Пластическая роль белков заключается в: 85. Пластическая и энергетическая роль углеводов, жиров и белков…

Содержание

85. Пластическая и энергетическая роль углеводов, жиров и белков…

Белки
занимают ведущее место среди органических
элементов, на их долю прихо­дится
более 50% сухой массы клетки. Поступающий
с пищей из внешней среды белок служит
пластической и энергетической целям.
Пластическое значение белка состоит в
восполнении и новообразовании различных
структурных компонентов клетки.
Энергетическое значение заключается
в обеспечении организма энергией,
образующейся при расщеплении белков.

Вся совокупность
обмена веществ в организме (дыхание,
пищеварение, выделение) обеспечивается
деятельностью ферментов, которые
являются белками. Все двигательные
функции организма обеспечиваются
взаимодействием сократительных белков
— актина и миозина.

Белки в организме
не депонируются, т. е. не откладываются
в запас. Поэтому при поступлении с пищей
значительного количества белка только
часть его расходуется на пластические
цели, большая же часть — на энергетические
цели.

Пластическая роль
липидов
состоит в том, что они входят в состав
клеточных мембран и в значительной мере
определяют их свойства. Велика
энергетическая роль жиров. Их теплотворная
способность более чем в два раза превышает
таковую у углеводов или белков. Большая
часть жиров в организме находится в
жировой ткани, меньшая часть входит
в состав клеточных структур. Жировые
капельки
в клетках — это запасный жир, используемый
для энергетических потребно­стей.

Пищевые продукты,
богатые жирами, обычно содержат некоторое
количество липоидов — фосфатидов и
стеринов. Физиологическое значение
этих веществ очень велико. Они входят
в состав клеточных структур, в частности
клеточных мембран, а также ядерного
вещества и цитоплазмы.

Исключительно
важное физиологическое значение имеют
стерины, в частности холестерин. Это
вещество входит в состав клеточных
мембран; оно является источником
образования желчных кислот, а также
гормонов коры надпочечников и половых
желез.

Некоторые стерины
пищи, например витамин D, обладают большой
физиологической активностью.

Основная роль
углеводов
определяется их энергетической функцией.
Глюкоза крови является непосредственным
источником энергии в организме. Быстрота
ее распада и окисления, а также возможность
быстрого извлечения из депо обеспечивают
экстренную мобилизацию энергетических
ресурсов при стремительно нарастающих
затратах энергии в случаях эмоционального
возбуждения, при интенсивных мышечных
нагрузках и др.

Глюкоза, поступающая
в кровь из кишечника, транспортируется
в печень, где из нее синтезируется
гликоген. Гликоген печени представляет
собой резервный, т. е. отложенный в запас,
углевод. По мере убыли глюкозы в крови
происходит расщепление гликогена в
печени и поступление глюкозы в кровь
(мобилизация гликогена). Благодаря этому
сохраняется относительное постоянство
содержания глюкозы в крови.

Гликоген
откладывается также в мышцах. При работе
мышц под влиянием фермента фосфорилазы,
которая активирует­ся в начале
мышечного сокращения, происходит
усиленное расщепление гликогена,
Являющегося одним из источников энергии
мышечного сокращения.

Витамины
не характеризуются общностью химической
природы и не имеют существенного
пластического и энергетического
значения. Они находятся в пищевых
продуктах в незначительных количествах,
но оказывают выраженное влияние на
физиологическое состояние организма,
часто являясь компонентом молекулы
фермента. Витамин А служит кофактором
белка неферментной природы — родопсина;
этот белок сетчатки глаза участвует в
восприятии света. Витамин D (точнее, его
производное — кальцитриол) регулирует
обмен кальция; по механизму действия
он скорее сходен с гормонами — регуляторами
обмена и функций организма.

Ряд элементов,
содержащихся в пище главным образом в
форме минеральных солей или ионов, также
относится к незаменимым пищевым
веществам. По массе основную часть
минеральных веществ пищи составляют
хлориды, фосфаты и карбонаты натрия,
калия, кальция и магния. Кроме того,
абсолютно необходимы микроэлементы,
называемые так потому, что они требуются
в малых количествах: это железо, цинк,
медь, марганец, молибден, йод, селен.
Кобальт поступает в организм человека
не в форме минеральных солей, а в составе
готового витамина B12.

Белки пластическая функция — Справочник химика 21





    Белки способны также выполнять энергетическую функцию, особенно при избыточном их поступлении с пищей или в экстремальных ситуациях, когда белки тела подвергаются усиленному распаду, восполняя недостаток питательных веществ, например при голодании или патологии (сахарный диабет). Как известно, при сгорании 1 г белков освобождается энергия, равная 16,8 кДж. Эта энергия обычно может быть полностью заменена энергией окисления углеводов и липидов, однако при длительном исключении последних из пищи у животных не наблюдается существенных патологических отклонений, тогда как исключение белков из пищи даже на короткий срок приводит к выраженным нарушениям, а иногда и к необратимым патологическим явлениям. Если животные находятся на малобелковой диете, то у них очень быстро развивается белковая недостаточность—патологическое состояние, характеризующееся нарушением ряда важных физиологических функций организма. Аналогичные изменения наблюдаются у людей при недостаточном потреблении белка. Следовательно, белки являются незаменимыми для организма веществами, выполняющими прежде всего пластическую функцию. Специфическая роль белков, однако, этим не ограничивается. В опытах на крысах было показано, что белковая недостаточность у животных проявляется не столько в уменьшении массы органов и тканей, сколько в снижении активности ферментов, обусловленном замедлением процессов биосинтеза белка. [c.409]








    Пластическая функция углеводов связана с тем, что они активно используются в синтезе многих важных для организма веществ нуклеиновых кислот, некоторых органических кислот, а из них — аминокислот и далее белков, липидов и других биологически значимых соединений. [c.232]

    В организме человека и животных углеводы играют важную роль и выполняют разнообразные функции — они служат источником энергии, являются пластическим материалом клеток, а также используются в качестве исходных продуктов для синтеза липидов, белков и нуклеиновых кислот. Организм человека и животных не способен синтезировать углеводы из неорганических веществ и получает их в готовом виде с различными пищевыми продуктами, главным образом растительного происхождения. Суточная норма потребления углеводов равняется 450—500 г. Углеводы, поступившие в организм, подвергаются перевариванию в желудочно-кишечном тракте й всасываются в кровь в виде моносахаридов, в основном глюкозы. В крови всегда находится олреде-ленное количество глюкозы (3,3—5,5 моль/л). В тканях часть глюкозы откладывается в виде гликогена. [c.120]

    Обмен белков занимает особое место в многообразных превращениях веществ, характерных для всех живых организмов. Выполняя ряд уникальных функций, свойственных живой материи, белки определяют не только микро- и макроструктуру отдельных субклеточных образований, специфику организации клеток, органов и целостного организма (пластическая функция), но и в значительной степени динамическое состояние между организмом и окружающей его средой. Белковый обмен строго специфичен, направлен и настроен, обеспечивая непрерывность воспроизводства и обновления белков организма. В течение всей жизнедеятельности в организме постоянно и с высокой скоростью совершаются два противоположных процесса распад, расщепление органических макромолекул и надмолекулярных структур и синтез этих соединений. Эти процессы обеспечивают катаболические реакции и создание сложной структурной организации живого из хаоса веществ окружающей среды, причем ведущую роль в последнем случае играют именно белки. Все остальные виды обмена подчинены этой глобальной задаче живого—самовоспроизведению себе подобных путем программированного синтеза специфических белков. Для осуществления этого используются энергия обмена углеводов и липидов, строительный материал в виде углеродных остатков аминокислот, промежуточных продуктов метаболизма углеводов и др. [c.409]

    По степени важности в процессах обмена веществ пластическая роль белков (в организации разнообразных структур) неизмеримо превосходит их роль как источника энергии. Более того, пластическая функция белков не только велика, но и незаменима, так как белки в этом отношении нельзя заменить ни жирами, ни углеводами, ни какими-либо другими веществами, входящими в состав живой материи или поступающими в организм из внешней среды. [c.303]

    Высокомолекулярные органические соединения — белки, полисахариды (крахмал, целлюлоза) и др. — основа живой природы. Белки — важнейшая составная часть всех живых организмов — с химической точки зрения являются полимерами. В живых организмах белки выполняют пластические, энергетические и регулирующие функции. С ними связаны рост, наследственность, обмен и другие характерные черты живых организмов. Некоторые белки выполняют функцию биологического катализатора химических процессов в организме, их называют ферментами. [c.6]

    Прошло около 40 лет с тех пор, как было ясно доказано, что некоторые встречающиеся в природе или синтезированные в лаборатории и имеющие большое значение материалы состоят из очень больших молекул. С того времени развитие макромолекулярной химии происходило со скоростью, которая кажется захватывающей даже в наш век научно-технической революции. Движущая сила этого процесса имела двоякий характер. С одной стороны, исследователи научились понимать связь между практически цепными свойствами таких материалов, как хлопок или натуральный каучук, и той особенностью, которую они стали называть молекулярная архитектура . Это представление оказалось неоценимым при конструировании большого разнообразия таких новых материалов, как синтетические волокна, синтетические каучуки и пластические массы, которые по техническим свойствам повторяют, а часто и превосходят природные материалы. С другой стороны, было доказано, что некоторые из наиболее важных составных частей живых организмов являются макромолекулами, вероятнее всего белками и нуклеиновыми кислотами. Стало все более очевидным, что выявление связи между молекулярными свойствами этих материалов и их функциями в живой клетке является одним из наиболее обнадеживающих путей прогресса в биологии. Дисциплина, имеющая дело с этой взаимосвязью, получила название молекулярной биологии. [c.9]

    Таким образом, фосфопротеины содержат лабильный фосфат, абсолютно необходимый для выполнения клетками организма ряда биологических функций. Они являются ценным энергетическим и пластическим материалом, используемым в процессе роста и развития организма. К белкам данного класса относятся казеиноген молока, овальбумин куриного яйца и другие сложные белки. [c.90]








    Регуляция скорости синтеза белков. Такое действие оказывают стероидные и тиреоидные гормоны они проникают в клетку и взаимодействуют со специфическими рецепторами. Гормонрецепторный комплекс проникает в ядро, связывается с хроматином и увеличивает скорость синтеза белков на уровне генов (рис. 51). Активные гены усиливают синтез определенной РНК, которая выходит из ядра, поступает к рибосомам и запускает синтез новых белков, которые могут быть структурными или сократительными белками мышц и других тканей, а также ферментами или гормонами. В этом состоит их анаболическое действие. Однако скорость белкового синтеза в клетках — относительно медленный процесс, так как требует большого количества энергии и пластического материала. Поэтому такие гормоны не могут осуществлять быстрый контроль процессов метаболизма. Основная их функция сводится к регуляции процессов роста, развития и дифференцировки клеток организма. [c.138]

