Введение
Полимер, производимый живым организмом.
Биополимеры – это природные полимеры, производимые клетками живых организмов. Как и другие полимеры, биополимеры состоят из мономерных звеньев, ковалентно связанных в цепи, образуя более крупные молекулы. Существует три основных класса биополимеров, классифицируемых в соответствии с используемыми мономерами и структурой формируемого биополимера: полинуклеотиды, полипептиды и полисахариды. Полинуклеотиды, РНК и ДНК, являются длинными полимерами нуклеотидов. Полипептиды включают белки и более короткие полимеры аминокислот; к основным примерам относятся коллаген, актин и фибрин. Полисахариды – это линейные или разветвленные цепи углеводных сахаров; примерами служат крахмал, целлюлоза и альгинат. Другие примеры биополимеров включают натуральные каучуки (полимеры изопрена), суберин и лигнин (комплексные полифенольные полимеры), кутин и кутан (комплексные полимеры жирных кислот с длинной цепью), меланин и полигидроксиалканоаты (ПГК). Помимо многочисленных важных функций в живых организмах, биополимеры находят применение в различных областях, включая пищевую промышленность, производство, упаковку и биомедицинскую инженерию.
Биополимеры против синтетических полимеров
Основное определяющее различие между биополимерами и синтетическими полимерами заключается в их структуре. Все полимеры состоят из повторяющихся звеньев, называемых мономерами. Биополимеры часто обладают четко определенной структурой, хотя это и не является определяющей характеристикой (например, лигноцеллюлоза): точный химический состав и последовательность расположения этих звеньев называется первичной структурой, в случае белков. Многие биополимеры спонтанно сворачиваются в характерные компактные формы (см. также "сворачивание белков", а также вторичную и третичную структуры), которые определяют их биологические функции и сложным образом зависят от их первичной структуры. Структурная биология изучает структурные свойства биополимеров. В отличие от этого, большинство синтетических полимеров имеют гораздо более простые и случайные (или стохастические) структуры. Этот факт приводит к распределению молекулярных масс, которого нет у биополимеров. Действительно, поскольку их синтез контролируется матричным процессом в большинстве систем in vivo, все биополимеры одного типа (например, один конкретный белок) идентичны: они содержат схожие последовательности и количество мономеров и, следовательно, имеют одинаковую массу. Это явление называется монодисперсностью, в отличие от полидисперсности, наблюдаемой у синтетических полимеров. В результате дисперсность биополимеров равна 1.
Полипептиды
По общепринятой практике, полипептид описывают, перечисляя входящие в его состав аминокислотные остатки последовательно от аминоконца к карбоксильному концу. Аминокислотные остатки всегда соединены пептидными связями. Белок, хотя в обиходе и используется для обозначения любого полипептида, относится к более крупным или полностью функциональным структурам и может состоять как из нескольких полипептидных цепей, так и из одной цепи. Белки также могут быть модифицированы путем добавления непептидных компонентов, таких как сахаридные и липидные цепи.
Нуклеиновые кислоты
Согласно общепринятой практике, последовательность нуклеиновой кислоты записывается, перечисляя нуклеотиды в порядке от 5'-конца к 3'-концу полимерной цепи, где 5' и 3' обозначают номера атомов углерода в рибозном кольце, участвующих в образовании фосфодиэфирных связей цепи. Такая последовательность называется первичной структурой биополимера.
Полисахариды
Полисахариды (полимеры сахаров) могут быть линейными или разветвленными и обычно соединены гликозидными связями. Точное положение связи может варьироваться, а ориентация функциональных групп, участвующих в образовании связи, также имеет значение, что приводит к образованию α- и β-гликозидных связей, нумерация которых определяет положение углеродных атомов, образующих связь, в кольце. Кроме того, многие сахаридные звенья могут подвергаться различным химическим модификациям, таким как аминирование, и даже входить в состав других молекул, например, гликопротеинов.
