Синтез биополимеров из аминокислот

50

АДМИНИСТРАЦИЯ ГОРОДА НИЖНЕГО НОВГОРОДА

Департамент образования

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Школа № 29»

Советского района г. Нижнего Новгорода

Научное общество учащихся

ПОЛУЧЕНИЕ БИОПОЛИМЕРОВ ИЗ АМИНОКИСЛОТ

Выполнила:

Белякова Алёна

ученица 11 «А» класса

Научные руководители:

Зимнович Н. В.

учитель химии

Васина Я. А.

доцент кафедры химии

ННГАСУ, канд. хим.наук;

Нижний Новгород

2016- 2017

СОДЕРЖАНИЕ

	стр
Введение	3
ГЛАВА 1.Теоретическая часть	6
1.1. Аминокислоты. Строение, классификация, изомерия, номенклатура	6
1.2 Физические и химические свойства аминокислот	9
1.3. Применение аминокислот	12
1.4. Получение биополимеров на основе L-α-аминокислот	12
ГЛАВА 2. Практическая часть.	17
2.1. Объекты исследования и оборудование 2.2. Качественные реакции на аминокислоты	17 18
2.3. Исследование свойств биополимеров на основе L-α- аминокислот ЗАКЛЮЧЕНИЕ	21 24
ВЫВОДЫ	25
ЛИТЕРАТУРА	26
ПРИЛОЖЕНИЕ Таблицы Полимеры. Классификация. Строение. Свойства. Применение Биополимеры. Классификация. Строение. Свойства. Применение	27 27 29 36

       

ВВЕДЕНИЕ

Полимеры – это высокомолекулярные соединения с молекулярной массой от несколько тысяч до миллионов (обычно 10⁴ – 10⁶), состоящее из повторяющихся групп атомов, называемых звеньями.

Природные полимеры являются естественными компонентами всех живых организмов, в том числе и человека. Они существуют с зарождением жизни на Земле, т. е. миллиарды лет. Это белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды (крахмал, целлюлоза, пектиновые вещества), натуральный каучук и т.д.

С другой стороны, синтетические полимеры применяются во многих областях человеческой деятельности, удовлетворяя потребности различных отраслей промышленности, сельского хозяйства, медицины, культуры и быта. Это важнейший материал, из которого сделаны постоянно используемые нами предметы: пакеты в супермаркетах и одноразовая посуда, корпуса телефонов и другой бытовой техники, автомобильные шины и оконные рамы и т. д. Однако, широкое применение некоторых синтетических полимеров, например, полиэтилена, сопряжено с необходимостью их утилизации. Известно, что разложение обычного полиэтилена под воздействием света и кислорода может длиться не одну сотню лет. Утилизация полиэтиленовой упаковки и изделий из других синтетических полимеров – одна из глобальных проблем современности. Существующие способы переработки таких полимеров не совершенны, в связи с этим ряду стран пришлось ограничить их производство. В этой связи применение биоразлагаемых полимеров в упаковочной и пищевой промышленности позволяет решить проблему утилизации упаковки, сводя к минимуму вредное влияние этих материалов на окружающую среду. Технологии получения биодеградируемых полимеров разрабатывают ведущие университеты мира и внедряют крупнейшие компании – производители упаковки. В России своих производителей упаковки из биоразлагаемых полимеров пока нет, но есть потребность в чистом производстве и утилизации.

Поэтому в последние годы несколько изменилась функция полимерных материалов в любой отрасли, и способы их получения. Некоторые полимеры обладают уникальными свойствами – способностью к биоразложению и биологической совместимостью, что делает их предпочтительным, а в отдельных случаях незаменимым материалом во многих отраслях, и позволяет постепенно завоёвывать рынок, вытесняя полимерные материалы, не обладающие данными свойствами. Полимерам стали доверять все более ответственные задачи. Например, биополимеры могут применяться для изготовления гидрогелей, для доставки лекарств, покрытий наночастиц, мицелл полимерных микросфер, для наращивания костных тканей и увеличения совместимости костных имплантов, материалов для стоматологии, шовных нитей в хирургии, матриксов для тканевой инженерии. Имплантируемые полимерные изделия частично замещают органы и ткани человека, а полимерные материалы, из которых состоят эти изделия, выполняют функции биополимеров человеческого тела. Биопластик активно используется не только в упаковочной отрасли, но и в производстве игрушек, высоких технологий и автомобилестроении. Во всех этих случаях способность полимерного материала к биосовместимости и биоразложению имеет особое значение. 

Цель работы состояла в изучении свойств природных L-α-аминокислот и биополимеров на основе L-α-аминокислот. Для реализации указанной цели необходимо было решить следующие задачи:

• Изучить литературные данные по природным L-α-аминокислотам, полимерам и биополимерам.

• Выполнить качественные реакции на L-α-аминокислоты.

• Исследовать свойства биополимеров на основе L-α-аминокислот.

В качестве объектов исследования выбраны L-α-аминокислоты, содержащие в составе R радикалы алифатического ряда (глицин), ароматического ряда (тирозин), СООН – группу (аспарагиновая кислота), NH₂CO – группу (аспарагин), аминогруппу (лизин, аргинин), серосодержащие (метионин, цистеин) и азотсодержащие гетероциклы (гистидин). А также дипептид глицил-аланин, биополимеры на основе аминокислот, дикетопиперазин.

Методы исследования составляли – обзор литературы по природным L-α-аминокислотам, включая электронную научную библиотеку элайбрери и другие электронные ресурсы; выполнение экспериментальной части на кафедре химии ННГАСУ.

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1. АМИНОКИСЛОТЫ. СТРОЕНИЕ, КЛАССИФИКАЦИЯ, ИЗОМЕРИЯ, НОМЕНКЛАТУРА

L--Аминокислоты – гетерофункциональные соединения, молекулы которых содержат одновременно амино- и карбоксильную группу у одного и того же -углеродного атома [1].

COOH

R – C – H

NH₂

Из-за разнообразного строения и свойств, классификация аминокислот может быть различной, в зависимости от выбранного качества аминокислот.

1)По абсолютной конфигурации молекулы выделяют D- и L-формы. Различия между изомерами связаны с взаимным расположением четырех замещающих групп, находящихся в вершинах воображаемого тетраэдра, центром которого является атом углерода в α-положении.

В белке любого организма содержится только один изомер, для млекопитающих - это L-аминокислоты. Однако оптические изомеры претерпевают самопроизвольную неферментативную рацемизацию, т.е. L-формапереходит в D-форму. Это обстоятельство используется для определения возраста, например, костной ткани зуба (в криминалистике, археологии).

2)В зависимости от положения аминогруппы выделяют α, β, γ и другие аминокислоты. Для организма млекопитающих наиболее характерны α-аминокислоты.

