deur Lon J. Mathias
Lank gelede, lank nog voordat daar plastieke en sintetiese polimere was, ja, selfs so lank terug as toe lewe net begin het op aarde, het die natuur al gebruik gemaak van natuurlike polimere om lewe moontlik te maak. Ons dink nie aan natuurlike polimere op dieselfde wyse as sintetiese polimere nie, aangesien ons hulle nie gemaak het nie, en ons hulle nie vir baie geld kan verkoop nie. Maar dit maak natuurlike polimere geensins minder belangrik nie. Dit is egter so dat natuurlike polimere in baie gevalle meer belangrik is as sintetiese polimere.
Natuurlike polimere sluit DNA en RNA in wat so uiters belangrik is vir lewe. Ja, dis die molekule m-RNA ("messenger"-RNA) wat proteïne, peptiede en ensieme moontlik maak. Ensieme help om chemiese reaksies binne lewende organismes te laat verloop, en peptiede vorm deel van die meer interessante komponente van hare en vel (selfs die horings van renosters). Ander natuurlike polimere sluit verbindings soos polisakkariede (suiker polimere) en polipeptiede soos sy, keratien en hare in. Natuurlike rubber is ook 'n natuurlike polimeer, en bestaan slegs uit koolstof en waterstof. Kom ons kyk nou na elkeen van die hoof groepe natuurlike polimere.
RNA en DNA bevat polimeerruggraatkettings wat gebasseer is op suikereenhede. Dit maak hulle dus polisakkariede, alhoewel daar in die geval van beide RNA en DNA ander geordende groepe aan die suikereenhede verbind is om aan die polimere hul unieke eienskappe te gee.
Hout en Aartappels
'n Ander familie van polisakkariedes sluit stysel en sellulose in. Stysel is 'n hoë molekulêre gewig polisakkaried. Voedsel soos brood, mielies en aartappels is vol stysel. Stysel kan tot soveel as 10 000 suikereenhede aan mekaar verbind hê. Die wyse waarop hierdie eenhede aan mekaar verbind word, of almal in 'n lineêre rangskikking, of sommige met vertakkings, sal bepaal watter tipe stysel of polisakkaried dit is (maar meer hieroor later). 'n Ander baie belangrike lid van die polisakkaried familie is sellulose. Dit is die hoofkomponent van plante en bome. Hout is hoofsaaklik sellulose. Hierdie polimeer verskil van stysel (kliek hier om meer uit te vind). Stysel is oplosbaar in warm water, en kan maklik gebruik word vir die maak van bruikbare voorwerpe. Sellulose aan die ander kant weer, is hoogs kristallyn, en is byna heeltemal onoplosbaar in enige iets. Katoen is die vorm van sellulose waarvan meeste van ons klere gemaak word. Dit is dus nogals belangrik dat dit onoplosbaar is in warm water, anders sou ons klere opgelos het as ons dit probeer was het. Verder vind ons ook dat as sellulose nat is, en jy stryk dit met 'n warm yster, word dit plat en glad. Dit laat ons katoen klere netjies lyk, of ten minste vir 'n rukkie nadat ons dit aangetrek het. En dan was ons dit net weer as dit vuil is.
Chitien: Die Polimeer vir die Seekosliefhebber in jou!
Nog 'n lid van die polisakkariede is chitien. Dit word gevind in die doppe van krewe, krappe, garnale en ander skaaldiere. Dit is hard en onoplosbaar, maar tog is dit wel buigsaam. Ons het dit nog nie reg gekry om hierdie eienskappe in 'n sintetiese polimeer te kombineer nie. Ons het verder ook nog nie eintlik enige idees waarvoor om chitien te gebruik nie, alhoewel ons sellulose in baie chemiese toepassings gebruik (soos die maak van papier, houtprodukte ens.). Daar word op die oomblik heelwat navorsing gedoen om verskillende gebruike vir chitien te kry, en dalk sal ons eendag klere van chitien dra, of dalk plastiek daarvan maak. Dit is 'n belangrike area van navorsing, aangesien daar van natuurlike polimere gebruik gemaak word, wat van hernubare bronne of afvalprodukte gebruik maak.
