I polimeri sono sostanze speciali che gli scienziati chiamano giustamente l’apice dell’evoluzione della natura inanimata, poiché sono stati loro a gettare le basi per la vita sul pianeta Terra. Queste sostanze si distinguono per una grande diversità nelle loro proprietà fisiche, struttura, composizione chimica e capacità di cambiamento. I polimeri includono non solo materiali noti come la plastica, ma anche polimeri proteici, che sono il materiale da costruzione per il corpo umano, vari polisaccaridi (ad esempio cellulosa), DNA, in cui è programmato il codice ereditario degli esseri viventi.
È stato grazie alla comparsa di polimeri proteici sul pianeta che la materia inanimata è stata in grado di svolgere funzioni come l’autoriproduzione, la trasmissione di informazioni ereditarie, la riproduzione e la replicazione. La loro capacità di cambiare consente alla natura di apportare modifiche al DNA attraverso la selezione naturale.
Cosa sono i polimeri?
È una grande molecola composta da molecole più piccole legate tra loro da forti legami covalenti. I polimeri possono essere unidimensionali (molecola lineare costituita da unità), bidimensionali o tridimensionali.
Nella chimica inorganica, la struttura di molti minerali di silicato può essere considerata come polimeri mono, bi o tridimensionali. Ad esempio, i cialidi sono una sorta di "setaccio" molecolare attraverso il quale l’acqua viene filtrata prima che entri negli appartamenti degli edifici residenziali. Cialide è un materiale tridimensionale che sembra una rete traforata di unità luminose.
Esistono due tipi di polimeri sintetici: termoplastici e termoindurenti. I termoplastici (polietilene, polistirene) sono in grado di resistere a lavorazioni ripetute ad alte temperature, poiché il riscaldamento non ne modifica la struttura. Quando vengono riscaldati, i termoindurenti perdono la loro struttura originale, che non può più essere ripristinata.
Si riferisce a polimeri e plastica diffusi, che è una lega di vari indurenti, plastificanti, agenti stabilizzanti. La portata delle materie plastiche è enorme: sono indispensabili nell’ingegneria aeronautica, nell’odontoiatria, nell’industria spaziale e nella vita di tutti i giorni.
I polimeri sono sostanze organiche
Nella chimica organica, i polimeri sono prevalentemente unidimensionali. Queste catene organiche possono essere spiegate o arrotolate. Ad esempio, le proteine fibrillari, come il collagene, che costituiscono i tendini umani e un terzo della sua massa proteica. Il collagene ha una grande forza ed è costituito da catene unidimensionali.
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Polimeri organici: le proteine possono essere globulari (catena unidimensionale avvolta in una palla – "globulo"). Nel corpo, una delle importanti funzioni biologiche dei polimeri proteici è enzimatica. Le proteine globulari sono un catalizzatore: all’interno di ciascuna di queste "bobine" ci sono centri speciali con maggiore attività, dove si verificano reazioni chimiche, che vengono accelerate dalla matrice proteica.
Le catene proteiche possono essere collegate da forti legami idrogeno, che formano forti strutture tridimensionali, come cheratina, seta o cellulosa. La cellulosa si trova nella corteccia di alberi e cespugli ed è il polimero solido più diffuso al mondo. L’amido è simile alla cellulosa, che si dissolve in acqua e viene assorbita dal corpo umano. Devi sapere che la cellulosa e l’amido sono la stessa sostanza chimica nella formula, ma diversa nella struttura.
In un certo numero di molecole organiche di esseri viventi, la massa, la dimensione e il numero di gruppi funzionali sono insignificanti. Esistono macromolecole che formano tessuti o immagazzinano informazioni genetiche. In alcuni casi, queste molecole sono polimeri. Ad esempio, i carboidrati complessi sono polimeri di zuccheri elementari. Le proteine sono polimeri di amminoacidi, mentre le molecole che immagazzinano il codice genetico – RNA e DNA – sono polimeri di nucleotidi.
La composizione di capelli, piume e lana si basa sulla sostanza cheratina, anch’essa considerata un polimero. Gli scheletri esterni degli artropodi, i rappresentanti più comuni del regno animale, sono costituiti da un polimero di chitina.
Decifrare la struttura dei polimeri proteici
Ora viene attribuita particolare importanza alla decifrazione della struttura delle proteine. Le proteine hanno diversi livelli di struttura:
- primario: una catena diretta di blocchi monomerici;
- secondario – pezzi della struttura proteica, confezionati in unità standard (eliche, globuli, fogli);
- terziario: una combinazione di diverse unità standard nello spazio;
- quaternario – quando diverse molecole proteiche sono intrecciate insieme
Usando il modello di partenza – la struttura primaria della proteina, puoi calcolare la sua energia minima. I ricercatori osservano in cosa si ripiega nello spazio per garantire la massima stabilità e quindi determinare la quantità di energia minima.
Una normale molecola proteica è molto complessa: è composta da un centinaio di aminoacidi e ha un numero enorme di gradi di libertà. Se un giorno l’umanità imparerà a prevedere con precisione e rapidità la struttura di una proteina da una sequenza di amminoacidi, ciò consentirà di fare grandi progressi nella risoluzione di molti problemi medici e biologici.
Dopotutto, sono le violazioni nella struttura della proteina che spesso portano a varie malattie. Tali malattie sono chiamate malattie molecolari e attualmente ne sono state scoperte diverse migliaia. Le molecole includono: malattia di Alzheimer, distrofia alimentare, anemia falciforme e molte altre.
Decifrando la struttura della proteina, possiamo capire che tipo di medicina può curare queste malattie. Calcolare sperimentalmente la struttura di una proteina è un compito molto difficile e che richiede tempo. Se fosse possibile precederlo teoricamente, permetterebbe di accelerare i progressi della biologia e della medicina.
È stata decifrata la primissima struttura di una proteina, la cui molecola contiene solo due catene polipeptidiche (rispettivamente 21 e 30 residui di aminoacidi). Questa semplice proteina era l’insulina bovina. Ora gli scienziati sono in grado di decifrare la struttura solo di piccole proteine di 30-40 residui di aminoacidi e pianificano di espanderla a 100-200 nel tempo. Al momento, questo è il compito principale della biologia nel mondo.