Polímeros Naturais

Anos atrás, antes que houvesse plásticos e polímeros sintéticos, de fato, todo o caminho de volta para o início da terra, a natureza era utilizando polímeros naturais para tornar a vida possível. Nós não pensamos de polímeros naturais, da mesma forma como polímeros sintéticos, porque não podemos levar o crédito para eles como maravilhas da nossa própria engenhosidade e as empresas químicas não pode vendê-los para o lucro. No entanto, isso não faz polímeros naturais menos importante; verifica-se, de facto, que são mais importantes de muitas maneiras.

Polímeros naturais incluem o RNA e DNA que são tão importantes para os genes e os processos da vida. Na verdade, o ARN mensageiro é o que torna possíveis proteínas, péptidos e enzimas. Enzimas ajudar a fazer a química dentro de organismos e peptídeos vivendo tornar-se alguns dos componentes estruturais mais interessantes da pele, cabelo, e até mesmo os chifres de rinocerontes. Outros polímeros naturais incluem polissacarídeos (polímeros de açúcar) e polipeptídeos como seda, queratina, e cabelo. A borracha natural é, naturalmente, um polímero natural, também, feita a partir de apenas carbono e hidrogênio. Vamos olhar para cada uma das principais famílias de polímeros naturais de perto.

Polissacarídeos

ADN e ARN

ARN e ADN contém estruturas poliméricas que são baseadas em unidades de açúcar. Isto torna-os polissacáridos, embora no caso de ARN e de ADN, existem grupos bem ordenada ligados às unidades de açúcar que dão esses polímeros suas capacidades únicas.

Madeira e batatas

Uma outra família de polissacáridos incluem amido e a celulose. O amido é um polissacárido de elevado peso molecular. Alimentos como pão, milho e batata estão cheios de amido. Amido pode ter até 10.000 unidades de açúcar todos ligados entre si. A forma como essas unidades de vincular-se, tudo em um arranjo linear ou com alguns deles ramos formando, determina que tipo de amido ou polissacarídeo é (mais sobre isso depois). Outro membro muito importante da família polissacárido é celulose . Este é o principal polímero que compõe as plantas e árvores. A madeira é principalmente celulose Este polímero é diferente do amido. (Clique aqui para saber mais.) O amido é água quente n solúvel e pode ser facilmente transformado em objetos úteis. Celulose, por outro lado, é altamente cristalino e quase totalmente insolúvel em nada. O algodão é uma forma de celulose que usamos na maioria das nossas roupas. O facto de que é insolúvel em água quente é importante. Se não fosse assim nossas roupas iria se dissolver quando lavá-los. Celulose também tem a propriedade puro que quando você molhá-lo e executar um ferro quente sobre ele, ele suaviza e nivela para baixo. Isso faz com que nossas roupas de algodão boa aparência (pelo menos por um tempo), mas ainda lhes permite limpar facilmente quando lavá-los.

Quitina: o polímero para o amante de frutos do mar em você!

Outro membro dos polissacáridos é quitina. Faz-se as cascas de lagosta, camarão, caranguejos, lagostas e outros crustáceos. É difícil, insolúvel ... e ainda de alguma forma flexível. Nós ainda não descobri como fazer polímeros sintéticos que têm esta combinação pura de propriedades. Nós também não descobri como fazer muito com quitina, embora nós usar a celulose para uma série de aplicações químicas e de fazer papel, casas de madeira, sapatos de madeira, e assim por diante. Há uma série de pesquisas em andamento para usar quitina para o material diferente, e talvez um dia nós vamos fazer roupas ou de plástico fora dele. Esta é uma área de pesquisa que é importante uma vez que utiliza polímeros naturais que vêm de recursos renováveis ou resíduos de produtos. (Você sabe quantos camarão perder seus escudos a cada ano para nós?)

