Полимеры и биополимеры

Сохранить в закладки
15883
18
Сохранить в закладки

Химик Артем Оганов о структуре и физических свойствах полимеров, использовании полимерных материалов и задаче предсказания структуры белка

Какие вещества являются полимерами? Какова структура полимера? Насколько распространено применение полимерных материалов? Об этом рассказывает профессор, PhD in Crystallography Артем Оганов.

Полимеры — это удивительный, уникальный класс химических веществ, которые можно с некоторой долей справедливости назвать венцом эволюции неживого мира, потому что это класс веществ, который породил жизнь. Это вещества, которые обладают поразительным разнообразием, изменчивостью физических свойств, структуры и химического состава. К полимерам принадлежат не только такие вещества, как пластик, но и белки, из которых мы состоим, полисахариды типа целлюлозы, ДНК и РНК, которые программируют наследственность в живом мире. Это неживая материя, которая получила способность самовоспроизводиться, размножаться, передавать информацию и реплицировать себя именно благодаря способности полимеров быть изменчивыми.

У каждого из нас чуть-чуть разные ДНК, чуть-чуть разные белки, все мы чуть-чуть разные, и природа получает возможность не только самовоспроизводить эти живые существа, но также вносить некоторые поправки, некоторые изменения и осуществлять таким образом естественный отбор. Так что полимеры, можно сказать, — это мост между неживой и живой природой. Тот самый венец неживой природы, который сумел получить возможность самовоспроизводиться благодаря появлению жизни.

Полимерные материалы, отчасти благодаря их важности в живой природе, отчасти благодаря тем самым уникальным свойствам и их разнообразию, получили огромное распространение в технологиях и в нашей жизни. Речь не только о пластике, но и о многих других формах полимеров. Например, тефлон, непригорающие сковородки, такие вещества, как кевлар (кевлар — это полимер, который обладает соотношением прочности к массе, в пять раз превышающим сталь), из него делают, например, бронежилеты. Полимеры сейчас применяются, например, для создания многих деталей самолетов, поскольку они могут быть очень прочными и в то же время они очень легкие.

Что такое полимер? Полимер — это большая молекула, которая состоит из более мелких молекул, сваренных друг с другом прочными ковалентными связями. Полимеры могут быть одномерными, то есть это более-менее линейная молекула, которая может быть свернутая в клубок. Эта линейная молекула может достигать колоссальных размеров, но сама она состоит из более мелких звеньев, которые сварены между собой этими сильными ковалентными связями.

Полимеры могут быть двумерными, могут быть даже трехмерными. Примеры тому мы видим в неорганической химии. Например, структуру многих силикатных минералов вполне можно рассматривать как одно-, двух- или трехмерные полимеры. В частности, цеолиты — молекулярные сита, в которых фильтруется вода перед тем, как она поступает в наши дома. Цеолиты можно рассматривать как трехмерные полимеры. Эту трехмерную ажурную сетку, трехмерный ажурный каркас из алюмосиликатных единиц можно рассматривать как трехмерный полимер.

В органической химии полимеры в подавляющем количестве случаев одномерны. Но эти одномерные цепи в зависимости от того, из чего они состоят, могут быть развернутыми — в данном случае вы будете иметь дело с чем-то цепочечным, — могут быть свернутыми. Хороший пример этого дают фибриллярные белки, такие как коллаген, из которых состоят наши сухожилия. Треть белковой массы человека — это коллаген — белок неимоверной прочности, он как раз состоит из таких одномерных построек. Белки могут быть глобулярными, когда эта одномерная структура свернута в достаточно плотную глобулу, и эти глобулярные белки могут выполнять ряд интереснейших функций, такие как ферментативная функция. Они являются катализаторами внутри такой белковой глобулы. Могут быть активные центры, на которых как раз происходят химические реакции, ускоряемые на много порядков величины как раз белковой матрицей.

Белковые цепи также могут быть между собой сочленены крепкими водородными связями. И в данном случае вы получаете возможность создавать очень прочные трехмерные конструкции, такие как кератин, шелк, целлюлоза — все это создается как раз благодаря сочленению полимерных молекул усиленными углеводородными связями.

Самый распространенный полимер на Земле — это целлюлоза. Все деревья — это именно целлюлоза.

Интересно напомнить, что целлюлоза и крахмал — это одно и то же химическое вещество по химической формуле, но различное по структуре. И различие огромное: усвояемый человеческим организмом водорастворимый крахмал и нерастворимый, неусвояемый его брат-полимер — целлюлоза. Помимо этого колоссального разнообразия в природе, полимеры распространены в наших технологиях. Я уже упомянул кевлар, упомянул пластики, можно упомянуть проводящие полимеры. Можно допировать полимерное вещество, скажем, атомом щелочного металла и сделать его металлическим. Это один из способов добиться электропроводности у полимера.

Благодаря тому, что в полимерах присутствуют мощные ковалентные связи как минимум в одном направлении, полимеры могут характеризоваться колоссальной механической прочностью. Полимеры также могут быть очень гибкими. Это обусловлено как гибкостью сочленений между полимерными цепями, так и гибкостью внутри полимерной цепи. Очень часто углы между связями внутри полимерной цепи являются гибкими, их очень легко изменить, практически не затрагивая усилий, и в результате это конструкция на шарнирах. За счет этого мы видим, что полимеры, тот же пластик, как правило, очень гибкие. Это тоже может обусловливать целый ряд применений, в частности, в электронике. Например, вы хотите, чтобы ваш мобильный телефон был гибким, значит, нужно, чтобы многие детали были сделаны из полимеров.