3)По оптической активности аминокислоты делятся на право- и левовращающие. Наличие ассиметричного атома углерода (хирального центра) делает возможным только два расположения химических групп вокруг него. Это приводит к особому отличию веществ друг от друга, а именно – изменению направления вращения плоскости поляризации поляризованного света, проходящего через раствор. Величину угла поворота определяют при помощи поляриметра. В соответствии с углом поворота выделяют правовращающие (+) и левовращающие(-) изомеры. Деление на L- и D-формы не соответствует делению на право- и левовращающие. Для одних аминокислот L-формы (или D-формы) являются правовращающими, для других – левовращающими. Например, L-аланин– правовращающий, а L-фенилаланин– левовращающий. При смешивании L- и D-формодной аминокислоты образуется рацемическая смесь, не обладающая оптической активностью.

4)По участию аминокислот в синтезе белков выделяют протеиногенные (20 АК) (табл. 1 в приложении) и непротеиногенные (около 40 АК). Все протеиногенные аминокислоты являются α-аминокислотами.

На примере протеиногенных аминокислот можно показать дополнительные способы классификации:

5)по строению бокового радикала – неполярные (алифатические, ароматические) и полярные (незаряженные, отрицательно и положительно заряженные),

6)электрохимическая  – по кислотно-основным свойствам подразделяют нейтральные (большинство), кислые (Асп, Глу) и основные (Лиз, Арг, Гис) аминокислоты,

7)физиологическая классификация – по необходимости для организма выделяют незаменимые (Лей, Иле, Вал, Фен, Три, Тре, Лиз, Мет) и заменимые. Две аминокислоты являются условно незаменимыми (Арг, Гис), т.е.их синтез происходит в недостаточном количестве.

Изомерия аминокислот

1 . Изомерия углеродного скелета

2. Изомерия положения функциональных групп

3. Оптическая изомерия. Все альфа-аминокислоты, кроме глицина H₂N-CH₂-COOH, содержат асимметрический атом углерода (альфа-атом) и могут существовать в виде оптических изомеров (зеркальных антиподов). Такие соединения получили название хиральных (от грен. «хир» — «рука»).

Для построения белков природа выбрала именно α-аминокислоты. Это обусловлено прежде всего тем, что только α-аминокислоты, соединённые в длинные цепи, способны обеспечить достаточную прочность и устойчивость структуры больших белковых молекул. Число α-аминокислот, различающихся R-группой, велико. Но чаще других в белках встречается всего 20 разных аминокислот. Их можно рассматривать как алфавит «языка» белковой молекулы. Химики называют эти главные аминокислоты стандартными, основными или нормальными.

4. Межклассовыми изомерами являются соединения R—NO₂:

NH₂—CH₂—COOH (аминоэтановая кислота) CH₃-CH₂-NO₂(нитроэтан).

Номенклатура

По систематической номенклатуре названия аминокислот образуются из названий соответствующих кислот прибавлением приставки амино- и указанием места расположения аминогруппы по отношению к карбоксильной группе. Нумерация углеродной цепи с атома углерода карбоксильной группы. Часто используется также другой способ построения названий аминокислот, согласно которому к тривиальному названию карбоновой кислоты добавляется приставка амино-  с указанием положения аминогруппы буквой греческого алфавита. Например:

1.2. ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

α-Аминокислоты – бесцветные кристаллы с высокой т.пл., при плавлении разлагаются. Растворимые в воде, некоторые из них слегка растворимы в этаноле, метаноле, ацетоне и нерастворимы в большинстве других растворителей, водные растворы электропроводны. Эти свойства объясняются тем, что молекулы аминокислот в кристаллическом состоянии и в растворе существуют в виде внутренних солей (в цвиттер-ионной форме), которые образуются за счет переноса протона от карбоксила к аминогруппе.

Цвиттер-ионом называют молекулу аминокислоты, в которой аминогруппа представлена в виде –NH₃⁺, а карбоксигруппа — в виде –COO⁻. В твердом состоянии цвиттер-ионы аминокислоты образуют молекулярный кристалл с сильными водородными связями [9]. Цвиттер-ионная структура аминокислот подтверждается также полосой поглощения 1610–1550 см^-1 в ИК-спектре твердой аминокислоты или ее раствора. Структура кристаллических аминокислот и природа водородных связей в них обусловлена электронным строением их молекул, которые имеют значительные по величине эффективные заряды на группах СОО^- и ⁺NH₃.

NH₂–CH(R)COOH ⇄ N⁺H₃–CH(R)COO^-

I II

Незаряженная форма (I) легко переходит в цвиттер-ион (II), что связано с выигрышем свободной энергии в 44.8 – 51.5 кДж/моль. Известно, что в вышеуказанном равновесии практически существует только цвиттер-ион (II).

Растворы аминокислот в воде проявляют буферные свойства в результате существования равновесия:

Химические свойства

Аминокислоты проявляют свойства оснований за счет аминогруппы и свойства кислот за счет карбоксильной группы, т.е. являются амфотерными соединениями. Подобно аминам, они реагируют с кислотами с образованием солей аммония: H₂N–CH₂–COOH + HCl→[H₃N–CH₂–COOH]⁺ Cl^-

Как карбоновые кислоты они образуют функциональные производные:

а) соли H₂N–CH₂–COOH + NaOH→H₂N–CH₂–COO-Na++ H₂O

б) сложные эфиры: NH₂—CHR—COOH + CH₃OH → H₂O + NH₂—CHR—COOCH

Кроме того, возможно взаимодействие амино-и карбоксильной групп как внутри одной молекулы (внутримолекулярная реакция), так и принадлежащих разным молекулам (межмолекулярная реакция).

Практическое значение имеет внутримолекулярное взаимодействие функциональных групп 6-аминокапроновой кислоты, в результате которого образуется капролактам (полупродукт для получения капрона):

Межмолекулярное взаимодействие α-аминокислот приводит к образованию пептидов. При взаимодействии двух a-аминокислот образуется дипептид.

Межмолекулярное взаимодействие трех α-аминокислот приводит к образованию трипептида и т.д. Фрагменты молекул аминокислот, образующие пептидную цепь, называются аминокислотными остатками, а связь CO–NH -пептидной связью. Важнейшие природные полимеры – белки (протеины) – относятся к полипептидам, т.е. представляют собой продукт поликонденсации α-аминокислот.

Пептид называют следующим образом: ко всем названиям аминокислот добавляют суффикс "-ил", только последняя аминокислота сохраняет свое название неизменным. Например, аланил-серил-триптофан 

К свойствам пептидной связи относятся: 1. трансположение заместителей (радикалов) аминокислот по отношению к C-N связи. 2. Компланарость. Все атомы, входящие в пептидную группу находятся в одной плоскости, при этом атомы "Н" и "О" расположены по разные стороны от пептидной связи. 3. Наличие кетоформы (содежит кетогруппу) и енольной формы (гидроксильная группа у ненасыщенного атома углерода). 4. Способность к образованию двух водородных связей с другими пептидными группами.