Quimicamente, quitina é poli ( N -acetilglucosamina). Aqui está a sua estrutura:

Nós aprendemos com a natureza

Como você dar uma olhada mais de perto cada membro dessas famílias de polímeros naturais, lembre-se: a natureza estava lá em primeiro lugar, por um longo tiro! Um dos nossos trabalhos como cientistas é descobrir como a natureza faz um trabalho tão bom para que possamos imitá-lo. Por exemplo, uma vez que percebemos porquê de seda teve tais propriedades puras, fomos capazes de fazer a seda sintética em forma de meia-calça . Ainda temos um longo caminho a percorrer, no entanto, antes que possamos fazer RNA sintético e DNA que vai levar a vida sintética. Embora nunca pode chegar lá, tentando descobrir como é divertido e leva a lotes de desenvolvimentos importantes em polímeros sintéticos e outras áreas, incluindo medicina e da bioquímica. Isto levanta o ponto importante que a ciência é como a vida. Ele não lida com apenas uma coisa, mas tudo misturado. Ciência dos polímeros não é a única ciência, e não pode mesmo ser a ciência mais importante (embora nós no negócio gosto de pensar que é!). É uma das áreas que podem ajudar-nos a compreender e usar o conhecimento que recebemos de estudar a natureza. Desta forma, desenvolvemos tecnologia.

(Nota: Só para esclarecer toda esta ciência-e-tecnologia pergunta, ciência e tecnologia são duas coisas diferentes Ciência é o ato de aquisição de conhecimentos através da observação e experimentação Tecnologia é colocar esse conhecimento para usar Exemplo:... Usar a ciência aprendemos que gases quentes expandir. em seguida, usando a tecnologia, usamos os gases quentes princípio expandindo para fazer um motor a gasolina que pode alimentar um carro. Veja como funciona?)

Proteínas e polipéptidos

Proteínas

As proteínas foram os primeiros exemplos de poliamidas (uma palavra chique para nylon ). Ambos compartilham muitas características comuns, mas eles são muito diferentes na forma como eles são feitos e em suas propriedades físicas. Eles são semelhantes em que ambos contêm ligações amida no backbone. As amidas são feitas a partir de grupos de ácido carboxílico e grupos amina através da perda de água. (Para saber mais sobre isso, clique aqui .) O segmento molecular amida é único na sua estrutura e as interações intermoleculares. Devido à hibridação do azoto, carbono e oxigénio do grupo amida, o segmento é basicamente plana. Mais importante ainda, o hidrogénio no azoto e o oxigénio do carbonilo são capazes de uma interacção forte chamado uma ligação de hidrogénio. Devido a isso, os grupos de amida como um ao outro que eles alguns muito fortes para associações que dão polímeros contendo amida propriedades incomuns. Este tipo de interacção também é discutido na secção sobre nylons, e a semelhança é fundamental entre as poliamidas naturais e sintéticas.

As diferenças entre a forma como a natureza faz nylons e como o fazemos é impressionante. Nós principalmente fazer nylons a partir de moléculas que têm lotes de CH 2 grupos neles. A secção em nylons mostra estruturas para o nylon 6 e o nylon 6,6, duas das poliamidas sintéticas mais comuns. Eles possuem quatro, cinco, ou seis CH 2 grupos entre unidades amida. Natureza, no entanto, é muito mais económico, a escolha para utilizar apenas um único carbono entre os grupos amida. O que a natureza faz diferente é substituir esse carbono com lotes de diferentes segmentos funcionais e grupos.

Isto resulta em duas propriedades fundamentais. Primeiro, os segmentos individuais e a toda a molécula são opticamente activos, ou quiral . Isso significa que eles são como luvas: há direita e esquerda e versões. Por alguma razão, a natureza escolheu para utilizar apenas a versão de mão esquerda dos aminoácidos que são sintetizadas por plantas e por animais. O facto de apenas um dos dois isómeros é utilizada leva a algumas consequências estereoquímicas puras. Por exemplo, polipeptídeos naturais podem formar estruturas helicoidais, enquanto nylons não pode. As conformações helicoidais aumentar a estabilidade dos polipeptidos naturais. Você sabia que algumas bactérias podem sobreviver em água fervente? Isto é porque seus polímeros naturais têm sido estabilizada por tais estruturas helicoidais. A figura abaixo mostra uma tal estrutura helicoidal, chamado de uma hélice . Pequenos segmentos de tais estruturas helicoidais são o que a natureza usa para moldar enzimas em determinadas formas para que eles possam fazer a sua magia catalítico. Por exemplo, um segmento flexível enrolada aleatoriamente podem ser unidas por duas a segmentos de hélice de modo que eles podem reagir em conjunto em algumas substrato.

