Реферат: Живые полимеры и их роль в работе с человечесим материалом

Среди изобилия самых разнообразных по строению и свойствам органических соединений есть особый класс — полимеры (от греч. «поли» — «много» и «мерос» — «часть»). Для этих веществ, прежде всего, характерна огромная молекулярная масса — от десятков тысяч до миллионов атомных единиц массы, поэтому часто их ещё называют высокомолекулярными соединениями. К молекулярным гигантам относятся, например, важнейшие природные полимеры (белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды) и синтетические материалы (полиэтилен, поливинилхлорид, каучук и т. д.). Поэтому высокомолекулярные соединения играют важную роль и в биологических процессах, и в практической деятельности человека. Органические полимеры построены из элементарных звеньев — многократно повторяющихся и связанных между собой остатков молекул низкомолекулярных веществ (мономеров). Длину макромолекул выражают средним числом звеньев мономера, которое называют степенью полимеризации. Полимеры могут иметь линейное, разветвлённое и сетчатое строение. Если каждое звено мономера условно обозначить буквой М, то макромолекула линейного строения будет выглядеть так: ... — М—М—М—М—М—М—... В этом случае каждое из элементарных звеньев связано только с двумя соседними и образует неразветвлённую цепь. Основная цепь макромолекулы может иметь короткие ответвления, и тогда построенные по такому типу полимеры будут разветвлёнными: R ... —М—М—М—М—М—М—... R. В сетчатых (сшитых) полимерах длинные линейные цепи связаны друг с другом в единую сетку более короткими поперечными цепями. Если молекула мономера несимметрична (СН2=СН—Х, где Х — заместитель), могут образовываться регулярные и нерегулярные полимеры. В регулярном полимере происходит присоединение либо «голова к хвосту»: —СН2—СНХ—СН2—СНХ—, либо «голова к голове»: —СН2—СНХ—СНХ—СН2—. Макромолекулы полимеров могут быть построены из остатков разных мономеров, высокомолекулярные соединения такого типа называются сополимерами. При этом в зависимости от способа чередования различных звеньев они также бывают регулярного и нерегулярного строения: ... —М—М—М—М—М—М—... регулярный сополимер ... —М—М—М—М—М—М—... нерегулярный сополимер. По своему происхождению все молекулярные соединения делятся на природные — биопополимеры (например, крахмал и целлюлоза) и синтетические (полиэтилен, полистирол и др.). Природные полимеры синтезируются клетками растительных и животных организмов, а синтетические человек научился получать из проектов переработки природного газа, каменного угля. Полимеры могут быть кристаллическими или аморфными. Для кристаллизации высокомолекулярных веществ необходимо упорядоченное строение достаточно длинных участков молекулярной цепи. Высокомолекулярные соединения не имеют четкой температуры плавления. При нагревании многие полимеры не плавятся, а лишь размягчаются, что позволяет формовать из них изделия методами пластической деформации — прессованием, выдавливанием, литьём. Такие полимеры называют пластическими массами (пластмассами, пластиками). У пластмасс низкая плотность, они легче самых лёгких металлов (магния, алюминия) и потому считаются ценными конструкционными материалами. По прочности некоторые пластики превосходят чугун и алюминий, а по химической стойкости — почти все металлы. Они могут быть устойчивы к действию воды и кислорода, кислот и щелочей. Обычно пластмассы — диэлектрики (не проводят электрический ток), и отдельные их сорта известны как лучшие изоляционные материалы из всех используемых в современной технике.Трудно переоценить значение полимеров в нашей жизни. Полимеры окружают нас буквально со всех сторон: из них состоят пакеты в супермаркетах и одноразовая посуда, корпуса телефонов и другой бытовой техники, автомобильные шины и оконные рамы. Это важнейший материал, из которого сделаны постоянно используемые нами предметы. С другой стороны, полимеры являются естественными компонентами всех живых организмов, в том числе и человека.

