Биополимер - Biopolymer

Биополимеры - это натуральные полимеры, вырабатываемые клетками живых организмов . Биополимеры состоят из мономерных звеньев, которые ковалентно связаны с образованием более крупных молекул. Существует три основных класса биополимеров, классифицируемых в зависимости от используемых мономеров и структуры образующегося биополимера: полинуклеотиды , полипептиды и полисахариды . Полинуклеотиды , такие как РНК и ДНК , представляют собой длинные полимеры, состоящие из 13 или более нуклеотидных мономеров . Полипептиды и белки представляют собой полимеры аминокислот, и некоторые основные примеры включают коллаген , актин и фибрин . Полисахариды представляют собой линейные или разветвленные полимерные углеводы, и их примеры включают крахмал, целлюлозу и альгинат. Другие примеры биополимеров включают натуральные каучуки (полимеры изопрена ), суберин и лигнин (сложные полифенольные полимеры), кутин и кутан (сложные полимеры длинноцепочечных жирных кислот ) и меланин .

Биополимеры находят различное применение, например, в пищевой промышленности, производстве, упаковке и биомедицинской инженерии.

В структуре ДНК находится пара биополимеров , полинуклеотидов , образующих структуру двойной спирали.

Биополимеры против синтетических полимеров

Основное определяющее различие между биополимерами и синтетическими полимерами можно найти в их структуре. Все полимеры состоят из повторяющихся звеньев, называемых мономерами . Биополимеры часто имеют четко определенную структуру, хотя это не является определяющей характеристикой (например, лигноцеллюлоза ): точный химический состав и последовательность, в которой эти звенья расположены, называется первичной структурой в случае белков. Многие биополимеры спонтанно складываются в характерные компактные формы (см. Также « сворачивание белка », а также вторичную структуру и третичную структуру ), которые определяют их биологические функции и сложным образом зависят от их первичных структур. Структурная биология - это изучение структурных свойств биополимеров. Напротив, большинство синтетических полимеров имеют гораздо более простые и более случайные (или стохастические) структуры. Этот факт приводит к молекулярно-массовому распределению, отсутствующему в биополимерах. Фактически, поскольку в большинстве систем in vivo их синтез контролируется процессом, управляемым матрицей , все биополимеры определенного типа (скажем, один конкретный белок) одинаковы: все они содержат одинаковые последовательности и количество мономеров и, таким образом, все имеют одинаковый характер. такая же масса. Это явление называется монодисперсностью в отличие от полидисперсности синтетических полимеров. В результате биополимеры имеют индекс полидисперсности 1.

Условные обозначения и номенклатура

Полипептиды

Для полипептида принято перечислять составляющие его аминокислотные остатки по мере их расположения от аминоконца до конца карбоновой кислоты. Аминокислотные остатки всегда соединены пептидными связями . Белок , хотя и используется в разговорной речи для обозначения любого полипептида, относится к более крупным или полностью функциональным формам и может состоять из нескольких полипептидных цепей, а также из отдельных цепей. Белки также могут быть модифицированы для включения непептидных компонентов, таких как сахаридные цепи и липиды .

Нуклеиновые кислоты

Условием для последовательности нуклеиновой кислоты является перечисление нуклеотидов по мере их появления от 5 'конца до 3' конца полимерной цепи , где 5 'и 3' относятся к нумерации атомов углерода вокруг рибозного кольца, которые участвуют в образовании. фосфатные диэфирные связи цепи. Такая последовательность называется первичной структурой биополимера.

Сахар

Полимеры сахара могут быть линейными или разветвленными и обычно связаны гликозидными связями . Точное размещение связи может варьироваться, и ориентация связывающих функциональных групп также важна, что приводит к α- и β-гликозидным связям с нумерацией, определяющей расположение связывающих атомов углерода в кольце. Кроме того, многие сахаридные звенья могут подвергаться различным химическим модификациям, таким как аминирование , и даже могут образовывать части других молекул, таких как гликопротеины .

Структурная характеристика

Существует ряд биофизических методов определения информации о последовательности. Последовательность белка может быть определена деградацией по Эдману , при которой N-концевые остатки гидролизуются из цепи по одному, дериватизируются, а затем идентифицируются. Также можно использовать методы масс- спектрометрии . Последовательность нуклеиновой кислоты можно определить с помощью гель- электрофореза и капиллярного электрофореза. Наконец, механические свойства этих биополимеров часто можно измерить с помощью оптического пинцета или атомно-силовой микроскопии . Интерферометрия с двойной поляризацией может использоваться для измерения конформационных изменений или самосборки этих материалов при стимуляции pH, температурой, ионной силой или другими партнерами связывания.