С ионами тяжелых металлов α-аминокислоты образуют внутрикомплексные соли. Комплексы меди(II), имеющие глубокую синюю окраску, используются для обнаружения α-аминокислот.

1.3. ПРИМЕНЕНИЕ АМИНОКИСЛОТ

Аминокислоты, преимущественно α-аминокислоты, необходимы для синтеза белков в живых организмах. Нужные для этого аминокислоты человек и животные получают в виде пищи, содержащей различные белки. Последние подвергаются в пищеварительном тракте расщеплению на отдельные аминокислоты, из которых затем синтезируются белки, свойственные данному организму. Некоторые аминокислоты применяются в медицинских целях. Многие аминокислоты служат для подкормки животных. Аминокислоты входят в состав спортивного питания и комбикорма. Аминокислоты применяются в пищевой промышленности в качестве вкусовых добавок, например, натриевая Важной особенностью аминокислот является их способность к поликонденсации, в том числе пептидов, белков соль глутаминовой кислоты, нейлона, капрона, энанта.

1.4. ПОЛУЧЕНИЕ БИОПОЛИМЕРОВ НА ОСНОВЕ L-a-АМИНОКИСЛОТ

Полимеры искусственного происхождения, получаемые путём химического синтеза, используются для производства различных изделий. Биополимеры, синтезируемые живыми организмами, являются структурными элементами живых клеток. И все же для некоторых биополимеров и синтетических полимеров нет четкой границы. Особенно ярко это проявляется при использовании таких полимеров в медицине и фармацевтике. Именно в этих областях возможно использование и биополимеров, и синтетических полимеров для создания одного и того же медицинского изделия или лекарственной формы. Так из полиоксиалканоатов получают эндопротезы для фиксации костей, а трехмерный матрикс из нанонитей получают из биоразлагаемого сополимера полимолочной и полигликолевой кислот.

Одно из преимуществ полимеров на основе аминокислот перед некоторыми искусственными полимерами состоит в биосовместимости. Они могут применяться для изготовления гидрогелей, для доставки лекарств, покрытий наночастиц, мицелл полимерных микросфер, для наращивания костных тканей и увеличения совместимости костных имплантов, материалов для стоматологии, шовных нитей в хирургии, матриксов для тканевой инженерии, о которых упоминалось выше. Имплантируемые полимерные изделия частично замещают органы и ткани человека, а полимерные материалы, из которых состоят эти изделия, выполняют функции биополимеров человеческого тела.

Широкое применение в качестве биодеградируемых полимеров нашли полиаспарагиновая (PAsp) и полиглутаминовая (PGlu) кислоты на основе Asp и Glu, а также полиглицин, полилизин и полиаргинин. Получены противораковые агенты, содержащие высокомолекулярный полимер привитого типа, в котором фрагмент полиэтиленгликоля частично связан с главной цепью PAsp.

Известен патент, в котором в качестве поликатионного полимера получен сорбент, включающий хитозан, поли-L-лизин, или поли-L-аргинин. Изобретение относится к области медицины и может быть использовано в трансплантологии для удаления патологических тел из крови.

Одним из наиболее перспективных вариантов систем доставки генов в клетки являются полиплексы – комплексы переносимой ДНК и катионных полимеров различной природы. Описываются свойства полиплексов на основе катионных полимеров, их транспорт в ядра клеток-мишеней, а также один из подходов для лечения злокачественных новообразований с помощью этих конструкций. В качестве ДНК-связывающих полимеров могут служить катионные белки, синтетические гомополимеры аминокислот (полилизины, полиаргинины), полисахарид хитозан, полиэтиленимин. Поэтому одним из направлений исследования аминокислот является синтез биосовместимых и биодеградируемых олигомеров и полимеров на основе аминокислот.

Fox и Harada предложили способ термической поликонденсации α-аминокислот в середине ХХ века. В настоящее время широко используются для получения полимеров на основе природных аминокислот различные методы, в том числе и метод твердофазной полимеризации и сополимеризации без применения и с применением катализаторов (фосфорная кислота). Например, продукт поликонденсации L-Asp полиаспарагиновая кислота может трансформироваться в полисукцинимид, последний затем может быть модифицирован в полиамид (соль полиаспарагиновой кислоты). Полимеры на основе L-Asp уже производятся в промышленных масштабах методом твердофазной поликонденсации и другими способами. Для всех способов получения общим является то, что образующиеся сначала полисукцинимиды затем подвергают сольволизу или гидролизу, предпочтительно щелочному гидролизу.

Рис. 1. Схема превращения Asp в PSI в результате твердофазной полимеризации и структура PAsp, получаемая гидролизом PSI

Плавление кристаллических аминокислот сопровождается их разложением. Из работы [2] известно, что температура газовыделения летучих продуктов (Т_газ.) при нагревании аминокислот в вакуумированной системе постоянного объёма, существенно ниже температуры, которая фиксируется как температура плавления (Т_пл.) вещества (табл.2 в приложении). Это позволило провести твердофазную термическую поликонденсацию L--аспарагиновой кислоты в вакумированной системе [3]. На рисунке представлена установка для получения биополимеров в вакуумированной системе постоянного объема. Вещество помещали в стеклянный реактор, тщательно дегазировали (р = 0,1 мм. рт. ст.) и реактор запаивали. Затем помещали в термостат с заданной температурой и нагревали фиксированное время. Специфика проведения поликонденсации в вакуумированной системе отличается от техники эксперимента в открытой системе, использовавшейся в предыдущих работах тем, что выделяющиеся летучие вещества оставались в зоне реакции, и их можно было проанализировать.

Рисунок 2. Схема статической вакуумной установки для исследования термического превращения аминокислот. 1 – реактор, 2 – мембрана; 3 – стрелка мембраны, 4 – компенсационная зона, 5 – фторопластовые краны, 6 – термостат, 7 и 8 – термопары задающая и контролирующая, 9 – терморегулятор, 10 – окуляр, 11 –манометр ртутный.

Полимеры на основе L-аспарагиновой кислоты в промышленных масштабах производят методом твердофазной поликонденсации и другими способами. Для всех способов получения общим является то, что образуются сначала полисукцинимиды, циклическое соединение, в котором нет пептидной связи. Затем его подвергают сольволизу или гидролизу, предпочтительно щелочному гидролизу, до продукта поликонденсации - полиаспарагиновой кислоты. Механизм, представленный на рис.3 показывает, что установлено два температурных интервала превращения аспарагиновой кислоты в вакуумированной системе постоянного объёма [12]. При 190 – 207 ⁰С реакция завершается образованием низкомолекулярной полиаспарагиновой кислоты и воды. В зоне температур 210 – 240 ⁰С лимитирующим является процесс образования полисукцинимида в последовательном превращении аспарагиновая кислота – полиаспарагиновая кислота – полисукцинимид с выделением 2 моль воды на моль исходной аминокислоты.