    Значение белков. Исключительная роль Б. в живых организмах подчеркивается самим их названием — протеины (от греч. слова лрштос — первый). Белки выно,пняют пластические, энергетические функции, а также обуслов,ливают определенную, свойственную данному виду организмов, направленность обмена веществ. В, входят в состав всей живой материи, играют доминирующую роль в протоплазме клеток. Количество Б. в различных тканях и органах животных и растений (в % от веса свежей ткани) составляет 18—23 в мышцах, 7—9 в мозгу, 16—18 в сердце, [c.194]

    Белки яьляются важнейшей составной частью живых организмов. Они играют первенствующую роль, выполняя в организме функции, связанные с основными проявлениями жизни, в том числе функции пластические, энергетические, обусловливая особую, свойственную данному виду организмов, направленность обмена веществ, определяя ход явлений роста и воспроизведения, дыхания и мышечного сокращения (движения), природу заболеваний и т. д. Кроме белков, исключительно важную роль играют нуклеиновые кислоты, однако надо помнить, что сами они не могут образоваться без участия белков-ферментов. Все основные жизненные процессы всегда связаны с образованием и распадом белков и нуклеиновых кислот и определяются наличием тех или иных ферментов, которые все представляют собою белки. [c.21]

    Функции липидов 1) пластическая — липиды входят в состав мембран и определяют их свойства (проницаемость, жидкостность, передача нервного импульса и др) 2) энергетическая — липиды служат энергетическим материалом для организма при окислении 1 г жира выделяется 39 кДж/моль энергии, что в 2 раза больще, чем при окислении 1 г белков или углеводов липиды — долгосрочный резерв энергии 3) защитная — липиды предохраняют тело и органы от механического повреждения и сохраняют тепло (подкожный жир, жировая капсула почек, сальник в брюшной полости) 4) регуляторная (эйкозаноиды. Стероидные гормоны) 5) эмульгирование жиров (пищеварение), стабилизация липидсодержащих жидкостей (желчь) и транспорт гидрофобных молекул (мицеллы, липопротеины). С нарушениями обмена липидов связаны такие заболевания, как атеросклероз, ожирение, желчнокаменная болезнь и др. [c.207]

    В общем же, представленный материал при всей его фрагментарности свидетельствует в пользу того допущения, что одной из важнейших нейрохимических функций естественного сна могут быть какие-то пластические репарационные процессы, тесно связанные прежде всего с метаболизмом белков и РНК. При этом, несомненно, открываются очень широкие перспективы для дальнейшей экспе )имептальной разработки этой проблемы по уже намечающимся путям. В частности, привлекает внимание метаболическая роль нейромедиаторов в процессах, участвующих не только в организации динамики естественного сна, но и в обеспечении с помощью сна отдыха нервной системы. [c.38]

    Представлен краткий обзор последних литературных данных, характеризующих сдвиги обмена веществ в головном мозгу во время спа. Подчеркнуто, что сон — активный процесс, связанный с усилением определенных сторон метаболизма в ЦНС, особенно при парадоксальной фазе сна. Отмечено, что, по-видимому, потребность во снс в нейрохимическом отношении не связана непосредственно с нарушениями биоэнергетики ЦНС при длительном бодрствовании. Изложены результаты собственных исследований автора и его сотрудников в области изучения некоторых сторон метаболизма белков и РНК в головном мозгу (крыс) при естественном сне, лишении его парадоксальной фазы, полной бессоннице, вызванной фенамином, а также во время сна и при лишении его парадоксальной фазы на фоне нарушений метаболизма медиаторов (серотонина и катехоламинов), участвующих в регуляции динамики циклов сна, под влиянием резерпина и ниаламида. В частности, ряд этих работ был выполнен цитоспектрофотометрически на уровне отдельных нейронов и их глиальных клеток-сателлитов супраоптического и красного ядер головного мозга. Высказано предположение, что одной из-важнейших нейрохимических функций сна должно быть осуществление специфических пластических репарационных процессов, тесно связанных прежде всего с метаболизмом белков и РНК. Илл. — 5, библ. — 61 пазв. [c.210]


Роль белков, жиров и углеводов в организме человека

2 Видеолекторий на тему: «Роль белков, жиров и углеводов в организме человека»

Белки, жиры и углеводы играют важную роль в организме человека.

Белки—сложные вещества, состоящие из аминокислот. Являются неизменной составляющей частью рациона. Это главный строительный материал, без которого невозможен рост мускулатуры и тканей в целом. Белки подразделяются на 2 категории:

Животный, который поступает из продуктов животного происхождения. К этой категории можно отнести мясо, птицу, рыбу, молоко, творог и яйца.

Растительный, который организм получает из растений. Здесь стоит выделить рожь, овсянку, грецкие орехи, чечевицу, фасоль, сою и морские водоросли.

Жирыэто органические соединения, отвечающие за «резервный фонд» энергии в организме, главные поставщики энергии в периоды дефицита пищи и болезней, когда организм получает малый объем питательных элементов или же не получает их вовсе. Жиры необходимы для эластичности кровеносных сосудов, благодаря чему полезные элементы быстрее проникают к тканям и клеткам, способствуют нормализации состояния кожных покровов, ногтевых пластин и волос. Жиры в больших количествах содержатся в орехах, масле сливочном, маргарине, жире свином, сыре твердом.

Углеводы — это главный источник энергии для людей. В зависимости от количества структурных единиц углеводы делятся на простые и сложные. Углеводы, называемые простыми или «быстрыми», легко усваиваются организмом и повышают уровень сахара в крови, что может повлечь набор лишнего веса и ухудшение метаболизма.

Сложные углеводы состоят из множества связанных сахаридов, включая в себя от десятков до сотен элементов. Подобные углеводы считаются полезными, поскольку при переваривании в желудке они отдают свою энергию постепенно, обеспечивая стабильное и долговременное чувство насыщения.

Также важную роль в организме играют витамины и микроэлементы, которые не включены в структуру тканей, однако без их участия не выполнялись бы многие жизненно важные функции, происходящие в человеческом организме.

Практически все жизненные процессы в нашем теле находятся в зависимости от того, что мы употребляем в пищу. Достаточно богаты углеводами свежие фрукты. Необходимо избегать чрезмерного употребления сладостей, мучных изделий, сахара. Рациональное питание имеет существенное значение  – и это подразумевает не только своевременное употребление вкусно приготовленной еды, но и включение в ежедневный рацион оптимального соотношения таких важных для правильной жизнедеятельности веществ, как белки, жиры, углеводы, витамины и микроэлементы. От  гармоничного сочетания всех этих веществ зависит поддержание нормальной  жизнедеятельности человека.

 

Принципы рационального питания

Вопросы питания стоят сегодня в центре вни­мания медицины. Во всех странах постоянно возрастает интерес к ним самых различных слоев населения, научных работников и государственных органов.
Быстрое увеличение численности населения земного шара требует соответствующего роста производства пищевых ресурсов и продуктов питания — это одна из главных проблем, определяющих прогресс земной цивилизации.


В настоящее время в нашей стране принята теория рационального сбалансированного питания, которая прошла длительный путь совершенствования, но более подробную научную основу придал ей А. А. Покровский — академик АМН СССР.
В последнее время в печати появилось огромное число научно недоказанных рекомендаций по питанию для широкого круга населения, которые могут нанести непоправимый вред здоровью.
В связи с актуальностью вопросов, связанных с питанием, специалисты Управления Роспотребнадзора по городу Москве знакомят вас с принципами рационального питания, основанными на многолетнем труде академика А. А. Покровского.

Основные функции питания.

Всем известно, что питание абсолютно необходимо для поддержания жизни. Наукой твердо установлены три функции питания.
Первая функция заключается в снабжении организма энергией. В этом смысле человека можно сравнить с любой машиной, совершающей работу, но требующей для этого поступления топлива. Рациональное питание предусматривает примерный баланс поступающей в организм энергии, расходуемой на обеспечение процессов жизнедеятельности.
Вторая функция питания заключается в снабжении организма пластическими веществами, к которым, прежде всего, относятся белки, в меньшей степени — минеральные вещества, жиры и в еще меньшей степени — углеводы. В процессе жизнедеятельности в организме человека постоянно разрушаются одни клетки и внутриклеточные структуры и вместо них появляются другие. Строительным материалом для создания новых клеток и внутриклеточных структур являются химические вещества, входящие в состав пищевых продуктов. Потребность в пластических веществах пищи варьирует в зависимости от возраста:
Наконец, третья функция питания заключается в снабжении организма биологически активными веществами, необходимыми для регуляции процессов жизнедеятельности. Ферменты и большинство гормонов — регуляторы химических процессов, протекающих в организме, — синтезируются самим организмом. Однако некоторые коферменты (необходимая составная часть ферментов), без которых ферменты не могут проявлять свою активность, а также некоторые гормоны организм человека может синтезировать только из специальных предшественников, находящихся в пище. Этими предшественниками являются витамины, присутствующие в продуктах питания. Сравнительно недавно появились данные о существовании еще одной  — четвертой функции питания, которая заключается в выработке иммунитета, как неспецифического, так и специфического. Было установлено, что величина иммунного ответа на инфекцию зависит от качества питания и, особенно, от достаточного содержания в пище калорий, полноценных белков и витаминов. При недостаточном питании снижается общий иммунитет и уменьшается сопротивляемость организма самым различным инфекциям. И, наоборот, полноценное питание с достаточным содержанием белков, жиров, витаминов и калорий усиливает иммунитет и повышает сопротивляемость инфекциям. В данном случае речь идет о связи питания с неспецифическим иммунитетом. Позднее было обнаружено, что определенная часть химических соединений, которые содержатся в продуктах питания, не расщепляется в пищеварительном тракте или расщепляется лишь частично. Такие крупные нерасщепленные молекулы белков или полипептидов могут проникать через стенку кишечника в кровь и, являясь чужеродными для организма, вызывать его специфический иммунный ответ. Исследованиями, проведенными в Институте питания РАМН, установлено, что несколько процентов (или несколько десятых процента) белков, поступивших с пищей, обнаруживается в крови, печени и некоторых других внутренних органах в форме крупных молекул, сохраняющих антигенные свойства первоначальных пищевых белков. Выявлено также, что на эти чужеродные пищевые белки в организме вырабатываются специфические антитела. Таким образом, в процессе питания происходит постоянное поступление антигенов из пищеварительного тракта во внутреннюю среду организма, что приводит к выработке и поддержанию специфического иммунитета к белкам пищи.

Питание должно быть рациональным, сбалансированным.