Историческая справка

Термин “полимерия” был введен в науку И. Берцелиусом в 1833 для обозначения особого вида изомерии, при которой вещества (полимеры) , имеющие одинаковый состав, обладают различной молекулярной массой. Такое содержание термина не соответствовало современным представлениям о полимерах. “Истинные” синтетические полимеры к тому времени еще не были известны.

Ряд полимеров был, по-видимому, получен еще в первой половине 19 века. Однако химики тогда обычно пытались подавить полимеризацию и поликонденсацию, которые вели к “осмолению” продуктов основной химической реакции, т.е., собственно, к образованию полимеров (до сих пор полимеры часто называют “смолами” ) . Первые упоминания о синтетических полимерах относятся к 1838 (поливинилиденхлорид) и 1839 (полистирол) годам. Химия полимеров возникла только в связи с созданием А. М. Бутлеровым теории химического строения. А. М. Бутлеров изучал связь между строением и относительной устойчивостью молекул, проявляющейся в реакциях полимеризации. Дальнейшее свое развитие наука о полимерах получила главным образом благодаря интенсивным поискам способов синтеза каучука, в которых участвовали крупнейшие учёные многих стран (Г. Бушарда, У. Тилден, немецкий учёный К. Гарриес, И. Л. Кондаков, С. В. Лебедев и другие). В 30-х годах было доказано существование свободнорадикального и ионного механизмов полимеризации. С начала 20-х годов 20 века развиваются также теоретические представления о строении полимеров. Вначале предполагалось, что такие биополимеры, как целлюлоза, крахмал, каучук, белки, а также некоторые синтетические полимеры, сходные с ними по свойствам, состоят из малых молекул, обладающих необычной способностью ассоциировать в растворе в комплексы коллоидной природы благодаря нековалентным связям (теория “малых блоков”). Автором принципиально нового представления о полимерах как о веществах, состоящих из макромолекул, частиц необычайно большой молекулярной массы, был Г. Штаудингер. Победа идей этого учёного заставила рассматривать полимеры как качественно новый объект исследования химии и физики.

Живые полимеры

Много лет тому назад, до того как появились пластмассы и синтетические полимеры, то есть на самом деле почти столь же давно, как существует сама Земля, природа использовала природные полимеры (биополимеры) для того, чтобы стала возможной жизнь. Мы думаем о природных полимерах иначе, чем о полимерах синтетических, поскольку мы не можем похвастать, что они являются плодом нашей изобретательности, а химические компании не могут продавать их с целью получения доходов. Однако все это не делает природные полимеры менее важными. На самом деле оказывается, что во многом они даже важнее синтетических. Итак, биополимеры — класс полимеров, встречающихся в природе в естественном виде, входящие в состав живых организмов: белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды. Биополимеры состоят из одинаковых (или разных) звеньев — мономеров. Мономеры белков — аминокислоты, нуклеиновых кислот — нуклеотиды, в полисахаридах — моносахариды

К природным полимерам относятся РНК и ДНК, которые так важны для генов и процесса продолжения жизни. На самом деле, РНК служит для передачи сигналов и благодаря ей существуют протеины, пептиды и энзимы. Энзимы способствуют протеканию химических процессов в живых организмах, а пептиды являются одними из наиболее интересных составляющих, образующих кожу. волосы, и даже рога носорогов. Среди природных полимеров можно назвать полисахариды (полимеры сахара) и полипептиды, как шелк, кератин (волосы). Натуральный каучук, конечно же, тоже является природным полимером, сделанным просто из углерода и водорода. Давайте посмотрим на каждое из основных семейств природных полимеров более подробно.

БЕЛКИ

Белки - это высокомолекулярные природные соединения, состоящие из остатков α-L аминокислот, - соединенных пептидными связями.

Классификация белков по выполняемым функциям.

