Czym są polimery białkowe i gdzie są stosowane?

Polimery to specjalne substancje, które naukowcy słusznie nazywają szczytem ewolucji przyrody nieożywionej, ponieważ to oni położyli podwaliny pod życie na planecie Ziemia. Substancje te wyróżniają się dużą różnorodnością właściwości fizycznych, struktury, składu chemicznego, a także zdolnością do zmian. Polimery to nie tylko tak dobrze znane materiały, jak tworzywa sztuczne, ale także polimery białkowe, które są budulcem ludzkiego ciała, różne polisacharydy (np. celuloza), DNA, w którym zaprogramowany jest kod dziedziczności istot żywych.

To dzięki pojawieniu się na planecie polimerów białkowych materia nieożywiona mogła pełnić takie funkcje, jak samoreprodukcja, przekazywanie informacji dziedzicznej, reprodukcja i replikacja. Ich zdolność do zmian pozwala naturze dostosowywać DNA poprzez dobór naturalny.

Co to są polimery?

Jest to duża cząsteczka złożona z mniejszych cząsteczek połączonych ze sobą silnymi wiązaniami kowalencyjnymi. Polimery mogą być jednowymiarowe (cząsteczka liniowa składająca się z jednostek), dwuwymiarowe lub trójwymiarowe.

W chemii nieorganicznej strukturę wielu minerałów krzemianowych można rozpatrywać jako jedno-, dwu- lub trójwymiarowe polimery. Na przykład cylidy są rodzajem molekularnego „sita", przez które filtrowana jest woda, zanim dostanie się do mieszkań budynków mieszkalnych. Cialide to trójwymiarowy materiał, który wygląda jak ażurowa sieć jednostek luminokrzemianowych.

Istnieją dwa rodzaje polimerów syntetycznych: termoplastyczne i termoutwardzalne. Termoplastyczne (polietylen, polistyren) są w stanie wytrzymać wielokrotne przetwarzanie w wysokich temperaturach, ponieważ ogrzewanie nie zmienia ich struktury. Po podgrzaniu termoutwardzalne tracą swoją pierwotną strukturę, której nie można już przywrócić. 

Odnosi się do szeroko rozpowszechnionych polimerów i tworzyw sztucznych, które są stopem różnych utwardzaczy, plastyfikatorów, środków stabilizujących. Zakres tworzyw sztucznych jest ogromny – są one niezastąpione w inżynierii lotniczej, stomatologii, przemyśle kosmicznym i życiu codziennym.

Polimery to substancje organiczne

W chemii organicznej polimery są w przeważającej mierze jednowymiarowe. Te łańcuchy organiczne mogą być rozłożone lub zwinięte. Na przykład białka fibrylarne, takie jak kolagen, które tworzą ludzkie ścięgna i jedną trzecią ich masy białkowej. Kolagen ma dużą wytrzymałość i składa się z jednowymiarowych łańcuchów.

Obejrzyj film o tym, czym są polimery.

Polimery organiczne – białka mogą być kuliste (łańcuch jednowymiarowy zwinięty w kulkę – "globula"). W organizmie jedną z ważnych funkcji biologicznych polimerów białkowych jest funkcja enzymatyczna. Białka globularne są katalizatorem – wewnątrz każdej takiej „cewki” znajdują się specjalne ośrodki o zwiększonej aktywności, w których zachodzą reakcje chemiczne, które są przyspieszane przez białkową matrycę.

Łańcuchy białkowe mogą być połączone silnymi wiązaniami wodorowymi, które tworzą silne trójwymiarowe struktury, takie jak keratyna, jedwab czy celuloza. Celuloza znajduje się w korze drzew i krzewów i jest najpowszechniejszym stałym polimerem na świecie. Skrobia jest podobna do celulozy, która rozpuszcza się w wodzie i jest wchłaniana przez ludzki organizm. Musisz wiedzieć, że celuloza i skrobia to ta sama substancja chemiczna w formule, ale różniąca się budową.

W wielu cząsteczkach organicznych istot żywych masa, wielkość i liczba grup funkcyjnych są nieistotne. Istnieją makrocząsteczki, które tworzą tkanki lub przechowują informacje genetyczne. W niektórych przypadkach te cząsteczki są polimerami. Na przykład węglowodany złożone to polimery cukrów elementarnych. Białka to polimery aminokwasów, natomiast cząsteczki przechowujące kod genetyczny – RNA i DNA – to polimery nukleotydów. 

Skład sierści, piór i wełny opiera się na substancji keratyny, która również jest uważana za polimer. Zewnętrzne szkielety stawonogów, najpowszechniejszych przedstawicieli królestwa zwierząt, składają się z polimeru chityny.

Rozszyfrowanie struktury polimerów białkowych

Obecnie szczególną wagę przywiązuje się do rozszyfrowania struktury białek. Białka mają kilka poziomów budowy:

• podstawowy – bezpośredni łańcuch bloków monomerycznych;
• wtórne – fragmenty struktury białka, upakowane w standardowe jednostki (helisy, globule, arkusze);
• trzeciorzędny – połączenie kilku standardowych jednostek w przestrzeni;
• czwartorzędowy – gdy kilka cząsteczek białka jest ze sobą splecionych

Korzystając z modelu wyjściowego – pierwotnej struktury białka, możesz obliczyć jego minimalną energię. Badacze przyglądają się, w co się składa w kosmosie, by zapewnić jak największą stabilność i tym samym określić ilość minimalnej energii.

Zwykła cząsteczka białka jest bardzo złożona – składa się ze stu aminokwasów i ma ogromną liczbę stopni swobody. Jeśli kiedyś ludzkość nauczy się dokładnie i szybko przewidywać strukturę białka na podstawie sekwencji aminokwasów, umożliwi to ogromny postęp w rozwiązywaniu wielu problemów medycznych i biologicznych.

W końcu to naruszenia struktury białka często prowadzą do różnych chorób. Choroby takie nazywane są chorobami molekularnymi, a obecnie odkryto ich kilka tysięcy. Do molekularnych należą: choroba Alzheimera, dystrofia pokarmowa, anemia sierpowata i wiele innych.

Rozszyfrowując strukturę białka, możemy zrozumieć, jaki lek może wyleczyć te choroby. Eksperymentalne obliczenie struktury białka jest zadaniem bardzo trudnym i czasochłonnym. Gdyby udało się go teoretycznie wyprzedzić, pozwoliłoby to na przyspieszenie postępu w biologii i medycynie.

Rozszyfrowano pierwszą strukturę białka, którego cząsteczka zawiera tylko dwa łańcuchy polipeptydowe (odpowiednio 21 i 30 reszt aminokwasowych). Tym prostym białkiem była insulina bydlęca. Teraz naukowcy są w stanie rozszyfrować strukturę tylko małych białek o długości 30-40 reszt aminokwasowych i planują z czasem rozszerzyć ją do 100-200. W tej chwili jest to główne zadanie biologii na świecie.