Общие биополимеры

Коллаген : Коллаген является первичной структурой позвоночных и является наиболее распространенным белком у млекопитающих. Из-за этого коллаген является одним из наиболее легко доступных биополимеров и используется во многих исследовательских целях. Благодаря своей механической структуре коллаген имеет высокую прочность на разрыв и является нетоксичным, легко абсорбируемым, биоразлагаемым и биосовместимым материалом. Следовательно, он использовался во многих медицинских целях, таких как лечение инфекций тканей, системы доставки лекарств и генная терапия.

Фиброин шелка : фиброин шелка (SF) - это еще один богатый белком биополимер, который может быть получен из различных видов шелкопряда, таких как шелковичный червь Bombyx mori. В отличие от коллагена SF имеет более низкую прочность на разрыв, но обладает сильными адгезионными свойствами из-за его нерастворимого и волокнистого белкового состава. В недавних исследованиях было обнаружено, что фиброин шелка обладает антиагулянтными свойствами и адгезией тромбоцитов. Кроме того, было обнаружено, что фиброин шелка поддерживает пролиферацию стволовых клеток in vitro.

Желатин : желатин получают из коллагена I типа, состоящего из цистеина, и получают путем частичного гидролиза коллагена из костей, тканей и кожи животных. Существует два типа желатина: тип A и тип B. Коллаген типа A получается путем кислотного гидролиза коллагена и содержит 18,5% азота. Тип B получают щелочным гидролизом и содержат 18% азота и не содержат амидных групп. Повышенные температуры заставляют желатин плавиться и существовать в виде спиралей, тогда как более низкие температуры приводят к превращению спирали в спираль. Желатин содержит множество функциональных групп, таких как NH2, SH и COOH, которые позволяют модифицировать желатин с использованием нечастиц и биомолекул. Желатин - это белок внеклеточного матрикса, который позволяет применять его для таких применений, как перевязка ран, доставка лекарств и трансфекция генов.

Крахмал: Крахмал - недорогой биоразлагаемый биополимер, имеющийся в большом количестве. Нановолокна и микроволокна могут быть добавлены к полимерной матрице для повышения механических свойств крахмала, повышения эластичности и прочности. Без волокон крахмал имеет плохие механические свойства из-за его чувствительности к влаге. Биоразлагаемый и возобновляемый крахмал используется во многих областях, включая пластмассы и фармацевтические таблетки.

Целлюлоза: Целлюлоза очень структурирована с уложенными друг на друга цепями, что обеспечивает стабильность и прочность. Прочность и стабильность обусловлены более прямой формой целлюлозы, обусловленной мономерами глюкозы, соединенными вместе гликогеновыми связями. Прямая форма позволяет молекулам плотно упаковываться. Целлюлоза широко применяется из-за ее большого количества, биосовместимости и безвредности для окружающей среды. Целлюлоза широко используется в форме нано-фибрилл, называемых наноцеллюлозой. Наноцеллюлоза, представленная в низких концентрациях, дает прозрачный гелевый материал. Этот материал можно использовать для создания биоразлагаемых, однородных , плотных пленок, которые очень полезны в биомедицине.

Альгинат: Альгинат - самый обильный морской природный полимер, полученный из коричневых морских водорослей. Области применения альгинатных биополимеров варьируются от упаковочной, текстильной и пищевой промышленности до биомедицинской и химической инженерии. Впервые альгинат применялся в виде перевязочного материала для ран, где были обнаружены его гелеобразные и абсорбирующие свойства. При нанесении на раны альгинат образует защитный слой геля, который оптимален для заживления и регенерации тканей и поддерживает стабильную температурную среду. Кроме того, были разработаны разработки с использованием альгината в качестве среды для доставки лекарственного средства, поскольку скоростью высвобождения лекарственного средства можно легко управлять из-за различных плотностей альгината и волокнистого состава.

Применение биополимеров

Применение биополимеров можно разделить на две основные области, которые различаются из-за их биомедицинского и промышленного использования.