Функции белков в природе универсальны: каталитические (ферменты); регуляторные (гормоны); структурные (кератин шерсти, фиброин шелка, коллаген); двигательные (актин, миозин); транспортные (гемоглобин); запасные (казеин, яичный альбумин); защитные (иммуноглобулины) и т.д.

Состав и строение белков .

Несмотря на многообразие белков элементарный состав их относительно одинаков: С – 50-55%; Н – 6,5 – 7,3 %; О– 21 – 24 %; N – 15 – 18 %, S – 0,3– 2,5 %. Кроме того белки могут содержать небольшое количество фосфора, меди, железа, магния, селена, галогенов.

Со структурной точки зрения у белков различают четыре уровня организации или четыре структуры:

Первичная структура – определенная последовательность α, L -аминокислотных остатков, соединенных пептидными связями в полипептидной цепи. В составе белков обнаружено 20 остатков α, L - аминокислот различного строения. Для каждого индивидуального белка последовательность аминокислот в полипептидных цепях является уникальной. Она определяется генетически и, в свою очередь, определяет более высокие уровни организации данного белка. Замена только одного аминокислотного остатка в полипептидной цепи, состоящей из сотен аминокислот, может весьма существенно изменить свойства данного белка и даже полностью лишить его биологической активности. Следовательно, все разнообразие форм живой материи, основанное в первую очередь на многообразии белковых молекул, возникло в результате естественного отбора в пределах сравнительно небольшой, достаточно случайной выборки из неисчерпаемого множества белковых структур.

Первичная структура белка:

Вторичная структура – форма полипептидной цепи в пространстве, закрепленная множеством водородных связей между группами N-H и С=О.

Одна из моделей вторичной структуры – α-спираль, обусловленная внутримолекулярными водородными связями, другая модель – β-форма ("складчатый лист"), в которой преобладают межмолекулярные водородные связи.

Вторичная структура белка:

Третичная структура – форма закрученной спирали в пространстве, образованная главным образом за счет дисульфидных мостиков -S-S-, водородных связей, гидрофобных и ионных взаимодействий. Третичная структура белка отвечает определенной укладке спиралей и линейных участков полипептидной цепи в пространстве и зависит от взаимодействия полярных и неполярных заместителей в разных местах цепи, от образования ковалентных связей S-S между противоположными цистеиновыми остатками, эфирных мостиков, водородных связей. Возникают компактные глобулярные частицы и частицы, имеющие форму стержней.

Третичная структура белка:

Четвертичная структура белка представляет собой ассоциацию нескольких полипептидных цепей (белковые комплексы), обладающих вторичной и третичной структурой и образованные за счет взаимодействия разных полипептидных цепей.

Четвертичная структура белка:

Нуклеиновые кислоты

Нуклеиновые кислоты, полинуклеотиды, важнейшие биологически активные биополимеры, имеющие универсальное распространение в живой природе. Содержатся в каждой клетке всех организмов. Нуклеиновые кислоты были открыты в 1868 швейцарским учёным Ф. Мишером в клеточных ядрах, изолированных из гноя, а также из спермиев лосося. Позднее нуклеиновые кислоты были обнаружены не только в ядре, но и в цитоплазме. Различают два главных типа нуклеиновых кислот- дезоксирибонуклеиновые кислоты, или ДНК, содержащиеся преимущественно в ядрах клеток, и рибонуклеиновые кислоты, или РНК, находящиеся главным образом в цитоплазме.