Enzimas

As enzimas são um dos principais tipos de polipeptídeos e são cruciais para a vida na terra. Todos os organismos vivos utilizam enzimas para fazer, modificar e pique até os polímeros discutidos aqui. As enzimas são catalisadores que fazem trabalhos específicos. Na verdade, muitas vezes, cada enzima faz apenas um tipo de emprego ou faz apenas um tipo de molécula. Isto significa que tem de haver lotes de diferentes enzimas, todos feitos de diferentes combinações de aminoácidos ligados de maneira única em polipeptídeos, para fazer todos os trabalhos que nenhum organismo necessita de estar feito. Sabemos que cada criatura na terra tem centenas ou mesmo milhares de diferentes enzimas para fazer todos os trabalhos que ele necessita. O que é realmente estranho é que cada uma das enzimas tem que ser feita por outras enzimas. Isto leva a mecanismos de controle muito complicados: não temos a menor idéia (na maioria dos casos) como a natureza decide o que as enzimas precisam ser feitas e quando, ou como as enzimas são ligados e desligados. Estamos começando a descobrir isso, e o estudo de tais sistemas é uma parte importante de bioquímica e biologia.

Montando para baixo a Rota da Seda

Um dos polipéptidos originais que foram utilizados muito cedo para as suas propriedades excelentes era de seda. Silk foi descoberto pelos chineses muito antes do nascimento de Cristo. Silk é feita por pequenas lagartas tentando girar casulos para a sua transformação em mariposas. Nós roubamos a seda das lagartas que os deixa no limbo, praticamente. A seda é fiado em fibras . Pacotes de polímeros individuais muito finas juntaram-se para ser mais forte. Esta é a maneira como também fazer corda, usando fracos fios individuais ligadas entre si de tal forma que o total é ao mesmo tempo flexível e forte. A estrutura de moléculas de seda é incomum para um polipéptido. Possui lotes de o aminoácido não substituído, glicina. Segmentos de glicina são capazes de formar longas cadeias planas que podem embalar em conjunto agradável e firmemente. Isto dá seda a sua força e flexibilidade únicas brilhante. Silk tem tais propriedades únicas, especialmente em climas húmidos quentes, que dominavam o comércio durante séculos na Ásia Oriental. O comércio de seda entre o Japão ea China controlado a economia de civilizações na região por mais de um ou outro país se importa de admitir. Mesmo nos Estados Unidos, a seda foi importante antes da Segunda Guerra Mundial para uso em meias de seda. Quando a seda foi utilizada para o cabo de pára-quedas, as mulheres na América ficou muito aborrecido. Isto resultou em empresas químicas que sintetizam seda artificial, nylon, para fazer meias de nylon para que os pés das mulheres poderia ficar quente e os homens podiam voltar a lutar suas guerras.

Outra diferença fundamental entre os polipeptídeos e nylons é a forma como eles são feitos. Nós, seres humanos fazem nylons em toneladas por dia em fábricas de produtos químicos enormes onde moléculas simples estão unidas em grandes quantidades para dar produtos que precisam ou querem. A natureza é muito mais cuidadoso e conciso em como ela faz as coisas. Para um organismo vivo para produzir uma enzima, uma outra enzima ou a espécie activa deve ser envolvido. A síntese envolve sempre um molde, ou de gravação, de como os aminoácidos individuais são para serem unidas em conjunto para dar o polímero final. Este modelo, ou o mapa é um RNA mensageiro (mRNA). A mensagem leva, naturalmente, é como a enzima de tomada de péptido envolvido deve tornar o polipéptido. Cada aminoácido é trazido para a enzima por uma molécula transportadora e é activada para a incorporação de uma família cascata conjunto de passos de reacção. O enzima inclui um único aminoácido, um de cada vez, tal como indicado pelo ARNm. Isto é um processo lento e tedioso e leva muito tempo. Às vezes, a enzima fica frustrado, esperando que o aminoácido direito de vir junto, e bate um errado em vez disso. Para compensar esta enzima é feita para fazer backup de vez em quando para verificar o seu trabalho. Se ele cometeu um erro, ele tem um processo para desviar o aminoácido errado e inserir o caminho certo. Nós nunca os seres humanos fazem isso. Se cometer um erro, nós simplesmente moer-lo e jogá-lo fora.