Сколько химических веществ расходует организм взрослого человека в процессе жизнедеятельности, столько же должно поступать их с продуктами питания. Однако в процессе обмена одни вещества могут переходить в другие. При этом большинство из них может синтезироваться в организме, тогда как некоторые являются как бы исходными: они не могут синтезироваться и должны обязательно поступать с пищей. Отсюда все пищевые вещества делятся на заменимые и незаменимые. К последним относятся незаменимые аминокислоты (валин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан и фенилаланин), незаменимые  жирные  кислоты   (линолевая, линоленовая), витамины и минеральные вещества.
Теория сбалансированного питания, которую в нашей стране широко и углубленно разрабатывал академик АМН СССР А. А. Покровский, заключается в установлении тесной связи питания с процессами обмена веществ. При этом особая роль отводится незаменимым факторам питания.
Рациональное питание должно основываться на теории сбалансированного питания и предусматривать правильный режим потребления пищи. Необходимо знать и соблюдать три принципа рационального питания: умеренность, разнообразие, режим приема пищи. Умеренность в питании не позволяет потреблять с пищей энергии больше или меньше, чем ее расходуется в процессе жизнедеятельности; разнообразие пищи в рационе с наибольшей степенью вероятности гарантирует поступление в организм всех незаменимых компонентов питания; определенный режим питания (время приемов пищи в течение дня, а также количество и качество пищи при каждом ее приеме) поддерживает аппетит в нужных рамках.
Рассмотрим подробнее каждый из трех принципов рационального питания.

Первый принцип рационального питания — умеренность.

 

Умеренность в питании необходима для соблюдения баланса между поступающей с пищей и расходуемой в процессе жизнедеятельности энергией.
Закон сохранения энергии в природе является абсолютным, он справедлив не только для неживой материи, но действует и в живом организме, в том числе и в клетках органов и тканей человека.
Расход энергии в организме осуществляется тремя путями: в результате так называемого основного обмена, специфического динамического действия пищи и мышечной деятельности.
Основной обмен — это минимальное количество энергии, которое необходимо человеку для поддержания жизни в состоянии полного покоя. Такой обмен обычно бывает во время сна в комфортных условиях. Его чаще всего рассчитывают по отношению к «стандартному» мужчине (возраст 30 лет, масса тела 65 кг) или к «стандартной» женщине (тот же возраст, масса тела 55 кг), занимающимися легким физическим трудом. Основной обмен зависит от возраста (у маленьких детей он на единицу массы тела в 1,3—1,5 раза выше, чем у взрослых), от общей массы тела, от внешних условий проживания и индивидуальных особенностей человека. Установлено, что в среднем при основном обмене затрачивается около 1 ккал на 1 кг массы тела за 1 час. У людей, постоянно испытывающих физические нагрузки, основной обмен, как правило, повышается в пределах 30 %.
Специфическое динамическое действие пищи обусловлено ее перевариванием в желудочно-кишечном тракте человека. Наибольший расход энергии вызывает переваривание белков, которое увеличивает интенсивность основного обмена обычно на 30—40%. Прием с пищей жиров повышает основной обмен на 4—14 %, углеводов—на 4—7%. Даже чай и кофе вызывают повышение основного обмена в пределах 8 %. Подсчитано, что при смешанном питании и оптимальном количестве потребляемых пищевых веществ основной обмен увеличивается в среднем на 10—15 %.
Физическая деятельность оказывает существенное влияние на расход энергии в организме человека. Чем больше физическая активность, тем больше энергии тратит организм человека. Если масса тела человека больше стандартной, то энерготраты при указанных видах деятельности пропорционально увеличиваются, если меньше — снижаются.
Суточные энерготраты человека зависят от возраста, пола, массы тела, характера трудовой деятельности, климатических условий и индивидуальных особенностей протекания реакций обмена веществ в организме.
При кратковременном недостатке энергетической ценности пищи организм частично расходует запасные вещества, главным образом жир (из жировой ткани) и углеводы (гликоген).    При длительном недостатке энергетически ценной пищи организм расходует не только резервные углеводы и жиры, но и белки, что, в первую очередь, ведет к уменьшению массы скелетных мышц, а, следовательно, к возникновению и развитию дистрофии.
Кратковременный избыток энергетической ценности пищи отрицательно сказывается на процессах усвояемости и утилизации основных пищевых веществ, что выражается в увеличении количества каловых масс и выделении повышенного количества мочи. При длительном избытке энергетической ценности пищи часть жиров и углеводов начинает откладываться в виде резервного жира в жировой ткани. Это приводит к увеличению массы тела и в последующем к ожирению.

Второй принцип рационального питания — разнообразие.

 

Население нашей планеты использует для питания тысячи пищевых продуктов и еще больше кулинарных блюд. И все многообразие продуктов питания складывается из различных комбинаций пищевых веществ: белков, жиров, углеводов, витаминов, минеральных веществ и воды. Естественно, что различные пищевые продукты имеют разный химический состав.
Энергетическая ценность рациона питания зависит от входящих в его состав белков, жиров и углеводов. Углеводы поставляют преимущественно энергию, тогда как жиры и особенно белки не только снабжают организм энергией, но и являются необходимым материалом для обновления клеточных и субклеточных структур. Использование белков в качестве энергетического материала весьма невыгодно для организма: во-первых, белки — наиболее дефицитное и ценное пищевое вещество, во-вторых, при окислении белков, сопро­вождающемся выделением энергии, образуются недоокисленные вещества, обладающие существенным токсическим действием.
Оптимальным в рационе практически здорового человека является соотношение белков, жиров и углеводов, близкое к 1:1,2:4. Это соотношение наиболее благоприятно для максимального удов­летворения как пластических, так и энергетических потребностей организма человека. Белки в большинстве случаев должны составлять 12 %, жиры — 30—35 % общей калорийности рациона. Лишь в случае значительного повышения доли физического труда, и увеличения в связи с этим потребности в энергии содержание белков в ра­ционе может быть снижено до 11 % его общей калорийности (за счет увеличения доли жиров и углеводов, как поставщиков калорий).
Какова же приблизительная суточная потребность взрослого человека, занимающегося легким физическим трудом, в энергетической ценности пищи, в белках, жирах и углеводах? Пищевой рацион должен содержать 80—90 г белков, 100— 105 г жиров, 360—400 г углеводов, энергетическая ценность его должна составлять 2750—2800 ккал.
Оптимальное соотношение животных и растительных белков в рационе человека колеблется в пределах от 60:40 до 50:50 (в зависимости от качества растительных белков), а в среднем составляет 55:45.
При определении потребности человека в жирах следует учитывать необходимость полного обеспечения организма полноценными жировыми веществами, а именно: незаменимыми жирными полиненасыщенными кислотами, фосфолипидами, необходимыми для обновления клеток и внутриклеточных компонентов, а также жирорастворимыми витаминами.
Потребление углеводов в расчете на одного жителя в нашей стране составляет в среднем около 460 г в день, тогда как в соответствии с научными рекомендациями норма должна составлять 386 г в день. Особенно опасным для здоровья населения страны является неуклонный рост потребления сахара, которое превысило 120 г в день (в среднем), в то время как рекомендуемая норма составляет 50—100 г в день (50 г при легком физическом труде, до 100 г при тяжелом физическом труде). Сахар является носителем так называемых пустых калорий, он не содержит каких-либо незаменимых компонентов питания. Больше того, сахар способствует возникновению и развитию кариеса зубов, тогда как другой представитель углеводов — крахмал — такого действия не оказывает. Кроме того, потребление сахара в значительных количествах повышает концентрацию глюкозы в крови, что является фактором риска для возникновения сахарного диабета. В то же время крахмал вследствие его более медленного переваривания в пищеварительном тракте таким эффектом не обладает. Поэтому рекомендуется максимально ограничивать потребление сахара и кондитерских изделий и заменять их, если это необходимо, крахмалом.
Здоровому организму человека необходимы так называемые растительные волокна или балластные вещества, которые представлены, в основном, оболочками растительных клеток и состоят преимущественно из клетчатки и пектина. Оптимальным считается потребление 10—15 г этих веществ в день, в том числе 9—10 г клетчатки и 5—6 г пектиновых веществ. Растительные волокна улучшают моторную функцию желудочно-кишечного тракта, способствуют ликвидации застойных явлений в кишечнике. Установлена обрат­ная зависимость между их содержанием в пище и частотой возникновения рака толстого кишечника.
Витамины занимают особое место в питании, являясь его незаменимым фактором. В далеком и даже сравнительно недавнем прошлом некоторые группы населения испытывали тяжелые бедствия в результате развития гипо — и авитаминозов. Такие заболевания, как цинга, пеллагра, рахит, полиневрит (болезнь бери-бери), некоторые виды анемии (малокровие) и гемофилии (усиленное кровотечение), а также многие другие неоднократно поражали значительные контингенты людей в результате резкого уменьшения в их пище тех или иных витаминов. В настоящее время, благодаря широкой пропаганде медицинских знаний, мероприятиям органов здравоохранения и правительств многих стран, направленным на создание условий для достаточного обеспечения населения витаминами, эти заболевания встречаются относительно редко.
Потребности организма человека во всех необходимых ему минеральных веществах, как правило, вполне удовлетворяются обычным набором пищевых продуктов с включением достаточных количеств овощей, фруктов, хлеба и молока. В нашей стране и во многих других странах выявлены территории, в почве которых содержится сниженное количество того или иного минерального вещества, что приводило к недостаточному потреблению его с пищей и к развитию определенных патологических симптомов. Путем искусственного добавления недостающих минеральных веществ к продуктам массового потребления, например введением йода в поваренную соль (для нормализации функции щитовидной железы) или фтора в воду (для профилактики кариеса зубов), удается ликвидировать такого рода недостаточность.

Третий принцип рационального питания — ре­жим приема пищи.

Режим питания человека обычно регулируется аппетитом. Каждому знакомо чувство голода, которое сигнализирует о том, что организму человека для правильной жизнедеятельности важно получить новую порцию пищи, несущую истраченные в процессе обмена веществ энергию, пластические вещества, витамины и минеральные вещества. Физиолого-биохимическая сущность этого чувства, называемого также аппетитом, до конца не выяснена. Еще работами И. П. Павлова было показано, что в головном мозге расположен так называемый пищевой центр. Возбуждение пищевого центра различными импульсами (снижением концентрации глюкозы в крови, сокращениями опорожненного желудка и др.) и создает аппетит, степень которого зависит от степени возбуждения пищевого центра.

Необходимо иметь в виду, что в результате определенной инерции возбуждения пищевого центра аппетит сохраняется еще некоторое время даже после приема пищи. Это связано с необходимостью переваривания и всасывания пищевых веществ. И только после начала поступления их в кровь возбуждение пищевого центра начинает сменяться его торможением.