Молекулы Нуклеиновых кислот - длинные полимерные цепочки, построенные из мономерных молекул - нуклеотидов так, что гидроксильные группы у 3¹ и 5¹ углеродных атомов углевода соседних нуклеотидов связаны остатком фосфорной кислоты. В состав РНК в качестве углевода входит рибоза, а азотистые компоненты представлены аденином, гуанином (пуриновые основания), урацилом и цитозином (пиримидиновые основания). В ДНК углеводным компонентом является дезоксирибоза, а урацил заменен тимином (5-метилурацилом). Фосфат и сахар составляют неспецифическую часть в молекуле нуклеотида, а пуриновое или пиримидиновое основание - специфическую. В составе большинства нуклеиновых кислот обнаружены в небольших количествах также некоторые другие (главным образом метилированные) производные пуринов и пиримидинов - т. н. минорные основания. Цепи Нуклеиновых кислот содержат от нескольких десятков до многих тысяч нуклеотидных остатков, расположенных линейно в определённой последовательности, уникальной для данной Нуклеиновой кислоты. Т. о., как РНК, так и ДНК представлены огромным множеством индивидуальных соединений. Линейная последовательность нуклеотидов определяет первичную структуру Нуклеиновых кислот. Вторичная структура Нуклеиновых кислот возникает в результате сближения определённых пар оснований, а именно: гуанина с цитозином и аденина с урацилом (или тимином) по принципу комплементарности за счёт водородных связей, а также гидрофобных взаимодействий между ними.

Биологическая роль Нуклеиновых кислот заключается в хранении, реализации и передаче наследственной информации, "записанной" в молекулах Нуклеиновых кислот в виде последовательности нуклеотидов - т. н. генетического кода. При делении клеток - митозе - происходит самокопирование ДНК - её репликация, в результате чего каждая дочерняя клетка получает равное количество ДНК, заключающей программу развития всех признаков материнской клетки. Реализация этой генетической информации в определённые признаки осуществляется путём биосинтеза молекул РНК на молекуле ДНК (транскрипция) и последующего биосинтеза белков с участием разных типов РНК (трансляция).

Исследование строения и функций Нуклеиновых кислот в 50-70-х гг. XX в. обусловило огромные успехи молекулярной генетики и молекулярной биологии. Важнейшим этапом в изучении химии и биологии Нуклеиновых кислот было создание в 1953 Дж. Уотсоном и Ф. Криком модели ДНК (двойная спираль), что позволило объяснить многие её свойства и биологические функции. Нуклеиновые кислоты обнаружены также в клеточных органеллах (хлоропластах, митохондриях и др.), где функции их изучаются. Сравнительный анализ Нуклеиновых кислот в разных группах организмов играет важную роль при решении вопросов систематики и эволюции. Каждый вид организмов содержит специфичные Нуклеиновые кислоты (как РНК, так и ДНК). Степень сходства в строении Нуклеиновых кислот указывает на уровень филогенетической близости организмов.

Полисахариды

ДНК и РНК

ДНК и РНК содержат основную цепь, состоящую из звеньев глюкозы. Поэтому они относятся к группе полимеров полисахаридов, хотя в случае ДНК и РНК именно боковые группы, хорошо упорядоченные, придают этим полимерам их уникальные свойства.

Крахмал, целлюлоза

Другое семейство полисахаридов включает крахмал и целлюлозу. Крахмал - это полисахарид с высокой молекулярной массой. Пищевые продукты такие, как хлеб, кукуруза и картошка полны крахмала. В состав крахмала может входить до 10000 звеньев глюкозы, связанных между собой. Способ, которым эти звенья соединены между собой, либо все в одну линию, либо с некоторыми разветвлениями, определяют, каким типом крахмала или другого полисахарида является данная молекула. Другим очень важным членом семейства полисахаридов является целлюлоза . Она является основным полимером, из которого построены растения. Древесина в основном состоит из целлюлозы. Этот полимер отличается от крахмала. Крахмал растворим в горячей воде и из него можно легко, сделать полезные предметы. Целлюлоза же, напротив, в высокой степени кристаллична, поэтому не растворяется практически ни в чем. Хлопок является одной из разновидностей целлюлозы, которую мы часто используем в нашей одежде. То, что хлопок нерастворим в горячей воде, для нас очень важно. В противном случае наша одежда растворялась бы при попытке выстирать ее. Целлюлоза также обладает тем приятным свойством, что если вы намочите ее, а затем проведете по ней горячим утюгом, она снова выравнивается и разглаживается. Это придает опрятный вид нашей одежде (по крайней мере, на некоторое время), но тем не менее позволяет легко смывать с нее грязь, когда мы ее стираем.

