کاربردهای گوناگون بسپار های طبیعی (پلیمرهای طبیعی) - وبلاگ بازسازی ساختمان

به گزارش وبلاگ بازسازی ساختمان، بسپارهای طبیعی شامل DNA و RNA، نشاسته، سلولز، کیتین، پروتئین ها، آنزیم ها و ابریشم می گردد. هر کدام از این مواد را می توان در دسته بندی پلیمر های طبیعی پلی ساکارید یا پلی پپتید جای داد. آیا می دانید کاربرد بسپارهای طبیعی چیست؟

وبلاگ بازسازی ساختمان | سرویس علوم - قرن ها پیش، در دورانی که پلاستیک ها و بسپار های مصنوعی وجود نداشتند، در نخستین ایام خلق زمین، طبیعت بسپار های طبیعی را برای امکان پذیر ساختن زندگی به کار می گرفت. نمی توان همان تصوری را که از بسپار های مصنوعی در ذهن ما نقش بسته، در مورد بسپار های طبیعی صادق دانست، زیرا نه ما می توانیم آن ها را به عنوان شگفتی های قوه نبوغ خویش ستایش کنیم و نه شرکت های شیمیایی به واسطه فروش آن ها سودآوری خواهند داشت. در هر صورت، این قضیه نه تنها از اهمیت بسپار های طبیعی نمی کاهد بلکه، در واقع، به مطلع سازی درباره اهمیت آن ها در زمینه های متنوع کمک می رساند.

بسپار های طبیعی از قبیل RNA و DNA اهمیت فراوانی در ژن ها و فرآیند های زندگی دارند. در حقیقت پیک RNA آن چیزی است که پروتئین ها، پپتید ها و آنزیم ها را در بدن ایجاد می نماید. آنزیم ها برای انجام سوخت و ساز انرژی در بدن مفید هستند و به همیابی ارگانیسم های زنده داخلی کمک می رسانند. پپتید ها تعدادی از جالب ترین اجزای ساختار پوست، مو و حتی شاخ اسب های آبی را تشکیل می دهند. دیگر بسپار های طبیعی شامل پلی ساکارید ها (بسپار های شکر) و پلی پپتید هایی مانند ابریشم، کراتین و مو می شود. البته از ذکر این نکته نباید غافل شد که کربن و هیدروژن تنها مواد تشکیل دهنده لاستیک طبیعی، و طبیعتاً بسپار طبیعی هستند. پس در اینجا از نزدیک خانواده های اصلی بسپار های طبیعی را آنالیز قرار می کنیم.

بسپارهای طبیعی دسته اول) پلی ساکارید ها

DNA و RNA

DNA و RNA حاوی ستون های بسپاری مبنی بر واحد های قند هستند؛ و هر چند که در مورد DNA و RNA گروه هایی مرتب و منظم و متصل به واحد های قندی وجود دارند که بسپار های مزبور ظرفیت منحصر به فرد خود را مدیون آن هستند، اما همین امر آن ها را به پلی ساکارید تبدیل می نماید. وجود این دو برای پروتئین سازی و انتقال وراثت در جانداران لازم است.

نشاسته

خانواده دیگر پلی ساکارید ها شامل نشاسته و سلولز می شود. نشاسته یک پلی ساکارید با وزن مولکولی بالاست و مواد غذایی از قبیل نان، ذرت و سیب زمینی سرشار از آن هستند. نشاسته حتی می تواند 10000 واحد قند تماماً به هم چسبیده باشد. معین نوع نشاسته یا پلی ساکارید از طریق نحوه پیوند میان واحدها، که تماماً به صورت ترتیب خطی مرتب شده اند و البته تعدادی از آن ها شاخه هایی را شکل می دهند، انجام می پذیرد.

سلولز

یکی دیگر از اعضای مهم خانواده پلی ساکارید و بسپار طبیعی اصلی تشکیل دهنده گیاهان و درختان، سلولز است. چوب در اصل سلولزی است که پلی ساکارید متفاوتی محسوب می شود. نشاسته در آب گرم قابل حل است و به سهولت می توان آن را به شیء مفیدی تبدیل کرد، اما سلولز به شدت بلوری است و تقریباً با هیچ ماده دیگری قابل حل نیست. پارچه نخی، که در اغلب لباس ها کاربرد دارد، نوعی سلولز محسوب می شود و خصوصیت حل ناشدگی آن در آب گرم برای چنین استفاده ای مورد توجه ویژه نهاده شده است؛ در غیر این صورت لباس ها هنگام شستشو از بین می رفتند. سلولز همچنین خاصیت تمیزی دارد، یعنی وقتی آن را خیس نموده و اتو می کشید، صاف و پهن می شود. این خصوصیت موجب می شود تا زیبایی لباس نخی دست کم برای مدتی پا برجا بماند. در صورت شستشوی مجدد به سادگی دوباره کاملاً تمیز می شوند.