Чувство голода свойственно, несомненно, всем развитым животным, и поэтому не вызывает сомнений, что оно досталось человеку по наследству от его диких предков. Но так как последние не всегда могли рассчитывать на удачу в поисках пищи, определенные преимущества в борьбе за существование получали те из них, которые, найдя пищу, потребляли ее в большом количестве, т. е. те, которые имели повышенный аппетит. Таким образом, повышенный аппетит, по всей видимости, возник в процессе эволюции животного мира, закрепился в потомстве и передался по наследству человеку. Однако в настоящее время в развитых странах проблема питания человека потеряла свою былую остроту, и в связи с этим повышенный аппетит также утратил свой биологический смысл. Больше того, он стал своего рода врагом человека, виновником допускаемого людьми систематического или несистематического переедания. Поэтому в повседневной жизни не следует руководствоваться одним только аппетитом, хотя и не считаться с ним тоже нельзя.
Дело в том, что аппетит сигнализирует о потребности не только в необходимом количестве пищи (об этом он как раз весьма часто сигнализирует неправильно), но и в ее качестве. Сравнительно распространенным является чувство, когда после долгого отсутствия в питании какого-либо продукта вдруг появляется острое желание съесть именно этот продукт. Объясняется это тем, что в данном продукте содержится значительное количество незаменимого компонента, которого меньше во всех других потребляемых продуктах, вследствие чего организм человека начинает испытывать недостаток в нем. Сигнал о намечающемся неблагополучии организм получает при возникновении аппетита к конкретному пищевому продукту. В данном случае аппетит подает совершен­но правильный сигнал и ему необходимо после­довать. Следовательно, аппетит надо обязательно при­нимать во внимание, но при этом не забывать о том, что он может серьезно подвести, если не контролировать количество потребляемой пи­щи. Весьма целесообразно ввести соответствующую поправку к аппетиту в виде регулярного контроля  за массой тела.
Дробное питание (5—6 раз в день) подавляет возбуждение пищевого центра и снижает аппетит. При этом иногда достаточно одного яблока или стакана кефира. Надо помнить также, что острые и соленые блюда (не говоря уже об алкоголе) существенно усиливают аппетит.
Итак, повышенный аппетит может нанести вред здоровью, но и полное его отсутствие должно настораживать. Для поддержания аппетита в нужных рамках очень важно соблюдение правильного режима питания.
В основу режима питания должны быть поло­жены четыре основных принципа.
Первым принципом является постоянство приемов пищи по часам суток. Каждый прием пищи сопровождается определенной реакцией на него организма — выделяются слюна, желудочный сок, желчь, сок поджелудочной железы и т. д. В процессе пищеварения большую роль играют условно-рефлекторные реакции, такие, как выделение слюны и желудочного сока на запах и вид пищи и др. В цепи условно-рефлекторных реакций большое значение принадлежит фактору времени, т. е. выработанной привычке человека потреблять пищу в определенное время суток. Выработка постоянного стереотипа в режиме питания имеет большое значение для условно-рефлекторной подготовки организма к приему и перевариванию пищи.
Вторым принципом является дробность питания в течение суток. Одно- или двухразовое питание нецелесообразно и даже опасно для здоровья ввиду слишком большого количества одномоментно потребляемой пищи. Исследования показали, что при двухразовом питании инфаркт миокарда, острые панкреатиты встречаются значительно чаще, чем при трех- и четырехразовом питании, и это объясняется именно обилием одноразово потребляемой пищи при двухразовом питании. Практически здоровому человеку рекомендуется трех- или четырехразовое питание: завтрак, обед, ужин и стакан кефира или яблоко перед сном. Когда позволяют условия, то можно вводить в режим питания один или два дополнительных приема пищи: между завтраком и обедом и между обедом и ужином. Конечно же, с дополнительными приемами пищи не должно увеличиваться общее количество потребляемой пищи за день.
Третьим принципом режима питания является максимальное соблюдение сбалансированности пищевых веществ при каждом приеме пищи. Это значит, что набор продуктов при каждом основном приеме пищи (завтрак, обед, ужин) должен доставлять организму человека белки, жиры, углеводы, а также витамины и минеральные вещества в рациональном соотношении.
Наконец, четвертый принцип режима питания заключается в правильном физиологическом распределении количества пищи по ее приемам в течение дня. Наиболее полезен такой режим, когда на завтрак приходится около трети общего количества суточного рациона, на обед — несколько более трети и на ужин — менее трети.
Избранное для завтрака, обеда и ужина время суток, естественно, может варьировать в довольно широких пределах в зависимости от производственной деятельности человека. Однако важно, чтобы время между завтраком и обедом, а также между обедом и ужином составляло 5—6 часов. После ужина до начала сна должно пройти 3—4 часа.
Правильный режим питания особенно важен для детского организма. Для грудных детей перерывы между приемами пищи должны составлять 3 часа.
К режиму питания не следует относиться, как к догме. Меняющиеся жизненные условия могут вносить в него свои поправки. Более того, некоторые изменения в режим питания нужно вносить время от времени специально, с целью тренировки пищеварительной системы. Однако, как и при тренировке других органов и систем, нельзя допускать слишком резких изменений в режиме питания.

Обмен белков

Функции белков в организме многообразны. Пластическое или структурное значение белков состоит в том, что они входят в состав всех клеток и межтканевых структур, а также обеспечивают рост и развитие организма за счет процессов биосинтеза.

Каталитическая, или ферментативная активность белков регулирует скорость биохимических реакций, определяет все стороны обмена веществ и образования энергии не только из самих протеинов, но и из углеводов и жиров.

Защитная функция заключается в образовании иммунных белков — антител. Белки способны связывать токсины и яды, обеспечивают свертываемость крови (гемостаз).

Транспортная функция — перенос кислорода и двуокиси углерода эритроцитным белком-гемоглобином; связывание и перенос некоторых ионов (железо, медь, водород), лекарственных веществ, токсинов.

Энергетическая роль белков определяется их способностью освобождения при окислении энергию: 1 г белка аккумулирует 4 ккал. По степени важности пластическая роль белков в метаболизме превосходит их собственную энергетическую, а также пластическую роль других питательных веществ. Особенно велика потребность в белке в периоды роста, беременности, выздоровления после тяжелых заболеваний.

Для поддержания азотистого равновесия в организме требуется как минимум 30-45 г животного белка в сутки (физиологический минимум белка).

Белки органов и тканей нуждаются в постоянном обновлении. Около 400 г белка из 6 кг, составляющих белковый «фонд» организма, ежедневно подвергается катаболизму и должны быть возмещены эквивалентным количеством вновь образованных белков в анаболической фазе белкового Обмена. Минимальное количество белка, постоянно распадающегося в организме, называется коэффициентом изнашивания Рубнера. Потеря белка у человека массой 70 кг равна 23 г/сут. Поступление в организм белка в Меньшем количестве ведет к отрицательному азотистому балансу, не удовлетворяющему пластические и энергетические потребности организма.

Для полного удовлетворения потребности организма в белке в сутки человек должен получить 80-100 г белка, в том числе 30 г животного происхождения, а при физических нагрузках — 130-150 г. Эти количества в в среднем соответствуют физиологическому оптимуму белка — 1 г на I кг массы тела.

Гормональная регуляция метаболизма белков обеспечивает динамическое равновесие их синтеза и распада. Анаболизм белков контролируется: ионами аденогипофиза (соматотропин), поджелудочной железы (инсулин), мужских половых желез (андроген). Усиление анаболической фазы метаболизма белков при избытке этих гормонов выражается в усиленном росте, увеличении массы тела. В ряде случаев, например, в период полового созревания, эти явления имеют физиологический характер. В других случаях (например, при опухоли гипофиза) могут развиться гигантизм и другие гиперпластические процессы. Недостаток анаболических гормонов (например, соматотропина) вызывает задержку роста у детей.

Катаболизм белков регулирует щитовидная железа (тироксин, трийод-тиронин). Корковые (глюкокортикоиды) и мозговые (адреналин) структуры надпочечников также принимают участие в этом процессе. Избыток этих гормонов усиливает распад белков в тканях, что сопровождается истощением и отрицательным азотистым балансом. Недостаток гормонов, например, щитовидной железы сопровождается ожирением.

Большое значение для здоровой жизнедеятельности имеют витамины. Это органические низкомолекулярные соединения, поступающие с пищей или синтезируемые в самом организме. Витамины не являются пластическим материалом и не участвуют непосредственно в энергетическом обмене. Вместе с тем, функции их многообразны, а недостаток или избыток приводит к серьезным нарушениям метаболизма.

Функции белка в организме

Белки в живых организмах выполняют множество важных функций. Поэтому в организмах существует множество различных белков.

Ферментативная функция белков заключается в том, что они служат катализаторами различных химических реакций, протекающих в организме. Ферментативную функцию по-другому называют каталитической. При катализе происходит ускорение химических реакций, причем это ускорение может быть даже в миллионы раз.

Белков-ферментов тысячи, каждый из них обслуживает свою химическую реакции или группу схожих реакций. По типу обслуживаемых реакций ферменты делят на классы. Например, оксидоредуктазы катализируют окислительно-восстановительные реакции, гидролазы обеспечивают гидролиз химических связей и т. д. Реакцию катализирует не вся молекула фермента, а только ее так называемый активный центр. Он включает часть молекулы, которая связывает субстрат (молекулу, которая подвергается превращению), и несколько аминокислот (часто не вместе расположенных), которые обеспечивают саму реакцию.

Белки выполняют структурную функцию. Они входят в состав клеточных мембран и органоидов, межклеточного вещества (белки коллаген и эластин), волос, ногтей и т. п. (кератин).

Двигательная функция белков заключается в сокращении мышц (актин и миозин), обеспечении движения клеток, их ресничек и жгутиков.

Существуют белки, которые обеспечивают перенос различных веществ как внутри клетки, так и по всему организму. Такие белки обеспечивают транспортную функцию. Они легко связываются с субстратом, когда его концентрация высока, и легко высвобождают его при низкой концентрации. К транспортным белкам относится гемоглобин. В легких он связывает кислород и высвобождает углекислый газ, а в тканях наоборот.

Ряд белков, входящих в состав мембран клеток, обеспечивают транспорт малых молекул через мембрану. Такой транспорт может быть как пассивным (белки-каналы), так и активным (белки-переносчики).

Регуляторная и сигнальная функции белков разнообразны. Многие внутриклеточные процессы (клеточный цикл, транскрипция и трансляция, активация или подавление активности других белков и т. д.) регулируются белками.

Многие гормоны — это белки, переносимые кровью. Когда гормон связывается с определенным рецептором, то клетка получает сигнал, в результате чего в ней запускается ответная реакция. Гормоны регулируют концентрации веществ, процесс роста, период размножения и др.

