omavahel põimunud
Kasutades lähtemudelit – valgu esmast struktuuri, saate arvutada selle minimaalse energia. Teadlased vaatavad, milleks see ruumis kokku voltib, et tagada suurim stabiilsus ja seega määrata minimaalne energiakogus.
Tavaline valgumolekul on väga keeruline – see koosneb sajast aminohappest ja sellel on tohutult palju vabadusastmeid. Kui ühel päeval õpib inimkond aminohappejärjestuse põhjal täpselt ja kiiresti valgu struktuuri ennustama, võimaldab see teha suuri edusamme paljude meditsiiniliste ja bioloogiliste probleemide lahendamisel.
Lõppude lõpuks põhjustavad valgu struktuuri rikkumised sageli mitmesuguseid haigusi. Selliseid haigusi nimetatakse molekulaarseteks haigusteks ja praegu on avastatud mitu tuhat. Molekulaarsete hulka kuuluvad: Alzheimeri tõbi, seedetrakti düstroofia, sirprakuline aneemia ja paljud teised.
Valgu struktuuri dešifreerimisel saame aru, milliste ravimitega saab neid haigusi ravida. Valgu struktuuri eksperimentaalne arvutamine on väga raske ja aeganõudev ülesanne. Kui teoreetiliselt oleks võimalik sellele eelneda, võimaldaks see kiirendada bioloogia ja meditsiini arengut.
Dešifreeriti kõige esimene valgu struktuur, mille molekul sisaldab ainult kahte polüpeptiidahelat (vastavalt 21 ja 30 aminohappejääki). See lihtne valk oli veiseinsuliin. Nüüd suudavad teadlased dešifreerida vaid väikeste, 30–40 aminohappejäägist koosnevate valkude struktuuri ja plaanivad seda aja jooksul laiendada 100–200 aminohappejäägini. Hetkel on see bioloogia põhiülesanne maailmas.