Chemies gesproke, is chitien poli-N-asetielglukosamien. En dit is soos die struktuur lyk:
So leer ons by die natuur
As jy die lede van elkeen van hierdie families van natuurlike polimere van naderby beskou, onthou net dit: die natuur het die polimere eerste gemaak, lank voordat ons kon droom van so iets. Ons probeer leer hoe dit natuur dit reg gekry het om die taak so goed te kon voltooi, sodat ons dit kan namaak. By voorbeeld, toe ons eers uitgevind het hoekom sy sulke interessante eienskappe gehad het, was dit vir ons moontlik gewees om sintetiese sy te kon maak, die sogenaamde nylons. Maar ons het nog heelwat om te leer voordat ons sintetiese DNA en RNA sal kan maak. Ons mag dalk nooit daar uit kom nie, maar soos ons probeer, leer ons baie nuwe dinge wat van toepassing is in biochemie, mediese wetenskappe, en ook die produksie van sintetiese polimere. En so word nuwe tegnologieë ontwikkel.
(Vir die wat wonder: Wetenskap en tegnologie is twee verskillende dinge. Wetenskap is die bymekaar maak van kennis deur waarneming en eksperimentering. Tegnologie is die gebruik van hierdie kennis vir praktiese toepassings. 'n Voorbeeld: Wetenskap het ons geleer dat warm gasse uitsit. Tegnologie het hierdie prinsiep geneem en dit gebruik om 'n petrol enjin te ontwikkel wat 'n motor aandryf.)
Proteïene was die eerste voorbeelde van poliamiede ('n ander naam vir nylon). Hulle toon baie gemeenskaplike eienskappe, maar verskil tog drasties in hoe hulle gemaak word, en hulle fisiese eienskappe. Beide bevat amiedbindings in die ruggraat. Amiede word gemaak deur die kombinasie van 'n karboksielsuur en 'n amiengroep, met die verlies van water. (vir verdere detail, kliek hier.) Die amied molekulêre segment is uniek in sy struktuur en intermolekulêre interaksies. As gevolg van die hibridisasie van die stikstof, koolstof en suurstof van die amiedgroep, is die segment byna heeltemal plat. Selfs nog meer belangrik is die feit dat die waterstof op die stikstof en die karbonielsuurstof baie sterk waterstofbinding kan vorm. Dit is a.g.v hierdie interaksies dat die amiedgroepe sulke sterk assosiasies toon, en dus die amiedbevattende polimere hul interessante eienskappe openbaar. Hierdie tipe interaksies word ook bespreek in die afdeling oor nylons, en is die sleutel tot die ooreenkomste tussen die natuurlike en sintetiese poliamiede.
Die verskil tussen ons en die natuur se manier van nylons maak is opvallend. Ons maak nylons meestal van molekules met baie CH2-groepe in. Die gedeelte oor nylons wys die struktuur van nylon 6 en nylon 6,6, twee van die mees algemene sintetiese poliamiede. Hulle bevat vier, vyf of ses CH2-groepe tussen die amiedeenhede. Die natuur weer, is heelwat meer ekonomies, en kies om slegs 'n enkele koolstof tussen die amiedgroepe te plaas. En waar die natuur verder verskil is om hierdie koolstof te substitueer met baie ander verskillende funksionele segmente en groepe.
Die resultaat kan saamgevat word in die volgende twee eienskappe. Eerstens, is die individuele segmente en die hele molekule opties aktief, of chiraal. Dit beteken dus dat die molekules soos handskoene is, daar is beide 'n links en regshandige weergawes. Vir een of ander rede het die natuur besluit om slegs die linkshandige weergawes van die aminosure te gebruik wat deur plante en diere gesintetiseer word. Die feit dat daar dus net een van die twee isomere gebruik word, lei tot interessante stereochemiese gevolge. Byvoorbeeld, die natuurlike polipeptiede kan heliese strukture vorm, terwyl die nylons nie kan nie. Die heliese konformasie verhoog die stabiliteit van die natuurlike polipeptiede. Het jy geweet dat sekere bakterieë kokende water kan oorleef? Dit is a.g.v. die stabilisering van hul natuurlike polimere deur die heliese strukture. Van die heliese strukture word a-helikse genoem. Klein segmente van sulke heliese strukture is wat die natuur gebruik om ensieme te vorm sodat hulle hul katalitiese wonders kan verrig. Byvoorbeeld, 'n buigbare segment kan deur twee a-heliks segmente begrens word, sodat hulle kan oriënteer en saam kan reageer met 'n substraat.