В 2014 году мы совместно выполнили проект с учеными из университета Коннектикута, направленный на поиск полимерных диэлектриков — веществ с высокой диэлектрической постоянной и большой шириной запрещенной зоны, веществ, которые можно было бы, например, использовать в конденсаторах. Было интересно сделать такое вещество из полимера, чтобы этот конденсатор был гибким. Мы использовали достаточно необычную стратегию компьютерного дизайна такого рода материалов, когда мы начали с того, что искали мономерные блоки, сшивая которые, вы получаете полимеры.

По сочетанию разных блоков мы определяли, какое сочетание блоков может дать высокую диэлектрическую постоянную и высокую ширину запрещенной зоны. Затем, найдя нужные комбинации, мы из них составляли трехмерную структуру и искали с помощью нашего эволюционного алгоритма наиболее устойчивые трехмерные структуры, состоящие из данных одномерных цепей. И затем, найдя эти структуры, определяли их свойства, диэлектрические постоянные уже в трехмерном варианте. И наши предсказания затем были подтверждены экспериментом. Таким образом было создано несколько новых материалов, которые могут быть использованы для полимерной электроники, для конденсаторов и подобных вещей. А это один из проектов, которые показывают, что можно сделать для дизайна новых полимеров.

Тут нужно прибегать к разного рода уловкам, потому что полимерные молекулы очень большие, их сложность может быть колоссальной. Например, если вы посмотрите на многие полимерные молекулы, даже такие относительно несложные, как целлюлоза, то увидите молекулу колоссальной сложности. А бывают еще более сложные молекулы, например белки. И в такого рода задачах нужно всегда пытаться найти разумное упрощение этой ситуации. Например, рассматривать мономерные единицы как минимальную единицу: собирать их не из атомов, а из мономерных единиц или из комбинаций мономерных единиц.

Сейчас особое значение приобретает задача предсказания структуры белков. Когда мы говорим о белках, о структурах белков, то принято говорить о нескольких уровнях структуры белка. Первичная структура — это последовательность мономерных блоков; вторичная структура — это куски структуры белка, реальной структуры белка, каким-то образом упакованные в пространстве в некие стандартные единицы. Это может быть спираль или кусок листа, и эти куски (кусок спирали, кусок листа или кусок глобулы) могут каким-то образом сочетаться в пространстве. Это сочетание их в пространстве, реальная трехмерная структура уже называется третичной структурой.

Третичная структура — это именно то, что нам нужно. Бывает еще четвертичная структура, когда несколько белковых молекул вместе переплетаются, но это уже совсем сложно. Третичная и четвертичная структура — это реально то, что нам нужно. Мы задаем первичную структуру, мы ее не меняем, и это наше основное упрощение задачи, наша стартовая модель. Затем мы смотрим, во что эта первичная структура сворачивается в пространстве, чтобы обеспечить наибольшую устойчивость, или, как говорят физики, минимальную энергию.

Для того чтобы понять, какая энергия будет минимальной, нужно иметь возможность рассчитывать эту энергию. В принципе, мы могли бы воспользоваться квантовыми механическими расчетами, но для молекул такого колоссального размера, такой колоссальной сложности это, к сожалению, непрактично. Используются упрощенные модели, которые по счастливому стечению обстоятельств оказываются достаточно точными. И с помощью этих моделей мы можем рассчитывать энергию и прощупывать, какая из этих третичных и четвертичных структур будет обеспечивать максимальную устойчивость. Но задача эта комбинаторная и оказывается исключительно сложной, потому что у обычной белковой молекулы, состоящей из порядка 100 аминокислот, огромное число степеней свободы, просто колоссальное. Речь идет о сотнях степеней свободы, и обычные алгоритмы с этим не справляются или же справляются с огромным трудом.

Время от времени по всему миру организуется международный тест по предсказанию белковых структур. Тест достаточно суровый, и год от года видно, что есть определенный прогресс в решении этой задачи.

Но мы все еще очень далеки от того, чтобы рутинно уметь предсказывать структуру белка всего лишь по аминокислотной последовательности.

Если мы когда-нибудь научимся это делать с высокой точностью и быстро, то это позволит нам колоссально продвинуться в решении многих биологических и медицинских задач. Именно нарушение структуры белка часто приводит к болезням, к молекулярным болезням, таким как болезнь Альцгеймера и многие другие. Поняв структуру белка, мы можем понять, какое лекарство может лечить от той или иной болезни.

Экспериментальное решение структуры белков достаточно сложное, требует много времени, и если можно было бы его предварить теоретическим решением, то это бы значительно ускорило прогресс в этой области. Мы этой задачей тоже занялись, но мы только в самом начале решения этой задачи. Мы можем на данный момент решать эволюционным путем только структуру достаточно маленьких белков, где-то с 30–40 аминокислотными остатками. Со временем мы сможем этот верхний предел расширить на 100–200 аминокислотных остатков. Если повезет, то даже больше. Но многие группы движутся в этом направлении. Кому достанутся лавры, кто будет победителем — мы посмотрим. Но эта задача крайне захватывающая, и как сказал Константин Северинов: «Решение или предсказание структуры белка — основная задача биологии». Это несколько упрощает ситуацию, но в этом очень много правды. От решения физических и химических задач наша область сейчас достаточно быстро переползает на решение биохимических, биологических и медицинских задач.

Над материалом работали

Читайте также

Внеси свой вклад в дело просвещения!
visa
master-card
illustration