Mitä ovat proteiinipolymeerit ja missä niitä käytetään?
Polymeerit ovat erikoisaineita, joita tiedemiehet oikeutetusti kutsuvat elottoman luonnon evoluution huipuksi, koska juuri ne loivat perustan elämälle Maaplaneetalla. Näille aineille on ominaista niiden fysikaalisten ominaisuuksien, rakenteen, kemiallisen koostumuksen ja muuttumiskyvyn suuri monimuotoisuus. Polymeereihin kuuluvat paitsi sellaiset hyvin tunnetut materiaalit kuin muovi, myös proteiinipolymeerit, jotka ovat ihmiskehon rakennusmateriaalia, erilaiset polysakkaridit (esim. selluloosa), DNA, johon on ohjelmoitu elävien olentojen perinnöllisyyskoodi.
Proteiinipolymeerien ilmestymisen ansiosta planeetalle eloton aine pystyi suorittamaan sellaisia toimintoja kuin itse lisääntyminen, perinnöllisen tiedon välittäminen, lisääntyminen ja replikaatio. Niiden kyky muuttua sallii luonnon tehdä muutoksia DNA:han luonnollisen valinnan avulla.
Mitä ovat polymeerit?
Se on suuri molekyyli, joka koostuu pienemmistä molekyyleistä, jotka on liitetty toisiinsa vahvoilla kovalenttisilla sidoksilla. Polymeerit voivat olla yksiulotteisia (lineaarinen molekyyli, joka koostuu yksiköistä), kaksiulotteisia tai kolmiulotteisia.
Epäorgaanisessa kemiassa monien silikaattimineraalien rakennetta voidaan pitää yksi-, kaksi- tai kolmiulotteisina polymeereinä. Esimerkiksi cialidit ovat eräänlainen molekyyli "seula", jonka läpi vesi suodatetaan ennen kuin se tulee asuinrakennusten asuntoihin. Cialide on kolmiulotteinen materiaali, joka näyttää avoimelta luminosilikaattiyksiköiden verkostolta.
Synteettisiä polymeerejä on kahta tyyppiä: kestomuovi ja kertamuovi. Termoplastiset (polyeteeni, polystyreeni) kestävät toistuvaa käsittelyä korkeissa lämpötiloissa, koska lämmitys ei muuta niiden rakennetta. Kuumennettaessa kertamuovit menettävät alkuperäisen rakenteensa, jota ei voida enää palauttaa.
Viittaa laajalle levinneisiin polymeereihin ja muoviin, joka on erilaisten kovettimien, pehmittimien ja stabilointiaineiden seos. Muovien laajuus on valtava – ne ovat välttämättömiä lentokonetekniikassa, hammaslääketieteessä, avaruusteollisuudessa ja jokapäiväisessä elämässä.
Polymeerit ovat orgaanisia aineita
Orgaanisessa kemiassa polymeerit ovat ylivoimaisesti yksiulotteisia. Nämä orgaaniset ketjut voivat olla auki tai kierrettyjä. Esimerkiksi fibrillaariset proteiinit, kuten kollageeni, jotka muodostavat ihmisen jänteet ja kolmanneksen sen proteiinimassasta. Kollageenilla on suuri vahvuus ja se koostuu yksiulotteisista ketjuista.
Katso video siitä, mitä polymeerit ovat.
Orgaaniset polymeerit – proteiinit voivat olla pallomaisia (yksiulotteinen ketju kierretty palloksi – "pallo"). Yksi proteiinipolymeerien tärkeistä biologisista tehtävistä kehossa on entsymaattinen. Globulaariset proteiinit ovat katalyytti – jokaisen tällaisen "käämin" sisällä on erityisiä keskuksia, joilla on lisääntynyt aktiivisuus ja joissa tapahtuu kemiallisia reaktioita, joita proteiinimatriisi kiihdyttää.
