Кіріспе
Тірі организмдер өндіретін полимерлер. Биополимерлер – тірі организмдердің жасушалары жасап шығаратын табиғи полимерлер. Басқа полимерлер сияқты, биополимерлер де үлкен молекулаларды құру үшін тізбектермен ковалентті байланысқан мономерлік бірліктерден тұрады. Биополимерлердің үш негізгі классы бар, олар қолданылған мономерлерге және түзілген биополимердің құрылымына қарай жіктеледі: полинуклеотидтер, полипептидтер және полисахаридтер. Полинуклеотидтер, РНК және ДНК – нуклеотидтердің ұзын полимерлері. Полипептидтерге ақуыздар және аминқышқылдарының қысқа полимерлері жатады; маңызды мысалдарына коллаген, актин және фибрин кіреді. Полисахаридтер – қант көмірсуларының тізбекті немесе тармақталған тізбектері; мысалдарға крахмал, целлюлоза және альгинат жатады. Басқа биополимерлердің мысалдарына табиғи каучуктар (изопрен полимерлері), суберин және лигнин (күрделі полифенолды полимерлер), кутин және кутан (ұзын тізбекті май қышқылдарының күрделі полимерлері), меланин және полигидроксиалканоаттар (ПХА) кіреді. Тірі организмдердегі көптеген маңызды рөлдерінен өзге, биополимерлер тамақ өнеркәсібі, өндіріс, қаптама және биомедициналық инженерия сияқты көптеген салаларда қолданылады.
Biopolymers are natural polymers produced by the cells of living organisms. Like other polymers, biopolymers consist of monomeric units that are covalently bonded in chains to form larger molecules. There are three main classes of biopolymers, classified according to the monomers used and the structure of the biopolymer formed: polynucleotides, polypeptides, and polysaccharides. The Polynucleotides, RNA and DNA, are long polymers of nucleotides. Polypeptides include proteins and shorter polymers of amino acids; some major examples include collagen, actin, and fibrin. Polysaccharides are linear or branched chains of sugar carbohydrates; examples include starch, cellulose, and alginate. Other examples of biopolymers include natural rubbers (polymers of isoprene), suberin and lignin (complex polyphenolic polymers), cutin and cutan (complex polymers of long chain fatty acids), melanin, and polyhydroxyalkanoates (PHAs). In addition to their many essential roles in living organisms, biopolymers have applications in many fields including the food industry, manufacturing, packaging, and biomedical engineering.
Биополимерлер мен синтетикалық полимерлер
Биополимерлер мен синтетикалық полимерлердің басты ерекшелігі олардың құрылымында жатыр. Барлық полимерлер мономерлер деп аталатын қайталанатын бірліктерден құралған. Биополимерлердің анық құрылымы болуы мүмкін, бірақ бұл шешуші емес (мысалы: лигноцеллюлоза). Нақты химиялық құрамы және осы бірліктердің орналасу тізбегі ақуыздар жағдайында бастапқы құрылым деп аталады. Көптеген биополимерлер өздігінен ерекше тығыз пішінге жиырылады, бұл олардың биологиялық функцияларын анықтайды және бастапқы құрылымдарына күрделі байланысты (қараңыз: "белок жиырылуы", сондай-ақ екіншілік және үшіншілік құрылымдар). Құрылымдық биология – биополимерлердің құрылымдық қасиеттерін зерттейтін ғылым. Ал синтетикалық полимерлердің көпшілігі әлдеқайда қарапайым және кездейсоқ (немесе стохастикалық) құрылымға ие. Осы фактінің салдарынан биополимерлерде кездеспейтін молекулалық масса таралуы пайда болады. Шындығында, олардың синтезі көптеген тірі жүйелерде үлгімен бағытталатын процесспен реттелетіндіктен, бір типтегі барлық биополимерлер (мысалы, нақты бір белок) бір-біріне ұқсас: олардың барлығында бірдей тізбек пен мономерлер саны болады, демек, бірдей массаға ие. Бұл құбылыс синтетикалық полимерлерде кездесетін полидисперсияға қарама-қарсы монодисперсия деп аталады. Соның нәтижесінде биополимерлердің дисперсиясы 1-ге тең.
Полипептидтер
Полипептидтерді сипаттағанда, оның құрамына кіретін аминқышқыл қалдықтарын амин тобынан карбоксил тобына қарай тізімдеу қабылданған. Аминқышқыл қалдықтары әрқашан пептидтік байланыс арқылы қосылады. Көбінесе, кез келген полипептидті белгілеу үшін "белок" деген сөз қолданылса да, белгілі бір функцияға ие, немесе үлкен формаларды білдіреді және бірнеше полипептидтік тізбектерден немесе жалғыз тізбектен тұруы мүмкін. Белоктар пептидтік емес компоненттермен, мысалы, көмірсулар мен липидтермен де модификациялануы мүмкін.
Нуклеин қышқылдары
Нуклеин қышқылы тізбегін көрсету үшін нуклеотидтер полимер тізбегінің 5' ұшынан 3' ұшына қарай тізімделеді, мұнда 5' және 3' тізбекті құрайтын фосфат диэстерлік байланыстарды жасауға қатысатын рибоза сақинасының көміртектерінің нөмірленуін білдіреді. Мұндай тізбек биополимердің біріншілік құрылымы деп аталады.
