Войти
Биополимеры - это природные полимеры, продуцируемые клетками живые организмы. 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 пищевых продуктах. промышленность, производство, упаковка и биомедицинская инженерия.
В структуре ДНК находится пара биополимеров, полинуклеотидов, образующих двойную спираль структура Основное определяющее различие между биоп. в их структурах можно найти полимеры и синтетические полимеры. Все полимеры состоят из повторяющихся звеньев, называемых мономерами. Биополимеры часто имеют четко определенную структуру, хотя это не является определяющей характеристикой (пример: лигноцеллюлоза ): точный химический состав и последовательность расположения этих звеньев называется первичной структурой в случае белков. Многие биополимеры спонтанно складываются в характерные компактные формы (см. Также «сворачивание белка », а также вторичная структура и третичная структура ), которые определяют их биологические функции и зависят от сложным образом на их первичных структурах. 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 управляемым шаблоном процессом, все биополимеры определенного типа (скажем, один конкретный белок) одинаковы: все они содержат одинаковые последовательности и количество мономеров и, таким образом, все имеют такая же масса. Это явление называется монодисперсностью в отличие от полидисперсности, встречающейся в синтетических полимерах. В результате биополимеры имеют индекс полидисперсности, равный 1.
Условные обозначения для полипептида состоит в том, чтобы перечислить 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 отдельных цепей. Белки также могут быть модифицированы для включения непептидных компонентов, таких как сахаридные цепи и липиды.
Условные обозначения для нуклеиновой кислоты последовательность состоит в том, чтобы перечислить нуклеотиды в том виде, в котором они встречаются от конца 5 'до конца 3' 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.
Полимеры сахара могут быть линейными или разветвленными и обычно связаны гликозидными связями. Точное расположение 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.
Есть ряд биофизических методов определения информации о последовательности. Последовательность белка может быть определена с помощью деградации Эдмана, при которой N-концевые остатки гидролизуются из цепи по одному, дериватизируются, а затем идентифицируются. Также можно использовать методы масс-спектрометра . Последовательность нуклеиновой кислоты может быть определена 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.
Коллаген : Коллаген - это первичная структура позвоночных и самый распространенный белок 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. Поэтому 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 тутового шелкопряда, например тутового червя 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 представляет собой белок внеклеточного матрикса, что позволяет применять его для таких применений, как перевязочные материалы для 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, улучшая эластичность и прочность. 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 тем, что мономеры глюкозы соединены 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, гомогенных плотных пленок, которые очень полезны в биомедицинской области.
Альгинат :Альгинат - самый обильный морской природный полимер, полученный из бурых морских водорослей. Области применения биополимеров альгината 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, так как скоростью высвобождения лекарственного средства можно легко управлять из-за различных плотностей альгината и волокнистого состава.
Поскольку одной из основных целей биомедицинской инженерии является имитация частей тела для поддержания нормальных функций организма, из-за их биосовместимых свойств используются биополимеры в основном для тканевой инженерии, медицинских устройств 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 обладают такими характеристиками, 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.
Более конкретно, полипептиды, такие как коллаген и шелк, представляют собой биосовместимые материалы, которые используются в новаторских исследованиях, поскольку они являются недорогими и легко доступными материалами. 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 инфекций тканей, таких как инфицированная ткань роговицы или рак печени. Коллагеновые пленки все используются в качестве носителей для доставки генов, которые могут способствовать формированию костей.
Коллагеновые матрицы или губки могут использоваться для лечения ран с целью восстановления и укрепления тканей. Коллагеновые губки: Коллагеновые губки используются в качестве повязки для лечения жертв ожогов и других серьезных ран. Имплантаты на основе коллагена используются для культивирования 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 - основной компонент экзоскелета ракообразных и насекомых и второй по распространенности биополимер в мире. Хитозан имеет множество отличных характеристик для биомедицинской науки. Хитозан биосовместим, он очень биоактивен, что означает, что он стимулирует положительную реакцию организма, он может биоразлагаться, что может исключить повторную операцию при имплантации, может образовывать гели и пленки и избирательно проницаемый. Эти свойства позволяют использовать хитозан в различных биомедицинских целях.