Рисунок 3. Механизм превращения аспарагиновой кислоты в вакуумированной системе

ГЛАВА 2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Практическая часть заключалась в выполнение аналитических реакций на L-α-аминокислоты с применением качественного органического анализа; исследование биополимеров на основе аминокислот. Для этого необходимо было провести: 1. обзор аминокислот по структурному составу с целью подбора реактивов; 2. приготовление специфических реагентов; 3. подготовку химического оборудования для выполнения реакций.

2.1 ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ

Использовали кристаллические L-α-аминокислоты, содержащие более 99 % основного вещества производства фирмы «Panreac» (Испания), фирмы «Merck KgaA» (Германия), дипептид фирмы «Reanal»; дикетопиперазин и полиаспарагиновая кислота на основе аминокислот синтезированы на кафедре химии ННГАСУ.

Из оборудования применяли мерные цилиндры и стаканы на 50 см³, стеклянные шпатели, электроплитку, водяную баню, пробирки со штативом, фильтровальную бумагу, универсальную индикаторную бумагу.

2.2 КАЧЕСТВЕННЫЕ РЕАКЦИИ НА АМИНОКИСЛОТЫ

Реакия Руэманна (нингидриновая реакция)

a -Аминокислоты реагируют с нингидрином, образуя сине-фиолетовый комплекс (пурпур Руэманна), интенсивность окраски которого пропорциональна количеству аминокислоты. Реакция с нингидрином используется для визуального обнаружения a-аминокислот на хроматограммах (на бумаге, в тонком слое), а также для колориметрического определения концентрации аминокислот по интенсивности окраски продукта реакции. Реакция идет по схеме:

О писание опыта. Приготовили 0,5 мл 1%-го раствора нингидрина;

налили в пробирку 1 мл 1%-го раствора аминокислоты и 0,5 мл раствора нингидрина; содержимое пробирки осторожно нагрели до появления сине-фиолетового окрашивания: (слева направо) реакция для триптофана, аспарагина, аспарагиновой кислоты, метионина, глицина, тирозина.

Реакция для глицил-аланина и дикетопиперазина – отсутствие окраски.

Результаты опыта: гетероциклические аминокислоты образуют желтое окрашивание. Остальные аминокислоты имеют синее окрашивание разной интенсивности, дипептид и дикетопиперазин – бесцветные растворы.

Исследование рН растворов аминокислот

Описание опыта: в растворы аминокислот погружали полоски универсальной индикаторной бумаги. По приведенной шкале определили Рн каждого раствора: 1. Аргинин – среда раствора – щелочная; 2. Аспарагиновая кислота – среда раствора – слабокислая; 3. Глицин – среда раствора – нейтральная; 4. Метионин – среда раствора – нейтральная; 5. Триптофан – среда раствора – нейтральная; 6. Гистидин – среда раствора – нейтральная.

Результаты опыта: доказали, что аминокислоты являются цвиттер-ионами, в случае второй аминогруппы в структуре аминокислоты – аргинин проявляет основные свойства, для глутаминовой кислоты проявление слабокислой среды связано с наличием второй карбоксильной группы.

Реакция Фоля на серосодержащие аминокислоты

Описание опыта. Это реакция на цистеин. В пробирку налили 1 мл раствора цистеина, прибавили 0,5 мл 20%-го раствора гидроксида натрия. Смесь нагрели до кипения, а затем добавили 0,5 мл раствора ацетата свинца(II). Наблюдали выпадение серо-черного осадка сульфида свинца(II):

2.6 РЕАКЦИЯ ГЛИЦИНА С ФОРМАЛЬДЕГИДОМ

Эта реакция лежит в основе количественного определения a-аминокислот количественным методом формального титрования (метод Сёренсена).

Описание опыта. В пробирку налили 5 капель 1%-го раствора глицина и прибавили 1 каплю индикатора метилового красного. Раствор окрасился в желтый цвет (нейтральная среда). К полученной смеси добавили равный объем 40%-го раствора формальдегида (формалин). Появилась красное окрашивание (кислая среда):

КСАНТОПРОТЕИНОВАЯ РЕАКЦИЯ

Реакция с азотной кислотой

Э та реакция используется для обнаружения a-аминокислот, содержащих ароматические радикалы. Тирозин, триптофан, фенилаланин при взаимодействии с концентрированной азотной кислотой образуют нитропроизводные, имеющие желтую окраску. В щелочной среде нитропроизводные этих a-аминокислот дают соли, окрашенные в оранжевый цвет.

Описание опыта. В пробирку налили 1 мл раствора тирозина и добавили 0,5 мл концентрированной азотной кислоты. Смесь нагрели до появления желтой окраски. После охлаждения добавили 1–2 мл 20%-го раствора гидроксида натрия до появления оранжевой окраски раствора.

2.3 ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ БИОПОЛИМЕРОВ НА ОСНОВЕ L-a-АМИНОКИСЛОТ

Реакция Пиотровского (биуретовая реакция)

В белках аминокислоты связаны друг с другом по типу полипептидов и дикетопиперазинов. Образование полипептидов из аминокислот происходит путем отщепления молекулы воды от аминогруппы одной молекулы аминокислоты и карбоксильной группы другой молекулы.

Образующаяся группа –С(О)–NН– называется пептидной группой, связь С–N, соединяющая остатки молекул аминокислот, – пептидной связью. При взаимодействии дипептида с новой молекулой аминокислоты получается трипептид и т. Д. Дикетопиперазины образуются при взаимодействии двух молекул аминокислот с отщеплением двух молекул воды.

Наличие в белке повторяющихся пептидных групп подтверждается тем, что белки дают фиолетовое окрашивание при действии небольшого количества раствора медного купороса в присутствии щелочи (биуретовая реакция).

О писание опыта. В пробирку налили 2–3 мл раствора метионина, глицина и полиаспарагиновой кислоты и 2–3 мл 20%-го раствора едкого натра и несколько капель раствора медного купороса; содержимое пробирки осторожно нагрели до появления окрашивания.

Результаты опыта: для метионина, дикетопиперазина – разложение гидроксида меди (II) и отсутствие окраски – нет пептидной связи. Для глицина образование синего окрашенного комплекса с медью – глицината меди(II).

В случае полиаспарагиновой, полиглутаминовой кислот, глицил-аланина протекание биуретовой реакции – фиолетовое окрашивание.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Аминокислоты участвуют в метаболических процессах животных и растительных организмов, являются строительным материалом в синтезе полипептидных цепей белков. Одним из направлений исследования аминокислот является синтез биосовместимых и биодеградируемых олигомеров и полимеров на основе аминокислот.