Полисахаридтер
Полисахаридтер (шәкер полимерлері) тізбекті немесе тармақталған болуы мүмкін және көбінесе гликозидтік байланыстармен қосылады. Бұл байланыстың нақты орналасуы өзгеріп отыруы мүмкін, сондай-ақ байланыстырушы функционалдық топтардың бағыты да маңызды, нәтижесінде α және β гликозидтік байланыстары пайда болады, олар байланысқан көміртек атомдарының сақинадағы орнын анықтап көрсетеді. Бұған қоса, көптеген сахарид бірліктері түрлі химиялық өзгерістерге, мысалы аминацияға түсуі мүмкін, тіпті басқа молекулалардың, мысалы гликопротеиндердің құрамына кіруі де мүмкін.
Құрылымдық сипаттама
Тізбектелген ақпаратты анықтау үшін бірнеше биофизикалық әдістер бар. Ақуыз тізбегін Эдман ыдырауы арқылы анықтауға болады, онда N-терминалдық қалдықтар тізбектен біртіндеп гидролизделiп, туындыланып, содан кейін анықталады. Массалық спектрометрия әдістерін де қолдануға болады. Нуклеин қышқылы тізбегін гельдік электрофорез және капиллярлық электрофорез көмегімен анықтауға болады. Соңында, осы биополимерлердің механикалық қасиеттерін оптикалық пинцеттер немесе атомдық күш микроскопиясы арқылы өлшеуге болады. Қос поляризациялық интерферометрия pH, температура, иондық күш немесе басқа байланысушы молекулалармен стимуляцияланған кезде осы материалдардың конформациялық өзгерістерін немесе өздігінен құралуын өлшеу үшін қолданылуы мүмкін.
Өнеркәсіптік
Тамақ: Биополимерлер азық-түлік өнеркәсібінде қаптама, жеуге жарамды капсулалық қабықшалар және тағамдарды қаптау сияқты мақсаттар үшін қолданылады. Полилактік қышқыл (ПЛА) тағам өнеркәсібінде кеңінен қолданылады, себебі оның түсі мөлдір және суға төзімді. Дегенмен, көптеген полимерлердің суылысқа бейімділігі жоғары және ылғалға ұшырағанда бұзыла бастайды. Биополимерлер тағамдарды капсулалайтын жеуге болатын қабықшалар ретінде де қолданылады. Бұл қабықшалар антиоксиданттар, ферменттер, пробиотиктер, минералдар және витаминдер сияқты заттарды қамти алады. Биополимерлік қаптамамен қапталған тағамдар осы заттарды организмге жеткізеді. Қаптама: Қаптамада ең көп қолданылатын биополимерлер – полигидроксиалканоаттар (PHA), полилактік қышқыл (ПЛА) және крахмал. Крахмал мен ПЛА коммерциялық түрде қолжетімді және биоразлаган, сондықтан олар қаптама үшін жиі таңдалады. Алайда, олардың кедергілік қасиеттері (ылғалға немесе газдарға қарсы кедергі) және жылулық қасиеттері идеалды емес. Суылысқа бейім полимерлер су өткізбейді және судың қаптама арқылы өтуіне мүмкіндік береді, бұл қаптаманың ішіндегі өнімге әсер етуі мүмкін. Полигликоль қышқылы (PGA) – кедергілік қасиеттері жоғары биополимер және қазір ПЛА мен крахмалдың кедергіліктеріне қатысты мәселелерді шешу үшін қолданылады. Суды тазарту: Хитозан суды тазарту үшін қолданылады. Ол флокулянт ретінде қолданылады, ол қоршаған ортада жылдар емес, апталар немесе айлар ішінде ыдырайды. Хитозан суды келаттау арқылы тазартады. Бұл процесс полимер тізбегіндегі байланыс орындарының судағы металл иондарымен байланысып, хелаттар құруынан тұрады. Хитозан жаңбыр және сарқыма суларды тазартуда қолдануға өте ыңғайлы екені дәлелденді.
Қоршаған ортаға әсері
Биополимерлер тұрақты, көміртегі нейтралды және әрқашан жаңартылатын болуы мүмкін, себебі олар өсімдіктерден немесе жануарлар материалдарынан жасалады, оларды шексіз өсіруге болады. Бұл материалдар егіс дақылдарынан алынатындықтан, оларды пайдалану тұрақты индустрия құруға мүмкіндік береді. Керісінше, мұнай-химиялық полимерлерге қажетті шикізаттар ақырында таусылады. Сонымен қатар, биополимерлер көміртегі шығарындыларын азайтуға және атмосферадағы CO2 мөлшерін төмендетуге потенциалы бар: себебі олар ыдырағанда бөлінетін CO2 оларды алмастыру үшін өсірілген дақылдармен қайта сіңіріледі, бұл оларды көміртегі нейтралдығына жақындатады. Көптеген биополимерлер табиғи ортада биологиялық түрде ыдырайды: оларды микроорганизмдер CO2 мен суға дейін ыдыратады. Бұл биологиялық ыдырайтын биополимерлер компосттауға да жарамды: оларды өнеркәсіптік компостау процесіне жіберуге болады және ол алты ай ішінде 90% ыдырайды. Мұндай биополимерлер Еуропалық EN 13432 (2000) стандартына сәйкес «компосталданатын» белгісімен таңбаланады. Осы белгісі бар қаптамаларды өнеркәсіптік компостауға жіберуге болады және олар алты ай немесе одан да аз уақыт ішінде ыдырайды. Мысалы, 20 мкм-ден кем қалыңдығы бар PLA пленкасы компосталатын полимер болып табылады: одан қалың пленкалар, тіпті «биологиялық ыдырайтын» болса да, компосталатын болып есептелмейді. Еуропада үй шаруашылығында компостау стандарты мен логотипі бар, ол тұтынушыларға қаптаманы анықтап, компостқа салуға мүмкіндік береді.