Клетки взаимодействуют между собой посредством сигнальных белков, которые передаются через межклеточное вещество. Например, такие сигналы могут стимулировать или подавлять рост клеток. Таким образом обеспечивается согласованность работы клеток той или иной системы органов.

Выделяют рецепторную функцию белков. Белки-рецепторы могут находиться как в цитоплазме, так и в мембранах. Когда на рецептор действует химическое вещество или физический стимул (свет, давление и др), то он изменяется. Это изменение молекулы передается в другие части клетки, посредством катализа определенной реакции, прохождения ионов или связывания молекул-посредников.

Защитная функция белков также весьма разнообразна. Коллаген и кератин обеспечивают не только структурную функцию, но и физическую защиту организма. Также физически организм защищают фибриногены и тромбины, свертывающие кровь в местах ранения (контакта с воздухом).

Белки обеспечивают химическую защиту, связывая и расщепляя чужеродные токсины или вырабатывая свои (для защиты от других организмов).

Защитными белками являются антитела, которые обезвреживают микроорганизмы и чужеродные белки. Так белки обеспечивают иммунную защита.

Если в организме возникает дефицит углеводов и жиров, то белки, распадаясь до конечных продуктов, могут выполнять энергетическую функцию.

Белки могут запасаться как источник энергии и источник аминокислот (например, в яйцеклетках). Это запасающая функция белков.

Консультации по рациональному, сбалансированному питанию и коррекции веса

Специалисты нашего Центра помогут Вам в подборе рациональной и сбалансированной схемы питания, исходя из индивидуальных особенностей и потребностей Вашего организма. Всем известно, что питание абсолютно необходимо для поддержания жизни. Наукой твердо установлены три функции питания.
Первая функция заключается в снабжении организма энергией. В этом смысле человека можно сравнить с любой машиной, совершающей работу, но требующей для этого поступления топлива. Рациональное питание предусматривает примерный баланс поступающей в организм энергии, расходуемой на обеспечение процессов жизнедеятельности.
Вторая функция питания заключается в снабжении организма пластическими веществами, к которым, прежде всего, относятся белки, в меньшей степени — минеральные вещества, жиры и в еще меньшей степени — углеводы. В процессе жизнедеятельности в организме человека постоянно разрушаются одни клетки и внутриклеточные структуры и вместо них появляются другие. Строительным материалом для создания новых клеток и внутриклеточных структур являются химические вещества, входящие в состав пищевых продуктов.
Наконец, третья функция питания заключается в снабжении организма биологически активными веществами, необходимыми для регуляции процессов жизнедеятельности. Ферменты и большинство гормонов — регуляторы химических процессов, протекающих в организме, — синтезируются самим организмом. Однако некоторые коферменты (необходимая составная часть ферментов), без которых ферменты не могут проявлять свою активность, а также некоторые гормоны организм человека может синтезировать только из специальных предшественников, находящихся в пище. Этими предшественниками являются витамины, присутствующие в продуктах питания. Сравнительно недавно появились данные о существовании еще одной  — четвертой функции питания, которая заключается в выработке иммунитета, как неспецифического, так и специфического. Было установлено, что величина иммунного ответа на инфекцию зависит от качества питания и, особенно, от достаточного содержания в пище калорий, полноценных белков и витаминов.
Питание должно быть рациональным, сбалансированным. Сколько химических веществ расходует организм взрослого человека в процессе жизнедеятельности, столько же должно поступать их с продуктами питания. Однако в процессе обмена одни вещества могут переходить в другие. При этом большинство из них может синтезироваться в организме, тогда как некоторые являются как бы исходными: они не могут синтезироваться и должны обязательно поступать с пищей. Отсюда все пищевые вещества делятся на заменимые и незаменимые. К последним относятся незаменимые аминокислоты (валин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан и фенилаланин), незаменимые  жирные  кислоты   (линолевая, линоленовая), витамины и минеральные вещества. В разработке сбалансированного питания особая роль отводится незаменимым факторам питания.
Рациональное питание должно основываться на теории сбалансированного питания и предусматривать правильный режим потребления пищи. Необходимо знать и соблюдать три принципа рационального питания: умеренность, разнообразие, режим приема пищи. Умеренность в питании не позволяет потреблять с пищей энергии больше или меньше, чем ее расходуется в процессе жизнедеятельности; разнообразие пищи в рационе с наибольшей степенью вероятности гарантирует поступление в организм всех незаменимых компонентов питания; определенный режим питания (время приемов пищи в течение дня, а также количество и качество пищи при каждом ее приеме) поддерживает аппетит в нужных рамках.

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАЦИОНАЛЬНОМУ ПИТАНИЮ ПРИ ЗАБОЛЕВАНИЯХ ПИЩЕВАРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ

 

 

 

 

 

При недорогой химической основе разнообразие материалов могло бы быть таким же безграничным, как и белки — ScienceDaily

Исследователи, надеющиеся разработать новые материалы для использования в энергии, разработали систему для производства синтетических полимеров — некоторые сказали бы, пластмасс — с универсальностью собственные полимеры природы, вездесущие белки. Эти синтетические полимеры, основанные на недорогом промышленном химическом веществе, однажды могут быть использованы для создания материалов с такими же безграничными функциями, как белки, которые задействованы во всех сферах жизни.

Отчет в Angewandte Chemie International Edition 14 марта исследователи раскрывают метод производства полимеров, которые имитируют белки в универсальности их сырых ингредиентов, и как эти ингредиенты соединяются вместе, образуя более крупную структуру.

«Белки представляют собой полимеры с заданной последовательностью и обладают целым рядом прекрасных функций», — сказал материаловед Джей Грейт из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики США. «Но натуральные материалы нестабильны.Это хорошо для природы, но если мы хотим стабильные, долговечные материалы, нам нужно создавать наши собственные полимеры с определенной последовательностью ».

Жизненные ценности

Белки составляют основу жизни: в живых существах они архитекторы и инженеры. Это гаечные ключи и машины, которые строят различные части организма, создавая эти части из других белков самых разных размеров и форм. Они образуют электростанции в клетках, управляют растениями, производят энергию и накапливают энергию. Они заставляют вещи расти, а также являются кирпичиками роста.

Из-за своей универсальности белки являются одними из любимых инструментов исследователей. Многие лекарства представляют собой модифицированные белки, такие как преобразованные антитела (например, лекарства, названия которых заканчиваются на -mab). Проблема, однако, в том, что белки также недолговечны. Природа создала их временными и пригодными для вторичной переработки. Любая среда, в которой находятся белки, полна вещей, часто других белков, которые их расщепляют.

Один из способов обойти этих мясников — создать материал, который ведет себя как белки, но на самом деле не является белком.С этой целью исследователи ищут материалы, имитирующие строительные блоки белков — аминокислоты. Аминокислоты придают белкам огромное разнообразие и универсальность.

Именно этим качествам пытаются подражать исследователи пластиковых белков. Аминокислоты бывают около 20 разновидностей. Каждый из них имеет одну и ту же основу, от которой отходит группа атомов, называемая боковой цепью, которая придает аминокислоте ее особую химическую характеристику. Аминокислотные скелеты соединяются вместе, как бусинки на нитке, а боковые цепи расположены в определенном порядке для каждого белка.

Но белки — это не жемчужные ожерелья. Бусинки складываются сами по себе, образуя структурированные объекты. Некоторые белки в конечном итоге выглядят как шары, некоторые — как заглавные буквы Y, другие — как оливковые венки.

Эти формы возникают из-за того, что боковые цепи и скелет белка прилипают к другим боковым цепям, а участки скелета, такие как Post-Its, прикрепляются друг к другу. Складывание и приклеивание очень специфичны, как у оригами, что приводит к определенной структуре, а не к запутанному беспорядку.

Тройки

Grate необходимы три вещи для имитации белков: сырые компоненты с основой, способной поддерживать большое количество боковых цепей; возможность расставить боковые цепи в определенном порядке; липкость, которую химики называют нековалентными связями.

Он работал с промышленным химическим веществом, называемым хлорид циануровой кислоты, для несвязанных целей, но его понимание его химических свойств заставило его подумать, что это может быть хорошей отправной точкой.Цианур хлорид — это молекула, которая может быть расширена в трех удобных местах. Два из них могут соединяться вместе, как два человека, держась за руки, образуя основу. Третий может содержать боковую цепь. В итоге Грейт назвал полученную молекулу полимером на основе триазина, или сокращенно TZP.

Хотя такой полимер будет невосприимчивым к разрушающим белки объектам, Грейт ожидает, что другие факторы окружающей среды, такие как бактерии, будут разрушать его, исходя из химической природы TZP. Так что материала хватит, но не навсегда.

Идея в руках, химик Grate и PNNL Кай-Фор Мо должен был разработать способ синтеза TZP. Они сделали множество мономеров, добавив различные боковые цепи к хлориду циануровой кислоты, при этом каждый мономер представляет собой единый строительный блок, аналогичный аминокислоте. Для этого исследования они создали пять различных боковых цепей. Затем они обнаружили, что могут добавлять по одному мономеру относительно просто, изменяя температуру, при которой они проводят химические реакции, среди других трюков синтеза.

После синтеза полимеров длиной в шесть мономеров, на языке полимеров названного 6-мерным, исследователи проверили свои творения.Они использовали аналитические инструменты, чтобы показать, что полимеры были правильного размера, имели правильные боковые цепи и боковые цепи были в правильном порядке. Они также синтезировали 12-мер, чтобы показать, что этот метод работает с более длинными полимерами.

Чтобы увидеть, будут ли TZP сворачиваться аналогично белкам, компьютерный ученый PNNL Майкл Дейли смоделировал небольшие TZP, по отдельности и взаимодействующие друг с другом. Шестимер аккуратно сложен пополам, образуя прямой стержень длиной три мономера и шириной два мономера, как шпильку.Точно так же две 3-мерки выстроились в одну линию друг с другом, частично переплетаясь, как застежка-молния.

Липкость, удерживающая эти «наностержни» вместе, была нековалентной связью между атомами основной цепи, теми же типами связей, которые природа использует для того, чтобы белки принимали правильную форму. И подобно белковым структурам, боковые цепи TZP были расположены в определенных положениях вокруг стержней снаружи, образованных взаимодействиями скелет-скелет.

Следующим шагом будет создание более крупной библиотеки боковых цепей, количество которых пока равно десяти.Затем они должны сделать полимеры большей длины и показать, что они действительно принимают полезные формы. Как только исследователи поймут правила получения определенных форм с помощью TZP, которые также собираются в более крупные структуры, они могут разработать материалы с желаемыми функциями — например, мембрану для батареи, катализатор для топливного элемента или даже терапевтический препарат. .

Работа поддержана ПННЛ.