Известно, что стабильность и высокие потребительские качества широко используемых полимеров в быту и в промышленном производстве изделий из высокомолекулярных соединений имеют свою оборотную сторону. Они экологически опасны, не поддаются быстрому разрушению, оказавшись выброшенными в окружающую среду. В указанных обстоятельствах предпочтительными являются биополимеры, способные подвергаться эффективной биодеградации на безвредные для живой природы компоненты. Не меньшую ценность представляют биосовместимые сополимеры, полученные на основе аминокислот. Такие олигомеры и сополимеры могут использоваться в качестве средств доставки генных конструкций в клетки живого организма, изготовления биосовместимой керамики и во многих других областях практического применения.

ВЫВОДЫ

1. Изучили литературные данные по природным L-α-аминокислотам, полимерам и биополимерам.

2. Выполнили качественные реакции на L-α-аминокислоты.

3. Исследовать свойства биополимеров на основе L-α-аминокислот.

ЛИТЕРАТУРА

1. Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф. Классификация аминокислот// Биологическая химия. — 3-е изд., перераб. и доп.. — М.: Медицина, 1998. — 704 с.

2. Васина Я.А., Смельцова И.Л., Фаерман В. И., Яблоков В.А. Продукты твердофазного термического превращения L-α-аминокислот в вакуумированной системе.// Universum: химия и биология, - 2016 - № 11 (29)

3. Виноградова С.В., Васнев В.А. Поликонденсационные процессы и полимеры. : М.: МАИК «Наука/Интерпериодика», 2000, 372 с.

4. Ленинджер А. Основы биохимии. Т. 1. – Пер. с англ. под ред. Энгельгардта В.А. М.: Мир. 1985. 353 с.

5. Овчинников Ю. А. «Биоорганическая химия» М: Просвещение, 1987. 815 с.

6. Садовникова М. С., Беликов В. М. Пути применения аминокислот в промышленности. //Успехи химии. 1978. Т. 47. Вып. 2. С. 357-383.

7. Тагер А. А., Физико-химия полимеров, М.: Научный мир, 2007 - 573с;

8. Тюкавкина Н.А., Бауков Ю.А. Биоорганическая химия. М.: Дрофа,

2010. 544с.

1. Х.-Д. Якубке, Х Ешкайт. Аминокислоты. Пептиды. Белки. М.: Мир. 1985. 82 с.

2. Химическая энциклопедия [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http:// [email protected]

3. Энциклопедии полимеров, т. 1 -3, гл. ред. В. А. Каргин, М., 1972-1977.

4. Яблоков В.А., Васина Я.А., Гришин И.Д. Кинетика твердофазной термической поликонденсации аспарагиновой кислоты в вакуумированной системе.// Журнал общей химии, – 2013 – Т. 83 – №11. – С. 1850-1854.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Т аблица 1. L-α-аминокислоты

Таблица 2. Температура плавления (Т_пл.) и температура газовыделения (Т_газ.) при нагревании аминокислот

Аминокислота	Тпл.(с разл.) [3],оС	Тгаз,.оС
Глицин (Gly)	232-236	210
Аланин (Аla)	315-316	240
Валин (Val)	315	270
Лейцин (Leu)	293-295	270
Изолейцин (Ile)	285-286	270
Серин (Ser)	228	200
Треонин (Thr)	253	227
Аспарагиновая кислота (Asp)	270	190
Глутаминовая кислота (Glu)	247 – 249	170
Аспарагин (Asn)	220	190
Глутамин (Gln)	184	160
Лизин (Lys)	224	200
Аргинин (Arg)	244	200
Метионин (Met)	281	210
Цистеин (Cys)	240	190
Цистин (Cys2)	260	200
Фенилаланин (Phе)	283	245
Тирозин (Tyr)	344	268
Триптофан (Trp)	293 – 295	240
Гистидин (His)	287 – 288	230
Пролин (Pro)	220 – 222	200

ПОЛИМЕРЫ. СТРОЕНИЕ, КЛАССИФИКАЦИЯ, СВОЙСТВА

Полимерами называют высокомолекулярные соединения, макромолекулы которых построены из многократно повторяющихся структурных звеньев, соединенных ковалентными связями. Макромолекулы полимеров содержат десятки и сотни тысяч единиц.

Исходными продуктами для синтеза полимеров являются низкомолекулярные соединения, получаемые из нефти, газа, угля и других веществ, которые называются мономерами. Полимеры из мономеров получают методами полимеризации и поликонденсации.

Полимеризацией называют процесс соединения молекул мономера за счет раскрытия ненасыщенных связей; этот процесс не сопровождается образованием побочных продуктов реакции. Звенья макромолекул полностью сохраняют состав и взаимный порядок сочетания атомов, присущий исходным мономерам. Типичным примером полимеризации служит процесс получения полиэтилена из газа этилена.

Поликонденсацией называется процесс последовательного взаимодействия двух или нескольких низкомолекулярных веществ, имеющих функциональные группы, с образованием макромолекулы полимера и побочных продуктов: воды, хлористого водорода, аммиака и др. Примером является образование фенолоформальдегидной смолы из фенола (С₆Н₅ОН) и формальдегида (СН₂0).

По мере протекания процессов полимеризации или поликонденсации возрастает число атомов в образуемых макромолекулах и увеличивается молекулярная масса, формирующихся полимеров. Вначале образуются соединения с невысокой молекулярной массой (до 5000), называемые олигомерами, имеющими смолообразную консистенцию. Олигомеры в результате процессов отверждения становятся полимерами с высокой молекулярной массой.

Высокомолекулярные полимеры становятся прочными вследствие возрастающего эффекта действия межмолекулярных сил при росте молекулярной массы. На свойства полимеров оказывает влияние и водородный тип связи, особенно когда водород связан 1 кислородом или азотом (ОН, NН₂и др.). Водородная связь хотя и слабее ковалентной, но значительно выше межмолекулярных сил притяжения.

Классификация полимеров

1) По происхождению полимеры могут быть природными и синтетиче­скими. Природными полимерами являются целлюлоза, крахмал, нату­ральный каучук, слюда. К синтетическим полимерам относятся син­тезированные высокомолекулярные вещества, синтетические смолы, волокна, исскуственные каучуки и т. д. 2) По форме макромолекул полимерных цепей различа­ют полимеры линейного, разветвленного и сетчатого (пространст­венного) строения. Макромолекулы линейных полимеров представля­ют собой длинные или закрученные в спираль цепочки. Макромолекулы разветвленных полимеров имеют основную молеку­лярную цепь и побочные ответвления - боковые цепи. Макромолекулы линейных и разветвленных полимеров имеют слабые межмолекулярные связи, что обеспечивает полимеру эластичность и делает его способным размягчаться и плавиться при нагревании, а при охлаждении вновь затвердевать. Такие полимеры называют термо­пластичными. К ним относятся полиэтилен, полиамид, поливинил-хлорид и т. д. У сетчатых полимеров помимо межмолекулярных имеются и хими­ческие связи между линейными цепями макромолекул. Наличие химических связей обусловливает потерю способности рас­творяться и плавиться при дальнейших нагревах выше характерных для данного полимера температур. Их относят к группе термореак­тивных полимеров. В процессе отвердения термореактивных полиме­ров происходит необратимый переход от линейной к сетчатой (про­странственной) структуре. К ним относятся фенолформальдегидная смола, эпоксидная смола, политетрафторэтилен и др.

