Биополимеры — природные полимеры¶

Биополимеры — это высокомолекулярные природные соединения, мономерами которых служат простые органические молекулы (аминокислоты, моносахариды, нуклеотиды). К биополимерам относятся белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды, а также некоторые полимеры промежуточного типа, такие как лигнин и натуральный каучук. В отличие от синтетических полимеров, биополимеры образуются живыми организмами и, как правило, биоразлагаемы.

¶Основные классы

¶Белки

Белки построены из цепей аминокислот, связанных пептидными связями. В природе встречается около 20 стандартных аминокислот, что обеспечивает огромное разнообразие структур и функций. Белки выполняют каталитическую (ферменты), транспортную (гемоглобин), структурную (коллаген, кератин), сигнальную и защитную роли. Синтез белка осуществляется на рибосомах по матрице иРНК.

¶Нуклеиновые кислоты

ДНК и РНК состоят из нуклеотидов — соединения азотистого основания, пентозы и фосфатной группы. ДНК хранит генетическую информацию, РНК участвует в её реализации (транскрипция, трансляция, регуляция). ДНК большинства организмов образует двойную спираль, открытую Джеймсом Уотсоном и Фрэнсисом Криком в 1953 году на основе рентгеноструктурных данных Розалинды Франклин и Мориса Уилкинса.

¶Полисахариды

Полисахариды построены из остатков моносахаридов, связанных гликозидными связями. Целлюлоза — наиболее распространённый на Земле органический полимер, главный structural компонент клеточных стенок растений. Крахмал служит энергетическим резервом растений, гликоген — животных. Хитин входит в состав экзоскелета членистоногих и клеточных стенок грибов. Гиалуроновая кислота и хондроитинсульфат входят в состав соединительной ткани животных.

¶Свойства

Для биополимеров характерны:

• Высокая молекулярная масса (от десятков до миллионов дальтон);
• Полидисперсность молекулярных масс у полимеров природного происхождения;
• Способность к самоорганизации — сворачивание белков в функциональные глобулы, формирование двойной спирали ДНК;
• Хиральность мономеров (аминокислоты — L-конфигурация, сахара — D-конфигурация);
• Биоразлагаемость под действием ферментов (протеазы, нуклеазы, амилазы, целлюлазы).

¶Получение

Промышленное получение биополимеров осуществляется несколькими способами:

1. Выделение из природного сырья — коллаген и желатин из кожи и костей животных, целлюлоза из древесины и хлопка, крахмал из картофеля и зерновых, хитин из панцирей ракообразных.
2. Микробный синтез — бактерии рода Cupriavidus necator и другие микроорганизмы накапливают поли(гидроксиалканоаты) (ПГА) в виде гранул внутри клетки. Гиалуроновую кислоту получают ферментативным синтезом с помощью стрептококков.
3. Генетическая инженерия — производство рекомбинантных белков (инсулин, соматотропин) в бактериях и дрожжах.

¶Применение

¶Медицина и фармацевтика

Биополимеры широко используются как материалы имплантов и лекарственные формы. Коллаген и желатин применяются в гемостатических губках, раневых покрытиях, капсулах для лекарств. Хитозан (деацетилированное производное хитина) обладает бактерицидными свойствами и используется в перевязочных средствах. Поли(гидроксибутират) (ПГБ) и ПГА применяются для изготовления саморассасывающихся хирургических нитей и систем контролируемого высвобождения препаратов. ДНК-нанотехнологии используют комплементарность оснований для сборки наноструктур.

¶Пищевая промышленность

Крахмал, пектин, агар-агар, каррагинан, желатин и альгинат натрия служат загустителями, стабилизаторами и желирующими агентами. Лактоза и целлюлоза используются как наполнители и вспомогательные вещества.

¶Сельское хозяйство и промышленность

Целлюлоза — основа бумаги и целлюлозно-бумажной промышленности. Натуральный каучук добывают из гевеи бразильской и используется для производства резиновых изделий. Биоразлагаемая упаковка из крахмала и ПГА является альтернативой полиэтилену.

¶Экологическое значение

Биополимеры биоразлагаемы: при компостировании и в почве они раскладываются микроорганизмами до воды, углекислого газа и биомассы. Это делает их перспективной заменой синтетическим пластикам, срок разложения которых составляет сотни лет. Производство биополимеров из возобновляемого сырья снижает зависимость от нефтехимии. В России исследования в области биополимеров ведутся в Институте биохимии имени А. Н. Баха РАН, Институте синтетических полимерных материалов им. Н. С. Ениколопова РАН и ряде вузов.

¶История изучения

Термин «биополимер» закрепился в научной литературе в середине XX века после работ по расшифровке первичной структуры белков (Фредерик Сэнгер, инсулин, 1951) и нуклеиновых кислот. Ключевые события: синтез полипептидов по методу Роберта Меррифилда (Нобелевская премия по химии, 1984), разработка методов секвенирования ДНК, открытие полимеразной цепной реакции (Кэри Мюллис, 1983).