Пластичность белка и ее роль в клеточных функциях

1. Введение

Открытие белков, которые функционируют без четко определенной третичной структуры, бросило вызов парадигме «последовательность-структура-функция».Поскольку третичная структура белка обычно достигается за счет фолдинга, было исследовано, что большая часть белков не опосредует фолдинг из-за отсутствия достаточного количества гидрофобных аминокислот и функционирует в неупорядоченном состоянии [1,2]. Следовательно, эти белки составляют (~ 40%) протеома эукариот, известные как внутренне неупорядоченные белки (IDP), и хорошо функционируют, не достигая определенной третичной структуры [3–6] и [7–9]. In vitro , IDP обогащены в областях с большим количеством аминокислот, способствующих полярному нарушению, и обеднены аминокислотами, способствующими упорядочению, следовательно, демонстрируя большую конформационную пластичность [10].Картина распределения чистого заряда и низкая средняя гидрофобность характеризуют их полностью протяженную конформацию (альтернативно, положительно и отрицательно заряженные остатки) или компактную глобулу, частично сложенную конформацию (участки положительно и отрицательно заряженных остатков) или где-то посередине [11–13].

Структурная гибкость IDP играет множество ролей в регуляции клеточных процессов, таких как передача сигналов, регуляция транскрипции, формирование агрегатов, конденсация ДНК, процессинг мРНК и апоптоз [14].В окислительных условиях желательно, чтобы по крайней мере два цистеина образовали дисульфидный мостик для сворачивания, обеспечивающий правильное функционирование белка. Белки, содержащие цистеины в норме, считаются находящимися в упорядоченной области. Тем не менее, остатки цистеина в неупорядоченных областях белков являются исключительными, и их разнообразные роли, функции и конформационная гетерогенность из-за пластичности не очень хорошо изучены. Вот некоторые из общих черт ВПЛ.

2. Сворачивание и разворачивание белка

В ответ на специфические изменения окружающей среды, такие как стресс, лиганд (ы) и при связывании с различными партнерами по взаимодействию, IDP претерпевают конформационные изменения от порядка к беспорядку и / или от беспорядка к порядку [ 15–17].Они имеют тенденцию подвергаться индуцированному связыванием сворачиванию или оставаться значительно неупорядоченными при связывании с другим белком, что приводит к образованию гетерогенных «нечетких» комплексов [18,19]. IDP обладают огромным потенциалом для взаимодействия и управления множеством связывающих клиентов одновременно, принимая разные конформации, что интересно, эта структурная пластичность и адаптивность, по-видимому, являются эволюционно консервативными характеристиками, поскольку многочисленные исследования показывают, что любые изменения / мутации в изначально неупорядоченных областях (IDR) будут приводят к нейродегенеративным заболеваниям и раку [20–22].

3. Гибкие связывающие сегменты повышают пластичность

Различные белки-клиенты сливаются с мотивами IDP, обеспечивая конформационную гетерогенность функционально беспорядочным образом. Полученные белки могут иметь упорядоченные и неупорядоченные области в различных стехиометрических соотношениях, которые синергетически повышают их функциональную универсальность. Конформационная пластичность гибких связывающих сегментов на IDP действует как молекулы распознавания для ДНК (белок лейциновой молнии-GCN4), РНК (рибосомные белки e.g., L11-C76) и белок [23,24]. Белки, генерируемые слиянием IDP, могут гомо-, гетеродимеризоваться и / или мультимеризоваться посредством само- и поливалентных взаимодействий, активироваться и процессироваться благодаря вновь созданным сайтам для модификации. Их активация модулируется сложными посттрансляционными модификациями (PTM), которые включают дифференциальный сплайсинг или фосфорилирование в определенных сайтах и ​​/ или рекрутирование в гибридные активационные комплексы. Мотивы или сайты PTM, встроенные в IDR, могут влиять на критические клеточные процессы, увеличивая сложность и фенотипы во время эволюции по сравнению с упорядоченными структурами.

4. Передача сигналов и регуляция

IDP участвуют в передаче сигналов белков, киназ и регуляторных сетей в форме факторов транскрипции и факторов сплайсинга [25,26]. Разнообразный PTM остатков в IDR облегчает регуляцию функции белка путем кодирования и декодирования информации [27,28]. Эти уникальные свойства поддерживают выполнение регуляторных и сигнальных функций. Сплайсинг неупорядоченных сегментов без воздействия на структурированный домен (ы) может иметь важные последствия в ремоделировании сигнальных и регуляторных сетей во время развития.Эта пластичность альтернативного сплайсинга может привести к появлению новых белков между разными организмами.

5. Образование агрегатов

IDP имеют общую тенденцию трансформировать свое растворимое состояние в нерастворимые высокоструктурированные агрегаты или фибриллы. Агрегация в таких сценариях создает микроскопическую организацию внутри клетки как в физиологических, так и в патологических условиях, образуя структуры более высокого порядка, имеющие особые модификации и взаимодействия. Обратимые / необратимые агрегаты могут мешать сигнальным путям при патологических состояниях. E.грамм. образование фибрилл в прионном белке на N-конце [29].

6. Внутренне неупорядоченные белки (IDP) как окислительно-восстановительный датчик

Гибридные белковые комплексы, образующиеся, когда внутренне неупорядоченные цистеиновые области белков взаимодействуют с множеством партнеров по связыванию. Некоторые из продемонстрированных молекулярных переключателей действуют как окислительно-восстановительные сенсоры, что может представлять особый интерес для читателя.

6.1. Селенопротеины S (SeS)

Селенопротеины S (SeS), однопроходный трансмембранный фермент (21 кДа, 189 остатков), содержащий редкую аминокислоту селеноцистеин (Sec), участвует во многих важных критических процессах в клетке, обеспечивая первую линию система антиоксидантной защиты путем прямой детоксикации реактивных видов, регулирования окислительно-восстановительных путей на основе серы, воспаления, передачи сигналов, притока кальция и поддержания внутриклеточного окислительно-восстановительного гомеостаза посредством регуляции стресса [30,31].Интересно, что перемещение неправильно свернутых белков из ER в цитоплазму для деградации также требует SeS. In vivo , SeS синтезируется собственной специальной тРНК [сек] . Высококонсервативный элемент последовательности вставки SEC «стебель-петля» (SECIS) в 3 ’UTR присутствует на мРНК селенопротеина, который необходим для распознавания UGA, который функционирует как Sec-кодон, а не как стоп-кодон [32]. SECIS модулируется двумя дополнительными филогенетически консервативными структурами «стебель-петля».

SeS содержит короткий сегмент (27 остатков), расположенный в просвете ЭР, с расширенным сегментом (132 остатка) в цитоплазме [33]. ЯМР-спектроскопия показывает, что C-концевой домен Sec (области 123-189) по своей природе неупорядочен. в окисленном и восстановленном состояниях и обогащены заряженными и полярными остатками, такими как глицин, пролин и лизин плюс остатки аргинина в 21%, 10% и 19% соответственно [31,34,35]. Внутримолекулярная селенилсульфидная связь образуется в неупорядоченной области между Cys 174 и Sec 188 , которая восстанавливается тиоредоксин и тиоредоксинредуктазами, демонстрируя потенциал восстановления -234 мВ [36].Исследование Christensen et al. (2012) предполагают, что остатки 163–189 содержат элементы распознавания субстрата, которые взаимодействуют с клеточным редокс-регулятором, таким как тиоредоксин [34]. SeS представляет собой разнообразный каркасный белок, чья трансмембранная (TM) спираль и спиральная область несут две протяженные α-спирали, которые ответственны за гомо / гетеро-олигомеризацию, а также опосредуют межбелковые взаимодействия [37]. Пластичная природа SeS делает его пригодным для слияния с 200 белками-партнерами, включая олигосахарилтрансферазу, мультисинтетазу и комплексы ядерных пор [37].Эта обширная сеть взаимодействий играет ключевую роль в регулировании формы ER, метаболизма липидов, а также в управлении липидными каплями, поскольку любой дефект в регуляции может привести к раку, воспалению, аутоиммунным заболеваниям щитовидной железы, сердечно-сосудистым заболеваниям, нарушениям обмена веществ и диабету [38–1]. 45]. Считается, что SeS также участвует в сигнальных путях PI3K / Akt, модулируя экспрессию киназ, однако механизм в значительной степени неизвестен [44].

Являясь частью комплекса ERAD, этот мембранный белок содержит мотив взаимодействия p97-АТФаза-валозин-содержащий белок (VCP) (остатки 78-88), который индуцирует связывание с p97, что, в свою очередь, обеспечивает энергию для расщепления и вытягивания протеасомы неправильно уложили белки в цитоплазму, тем самым увеличивая выживаемость клеток за счет нейтрализации стресса ER [42,46].Конформация этой области остается беспорядочной даже при связывании с p97. Сек образуют мультимерные комплексы также с дерлином 1 и 2 (компоненты предполагаемого канала ERAD), UBXN 8 вместе с дерлином-1 контролирует деградацию липидированного аполипопротеина B-100, UBXN 6 связывает p97 с мембраной ER, вспомогательный белок VCP, фактор конъюгации убиквитина E4A (UBE4A), участвующий в удлинении мультиубиквитиновой цепи, келч-содержащий белок 2 (KLHDC-2, HCLP-1), который участвует в регуляции фактора транскрипции LZIP и селенопротеина K, фермента с неизвестной функцией [47–51] .Многочисленные исследования показали, что SelS-зависимые защитные механизмы при депривации глюкозы (голодание), обработке клеток туникамицином (ингибитор N-гликозилирования) и тапсигаргином (блокатор Са2Þ-АТФазы) [52,53]. SelS активирует и защищает ER от стресса, поскольку агрегаты неправильно свернутых белков накапливаются в ER из-за недостаточного гликозилирования и образования неспецифических дисульфидных связей и истощения Ca2 +. Одно исследование показало, что SelS подавляется в печени, жировой ткани и скелетных мышцах при диабете типа II Psammomysobesus на животной модели [45].

6.2. Беклин 1 (BECN1) опосредует

Беклин 1 обеспечивает различные биологические процессы, такие как защита, развитие, апоптоз, иммунитет, сортировка белков, транспортировка, подавление опухоли и увеличение продолжительности жизни. Белок BECN1 состоит из четырех доменов; IDR, содержащий домен гомологии Bh4 (Bh4D), гибкий спиральный домен (FHD), домен спиральной спирали (CCD) и β-α-повторяющийся домен, специфичный для аутофагии (BARAD). Каждый домен опосредует IDR, наделив его специфической функцией с высокой специфичностью и обратимостью, тем самым позволяя им контролировать передачу сигналов, транскрипцию, рекрутирование и трансляцию белков [5].BECN1-IDR обогащен полярными заряженными аминокислотами, вызывающими нарушения (51%), глицином (6%) и пролином (6%). Гетероядерная одиночная квантовая когерентность (HSQC, 2D-ЯМР) показала, что остатки (1–150) в последовательности BECN1 неупорядочены (Рис. 2), когда четыре цистеина инвариантных мотивов CXXC и CXD / EC были мутированы в серины [54]. BECN1-IDR состоит из множества связывающих мотивов, включая якорные области и эукариотические линейные мотивы (ELM), которые являются сайтами PTM, чтобы регулировать конформационные изменения и взаимодействия [55].BECN1-IDR содержит четыре области привязки, где четвертая привязка простирается в FHD. После связывания с партнерами функции молекулярного распознавания (MoRF) в первых двух якорных областях претерпевают переходы от беспорядка к спирали, тогда как третья якорная область, Bh4D (остатки 105-130), разупорядочивается и складывается в спираль при связывании с многочисленные гомологи BCL2 [58,59].