Ensieme is sekerlik een van die heel belangrikste polipeptiede, en absoluut noodsaaklik vir lewe op aarde. Alle lewende organismes maak gebruik van ensieme om die polimere wat hier bespreek is te maak, verander en te verwerk. Ensieme is kataliste wat baie spesifieke werke doen. Om die waarheid te sê, doen ensieme gewoonlik net een werk, of maak net een tipe molekuul. Dit beteken dus dat daar baie verskillende tipes ensieme moet wees, almal gemaak van verskillende kombinasies van aminosure, verbind aan mekaar om polipeptiede te lewer wat al die werke kan doen wat binne 'n lewende organisme gedoen moet word. Ons weet dat elke organisme honderde en selfs duisende verskillende ensieme het om al die reaksie te laat verloop soos nodig in die liggaam. Maar die interessante ding is dat selfs die ensieme gemaak word deur ander ensieme. Dit het baie gekompliseerde kontrole meganismes tot gevolg: ja, ons weet meeste van die tyd glad nie hoe die natuur besluit watter ensieme gemaak moet word nie, en watter wanneer moet werk al dan nie. Die navorsing op hierdie gebiede word gedoen in die velde van biologie en biochemie, en daar word probeer om die gekompliseerde beheermeganismes te verstaan.
Een van die unieke polipeptiede wat al van vroeg af gebruik is deur mense is sy. Sy is lank terug deur die Chinese ontdek. Sy word gemaak deur klein wurmpies wat probeer om kokonne te spin sodat hulle in motte kan verander. Ons "steel" dan die sy by hulle, en gebruik dit self. Die sy word in vesels gespin. Bundels baie dun individuele polimeerkettings word saamgevoeg, en vorm 'n sterk vesel (net soos ons tou maak). Die eindproduk is dus beide buigbaar en sterk. Die struktuur van symolekules is ongewoon vir 'n polipeptied, aangesien dit baie ongesubstitueerde glysien aminosuurresidue bevat. Glisien segmente kan plat uitgerekte kettings vorm, wat op mekaar gestapel kan word. Dit gee aan sy sy unieke sterkte en buigsaamheid. Sy het sulke unieke eienskappe, veral in warm, nat klimate dat dit die handel in die ooste van Asië vir eeue gedomineer het. Die sy handel tussen Japan en China het die ekonomieë van die twee lande vir baie lank beheer (langer as wat enige iemand sou wou toegee). Selfs in Amerika was sy belangrik in die maak van sykouse. Toe sy gebruik is in valskerms, het die vroue in Amerika omgekrap geraak. Toe het die chemiese maatskappye maar met kuns sy, of te wel nylon, vorendag gekom sodat almal weer gelukkig kon wees.
'n Ander belangrike verskil tussen polipeptiede en nylons, is die manier waarop hulle gemaak word. Nylons word by die tonnemaat per dag gemaak, deur eenvoudige molekule aan mekaar te verbind om die regte verbindings te vervaardig. In die natuur gebeur dinge heelwat anders, en baie meer presies. Vir 'n lewende organisme om 'n ensiem te maak, moet 'n ander ensiem of aktiewe spesie betrokke wees. Die sintese benodig altyd 'n templaat, of rekord, van hoe die individuele aminosuur molekules aan mekaar verbind moet word om die finale polimeer te lewer. Hierdie templaat, of kaart, word boodskapper RNA (m-RNA) genoem. Die boodskap wat dit dra, is natuurlik hoe die peptied-vervaardigende ensiem die polipeptied moet maak. Elke aminosuur word na die ensiem gebring deur 'n draer molekuul, en word geaktiveer voordat dit deur 'n reeks reaksies geinkorporeer word. Die ensiem voeg die aminosure een op 'n slag by die polipeptied, soos aangedui deur die mRNA. Dit is 'n baie stadige en langsame proses, en neem baie tyd. Partymaal word daar 'n verkeerde aminosuur ingebou as die proses net te stadig is, en die regte aminosuur nie in die omtrek is nie. Om te verseker dat alles reg verloop tydens hierdie hele proses, gaan die ensiem dus gereeld terug oor reeds vervaardigde stukke polipeptied. As daar 'n fout ingesluip het, het die ensiem 'n proses waardeur dit die verkeerde aminosuur kan uitsny, en die regte een invoeg. Mense doen dit net nie so nie, ons gooi net ons foute weg, en begin maar weer oor.