Структурная характеристика
Существует ряд биофизических методов для определения информации о последовательности. Последовательность белка можно определить методом деградации Эдмана, при котором N-концевые аминокислоты последовательно гидролизуются, модифицируются и затем идентифицируются. Также могут быть использованы методы масс-спектрометрии. Последовательность нуклеиновых кислот можно определить с помощью гель-электрофореза и капиллярного электрофореза. Наконец, механические свойства этих биополимеров часто измеряют с помощью оптических пинцетов или атомно-силовой микроскопии. Интерферометрия двойной поляризации может быть использована для измерения конформационных изменений или самосборки этих материалов под воздействием изменения pH, температуры, ионной силы или других взаимодействующих молекул.
Промышленный
Пища: Биополимеры используются в пищевой промышленности для упаковки, создания съедобных инкапсулирующих пленок и покрытия продуктов питания. Полимолочная кислота (ПЛА) широко распространена в пищевой промышленности благодаря своей прозрачности и устойчивости к воде. Однако большинство полимеров обладают гидрофильными свойствами и начинают разрушаться при воздействии влаги. Биополимеры также применяются в качестве съедобных пленок для инкапсуляции продуктов. Эти пленки могут содержать антиоксиданты, ферменты, пробиотики, минералы и витамины. Употребление пищи, заключенной в биополимерную пленку, может обеспечить организм этими веществами. Упаковка: Наиболее распространенными биополимерами, используемыми в упаковке, являются полигидроксиалканоаты (ПГА), полимолочная кислота (ПЛА) и крахмал. Крахмал и ПЛА коммерчески доступны и биоразлагаемы, что делает их популярным выбором для упаковки. Однако их барьерные (влаго- или газобарьерные) и термические свойства не оптимальны. Гидрофильные полимеры не водостойки и пропускают воду, что может повлиять на содержимое упаковки. Полигликолевая кислота (ПГК) – биополимер с превосходными барьерными характеристиками, который сейчас используется для улучшения барьерных свойств ПЛА и крахмала. Очистка воды: Хитозан используется для очистки воды. Он применяется в качестве флокулянта, который разлагается в окружающей среде за несколько недель или месяцев, а не лет. Хитозан очищает воду посредством хелатирования – процесса, при котором связывающие участки вдоль полимерной цепи связываются с ионами металлов в воде, образуя хелаты. Хитозан зарекомендовал себя как отличный кандидат для использования в очистке ливневых и сточных вод.
Влияние на окружающую среду
Биополимеры могут быть устойчивыми, углеродно-нейтральными и всегда возобновляемыми, поскольку они производятся из растительного или животного сырья, которое можно выращивать неограниченно. Так как это сырье поступает из сельскохозяйственных культур, его использование может создать устойчивую отрасль промышленности. В отличие от этого, запасы сырья для полимеров, получаемых из нефтехимических продуктов, рано или поздно исчерпаются. Кроме того, биополимеры способны сократить выбросы углерода и уменьшить количество CO2 в атмосфере: это происходит потому, что CO2, выделяющийся при их разложении, может быть поглощен вновь выращенными культурами, заменяющими исходное сырье, что делает их практически углеродно-нейтральными. Практически все биополимеры биоразлагаемы в естественной среде: микроорганизмы разлагают их до CO2 и воды. Эти биоразлагаемые биополимеры также компостируемы: их можно подвергать промышленному компостированию, где они разлагаются на 90% в течение шести месяцев. Биополимеры, обладающие этим свойством, могут маркироваться знаком "компостируемый" в соответствии с европейским стандартом EN 13432 (2000). Упаковка с такой маркировкой может быть использована в промышленных процессах компостирования и разложится в течение шести месяцев или меньше. Примером компостируемого полимера является пленка PLA толщиной менее 20 мкм: пленки большей толщины не соответствуют требованиям к компостируемости, хотя и являются "биоразлагаемыми". В Европе существует стандарт для домашнего компостирования и соответствующий логотип, позволяющие потребителям идентифицировать и утилизировать упаковку в компостной куче.