Хитин: полимер для тех из вас, кто любит морепродукты!

Другим семейством полисахаридов является хитин. Из него сделаны панцири раков, креветок, крабов, лобстеров и других ракообразных. Он тверд, нерастворим… и тем не менее почему-то гибок. Мы пока еще не поняли, что хорошего можно сделать из хитина, хотя мы используем целлюлозу в ряде химических процессов, а также для изготовления бумаги, деревянных домов, деревянных башмаков и так далее. Для того, чтобы использовать хитин для создания новых материалов проводятся обширные исследования, и может быть, когда-нибудь мы будем делать из него одежду или пластмассы. Эти исследования очень важны, поскольку они направлены на использование природных полимеров, поступающих из возобновляемых источников или отходов производства.

С химической точки зрения хитин является поли(N -ацетоглюкозамином). Вот его структура:

Природные смолы

Смолы природные - вырабатываемые некоторыми растениями сложные по химическому составу вещества; затвердевают на воздухе, растворимы в органических растворителях, нерастворимы в воде. Образуются главным образом тропическими растениями (копайский бальзам, шеллак и др.); в умеренной зоне - преимущественно растениями семейства сосновых (канифоль). Ископаемые природной смолы - копал, янтарь. Применение природной смолы в производстве лаков, политур, клеев и др. сокращается в связи с их заменой синтетическими продуктами.

Получение

Природные полимеры образуются в процессе биосинтеза в клетках живых организмов. С помощью экстракции, фракционного осаждения и других методов они могут быть выделены из растительного и животного сырья.

Применение

Значение биополимеров определяется тем, что они составляют основу всех живых организмов и участвуют практически во всех процессах жизнедеятельности.

Микроб - кор милец

Комплексную задачу очистки сточных вод целлюлозно-бумажного производства и одновременного производства кормов для животноводства решили финские ученые. Специальную культуру микробов выращивают на отработанных сульфитных щелоках в специальных ферментаторах при 38° С, одновременно добавляя туда аммиак. Выход кормового белка составляет 50-55%; его с аппетитом поедают свиньи и домашняя птица.

В медицине

Как используют полимеры в медицине? Первое, что приходит на ум – пластиковые шприцы или резиновые перчатки. Однако, бурное развитие хирургии, трансплантологии и фармакологии привело к активному использованию полимеров как основы множества имплантируемых медицинских изделий: эндопротезов и шовных нитей в хирургии, искусственных тканей и органов в трансплантологии, материалов для стоматологии, матриксов для тканевой инженерии, и лекарственных форм в фармацевтике. Имплантируемые полимерные изделия частично замещают органы и ткани человека, а полимерные материалы, из которых состоят эти изделия, выполняют функции биополимеров человеческого тела. Во всех этих случаях способность полимерного материала к биосовместимости и биоразложению имеет особое значение.

Также биополимеры используются в промышленности, быту, кулинарии, изготовлении ювелирных украшений, сельском хозяйстве и других отраслях.

Заключение

Трудно переоценить значение полимеров в нашей жизни. Полимеры окружают нас буквально со всех сторон: из них состоят пакеты в супермаркетах и одноразовая посуда, корпуса телефонов и другой бытовой техники, автомобильные шины и оконные рамы. Это важнейший материал, из которого сделаны постоянно используемые нами предметы. С другой стороны, полимеры являются естественными компонентами всех живых организмов, в том числе и человека.

Использованные источники:

1. «Полимеры медицинского назначения». Монография, перевод с японского под редакцией СЭНОО Манабу. г. Москва , «Медицина». 1981 г.

2. Энциклопедия полимеров, т. 1-2, М., 1972-74; Стрепихеев А. А., Деревицкая В. А., Слонимский Г. Л.,

3. http://chemistry.usue.ru/