Рисунок 1. Обнаружение

IDR человеческого селенопротеина (SeS) с помощью программного обеспечения FoldIndex [84]

Рисунок 2. Обнаружение

IDR человеческого Beclin-1 с помощью программного обеспечения FoldIndex [84]

6.3. Гранулины (GRN)

Програнулин (PGRN, 68 кДа, гликопротеин) состоит из сигнального пептида с повторами мотивов, богатых цистеином. Протеолиз PGRN эластазой и внеклеточными протеазами дает несколько фрагментов, называемых гранулинами (6-25 кДа) [60,61]. Уникальное небольшое семейство (1-7) белков GRN (∼6 кДа), образующих 6 внутримолекулярных дисульфидных связей, содержит 12 консервативных цистеинов высокой плотности, составляющих (20%) всех аминокислотных остатков. Положение цистеинов во всех GRN имеет по одному цистеину как на C-, так и на N-концах [62].Разнообразные роли GRN включают заживление ран, эмбриональный рост, воспаление и небольшой дефект в их регуляции, приводящий к нейродегенеративным расстройствам [62]. Интересно, что гранулины проявляют антагонистическую функцию, например, GRN-4 способствует пролиферации в линии эпителиальных клеток A431, в то время как GRN-3 ингибирует рост. GRN-3, регулирующий различные склонности к нарушениям (рис. 3), при низкой концентрации является мономерным (восстановленным от), и наоборот, он испытывает при высокой концентрации димеризацию с образованием «нечеткого» комплекса без определенной структуры (отличительный признак некоторых ВПЛ) ​​[63].В клетках нейробластомы человека GRN-3 (восстановленная форма) активирует NF-κB зависимым от концентрации образом, и устранение дисульфидных связей приводит к нарушению порядка в белке, что диктует важность дисульфидных связей для определения общей конформации белка и динамики мономер-димер [64 ]. Нативная окисленная форма GRN-3 имеет нерегулярную конформацию (петли), связанные вместе только дисульфидными связями, не имеет регулярной вторичной структуры, которая индуцирует заметную термическую и структурную стабильность белка, обеспечивая исключительную адаптацию IDP [63].

Рисунок 3. Распознавание

IDR изоформы 3 гранулинов человека с помощью программного обеспечения FoldIndex [84]

6.4. Цистатионин-β-синтаза (CBS)

CBS входит в большое семейство пиридоксаль-5’-фосфат-зависимых ферментов типа II, которые регулируются газами, особенно связанными с CO, NO и гемовым компонентом. При изменении окислительно-восстановительного состояния клетки гем действует как сенсор, изменяя ферментативную активность. Кроме того, он участвует в выработке клетками газопередатчика H 2 S, а также отвечает за метаболизм серы [65–67].Аберрантная функция CBS описана при различных патологических состояниях, таких как нейродегенеративные и сердечно-сосудистые заболевания, а также при раке, что делает его интересной лекарственной мишенью [68,69]. CBS содержит гем-связывающие мотивы (HBM) или гем-регуляторные мотивы (HRM) на N-конце (остатки 1–70), за которыми следует высококонсервативное каталитическое ядро ​​и регуляторный домен C-конца. Канонический гем умеренно связан временными взаимодействиями с C-52 / H-65. Однако первые 42 остатка отсутствовали в рентгеновских структурах CBS, и это усечение снижает, но не отменяет активность фермента.ЯМР-спектры показывают, что N-концевые остатки (1-42) составляют внутренне неупорядоченную область (IDR), которая взаимодействует и вносит вклад в неканонический сайт поглощения гема. Сайт связывания гема в CBS в положении C-15 / H-22 увеличивает эффективность CBS прибл. 30% за счет предоставления вторичного независимого сайта связывания, ведущего к гексакоординированному комплексу, который может действовать как пусковой механизм для других взаимодействий белков [70,71]. Этот сайт может быть привлекательной мишенью для лекарств, не теряя при этом всей биологической роли [72].

6.5. A2B2-GAPDH

Инактивация цикла Кальвина у наземных растений в ночное время контролируется глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназой (GapAB) и CP12. Дупликация гена в GapA привела к образованию изоформы GapB, которая отличается от GapA специфическим C-концевым удлинением (CTE), полученным от CP12. Этот CTE отвечает за тиоредоксин-зависимую регуляцию света / темноты. Субъединица GapB GAPDH и другие белки могут регулироваться с помощью их IDR (Рисунок 5) [73]. При окислении дисульфидный мостик образуется двумя остатками цистеина CP12-подобного хвоста, где сайт связывания кофактора NADP блокируется из-за E362 (остаток глутамата) в активном центре и стабилизируется электростатическим взаимодействием с R77 (остатком аргинина).Следовательно, A2B2-GAPDH NAPDH-зависимая активность ингибируется из-за того, что NADPH не может приблизиться к каталитическому сайту [74]. При восстановлении, во время перехода ночь-день, дисульфидный мостик восстанавливается тиоредоксином f (TRX), поддерживая С-концевое удлинение в активный сайт. Таким образом, высвобождение CP12-подобного хвоста и возобновление активности A2B2-GAPDH [74].

Рисунок 4. Обнаружение

IDR человеческой цистатионин-бета-синтазы (CBS) с помощью программного обеспечения FoldIndex [84]

Рисунок 5.

IDR хлоропластической формы глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназы B Spinacia oleracea B, обнаруженной с помощью программного обеспечения FoldIndex [84]

6 .6.

Bdellovibrio bacteriovorus Bd0108 белок

Bdellovibrio bacteriovorus , хищная дельта-протеобактерия, подвергается двум типам клеточных делений в зависимости от условий окружающей среды; независимые от хозяина (HI, редко) и зависимые от хозяина (HD, обычно). Рост HI происходит на богатой белком среде (в отсутствие клеток-жертв из-за подавления генов HD), в то время как в состоянии HD он инфицирует и питается грамотрицательными ( Escherichia coli, Salmnonella, Pseudomonas auroginosa ) и грамположительными патогенными штаммами ( Staphlococcus aureus ), следовательно, может быть потенциальным кандидатом в биотехнологии для борьбы с патогенами человека, действуя как противомикробный агент [75].Примечательно, что исследования показывают, что механизм переключения между образами жизни HI и HD управляется IDP, Bd0108, критическим для регуляции пилуса, передачи сигналов хищника и выживания [76]. Bd0108, мономерный белок (101 остаток), необходим для образования ворсинок типа IVb и помогает в связи с грамположительными / отрицательными бактериями для последовательной инвазии [77,78]. Пили типа IV и связанные с ними регуляторные гены (Bd0108 и Bd0109) функционируют при конъюгации, секреции белков на поверхности и клеточной адгезии [79,80].Мутантные штаммы Bd0108 не имеют ворсинок, не могут проникать в жертву, имеют дефицит в стадии HD и трансформированы в цикл HI [78,81,82]. Считается, что сигнал режима роста посылается посредством экструзии / ретракции пилуса в зависимости от экспрессии Bd0108 для проникновения внутрь бактерий или не указывает на то, что IDP играют решающую роль в жизненном цикле организма, что является заслуживающим внимания расширением функций IPD [78].

Последовательность Bd0108, N-концевой участок (24-66 остатков), состоит из 8 из 10 гидрофобных остатков и демонстрирует множество консервативных заряженных и полярных аминокислот, которые могут находиться в нескольких состояниях.В ходе клеточного цикла HD, потенциальный регуляторный «нечеткий» комплекс пилуса формируется между Bd0108 (N-концевой регион) и его партнером по связыванию Bd0109, который помогает в хищничестве [19]. Исследования ЯМР и КД показали, что Bd0108 существует в растворе почти исключительно в виде случайной спирали и сохраняет внутренне неупорядоченную природу при связывании с Bd0109 (рис. 6). Он показал склонность конформационной пластичности от случайного клубка к α-спирали в его ядре (56–66 остатков), показывая окисленную тиольную группу и образование дисульфидной связи C-56 / C-59.Четыре положения (мотив CXXC) ответственны за разделение этих остатков, и их боковые цепи будут появляться рядом на одной и той же поверхности α-спирали, что указывает на функцию дисульфида Bd0108 в качестве якоря при встрече с неизвестным партнером по связыванию. В случае E. coli, когда Bd0108 и -09 коэкспрессируются, они имеют тенденцию локализовать периплазматические области, которые ощущают добычу, а также систематизируют элементы механизма проникновения хищников [78,83].

Рис. 6.

IDR для B. bacteriovorus (Bd0108), созданного программой FoldIndex [84].

Классификация редокс-активных IDP по механизму действия

i). Удаление переходных металлов (Zn, Fe, Ni, Cu), например, Hsp-33

ii). Реорганизация частей белков

iii). Структурные и конформационные изменения (GAPDH / CBS / SeS)

Также возможно, что у отдельного IDP может использоваться более одного способа действия, поскольку они ведут себя по-разному в постоянно меняющихся и сложных условиях внутри клетки. Благодаря своей структурной гибкости IDP могут принимать определенную форму в зависимости от взаимодействующих партнеров и могут претерпевать конформационные изменения, которые наделяют их разнообразными функциями в соответствии с требованиями клетки.Важно, с кем они связываются, поскольку это изменяет структуру и функцию белка, кроме того, постоянные IDR клеточного движения облегчают взаимодействие с другими белками.

химия как динамическая дисциплина

АВСТРАЛИЯ 2025: Как наука решит проблемы будущего? В сотрудничестве с главным ученым Австралии Яном Чаббом мы спрашиваем, какой вклад каждая научная дисциплина внесет в Австралию сейчас и в будущем. Написанные авторитетами и сопровождаемые двумя комментариями экспертов, чтобы обеспечить более широкую перспективу, эти статьи выходят раз в две недели и посвящены каждой из основных научных областей.Сегодня мы посмотрим, как химия повлияет на нашу жизнь.

Химия — важнейшая из научных дисциплин, лежащая в основе физического, материального и биологического мира. Возможностей в области химии предостаточно, поскольку большинство крупных достижений происходит на стыке двух или более дисциплин, а химия лежит в основе трансдисциплинарных исследований.