کیتین؛ بسپار طبیعی برای دوستداران غذا های دریایی!

یکی دیگر از اعضای پلی ساکارید، کیتین است، مادهای سخت، غیر قابل حل و انعطاف پذیر. پوسته خرچنگ خاردار، میگو، خرچنگ، خرچنگ دریایی و دیگر اعضای خانواده خرچنگ ها از این ماده تشکیل شده است. ما هنوز در فهم اینکه چگونه بسپار هایی مصنوعی با این خواص ترکیبی منظم ساخته می شوند، عاجزیم! هرچند سلولز ها کاربرد های شیمیایی فراوانی دارند و در ساخت کاغذ، خانه های چوبی، کفش های چوبی و امثال آن ها مورد استفاده قرار داده ایم، اما هنوز در درک و کشف چگونگی استفاده گسترده از کیتین ناتوان هستیم. تحقیقات فراوانی در مورد استفاده از کیتین در محصولات متنوعی در حال اجرا است و شاید در آینده بتوانیم از کیتین برای تهیه لباس یا پلاستیک استفاده کنیم. این مهم یک حوزه تحقیقاتی با اهمیت است، زیرا از بسپار های طبیعی، که منابعی تجدیدپذیر یا ضایعات هستند، استفاده می نماید.

بسپار های طبیعی دسته دوم) پروتئین ها و پلی پپتید ها

پروتئین ها

پروتئین ها اولین مثال پلی آمید (واژهای تجملی برای نایلون) بودند. اگرچه هر دو خصوصیات مشترک بسکمک دارند، اما تفاوت هایی اساسی در نحوه ساخت و خصوصیات فیزیکی آن ها وجود دارد. شباهت آن ها در این است که هر دو دارای اتصالی امیدی (amide) در ستون خود هستند. امید ها از گروه های اسید کربوکسیلیک و گروه های امین (amine) به واسطه از دست دادن آب ساخته می شوند. ساختار و کنش متقابل بینامولکولی قسمت مولکولی امید منحصر به فرد هستند. اساساً این بخش، به دلیل هیبرید شدگی نیتروژن، کربن و اکسیژن گروه امید، یکنواخت است. مهمتر از آن اینکه هیدروژن بر نیتروژن و کربنیل اکسیژن قادر به اجرای کنشی متقابل به نام ارتباط هیدروژن هستند. دلیل شباهت نسبی گروه های امیدی این است که برای روابطی قوی که به آمید داده می شود، شامل پروتئین های غیرمعمول بسپار ها هستند. این نوع از کنش متقابل در بخش نایلون هم تشریح شده و شباهت کلیدی میان بسپار های طبیعی و مصنوعی محسوب می شود.

تفاوت میان نحوه فراوری نایلون در طبیعت و نحوه فراوری مصنوعی آن توسط انسان قابل توجه است. نایلون اغلب از مولکول هایی که گروه های CH2 فراوانی در خود دارند، ساخته می شود. بخش نایلون ها ساختار نایلون 6 و نایلون 6/6، دو نوع از بسپار های مصنوعی بسیار شایع را نشان می دهد. آن ها دارای چهار، پنج یا شش گروه CH2 در بین واحد های امید هستند. در هر صورت، طبیعت با بکارگیری صرفاً یک کربن خاص در میان گروه های امید، صرفه جویی بسیار بیشتری به خرج می دهد. آنچه که طبیعت به طور متفاوتی انجام می دهد جایگزینی این کربن با تعداد فراوانی از گروه ها و بخش های کاربردی متفاوت است.

متن شکل (این پلی امید طبیعی است. این یک پلی امید مصنوعی، نایلون 6/6 است. هر واحد تکرار در طبیعت یک گروه R ویژه دارد. سرشت گروه های R. و نظمی که در آن نهاده شدهاند، میتوانند خصوصیات متغیر نامحدودی داشته باشند. این مهم در مورد میکروساختار مناسب چگونه است! در مقابل مصنوعات آن رشدی بی فایده دارند و هر واحد تکرار دقیقاً یکسان هستند. ما چقدر ناتوان هستیم.)