3)В зависимости от строения макромолекул различают собственно полимеры и сополимеры. У полимеров макромолекулы образованы из одинаковых по химическому строению мономеров, а у сополиме­ров - из разнородных. Если в полимеризации участвуют два или более мономера, тогда се называют сополимеризацией, а продукт реакции - сополимером. Широко известны сополимеры стирола с бутадиеном, изобутиленом, акрилонитрилом. 4) По главной цепи соединения молекула может образована только атомами угле­рода. Такой полимер называется карбоцепным. Примером карбоцепного полимера является натуральный каучук. В макромолекулах гетероцепных полимеров в состав главной цепи, кроме углерода, входят атомы других элементов, которые существенно изменяют свойства полимера. Например, атомы кислорода повышают гибкость цепи, фосфора и хлора - огнестойкость, серы - газонепроницаемость, атомы фтора придают полимеру высокую химическую стойкость. К гетероцепным полимерам относятся природные, кроме натураль­ного каучука и многие синтетические полимеры. 5) По составу полимеры делят на органические, элементоорганиче-ские и неорганические. Большинство полимеров, в том числе смолы и каучуки, относятся к органическим соединениям. В состав главной цепи элементоорганического полимера входят неорганические атомы кремния, титана, алюминия и органические радикалы СН₃-, C₆HS-, СН₂-. Радикалы придают полимеру прочность и пластичность, а неор­ганические атомы - повышенную теплостойкость. К элементноорганическим полимерам относятся кремнийорганические соединения. 6) В зависимости от расположения макромолекул полимеры могут иметь различные фазовые состояния. Если порядок взаимного расположения звеньев и цепей соблюдается на расстояниях превышающих во много раз размеры самих молекул (дальний порядок), то полимер находится в кристаллической фазе. При отсутствии такого порядка взаимного расположения макромолекул полимер находится в аморфной фазе. Полимеры аморфной фазы могут существовать в трех физических состояниях: стеклообразном, высокоэластичном и вязкотекучем. Линейные и разветвленные полимеры в зависимости от строения и температуры существуют в кристаллической фазе и во всех трех состояниях аморфной фазы. Густо-сетчатые (пространственные) полимеры с нерегулярным расположениям поперечных связей находятся только в стеклообразном состоянии. Сетчатые полимеры с редким расположением поперечных связей могут иметь кристаллическую структуру, находиться в стеклообразном или высокоэластичном состоянии. Обычно наряду с кристаллической фазой полимер содержит некоторое количество аморфной фазы. 7) Полярность полимеров определяется наличием диполей. В соот­ветствии с этим признаком полимеры подразделяются на полярные и неполярные. Полярные полимеры имеют повышенную жесткость и теплостойкость, но низкую морозостойкость. Неполярные полимеры относятся к высокочастотным диэлектрикам.

Свойства полимеров

Молекулярное строение, т. е. химический состав и способ соединения атомов в молекулу, однозначно не определяет поведение полимерного материала, построенного из макромолекул. Свойства зависят от их надмолекулярной структуры НМС, т.е. способа упаковки макромолекул в пространственно выделенных элементах, размера и формы таких элементов и их взаимного расположения в пространстве. Под надмолекулярной структурой понимают сложные агрегаты из большого числа макромолекул, образующиеся в результате действия межмолекулярных сил. Гибкие макромолекулы могут образовывать надмолекулярные микрообъемы с анизотропными свойствами, называемые кристаллитами. У макромолекул с малой подвижностью способность к формированию кристаллитов, как разновидности НМС, либо ограничена, либо полностью отсутствует.

Полимеры характеризуются следующими свойствами: 1)термическими - температурой размягчения и теплостойкостью, температурами стеклования и текучести; 2) механическими - прочностью, деформативностью и поверхностной твердостью; 3) химическими - атмосферостойкостью и сопротивляемостью деструкции.

Полимеры имеют положительные свойства: малую среднюю плотность (20 - 2200 кг/м³), низкую теплопроводность (у пористых полимерных материалов она равна 0,03 Вт/м o ºС), высокую прочность (предел прочности при разрыве до 350 МПа, у стеклопластиков предел прочности при сжатии - до 170 МПа; полимербетоны имеют предел прочности при сжатии 60-120 МПа), высокую химическую стойкость и атмосферостойкость и др. Вместе с тем они обладают рядом недостатков: низкой теплостойкостью (70 - 200 ºС), малой поверхностной твердостью, высоким коэффициентом термического расширения, повышенной ползучестью, склонностью к старению, горючестью (с выделением вредных газов) и токсичностью при эксплуатации.

Каждое из этих свойств определяется стандартными методами. Так, температура размягчения определяется по методу Кремер-Сарнова или по прибору "КиШ", теплостойкость определяется на приборах Мартенса или Вика, температура стеклования (Тс) и текучести (Тт) - на динамометрических весах по методу Каргина.

В зависимости от химического состава, строения и взаимного расположения макромолекул свойства полимеров могут меняться в очень широких пределах. Так, 1,4-цис-полибутадиен, построенный из гибких углеводородных цепей, при температуре около 20°С — эластичный материал, при температуре -60°С он переходит в стеклообразное состояние; полиметилметакрилат, построенный из более жестких цепей, при температуре около 20°С — твердый стеклообразный продукт, переходящий в высокоэластическое состояние лишь при 100°С. Целлюлоза — полимер с очень жесткими цепями, соединенными межмолекулярными водородными связями, вообще не может существовать в высокоэластическое состоянии до температуры ее разложения. Большие различия в свойствах полимеров могут наблюдаться даже в том случае, если различия в строении макромолекул на первый взгляд и невелики. Так, стереорегулярный полистирол — кристаллическое вещество с температурой плавления около 235°С, а нестереорегулярный (атактический) вообще не способен кристаллизоваться и размягчается при температуре около 80°С.

Благодаря механической прочности, эластичности, электроизоляционным и другим свойствам изделия из полимеров применяют в различных отраслях промышленности и в быту. Основные типы полимерных материалов — пластические массы, резины, волокна, лаки, краски, клеи, ионообменные смолы. В технике полимеры нашли широкое применение в качестве электроизоляционных и конструкционных материалов. Полимеры – хорошие электроизоляторы, широко используются в производстве разнообразных по конструкции и назначению электрических конденсаторов, проводов, кабелей, На основе полимеров получены материалы, обладающие полупроводниковыми и магнитными свойствами. Значение биополимеров определяется тем, что они составляют основу всех живых организмов и участвуют практически во всех процессах жизнедеятельности.