Хитозан как средство доставки лекарств: Хитозан используется в основном для нацеливания на лекарства, поскольку он может улучшить абсорбцию и стабильность лекарства. кроме того, хитозан, конъюгированный с противораковыми агентами, также может оказывать лучшее противоопухолевое действие, вызывая постепенное высвобождение свободного лекарства в раковые ткани.
Хитозан как противомикробный агент: 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: Смешанные свойства хитозана и альгината используются вместе для формирования функциональных повязок на раны. 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.
Пищевая промышленность : Биополимеры используются в пищевой промышленности для таких вещей, как упаковка, съедобные инкапсулирующие 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, инкапсулирующих 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 тепловые свойства не идеальны. Гидрофильные полимеры не являются водостойкими и позволяют воде проникать через упаковку, что может повлиять на ее содержимое. Полигликолевая кислота (PGA) - это биополимер, который имеет отличные барьерные характеристики и в настоящее время используется для устранения барьерных препятствий из PLA и крахмала.
Очистка воды: Для очистки воды был использован более новый биополимер под названием хитозан. Хитозан используется как флокулянт, разложение которого в окружающей среде занимает всего несколько недель или месяцев, а не лет. Хитозан очищает воду с помощью хелатирования, удаляя металлы из воды. Хелатирование - это когда участки связывания вдоль полимерной цепи связываются с металлом в воде, образуя клилаты. Хитозан использовался во многих ситуациях для очистки ливневых или сточных вод, которые могли быть загрязнены.
Некоторые биополимеры, такие как PLA, встречающийся в природе зеин и поли-3-гидроксибутират, могут использоваться в качестве пластмасс, заменяя необходимость в пластиках на основе полистирола или полиэтилена.
Некоторые пластмассы теперь называются «разлагаемыми», «разлагаемыми кислородом» или «разлагаемыми под действием ультрафиолетового излучения». Это означает, что они разрушаются под воздействием света или воздуха, но эти пластмассы по-прежнему в основном (до 98%) на основе нефти и в настоящее время не сертифицированы как «биоразлагаемые» в соответствии с Директива Европейского Союза об упаковке и отходах 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. Они могут быть преобразованы следующими путями:
сахарная свекла >гликоновая кислота>полигликоновая кислота
крахмал >(ферментация)>молочная кислота >полимолочная кислота (PLA)
Биомасса >(ферментация)>Биоэтанол >Этен >Полиэтилен
Многие виды упаковки могут быть изготовлены из биополимеров: лотки для пищевых продуктов, гранулы крахмальные выдувные для перевозки хрупких товаров, тонкие пленки для упаковки.
Биополимеры могут быть экологичными, углеродно-нейтральными и всегда возобновляемыми, поскольку они производятся из растительных материалов, которые можно выращивать бесконечно. Эти растительные материалы поступают из сельскохозяйственных непродовольственных культур. Следовательно, использование биополимеров создаст устойчивую промышленность. Напротив, сырье для полимеров, полученных из нефтехимии, со временем истощится. Кроме того, биополимеры обладают потенциалом для сокращения выбросов углерода и уменьшения количества CO 2 в атмосфере: это связано с тем, что CO 2, выделяющийся при их разложении, может быть реабсорбируются растениями, выращенными вместо них: это делает их близкими к углеродно-нейтральным.
Биополимеры биоразлагаемы, а некоторые также можно компостировать. Некоторые биополимеры являются биоразлагаемыми : они расщепляются на CO 2 и воду микроорганизмами. Некоторые из этих биоразлагаемых биополимеров компостируются : 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: более толстые пленки 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.
 | На Викискладе есть материалы, связанные с биополимерами. |