در نتیجه به دو خصوصیت دست می یابیم. نخست اینکه بخش های اختصاصی و کل مولکول از لحاظ بصری فعال یا چیرال، یعنی مانند دستکش هستند: هر دو نسخه راست و چپ وجود دارند، که به دلایل مختلفی، طبیعت فقط نسخه دست چپ اسید های آمینو را که توسط گیاهان و حیوانات ترکیب شده اند، مورد استفاده قرار می دهد. این واقعیت که تنها یکی از ایزومر ها به کار گرفته می شود پیامد های استریوشیمیایی مرتبی به دنبال خواهد داشت. برای مثال پلی پپتید های طبیعی می توانند به ساختار های هلیکال شکل دهند، در صورتی که نایلون ها قادر به انجام آن نیستند. صورت بندی هلیکال ثبات پلی پپتید های طبیعی را افزایش می دهد. آیا میدانید که تعدادی از باکتری ها میتوانند از آب جوش آمده هم جان سالم به در ببرند؟ دلیل آن این است که بسپار های طبیعی آن ها به واسطه چنین ساختار های هلیکالی تثبیت شده اند. بخش های کوچک چنین ساختار های هلیکالی همان چیزی هستند که طبیعت برای فرم دادن به آنزیم ها در اشکالی خاص مورد استفاده قرار می دهد، به نحوی که بتوانند جادوی کاتالیتیک خود را انجام دهند. برای مثال شاید یک بخش حلقوی شانسی انعطاف پذیر توسط دو بخش حلزونی طوری به هم متصل شوند که تأثیری متقابل بر تعدادی از زیرلایهها داشته باشند.

آنزیم ها

آنزیم ها یکی از انواع کلیدی پلی پپتید ها هستند و برای زندگی بر روی زمین حیاتی اند. تمام ارگانیسم های زنده از آنزیم ها برای ساخت، بهبود و جدا کردن بسپار هایی که در اینجا تشریح شدند، استفاده می کنند. آنزیم ها کاتالیزور هایی دارای وظایف خاص هستند. در واقع، هر آنزیم یا یک نوع وظیفه خاص را به دفعات زیاد انجام می دهد و یا فقط یک نوع مولکول را درست می نماید. این امر بدین معنی است که باید آنزیم های متفاوت فراوانی، که از ترکیبات مختلف اسید های آمینویی ساخته شده اند، وجود داشته باشند تا به طرق خاصی به پلی پپتید ها متصل شده و تمام وظایفی را که هر ارگانیسم زنده باید انجام دهد، به نتیجه برسانند. می دانیم که هر موجود زنده روی زمین دارای صد ها یا حتی هزاران آنزیم گوناگون است تا بتوانند تمام وظایف خود را انجام دهد. اما موضوع غیرعادی این است که هر یک از آنزیم ها باید توسط دیگر آنزیم ها ساخته شوند، که این امر نیز به پیدایش مکانیسم کنترل بسیار پیچیدهای منجر می شود: (در موارد فراوانی) ما حتی کوچکترین ایده ای نسبت به نحوه تصمیمگیری طبیعت درباره اینکه چه آنزیم هایی باید ساخته شوند و یا چگونه آنزیم ها خاموش و روشن می شوند، نداریم. ما در حال درک این مهم هستیم و مطالعه چنین سیستم هایی بخش عمدهای از بیوشیمی و بیولوژی را تشکیل میدهد.