Химические свойства полимеров

Химические свойства полимеров отличаются от таковых у низкомолекулярных веществ. Это объясняется размером молекулы, наличием различных функциональных группировок в ее составе, общим запасом энергии активации. В целом можно выделить несколько основных типов реакций, характерных для полимеров: 1) реакции, которые будут определяться функциональной группой. То есть если в состав полимера входит группа ОН, характерная для спиртов, значит, и реакции, в которые они будут вступать, будут идентичны таковым у спиртов (дегидратация, окисление, восстановление, дегидрирование и так далее). 2) Взаимодействие с НМС (низкомолекулярными соединениями). 3) Реакции полимеров между собой с образованием сшитых сетей макромолекул (сетчатые полимеры, разветвленные). 4) Реакции между функциональными группировками в пределах одной макромолекулы полимера. 5) Распад макромолекулы на мономеры (деструкция цепи).

Все перечисленные реакции имеют в практике большое значение для получения полимеров с заранее заданными и удобными человеку свойствами. Химия полимеров позволяет создавать термоустойчивые, кислотно- и щелочеупорные материалы, обладающие при этом достаточной эластичностью и стабильностью.

Применение полимеров

Применение этих соединений повсеместно. Мало можно вспомнить областей промышленности, народного хозяйства, науки и техники, в которых не нужен был бы полимер. Что это такое - полимерное хозяйство и повсеместное применение, и чем оно исчерпывается? 1) Химическая промышленность (производство пластмасс, дубильных веществ, синтез важнейших органических соединений). 2) Машиностроение, авиастроение, нефтеперерабатывающие предприятия. 3) Медицина и фармакология. 4) Получение красителей и взрывчатых веществ, пестицидов и гербицидов, инсектицидов сельского хозяйства. 4) Строительная промышленность (легирование сталей, конструкции звуко- и теплоизоляции, строительные материалы). 5) Изготовление игрушек, посуды, труб, окон, предметов быта и домашней утвари.

Химия полимеров позволяет получать все новые и новые, совершенно универсальные по свойствам материалы, равных которым нет ни среди металлов, ни среди дерева или стекла. Основными материалами, изготовленными из полимеров, являются: пластмассы, полипропилены, полиуретаны, полистиролы, полиакрилаты, фенолформальдегидные смолы, эпоксидные смолы, капроны, вискозы, нейлоны, полиэфирные волокна, клеи, пленки, дубильные вещества и т.д.

БИОПОЛИМЕРЫ. КЛАССИФИКАЦИЯ. СТРОЕНИЕ. СВОЙСТВА

Биополимеры – это высокомолекулярные природные соединения, являющиеся структурной основой всех живых организмов и играющие определенную роль в процессах жизнедеятельности. К биополимерам относятся: 1) белки, 2) нуклеиновые кислоты, 3) полисахариды, 4)смешанные биополимеры – гликопротеиды, липопротеиды, гликолипиды и т. д. Общие свойства биополимеров: большая молекулярная масса вследствие образования огромных макроцепей с разветвлениями в химической структуре; типы связей в макромолекулах (водородные, ионные взаимодействия, электростатическое притяжение, дисульфидные мостики, пептидные связи и прочие); структурная единица каждой цепи - мономерное звено; стереорегулярность или ее отсутствие в строении цепи.

Белки.

Огромное значение в жизни любых живых существ имеют белковые молекулы. Такие биополимеры - это основа всей биомассы. Ведь даже по теории Опарина-Холдейна жизнь на Земле зародилась из коацерватной капельки, которая представляла собой белок.

Структура данных веществ подчиняется строгой упорядоченности в строении. Основу каждого белка составляют аминокислотные остатки, которые способны соединяться друг с другом в неограниченной длины цепи. Это происходит при помощи формирования особых связей - пептидных. Такая связь образуется между четырьмя элементами: углеродом, кислородом, азотом и водородом. В состав молекулы белка может входить очень много аминокислотных остатков, как одинаковых, так и разных (несколько десятков тысяч и более). Всего разновидностей аминокислот, встречающихся в составе данных соединений, насчитывается 20. Однако их разнообразное сочетание позволяет белкам процветать в количественном и видовом отношении. Биополимеры белков имеют разные пространственные конформации. Так, каждый представитель может существовать в виде первичной, вторичной, третичной или четвертичной структуры.

Функции белковых молекул.

1.Транспортная. Ее осуществляют входящие в состав плазматической мембраны клетки-белки. Именно они формируют ионные каналы, по которым способны проходить те или иные молекулы. Также многие белки входят в состав органоидов движения простейших и бактерий, поэтому принимают непосредственное участие в их движении.

2. Энергетическая функция выполняется данными молекулами очень активно. Один грамм белка в процессе метаболизма образует 17,6 кДж энергии. Поэтому потребление растительных и животных продуктов, содержащих эти соединения, жизненно необходимо живым организмам.

3. Строительная функция заключается в участии белковых молекул в построении большинства клеточных структур, самих клеток, тканей, органов и так далее. Практически любая клетка в основе своей построена из данных молекул (цитоскелет цитоплазмы, плазматическая мембрана, рибосома, митохондрии и другие структуры принимают участие в образовании белковых соединений).

4. Каталитическая функция осуществляется ферментами, которые по своей химической природе являются не чем иным, как белками. Без ферментов было бы невозможно большинство биохимических реакций в организме, так как они - биологические катализаторы в живых системах.

5. Рецепторная (также сигнальная) функция помогает клеткам ориентироваться и правильно реагировать на любые изменения окружающей среды, как механические, так и химические.

Химические свойства белков.

1.Денатурация – разрушение вторичной и третичной структуры белка, происходящее при нагревании или при взаимодействии с растворителями. Первичная структура при денатурации сохраняется.

2. Горение. Белки горят с образованием азота, углекислого газа и воды, а также некоторых других веществ. Горение сопровождается характерным запахом жженых перьев

3.Гидролиз белков в кислой или щелочной средах, приводящий к разрушению первичной структуры белка и образованию аминокислот.

4. Цветные реакции на белки.

Для качественного определения белка используют следующие реакции:

а )ксантопротеиновую, при которой происходит взаимодействие ароматических и гетероатомных циклов в молекуле белка с концентрированной азотной кислотой, сопровождающееся появлением желтой окраски.

2 ) Биуретовую реакцию - фиолетовое окрашивание при действии солей меди (II) в щелочном растворе

       

Нуклеиновые кислоты.

Такие биополимеры - это важная часть каждой клетки, будь прокариотическая она или эукариотическая. Ведь к нуклеиновым кислотам относятся молекулы ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) и РНК (рибонуклеиновой кислоты), каждая из которых является очень важным звеном для живых существ. По своей химической природе ДНК и РНК представляют собой последовательности нуклеотидов, соединенных водородными связями и фосфатными мостиками. В состав ДНК входят такие нуклеотиды, как: аденин; тимин; гуанин; цитозин; пятиуглеродистый сахар дезоксирибоза.