Nossas capacidades Feeble

Estamos começando a entender como a natureza coloca essas moléculas juntos e nós descobrimos como fazê-lo nós mesmos. No entanto, não somos muito bons nisso e não pode fazer muito grandes moléculas variam de forma eficiente. A razão é que, se cometer um erro, ele ruínas toda a molécula e não sabemos como corrigi-lo. O tipo de máquina que é usado para fabricar análogos sintéticos de polipeptídeos é chamado de "sintetizador de péptidos". Essa máquina é construída em torno de minúsculas esferas de polímero que atribuímos ao primeiro aminoácido que queremos colocar em nossa cadeia de polipeptídeo. (Esta é a chamada abordagem Merrifield de síntese. O uso de esferas de polímero era uma grande idéia criativa e Robert Merrifield ganhou o Prêmio Nobel por ele em 1984.) Nós do que tomar um aminoácido activado, semelhante ao que a natureza utiliza, e anexar -lo através da formação de uma ligação amida. Nós repetimos este processo uma e outra vez, tentando fazer com que esta reação para ir cada vez em cada molécula em cada talão. Às vezes, nós não têm tanta sorte e nós perder e aminoácidos. Isto significa que alguns dos polipeptídeos em falta tem unidades. Esta sempre conduz a misturas de produto bom e mau produto, em que o bom produto pode ser o componente menor. Isso fica pior quanto maior o polipeptídeo que estamos tentando fazer, e é um dos principais problemas que temos com a forma como fazemos polipeptídeos. Se pudéssemos descobrir como fazer backup e verificar cada uma das nossas adições e, em seguida, corrigir os erros que estão lá, talvez nós poderíamos fazer um trabalho tão bom como a natureza. Talvez.

Você provavelmente está se perguntando por que iria querer fazer um trabalho tão ruim de fazer análogos sintéticos do que a natureza faz tão bem. (Se você não estiver, basta tocar junto de qualquer maneira.) Há muitas razões, uma das quais é descobrir exatamente como a natureza faz isso. Outra é descobrir por que peptídeos e enzimas funcionam da maneira que eles fazem. Nem sempre é claro para nós meros mortais por uma dada sequência de aminoácidos provoca um polipeptídeo de assumir uma determinada forma ou estrutura. Estas estruturas são fundamentais para a forma como os polipeptídeos fazer o que a natureza do trabalho criou para eles. Às vezes, quando vemos a forma como a natureza coloca essas moléculas em conjunto, podemos fazer análogos sintéticos que fazem a mesma coisa, mas são mais fáceis de fazer. Isto levou ao desenvolvimento de novas drogas e tratamentos para algumas doenças genéticas.

A natureza também faz coisas de forma diferente do que nós sintetizando polipeptídeos em água. A maioria dos nossos sínteses, de fato, não use água. Nós sintetizar nossas poliamidas em solventes orgânicos tóxicos. Isso nos leva a um problema: o que fazer com os solventes orgânicos quando terminarmos? Às vezes a gente queimar o, mas mais e mais tentamos reciclar esses materiais. Não só eles estão ficando mais caro para comprar em primeiro lugar (em comparação com a água barato, que está em toda parte, ou quase todos os lugares), mas temos de ser responsáveis pela sua reciclagem, purificação e eliminação final. Um exemplo de como a natureza usa a água desta forma, e uma que nós ainda não descobri é a produção de seda de aranha. Aranhas tecem suas teias de soluções de polipeptídeos em água. Estas soluções são espremidos pela pequena fieira de aranha e alongada rapidamente para formar as teias de aranha que todos nós já vimos e, por vezes obtidos emaranhada. O que é realmente estranho é que, uma vez que estes fazem teias de aranha, eles não são mais solúveis em água. Se pudéssemos descobrir como aranhas primeiro fazer a seda da aranha em água e depois girar suas teias com isso, poderíamos fazer nylon da mesma maneira. Isso pode nos salvar um monte de problemas de eliminação de resíduos, e dinheiro. Esta é uma área de pesquisa básica em que precisamos de lotes e lotes de ajuda; talvez você pode pensar em algo que poderíamos tentar.