Що таке полімери-білки та де вони застосовуються?

Полімери – це особливі речовини, які вчені по праву називають вершиною еволюції неживої природи, оскільки саме вони започаткували життя на планеті Земля. Ці речовини відрізняються великою різноманітністю за своїми фізичними властивостями, структурою, хімічним складом, а також здатністю до мінливості. До полімерів відносяться не тільки такі відомі матеріали, як пластмаса, але і полімери білків, які є будівельним матеріалом для тіла людини, різні полісахариди (наприклад – целюлоза), ДНК, в яких запрограмований код спадковості живих істот.

Саме завдяки появі на планеті полімерів білків нежива матерія отримала виконувати такі функції, як самовідтворення, передача спадкової інформації, розмноження та реплікування. Їхня здатність до мінливості дає можливість природі вносити поправки в ДНК, здійснюючи природний відбір.

Що являють собою полімери?

Це велика молекула, що складається з дрібніших молекул, пов’язаних один з одним міцними ковалентними зв’язками. Полімери можуть бути одновимірними (лінійна молекула, що складається з ланок), двовимірними або тривимірними.

У неорганічній хімії структуру багатьох силікатних мінералів вважатимуться одно-, двух- чи тривимірними полімерами. Наприклад, ціаліди – своєрідне молекулярне «сито», крізь яке фільтрується вода, перш ніж потрапляє до квартир житлових будинків. Циалід – тривимірний матеріал, який виглядає як ажурна сітка із люмоселікатних одиниць.

Розрізняють два види синтетичних полімерів: термопластичні та термореактивні. Термопластичні (поліетилен, полістирол) здатні витримувати повторну обробку високими температурами, оскільки нагрівання не змінює їх структури. Термореактивні при нагріванні втрачають свою первісну структуру, яка вже не піддається відновленню. 

Належить до широко поширених полімерів і пластмаси, яка є сплавом різних затверджувачів, пластифікаторів, стабілізуючих речовин. Сфера застосування пластмас величезна – вони незамінні в авіатехніці, стоматології, космічній галузі та побуті.

Полімери – органічні речовини

В органічній хімії полімери в переважній більшості випадків є одновимірними. Ці органічні ланцюги можуть бути розгорнутими або згорнутими в клубок. Наприклад, фібрилярні білки, такі як колаген, з якого складаються сухожилля людини та третина його білкової маси. Колаген має велику міцність і складається з одномірних ланцюжків.

Дивіться відео про те, що таке полімери.

Органічні полімери – білки можуть бути глобулярними (одномірний ланцюг, згорнутий у клубок – «глобулу»). В організмі одна з найважливіших біологічних функцій полімерів білків – ферментативна. Глобулярні білки є каталізатором – усередині кожного такого «клубка» з’являються спеціальні центри з підвищеною активністю, де з’являються хімічні реакції, які прискорює білкова матриця.

Білкові ланцюги можуть бути з’єднані міцними водневими зв’язками, з яких створюються міцні тривимірні конструкції, такі як кератин, шовк чи целюлоза. Целюлоза входить до складу кори дерев, кущів і є найпоширенішим твердим полімером у світі. Схожий на целюлозу крохмаль, який розчиняється у воді та засвоюється людським організмом. Потрібно знати, що целюлоза і крохмаль – це те саме хімічна речовина за формулою, але різна за структурою.

У ряду органічних молекул живих істот маса, розміри та кількість функціональних груп незначні. Існують макромолекули, які формують тканини чи зберігають генетичну інформацію. У ряді випадків ці молекули є полімерами. Наприклад, складні вуглеводи – полімери елементарних цукрів. Білки є полімерами амінокислот, а молекули, що зберігають генетичний код – РНК і ДНК – це полімери нуклеотидів. 

В основі складу волосся, пір’я та вовни – речовина кератин, який також вважається полімером. Зовнішні скелети членистоногих – найпоширеніших представників тваринного царства, складаються з полімеру хітину.

Розшифрування структури полімерів білків

Зараз особливе значення надається розшифровці структури білків. Білки мають кілька рівнів структур:

• первинна – пряма ланцюг мономерних блоків;
• вторинна – шматки структури білка, упаковані у стандартні одиниці (спіралі, глобули, листи);
• третинна – поєднання кількох стандартних одиниць у просторі;
• четвертинна – коли кілька білкових молекул переплітаються разом

За допомогою стартової моделі первинної структури білка можна розрахувати її мінімальну енергію. Дослідники дивляться, що вона згортається у просторі, щоб забезпечити найбільшу стійкість і таким чином визначають кількість мінімальної енергії.

Звичайна білкова молекула дуже складна – вона складається зі ста амінокислот і має велику кількість ступенів свободи. Якщо колись людство навчиться точно і швидко передбачати структуру білка по амінокислотній послідовності, це дозволить далеко просунутися у вирішенні багатьох медичних і біологічних завдань.

Адже саме порушення у структурі білка часто призводять до різних хвороб. Такі захворювання називають молекулярними і нині їх відкрито кілька тисяч. До молекулярних відносяться: хвороба Альцгеймера, аліментарна дистрофія, серповидноклітинна анемія та багато інших.

Розшифрувавши структуру білка, ми зможемо зрозуміти, які ліки можуть вилікувати від цих хвороб. Експериментально обчислити структуру білка – дуже складне завдання, що потребує багато часу. Якби було можливо передувати її теоретично, це дозволило б прискорити прогрес у біології та медицині.

Найпершою була розшифрована структура білка, молекула якого містить лише два поліпептидні ланцюжки (відповідно на 21 та 30 амінокислотних залишків). Цим простим білком був бичачий інсулін. Наразі вчені вміють розшифровувати структуру лише маленьких білків на 30-40 амінокислотних залишків і згодом планують розширити її до 100-200. На даний момент це основне завдання біології у світі.