РНК отличается тем, что тимин заменяется на урацил, а сахар - на рибозу. Благодаря особой структурной организации молекулы ДНК способны выполнять ряд жизненно значимых функций. РНК также играет в клетке большую роль.

Функции нуклеиновых кислот.

1) ДНК является хранителем и передатчиком генетической информации в клетках живых организмов. У прокариот данная молекула распределена в цитоплазме. В эукариотической клетке находится внутри ядра, отделенного кариолеммой. 2) Двуцепочечная молекула ДНК разделена на участки - гены, которые составляют структуры хромосомы. Гены каждого существа формируют специальный генетический код, в котором зашифрованы все признаки организма. 3)РНК бывает трех видов - матричная, рибосомальная и транспортная. Рибосомальная принимает участие в синтезе и сборке белковых молекул на соответствующих структурах. Матричная и транспортная переносят считанную с ДНК информацию и расшифровывают ее биологический смысл.

Свойства нуклеиновых кислот: хорошо растворимы в воде; практически не растворимы в органических растворителях; очень чувствительны к действию температуры и критических значений уровня pH; молекулы ДНК с высокой молекулярной массой, выделенные из природных источников, способны фрагментироваться под действием механических сил, например при перемешивании раствора. Нуклеиновые кислоты фрагментируются ферментами — нуклеазами.

Химические свойства ДНК.

В воде ДНК образует вязкие растворы, при нагревании таких растворов до 60°С или при действии щелочей двойная спираль распадается на две составляющие цепи, которые вновь могут объединиться, если вернуться к исходным условиям. В слабокислых условиях происходит гидролиз, в результате частично расщепляются фрагменты – Р-О-СН₂- с образованием фрагментов – Р-ОН и НО-СН₂, соответственно результате образуются мономерные, димерные (сдвоенные) или тримерные (утроенные) кислоты, представляющие собой звенья, из которых была собрана цепь ДНК.

Участие ДНК и РНК в синтезе белков – одна из основных функций нуклеиновых кислот. В такой сборке управляющую роль играют нуклеиновые кислоты, процесс проходит в две стадии, причем на каждой из них определяющий фактор – взаимоориентация азотсодержащих гетероциклов ДНК и РНК.

Основная задача ДНК – хранить записанную информацию и предоставлять в тот момент, когда начинается синтез белков. В связи с этим понятна повышенная химическая устойчивость ДНК в сравнении с РНК.

Химические свойства РНК.

Напоминают свойства ДНК, однако наличие дополнительных групп ОН в рибозе и меньшее (в сравнении с ДНК) содержание стабилизированных спиральных участков делает молекулы РНК химически более уязвимыми. При действии кислот или щелочей основные фрагменты полимерной цепи Р(О)-О-СН2 легко гидролизуются, группировки А, У, Г и Ц отщепляются легче. Если нужно получить мономерные фрагменты, сохранив при этом химически связанные гетероциклы, используют деликатно действующие ферменты, называемые рибонкулеазами.

Полисахариды.

Данные соединения - это преимущественно растительные полимеры, то есть встречающиеся именно в клетках представителей флоры. Особенно богата полисахаридами их клеточная стенка, которая содержит целлюлозу. По своей химической природе полисахариды - это макромолекулы углеводов сложного строения. Могут быть линейными, слоистыми, сшитыми конформациями. Мономерами выступают простые пяти-, чаще шестиуглеродные сахара - рибоза, глюкоза, фруктоза. Имеют большое значение для живых существ, так как входят в состав клеток, являются запасным питательным веществом растений, расщепляются с высвобождением большого количества энергии.

Очень важны такие биологические полимеры, как крахмал, целлюлоза, инулин, гликоген, хитин и другие. Именно они и являются важными источниками энергии в живых организмах. Так, целлюлоза - обязательный компонент клеточной стенки растений, некоторых бактерий. Придает прочность, определенную форму. В промышленности человеком используется для получения бумаги, ценных ацетатных волокон. Крахмал - запасное питательное вещество растений, которое является также ценным пищевым продуктом для людей и животных. Гликоген, или животный жир, - запасное питательное вещество животных и человека. Выполняет функции теплоизоляции, энергетического источника, механической защиты.

Смешанные биополимеры.

Такие биополимеры - это сложные смешанные конструкции из белков и липидов (липопротеины) или из полисахаридов и белков (гликопротеины). Также возможно сочетание липидов и полисахаридов (липополисахариды). Каждый из этих биополимеров имеет множество разновидностей, выполняющих в живых существах ряд важных функций: транспортную, сигнальную, рецепторную, регуляторную, ферментативную, строительную и многие другие. Структура их химически очень сложна и далеко не для всех представителей расшифрована, поэтому и функции до конца не определены. На сегодня известны только самые распространенные, однако значительная часть остается за границами человеческих познаний.

Применение биополимеров.

Биополимеры обладают уникальными свойствами – способностью к биоразложению и к биологической совместимости. Применение биоразлагаемых полимеров в упаковочной и пищевой промышленности позволяет решить проблему утилизации упаковки, сводя к минимуму вредное влияние на окружающую среду.

Биопластик, активно применяемый в упаковке товаров, производится из полилактида. Получают его из молочной кислоты синтетическим способом или путем брожения возобновляемого биосырья. Полилактид принадлежит к числу термопластических полимеров и может подвергаться любому виду переработки термопластика. Из этого бесцветного прозрачного материала производят упаковочную пленку, медицинские импланты, посуду, волокно. Биопластик активно используется не только в упаковочной отрасли, но и в производстве игрушек, высоких технологий и автомобилестроении. На основе комбинаций крахмала, целлюлозы, протеина производят упаковочную пленку, одноразовую посуду и другие товары.

Такие известные промышленные полимеры как полиэтилен, полипропилен или поливинхлорид могут быть также преобразованы в биополимеры. Осуществляется это тремя разными способами: 1) Введение в структуру промышленного полимера биоразлагаемых молекул, способствующих его фоторазложению. 2) Сочетание промышленных полимеров с биоразлагаемыми природными добавками, способствующими распаду основного полимера. 3) Целенаправленный синтез биоразложимого пластика на основе синтетических продуктов.

Преимущества биополимеров: возможность переработки на стандартном оборудовании, используемом для промышленных полимеров; высокая герметичность(актуально для упаковки); решение проблемы утилизации отходов; быстрая полная разлагаемость в специально подготовленной или естественной среде.

Экологические требования к производимо продукции во многих странах все более ужесточаются. Это значит, что биополимеры успешно начнут вытеснять промышленные полимеры с рынка.

Биопластик активно используется не только в упаковочной отрасли, но и в производстве игрушек, высоких технологий и автомобилестроении.