Биомедицинские

Поскольку одной из основных целей биомедицинской инженерии является имитация частей тела для поддержания нормальных функций организма, из-за их биосовместимых свойств биополимеры широко используются в тканевой инженерии , медицинских устройствах и фармацевтической промышленности. Многие биополимеры могут быть использованы в регенеративной медицине , тканевой инженерии, доставке лекарств и в медицинских целях в целом благодаря своим механическим свойствам. Они обеспечивают такие характеристики, как заживление ран, катализ биоактивности и нетоксичность. По сравнению с синтетическими полимерами, которые могут иметь различные недостатки, такие как иммуногенное отторжение и токсичность после разложения, многие биополимеры обычно лучше интегрируются в организм, поскольку они также обладают более сложными структурами, подобными человеческому телу.

В частности, полипептиды, такие как коллаген и шелк, представляют собой биосовместимые материалы, которые используются в новаторских исследованиях, поскольку это недорогие и легко доступные материалы. Полимер желатина часто используется для перевязки ран, где он действует как клей. Каркасы и пленки с желатином позволяют каркасам удерживать лекарства и другие питательные вещества, которые можно использовать для доставки в рану для заживления.

Поскольку коллаген является одним из наиболее популярных биополимеров, используемых в биомедицине, вот несколько примеров его использования:

Системы доставки лекарств на основе коллагена : пленки коллагена действуют как барьерная мембрана и используются для лечения тканевых инфекций, таких как инфицированная ткань роговицы или рак печени. Все коллагеновые пленки используются в качестве носителей для доставки генов, которые могут способствовать формированию костей.

Коллагеновые матрицы или губки можно использовать для лечения ран с целью восстановления и укрепления тканей.

Коллагеновые губки: коллагеновые губки используются в качестве повязки для лечения ожогов и других серьезных ран. Имплантаты на основе коллагена используются для выращивания клеток кожи или носителей лекарств, которые используются для ожоговых ран и замены кожи.

Коллаген в качестве кровоостанавливающего средства : когда коллаген взаимодействует с тромбоцитами, он вызывает быстрое свертывание крови. Эта быстрая коагуляция создает временный каркас, поэтому фиброзная строма может регенерироваться клетками-хозяевами. Гемостат на основе коллагена снижает кровопотерю в тканях и помогает контролировать кровотечение в клеточных органах, таких как печень и селезенка.

Хитозан - еще один популярный биополимер в биомедицинских исследованиях. Хитозан получают из хитина , основного компонента экзоскелета ракообразных и насекомых и второго по распространенности биополимера в мире. Хитозан имеет множество отличных характеристик для биомедицинской науки. Хитозан биосовместим, он обладает высокой биологической активностью , что означает, что он стимулирует положительную реакцию организма, он может биоразлагаться, что может исключить повторную операцию при применении имплантатов, может образовывать гели и пленки и избирательно проницаем . Эти свойства позволяют применять хитозан в различных биомедицинских целях.

Хитозан как средство доставки лекарственного средства. Хитозан используется в основном для нацеливания на лекарство, поскольку он может улучшить абсорбцию и стабильность лекарственного средства. кроме того, хитозан, конъюгированный с противораковыми агентами, также может оказывать лучшее противоопухолевое действие, вызывая постепенное высвобождение свободного лекарства в раковые ткани.

Хитозан как антимикробное средство: хитозан используется для остановки роста микроорганизмов . Он выполняет антимикробные функции в отношении таких микроорганизмов, как водоросли, грибы, бактерии и грамположительные бактерии различных видов дрожжей.

Хитозановый композит для тканевой инженерии: сочетание хитозана и альгината используется вместе для формирования функциональных повязок на рану. Эти повязки создают влажную среду, которая способствует процессу заживления. Эта повязка для ран также очень биосовместима, биоразлагаема и имеет пористую структуру, которая позволяет клеткам прорастать в повязку.

Промышленные

Пища : биополимеры используются в пищевой промышленности для таких вещей, как упаковка, съедобные герметизирующие пленки и покрытия для пищевых продуктов. Полимолочная кислота (PLA) очень распространена в пищевой промышленности из-за ее прозрачного цвета и водостойкости. Однако большинство полимеров имеют гидрофильную природу и начинают разрушаться под воздействием влаги. Биополимеры также используются в качестве съедобных пленок, покрывающих пищевые продукты. Эти пленки могут содержать такие вещества, как антиоксиданты , ферменты , пробиотики , минералы и витамины. Потребляемая пища, инкапсулированная в биополимерную пленку, может поставлять эти вещества в организм.