بسپار های طبیعی دسته سوم)گردشی بر جاده ابریشم

یکی از پلی پپتید های منحصر به فردی که به دلیل خواص فوق العاده آن از قدیم الایام مورد استفاده نهاده شده، ابریشم است. این ماده سال ها پیش از میلاد مسیح توسط چینی ها کشف شد. ابریشم به واسطه کرم های صدپای کوچکی که برای تبدیل شدن به پروانه به دور پیله های خود می چرخند، فراوری می شود. ما ابریشم را از کرم های صدپایی که آن را ترک می کنند، به چنگ می آوریم. ابریشم به رشته های نخی تغییر شکل می دهد و دسته کردن بسپار های بسیار خرد موجب استحکام بیشتر آن ها می شود. این همان روشی است که برای ساخت ریسمان مورد استفاده قرار می گیرد، یعنی به هم گره زدن تار های ضعیف به نحوی که در نهایت محکم و دارای انعطاف پذیر شوند. ساختار مولکولی ابریشم برای پلی پپتید غیرمعمول است، چون مقدار فراوانی اسید آمینوی غیرقابل جایگزینی به نام گلیسین دارد. اجزای گلیسین می توانند زنجیر های پهنی را که به خوبی و محکمی به هم فشرده می شوند، تشکیل دهند، و همین امر استحکام فوق العاده و انعطاف پذیری براق را به یکی از خصوصیات ابریشم تبدیل می نماید. ابریشم، که قرن ها به ویژه بر جریان تجارت اقلیم های گرم و بارانی شرق آسیا مسلط بود، دارای چنین خواص منحصر به فردی است. تجارت ابریشم در میان ژاپن و چین اقتصاد تمدن های آن منطقه را مهار نموده بود. حتی در آمریکای پیش از جنگ جهانی دوم هم ابریشم در فراوری جوراب های ساق بلند ابریشمی نقش قابل توجهی داشت. وقتی ابریشم در ساخت سیم های چتر های نجات مورد استفاده نهاده شد، زنان آمریکایی بسیار آشفته شدند، چون موجب شد تا شرکت های شیمیایی برای ساخت جوراب های ساق بلند نایلونی به فراوری ابریشم مصنوعی روی آورند، و به این ترتیب پا های خانم ها گرم میماند و مردان می توانستند به میدان های جنگ بازگردند.

نگاه علمی به پروتئین سازی

تفاوت دیگر میان پلی پپتید ها و نایلون ها به روش ساخت آن ها برمی شود. ما انسان ها به طور روزمره چندین تن نایلون را در کارخانه های بزرگ شیمیایی، که مولکول های ساده را در کمیت های فراوان به یکدیگر متصل می کنند تا محصولات مورد احتیاج و خواسته شده را عرضه کنند، فراوری می کنیم. طبیعت در نحوه انجام امور بسیار محتاط تر و دقیق تر از ماست، زیرا برای فراوری یک آنزیم توسط یک موجود زنده باید آنزیم یا گونه فعال دیگری درگیر شود. اما در فراوری مصنوعی همواره یک الگو یا نمونه در امر چگونگی اتصال اسید های آمینو به منظور فراوری بسپار نهایی درگیر می شود. این الگو یا نقشه همان پیک mRNA است. البته پیامی که این پیک حمل می نماید عبارت است از اینکه آنزیم پپتیدساز درگیر باید چگونه پلی پپتید را فراوری کند. هر اسید آمینه از طریق یک حامل مولکول به آنزیم آورده شده و از طریق تمام خانواده آبشاری اقدامات واکنشی، فعال می شود. همانطور که mRNA دلالت می نماید، آنزیم در هر مرتبه یک اسید آمینوی خاص را اضافه می نماید. این فرآیندی زمانبر، کسل کننده و احتیاجمند صبر فراوان است. بعضی اوقات آنزیم امید خود را نسبت به رسیدن اسید آمینوی صحیح از دست می دهد و در عوض اسید دیگری را می زند. پس به منظور جبران این اشتباه، معمولاً آنزیم پشتیبان برای رسیدگی به فعالیت های آن ساخته می شود. اگر اشتباهی از آنزیم سر زده باشد، فرآیند سد کردن اسید آمینوی غیرصحیح و وارد کردن مورد صحیح آغاز می شود. ما انسان ها هرگز چنین عملی را انجام نمی دهیم، بلکه اگر اشتباهی از ما سر بزند به سادگی پوزخندی زده و آن را دور می اندازیم.

ما درس های فراوانی از طبیعت می آموزیم

یکی از وظایف دانشمندان درک این مهم است که طبیعت چگونه عملی چنین دقیق را انجام داده که می توان به دنبال ایجاد نمونه های مصنوعی آن بود. برای مثال، وقتی دریافتیم که چرا ابریشم خواصی چنین منظم را داراست، توانستیم ابریشم مصنوعی را به شکل نایلون بسازیم. ما هنوز راهی طولانی تا ساخت RNA و DNA مصنوعی، که به زندگی مصنوعی ختم می شوند، در پیش داریم. هرچند که ممکن است هرگز به آن نقطه دست نیابیم، اما کوشش برای چگونگی آن لذت بخش بوده و به پیشرفت هایی مهم در حوزه بسپار های مصنوعی و دیگر حوزه ها از قبیل پزشکی و بیوشیمی منجر خواهد شد. در اینجا این مسئله مهم مطرح می شود که علم مانند زندگی است، تنها با یک قضیه سر و کار ندارد بلکه تمام قضایا در آن با هم درتنیده اند.