Ons powere probeerslae
Soos ons begin om agter te kom hoe die natuur hierdie molekule aan mekaar sit, en ons self begin om dit te doen, besef ons dat ons nie baie goed is met die maak van hierdie molekule nie, en dat ons sukkel om sulke groot molekule maklik te varieer. Die rede is dat as ons 'n fout maak, dit die hele molekuul verwoes, en ons dit nie weer kan regmaak nie.
Die tipe masjien wat gebruik word om sintetiese analoë van polipeptiede te maak word 'n "peptied sintetiseerder" genoem. Hier word die eerste aminosuur gekoppel aan klein polimeerkorreltjies/polimeriese hars. (Hierdie word die Merrifield Sintese genoem. Die gebruik van 'n polimeriese hars was 'n uitstekende idee, en het Robert Merrifield die Nobelprys besorg). Ons neem nou 'n geaktiveerde aminosuur, soortgelyk aan wat die natuur gebruik, en verbind dit aan die eerste aminosuur deur 'n amiedbinding. Ons herhaal hierdie proses oor en oor, en probeer ons om hierdie reaksie op elke molekuul op elke korreltjie te laat plaasvind. Soms mis ons 'n aminosuur. Dit beteken dus dat die polipeptiedkettings eenhede sal vermis. Dit lei dan tot 'n mengsel van goeie en slegte produkte. Soos die polipeptied wat ons probeer sintetiseer groter raak, raak die probleem ook al hoe groter, en is dit die grootste probleem in die sintese van polipeptiede. So, as daar 'n manier kon wees hoe ons kon kyk of ons wel die regte addisies gedoen het, sal 'n mens die probleme sommer daar al kan oplos. En miskien sal ons dan die werk so goed kan doen soos dit in die natuur gedoen word. Miskien...
Jy wonder dalk hoekom sukkel ons dan om iets te doen wat die natuur reeds onder die knie het? Wel, een van die redes is om te probeer uitvind presies hoe die natuur die reg kry. 'n Ander rede is om te probeer verstaan presies hoe ensieme en peptiede werk. Dit is nie altyd so duidelik hoekom 'n spesifieke kombinasie van aminosure 'n spesifieke struktuur inneem nie, en dan ook 'n baie spesifieke werk kan doen nie. Soos ons leer hoe dit gedoen word, kan ons sintetiese analoë maak, wat dieselfde funksies kan verrig, maar dit dalk makliker of beter kan doen. So is daar al nuwe mediese middels en behandelings vir sekere siektes ontwikkel.
'n Ander punt waar die natuur verskil in die sintese van polipeptiede, is deur die sintese in water te doen. Meeste van ons sinteses word glad nie in water gedoen nie. Gewoonlik gebruik ons toksiese organiese oplosmiddels om poliamiedes in te vervaardig. Dit het 'n probleem tot gevolg: wat doen ons met die organiese oplosmiddels nadat ons hulle gebruik het? Verbrand, herwin of koop ons elke keer nuwe oplosmiddels? Die natuur het nie sulke probleme nie. 'n Manier hoe die natuur water gebruik in die sintese van polipeptiede, en wat ons nog nie kon verklaar nie, is die sintese van die sy van spinnekoppe. Spinnekoppe spin hulle webbe van oplossings van polipeptiede in water. Soos hierdie oplossings na buite gedruk word deur die spinnekop, word lang drade gevorm wat ons sien in die spinnekoppe se webbe. Maar 'n baie eienaardige ding is, dat sodra die draad gespin is, is dit glad nie meer oplosbaar in water nie. As ons maar net kan uitvind hoe spinnekoppe in die eerste plek polipeptiede in water kan maak, en dan spin om webbe te vorm, kan ons dalk dieselfde met nylon probeer. Dit kan ons dalk baie probleme en geld spaar. So, as jy dalk aan 'n paar idees kan dink, laat ons weet...