Упаковка: Наиболее распространенными биополимерами, используемыми в упаковке, являются полигидроксиалканоат (PHA), полимолочная кислота (PLA) и крахмал . Крахмал и PLA являются коммерчески доступными биоразлагаемыми, что делает их обычным выбором для упаковки. Однако их барьерные и термические свойства не идеальны. Гидрофильные полимеры не являются водостойкими и позволяют воде проходить через упаковку, что может повлиять на ее содержимое. Полигликолевая кислота (PGA) - это биополимер, который обладает отличными барьерными характеристиками и в настоящее время используется для устранения барьерных препятствий из PLA и крахмала.

Очистка воды: Хитозан использовался для очистки воды. Хитозан используется в качестве флокулянта, который разлагается в окружающей среде всего за несколько недель или месяцев, а не за годы. Хитозан очищает воду за счет хелатирования, удаляя металлы из воды. Хелатирование - это когда участки связывания вдоль полимерной цепи связываются с металлом в воде, образуя хелаты . Хитозан использовался во многих ситуациях для очистки ливневых или сточных вод, которые могли быть загрязнены.

Как материалы

Некоторые биополимеры, такие как PLA , природный зеин и поли-3-гидроксибутират, могут использоваться в качестве пластмасс, заменяя необходимость в пластиках на основе полистирола или полиэтилена .

Некоторые пластмассы теперь называют «разлагаемыми», «разлагаемыми кислородом» или «разлагаемыми УФ-излучением». Это означает, что они разрушаются под воздействием света или воздуха, но эти пластмассы по-прежнему в основном (до 98%) на масляной основе и в настоящее время не сертифицированы как `` биоразлагаемые '' в соответствии с Директивой Европейского Союза по упаковке и отходам упаковки ( 94/62 / EC). Биополимеры разрушаются, и некоторые из них подходят для домашнего компостирования .

Биополимеры (также называемые возобновляемыми полимерами) производятся из биомассы для использования в упаковочной промышленности. Биомасса поступает из таких культур, как сахарная свекла, картофель или пшеница: когда они используются для производства биополимеров, они классифицируются как непродовольственные культуры . Их можно преобразовать следующими способами:

Сахарная свекла > Гликоновая кислота> Полигликоновая кислота

Крахмал > (ферментация)> Молочная кислота > Полимолочная кислота (PLA)

Биомасса > (ферментация)> Биоэтанол > Этен > Полиэтилен

Из биополимеров можно изготавливать многие виды упаковки: лотки для пищевых продуктов, гранулы из крахмала для транспортировки хрупких товаров, тонкие пленки для упаковки.

Воздействие на окружающую среду

Биополимеры могут быть экологичными, углеродно-нейтральными и всегда возобновляемыми , потому что они сделаны из растительных материалов, которые можно выращивать бесконечно. Эти растительные материалы поступают из непродовольственных сельскохозяйственных культур . Следовательно, использование биополимеров создаст устойчивую промышленность. Напротив, сырье для полимеров, полученных из нефтехимии, в конечном итоге истощится. Кроме того, биополимеры обладают потенциалом для сокращения выбросов углерода и количества CO 2 в атмосфере: это связано с тем, что CO 2, выделяющийся при их разложении, может реабсорбироваться растениями, выращенными для их замены: это делает их углеродно-нейтральными .

Биополимеры поддаются биологическому разложению, а некоторые также можно компостировать. Некоторые биополимеры поддаются биологическому разложению : они расщепляются микроорганизмами на CO 2 и воду . Некоторые из этих биоразлагаемых биополимеров можно компостировать : их можно использовать в промышленном процессе компостирования, и они разлагаются на 90% в течение шести месяцев. Биополимеры, которые делают это, могут быть помечены символом «компостируемые» в соответствии с европейским стандартом EN 13432 (2000). Упаковку, отмеченную этим символом, можно использовать в промышленных процессах компостирования, и она выйдет из строя в течение шести месяцев или меньше. Примером компостируемого полимера является пленка PLA толщиной менее 20 мкм: пленки большей толщины не считаются компостируемыми, даже если они «биоразлагаемые». В Европе существует стандарт домашнего компостирования и соответствующий логотип, который позволяет потребителям идентифицировать и утилизировать упаковку в своей компостной куче.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки