کاربردهای گوناگون بسپار های طبیعی (پلیمرهای طبیعی)

ستاره | سرویس محتوای کمک درسی – قرن‌ها پیش، در دورانی که پلاستیک‌ها و بسپار‌های مصنوعی وجود نداشتند، در نخستین ایام خلق زمین، طبیعت بسپار‌های طبیعی را برای امکان پذیر ساختن زندگی به کار می‌گرفت. نمی‌توان همان تصوری را که از بسپار‌های مصنوعی در ذهن ما نقش بسته، در مورد بسپار‌های طبیعی صادق دانست، زیرا نه ما می‌توانیم آن‌ها را به عنوان شگفتی‌های قوه نبوغ خویش ستایش کنیم و نه شرکت‌های شیمیایی به واسطه فروش آن‌ها سودآوری خواهند داشت. در هر صورت، این قضیه نه تنها از اهمیت بسپار‌های طبیعی نمی‌کاهد بلکه، در واقع، به آگاه سازی درباره اهمیت آن‌ها در زمینه‌های متنوع یاری می‌رساند.

بسپار‌های طبیعی از قبیل RNA و DNA اهمیت فراوانی در ژن‌ها و فرآیند‌های زندگی دارند. در حقیقت پیک RNA آن چیزی است که پروتئین‌ها، پپتید‌ها و آنزیم‌ها را در بدن ایجاد می‌کند. آنزیم‌ها برای انجام سوخت و ساز انرژی در بدن مفید هستند و به همیابی ارگانیسم‌های زنده داخلی یاری می‌رسانند. پپتید‌ها تعدادی از جالب‌ترین اجزای ساختار پوست، مو و حتی شاخ‌ اسب‌های آبی را تشکیل می‌دهند. دیگر بسپار‌های طبیعی شامل پلی ساکارید‌ها (بسپار‌های شکر) و پلی پپتید‌هایی مانند ابریشم، کراتین و مو می‌شود. 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 خانواده‌های اصلی بسپار‌های طبیعی را بررسی قرار می‌کنیم.

بسپارهای طبیعی دسته اول) پلی ساکارید‌ها

DNA و RNA

DNA و RNA حاوی ستون‌های بسپاری مبنی بر واحد‌های قند هستند؛ و هر چند که در مورد DNA و RNA گروه‌هایی مرتب و منظم و متصل به واحد‌های قندی وجود دارند که بسپار‌های مزبور ظرفیت منحصر به فرد خود را مدیون آن هستند، اما همین امر آن‌ها را به پلی ساکارید تبدیل می‌کند. وجود این دو برای پروتئین سازی و انتقال وراثت در جانداران ضروری است.

نشاسته

خانواده دیگر پلی‌ساکارید‌ها شامل نشاسته و سلولز می‌شود. نشاسته یک پلی ساکارید با وزن مولکولی بالاست و مواد غذایی از قبیل نان، ذرت و سیب زمینی سرشار از آن هستند. نشاسته حتی می‌تواند ۱۰۰۰۰ واحد قند تماماً به هم چسبیده باشد. تعیین نوع نشاسته یا پلی ساکارید از طریق نحوه پیوند میان واحدها، که تماماً به صورت ترتیب خطی مرتب شده‌اند و البته تعدادی از آن‌ها شاخه‌هایی را شکل می‌دهند، انجام می‌پذیرد.

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 می‌شود. نشاسته در آب گرم قابل حل است و به سهولت می‌توان 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 لباس‌ها کاربرد دارد، نوعی سلولز محسوب می‌شود و خصوصیت حل ناشدگی آن در آب گرم برای چنین استفاده‌ای مورد توجه ویژه قرار گرفته است؛ در غیر این صورت لباس‌ها هنگام شستشو از بین می‌رفتند. سلولز همچنین خاصیت تمیزی دارد، یعنی وقتی آن را خیس کرده و اتو می‌کشید، صاف و پهن می‌شود. این خصوصیت موجب می‌شود تا زیبایی لباس نخی دست کم برای مدتی پا برجا بماند. در صورت شستشوی مجدد به سادگی دوباره کاملاً تمیز می‌شوند.

کیتین؛ بسپار طبیعی برای دوستداران غذا‌های 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 خرچنگ‌ها از این ماده تشکیل شده است. ما هنوز در فهم اینکه چگونه بسپار‌هایی مصنوعی با این خواص ترکیبی منظم ساخته می‌شوند، عاجزیم! هرچند سلولز‌ها کاربرد‌های شیمیایی فراوانی دارند و در ساخت کاغذ، خانه‌های چوبی، کفش‌های چوبی و امثال آن‌ها مورد استفاده قرار داده‌ایم، اما هنوز در درک و کشف چگونگی استفاده گسترده از کیتین ناتوان هستیم. تحقیقات فراوانی در خصوص استفاده از کیتین در محصولات متنوعی در حال انجام 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 بسپار‌های طبیعی، که منابعی تجدیدپذیر یا ضایعات هستند، استفاده می‌کند.

بسپار‌‌های طبیعی دسته دوم) پروتئین‌ها و پلی پپتید‌ها

پروتئین‌ها

پروتئین‌ها اولین مثال پلی آمید (واژهای تجملی برای نایلون) بودند. اگرچه هر دو خصوصیات مشترک بسیاری دارند، اما تفاوت‌هایی اساسی در نحوه ساخت و خصوصیات فیزیکی آن‌ها وجود دارد. شباهت آن‌ها در این است که هر دو دارای اتصالی امیدی (amide) در ستون خود هستند. امید‌ها از گروه‌های اسید کربوکسیلیک و گروه‌های امین (amine) به واسطه از دست دادن آب ساخته می‌شوند. 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 گروه‌های امیدی این است که برای روابطی قوی که به آمید داده می‌شود، شامل پروتئین‌های غیرمعمول بسپار‌ها هستند. این نوع از کنش متقابل در بخش نایلون هم تشریح شده و شباهت کلیدی میان بسپار‌های طبیعی و مصنوعی محسوب می‌شود.

تفاوت میان نحوه تولید نایلون در طبیعت و نحوه تولید مصنوعی آن توسط انسان قابل توجه است. نایلون اغلب از مولکول‌هایی که گروه‌های CH۲ فراوانی در خود دارند، ساخته می‌شود. بخش نایلون‌ها ساختار نایلون ۶ و نایلون ۶/۶، دو نوع از بسپار‌های مصنوعی بسیار شایع را نشان می‌دهد. آن‌ها دارای چهار، پنج یا شش گروه CH۲ در بین واحد‌های امید هستند. در هر صورت، طبیعت با بکارگیری صرفاً یک کربن خاص در میان گروه‌های امید، صرفه‌جویی بسیار بیشتری به خرج می‌دهد. آنچه که طبیعت به طور متفاوتی انجام می‌دهد جایگزینی این کربن با تعداد فراوانی از گروه‌ها و بخش‌های کاربردی متفاوت است.

متن شکل (این پلی امید طبیعی است. این یک پلی امید مصنوعی، نایلون ۶/۶ است. هر واحد تکرار در طبیعت یک گروه R ویژه دارد. سرشت گروه‌های R. و نظمی که در آن قرار گرفتهاند، میتوانند خصوصیات متغیر نامحدودی داشته باشند. این مهم در مورد میکروساختار مناسب چگونه است! در مقابل مصنوعات آن رشدی بیهوده دارند و هر واحد تکرار دقیقاً یکسان هستند. ما چقدر ناتوان هستیم.)

در نتیجه به دو خصوصیت دست می‌یابیم. نخست اینکه بخش‌های 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 اسید‌های آمینو را که توسط گیاهان و حیوانات ترکیب شده‌اند، مورد استفاده قرار می‌دهد. این واقعیت که تنها یکی از ایزومر‌ها به کار گرفته می‌شود پیامد‌های استریوشیمیایی مرتبی به دنبال خواهد داشت. برای مثال پلی پپتید‌های طبیعی می‌توانند به ساختار‌های هلیکال شکل دهند، در صورتی که نایلون‌ها قادر به انجام آن نیستند. صورت بندی هلیکال ثبات پلی پپتید‌های طبیعی را افزایش می‌دهد. آیا میدانید که تعدادی از باکتری‌ها میتوانند از آب جوش آمده هم جان سالم به در ببرند؟ دلیل آن این است که بسپار‌های طبیعی آن‌ها به واسطه چنین ساختار‌های هلیکالی تثبیت شده‌اند. بخش‌های کوچک چنین ساختار‌های هلیکالی همان چیزی هستند که طبیعت برای فرم دادن به آنزیم‌ها در اشکالی خاص مورد استفاده قرار می‌دهد، 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.

آنزیم‌ها

آنزیم‌ها یکی از انواع کلیدی پلی پپتید‌ها هستند و برای زندگی بر روی زمین حیاتی‌اند. تمام ارگانیسم‌های زنده از آنزیم‌ها برای ساخت، بهبود و جدا کردن بسپار‌هایی که در اینجا تشریح شدند، استفاده می‌کنند. آنزیم‌ها کاتالیزور‌هایی دارای وظایف خاص هستند. در واقع، هر آنزیم یا یک نوع وظیفه خاص را به دفعات زیاد انجام می‌دهد و یا فقط یک نوع مولکول را درست می‌کند. این امر بدین معنی است که باید آنزیم‌های متفاوت فراوانی، که از ترکیبات مختلف اسید‌های آمینویی ساخته شده‌اند، وجود داشته باشند تا به طرق خاصی به پلی‌پپتید‌ها متصل شده و تمام وظایفی را که هر ارگانیسم زنده باید انجام دهد، به نتیجه برسانند.

می‌دانیم که هر موجود زنده روی زمین دارای صد‌ها یا حتی هزاران آنزیم گوناگون است تا بتوانند تمام وظایف خود را انجام دهد. اما موضوع غیرعادی این است که هر یک از آنزیم‌ها باید توسط دیگر آنزیم‌ها ساخته شوند، که این امر نیز به پیدایش مکانیسم کنترل بسیار پیچیدهای منجر می‌شود: (در موارد فراوانی) ما حتی کوچکترین ایده‌ای نسبت به نحوه تصمیمگیری طبیعت درباره اینکه چه آنزیم‌هایی باید ساخته شوند و یا چگونه آنزیم‌ها خاموش و روشن می‌شوند، نداریم. ما در حال درک این مهم هستیم و مطالعه چنین سیستم‌هایی بخش عمدهای از بیوشیمی و بیولوژی را تشکیل میدهد.

بسپار‌‌های طبیعی دسته سوم )گردشی بر جاده ابریشم

یکی از پلی پپتید‌های منحصر به فردی که به دلیل خواص فوق العاده آن از قدیم الایام مورد استفاده قرار گرفته، ابریشم است. این ماده سال‌ها پیش از میلاد مسیح توسط چینی‌ها کشف شد. ابریشم به واسطه کرم‌های صدپای کوچکی که برای تبدیل شدن به پروانه به دور پیله‌های خود می‌چرخند، تولید می‌شود. ما ابریشم را از کرم‌های صدپایی که آن را ترک می‌کنند، به چنگ می‌آوریم. ابریشم به رشته‌های نخی تغییر شکل می‌دهد و دسته کردن بسپار‌های بسیار خرد موجب استحکام بیشتر آن‌ها می‌شود.

این همان روشی است که برای ساخت ریسمان مورد استفاده قرار می‌گیرد، یعنی به هم گره زدن تار‌های 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 می‌توانند زنجیر‌های پهنی را که به خوبی و محکمی به هم فشرده می‌شوند، تشکیل دهند، و همین امر استحکام فوق العاده و انعطاف پذیری براق را به یکی از خصوصیات ابریشم تبدیل می‌کند. ابریشم، که قرن‌ها به ویژه بر جریان تجارت اقلیم‌های گرم و بارانی شرق آسیا مسلط بود، دارای چنین خواص منحصر به فردی است.

تجارت ابریشم در میان ژاپن و چین اقتصاد تمدن‌های آن منطقه را مهار کرده بود. حتی در آمریکای پیش از جنگ جهانی دوم هم ابریشم در تولید جوراب‌های ساق بلند ابریشمی نقش قابل توجهی داشت. وقتی ابریشم در ساخت سیم‌های چتر‌های نجات مورد استفاده قرار گرفت، زنان آمریکایی بسیار آشفته شدند، چون موجب شد تا شرکت‌های شیمیایی برای ساخت جوراب‌های ساق بلند نایلونی به تولید ابریشم مصنوعی روی آورند، و به این ترتیب پا‌های خانم‌ها گرم میماند و مردان می‌توانستند به میدان‌های جنگ بازگردند.

نگاه علمی به پروتئین سازی

تفاوت دیگر میان پلی پپتید‌ها و نایلون‌ها به روش ساخت آن‌ها برمی‌گردد. ما انسان‌ها به طور روزمره چندین تن نایلون را در کارخانه‌های عظیم شیمیایی، که مولکول‌های ساده را در کمیت‌های فراوان به یکدیگر متصل می‌کنند تا محصولات مورد نیاز و خواسته شده را عرضه نمایند، تولید می‌کنیم. طبیعت در نحوه انجام امور بسیار محتاط‌تر و دقیق‌تر از ماست، زیرا برای تولید یک آنزیم توسط یک موجود زنده باید آنزیم یا گونه فعال دیگری درگیر شود.