Proteiiniketjut voidaan yhdistää vahvoilla vetysidoksilla, jotka muodostavat vahvoja kolmiulotteisia rakenteita, kuten keratiini, silkki tai selluloosa. Selluloosaa löytyy puiden ja pensaiden kuoresta ja se on maailman yleisin kiinteä polymeeri. Tärkkelys on samanlainen kuin selluloosa, joka liukenee veteen ja imeytyy ihmiskehoon. Sinun on tiedettävä, että selluloosa ja tärkkelys ovat sama kemiallinen aine kaavassa, mutta erilaiset rakenteeltaan.
Useissa elävien olentojen orgaanisissa molekyyleissä funktionaalisten ryhmien massa, koko ja lukumäärä ovat merkityksettömiä. On makromolekyylejä, jotka muodostavat kudoksia tai varastoivat geneettistä tietoa. Joissakin tapauksissa nämä molekyylit ovat polymeerejä. Esimerkiksi monimutkaiset hiilihydraatit ovat alkuainesokereiden polymeerejä. Proteiinit ovat aminohappojen polymeerejä, kun taas geneettistä koodia tallentavat molekyylit – RNA ja DNA – ovat nukleotidien polymeerejä.
Hiusten, höyhenten ja villan koostumus perustuu keratiini-aineeseen, jota pidetään myös polymeerinä. Eläinkunnan yleisimpien edustajien niveljalkaisten ulkorungot koostuvat kitiinin polymeeristä.
Proteiinipolymeerien rakenteen purkaminen
Nyt erityistä huomiota kiinnitetään proteiinien rakenteen purkamiseen. Proteiineilla on useita rakennetasoja:
- ensisijainen – monomeeristen lohkojen suora ketju;
- toissijainen – proteiinirakenteen palat, jotka on pakattu standardiyksiköihin (heliksit, pallot, levyt);
- tertiäärinen – useiden vakioyksiköiden yhdistelmä avaruudessa;
- kvaternäärinen – kun useat proteiinimolekyylit kietoutuvat yhteen
Käyttämällä aloitusmallia – proteiinin ensisijaista rakennetta voit laskea sen vähimmäisenergian. Tutkijat tarkastelevat, mihin se taittuu avaruudessa varmistaakseen parhaan vakauden ja määrittääkseen siten vähimmäisenergian määrän.
Tavallinen proteiinimolekyyli on hyvin monimutkainen – se koostuu sadasta aminohaposta ja sillä on valtava määrä vapausasteita. Jos jonakin päivänä ihmiskunta oppii ennustamaan tarkasti ja nopeasti proteiinin rakenteen aminohapposekvenssistä, niin tämä mahdollistaa suuren edistyksen monien lääketieteellisten ja biologisten ongelmien ratkaisemisessa.
Loppujen lopuksi proteiinin rakenteen rikkomukset johtavat usein erilaisiin sairauksiin. Tällaisia sairauksia kutsutaan molekyylisairauksiksi, ja niitä on tällä hetkellä löydetty useita tuhansia. Molekyylisiä ovat: Alzheimerin tauti, ruoansulatushäiriöt, sirppisoluanemia ja monet muut.
Selvittämällä proteiinin rakenteen voimme ymmärtää, millainen lääke voi parantaa näitä sairauksia. Proteiinin rakenteen kokeellinen laskeminen on erittäin vaikeaa ja aikaa vievää tehtävää. Jos se olisi mahdollista edeltää teoreettisesti, se mahdollistaisi biologian ja lääketieteen edistymisen nopeuttamisen.
Ensimmäinen proteiinin rakenne purettiin, jonka molekyyli sisältää vain kaksi polypeptidiketjua (21 ja 30 aminohappotähdettä, vastaavasti). Tämä yksinkertainen proteiini oli naudan insuliini. Nyt tiedemiehet pystyvät tulkitsemaan vain pienten 30-40 aminohappotähteen proteiinien rakenteen ja suunnittelevat laajentavansa sitä 100-200 aminohappotähteen ajan myötä. Tällä hetkellä tämä on biologian päätehtävä maailmassa.