Большинство научных исследований и разработок носят глобальный и совместный характер. Чтобы Австралия продолжала оставаться процветающей страной и получать дивиденды от горнодобывающего бума, мы должны создавать богатство с помощью изобретений и инноваций, и мы должны рассматривать создание национального богатства с помощью изобретений и переводов как глобальное предприятие.

Химия начала спасать жизни, когда были изобретены фармацевтические препараты. Катастрофическую угрозу со стороны болезней в будущем будут представлять штаммы патогенов, у которых развивается устойчивость к противомикробным препаратам.

Безопасная и процветающая Австралия станет той страной, в которой мы удвоим наши усилия, чтобы изобрести новые антибиотики для уничтожения обычных бактерий, а также появляющихся устойчивых к лекарствам штаммов туберкулеза. Не слишком фантастично представить новый класс антибиотиков, использующий систему доставки, которая проникает в бактериальные клетки, несущие встроенную боеголовку, которая взрывается и разрушает клеточную стенку, уничтожая бактерию.

На многие виды рака влияет способ взаимодействия ключевых белков в живых организмах. В будущем мы можем ожидать продолжения разработки противораковых препаратов, состоящих из молекул, которые ингибируют определенные взаимодействия белков.

Это совершенно новый подход в борьбе с раком, как и использование систем доставки на основе специальных полимеров; они могут нести токсичное противораковое лекарство специально к требуемой точке воздействия, где они распознают опухолевые клетки, которые могут быть уничтожены при высвобождении лекарства, не затрагивая при этом другие неопухолевые клетки.

Flickr / El Bingle, CC BY-NC

Ответ раковых клеток на химиотерапию варьируется от человека к человеку. Теперь возможно секвенировать человеческие гены отдельных людей, и это во многом зависит от методов аналитической химии в сочетании с биологическими подходами.

Возможность дешево и эффективно проводить секвенирование генома будет зависеть от изобретения новых методов чтения генетического кода на длинных цепочках ДНК.Одним из многообещающих подходов является использование белковых нанопор или специально синтезированных пористых макромолекулярных систем, поры которых позволяют проходить только цепям ДНК.

По мере того, как каждая основа ДНК проходит через пору, она «считывается» встроенными оптическими или электрическими нанодетекторами / транзисторами, которые позволяют быстро и эффективно записывать последовательность цепи.

Получение такого огромного количества данных и способность соотносить информацию с болезненными состояниями у людей будет зависеть от тесного взаимодействия химиков со статистическими биологами и биоинформатиками (так что химикам также потребуется хорошая математическая подготовка).

Это тот вклад, который химия внесет в здравоохранение в Австралии, при условии, что сейчас мы инвестируем в обучение и способы воплощения идей в коммерческие продукты.

Электроника нового поколения

В моей области полимеров химия в сочетании с физикой и материаловедением произвела революцию в нашем понимании пластмасс.

В настоящее время появляется целая новая область «пластиковой электроники», в которой специализированные пластмассы (так называемые полупроводниковые полимеры) могут заменить традиционные полупроводниковые материалы, такие как кремний, в качестве транзисторов и в качестве активного материала в плоских дисплеях (ТВ экраны, дисплеи ноутбуков и смартфонов), а также множество других «умных» устройств.

Эти материалы уже присутствуют в некоторых из самых больших цветных телевизоров, представленных в прошлом году на ежегодной выставке бытовой электроники в Лас-Вегасе.

Flickr / robpegoraro, CC BY-NC-SA

Вскоре мы сможем печатать гибкие солнечные элементы (так же, как мы печатаем еще одно великое австралийское изобретение — полимерную банкноту), которые можно вшивать в одежду и использовать их в качестве дешевых портативных источников энергии для подзарядки мобильных устройств.

Я мечтаю, чтобы массивы большой площади в конечном итоге обеспечили нашу страну значительным объемом возобновляемой электроэнергии.

Возвращаясь к транзисторам, представьте себе гибкую пластиковую внутреннюю облицовку шлема, полную транзисторов, которые могут обнаруживать и контролировать работу мозга в режиме реального времени, когда спортсмен (например, игрок в крикет-тест или игрок AFL) получает серьезный и разрушительный удар по черепу.

Мы не будем просто ждать, чтобы унести их с поля, когда они не могут сказать, какой сегодня день. Мы сразу узнаем, какие части мозга могут не функционировать должным образом после травмы. Это область гибкой электроники, которую изобретут химики.

Появятся приложения, которые изменят жизнь, точно так же, как изменения в нашей жизни, произошедшие с появлением мобильных устройств за последние десять лет. При соответствующих инвестициях и просчитанном риске Австралия может стать «Хозяином Вселенной» с помощью умной химии.

Какие технологии традиционно делали Австралию богатой? Исторически мы были сильной аграрной нацией. Хорошее сельское хозяйство зависит от многих факторов, включая почвенные и климатические условия.Химики будут продолжать изобретать безопасные и эффективные гербициды и пестициды, но в будущем они будут интегрированы с генетически модифицированными организмами, так что конкретная угроза будет побеждена, не затрагивая окружающую экосистему.

В последнее время в австралийском экспорте преобладала горнодобывающая промышленность. Для извлечения ключевых химических элементов из рудных тел используется «процесс пенной флотации», первоначально разработанный в Австралии и исследованный исследователем поверхности сэром Яном Варком из CSIRO.

Однако во всех горнодобывающих отраслях используется огромное количество воды. Мое видение будущего химии заключается в развитии безводной горнодобывающей промышленности (а также другого химического производства), в которой используются процессы твердотельного химического разделения, возможно, в сочетании со сверхкритическими жидкостями, такими как диоксид углерода или другие безвредные растворители.

Энергия и эффективность

Flickr / Status Frustration, CC BY-NC-SA

Это подводит нас к теме энергетики.Сжигать углеродное топливо для производства энергии было бы не так уж плохо, если бы мы могли эффективно улавливать образующийся углекислый газ и преобразовывать его обратно в углеводородные продукты, такие как метан и дизельное топливо.

Это две великие проблемы для химии. Химики работают над улавливанием углекислого газа из выбросов дымовых газов, используя улавливающие амины агенты для образования карбаматов, но нам предстоит еще долгий путь. Это должно быть на 100% эффективным, и полученный продукт должен иметь возможность выделять диоксид углерода в подходящее хранилище, не потребляя слишком много энергии.

Затем мы должны изобрести способы превратить углекислый газ обратно в метан. Для этого требуется водород и превосходный катализатор или электричество, потому что с точки зрения энергетической шкалы углекислый газ находится внизу Эвереста, а метан — наверху.

Водород должен быть получен в результате использования солнечного света (фотохимия) и катализатора для разделения воды на водород и кислород.

Человечество еще не решило эту проблему, хотя Природа делает это посредством фотосинтеза, на удивление не очень эффективно, но, безусловно, достаточно хорошо, чтобы поддерживать жизнь на Земле в течение миллиардов лет.Задача для химиков, но мы ее сделаем!

Мы сможем достичь этих целей только в том случае, если мы также признаем необходимость вдохновлять молодых людей на получение широкого научного образования с возможностью стать практикующими химиками.


Марк Бантин, профессор химии в Кертинском университете

Способность химии вносить устойчивый вклад в качество нашей жизни через общество, основанное на знаниях, в решающей степени зависит от поддержки нашей страной фундаментальных (или фундаментальных) исследований.Это фундаментальное исследование — исследование, продвигающее наше понимание мира природы само по себе, — которое лежит в основе достижений высоких технологий в прикладных областях, включая биомедицины и науки о материалах.

Фундаментальные исследования имеют долгую историю, приводящую к неожиданным технологическим достижениям. Фундаментальные исследования, направленные на разработку радиолокационных технологий во время Второй мировой войны, привели к развитию ядерного магнитного резонанса (ЯМР — основной метод, используемый химиками для определения структуры молекул), а затем и магнитно-резонансной томографии (МРТ — все более широко используемый метод медицинской диагностики) .

В 1888 г. появились первые сообщения об уникальных свойствах жидких кристаллов. Поведение этих «странных» соединений оставалось предметом исследования до 1970-х годов, когда они нашли свое применение в дисплеях портативных калькуляторов. В настоящее время жидкие кристаллы были разработаны и синтезированы химиками для широкого использования в приложениях, включая тепловые датчики, настраиваемые светофильтры и переключаемые окна.

Flickr / benchilada (обрезано)

Теоретические предсказания, сделанные Эйнштейном в первые годы 20-го века, привели к появлению лазеров, вызванных любопытством, в начале 1960-х годов и их последующему использованию в качестве инструмента исследования в физике, химии и биологии.

Сегодня лазеры повсеместно используются дома и в офисе (проигрыватели компакт-дисков, DVD и Blu-ray и сканеры штрих-кода), в медицинских процедурах (глазная и сосудистая хирургия, лечение рака и удаление татуировок) и во многих промышленных процессах (лазерная резка, сварка, правка и печать).

Химия — увлекательная дисциплина, которая и дальше будет вносить весомый вклад в научный, экономический и культурный прогресс Австралии.

Поддержка исследований, движимых любопытством, сегодня является критически важным элементом обеспечения технологического прогресса завтра.


Дженни Мартин, лауреат премии ARC в Университете Квинсленда

К 2050 году население планеты увеличится с семи миллиардов до девяти миллиардов. Этот рост принесет огромные проблемы — а также возможности для умной страны.

Как мы будем решать проблемы, например, сокращение запасов энергии, продовольственная безопасность, изменение климата, квантовые вычисления, устойчивость к антибиотикам и старение, будет зависеть от того, как мы инвестируем в наши самые умные таланты и как мы ценим и поддерживаем науку, особенно химию, науку материи.

Чтобы развивать в будущем разнообразную экономику с использованием дорогостоящих товаров и услуг, нам нужно сейчас инвестировать в химию на стыке биологии, физики и нанотехнологий.

Сэр Лоуренс Брэгг.
Нобелевский фонд

В этот Международный год кристаллографии ЮНЕСКО нам также следует отметить генераторов знаний в Австралии. Кристаллография, область науки, которая раскрывает саму атомную структуру вещества, настолько тесно связана с химией, что с 2003 года получила шесть Нобелевских премий по химии.

Большинство австралийцев не знают, что кристаллография была частично основана нашим первым лауреатом Нобелевской премии Лоуренсом Брэггом. Ему было 25 лет, когда он был удостоен этой награды, и он остается самым молодым лауреатом в истории. Кроме того, кристаллография может похвастаться богатой историей женщин-пионеров, в том числе двух из четырех женщин-лауреатов Нобелевской премии по химии.

Австралия больше не может позволить себе полагаться на накопление богатства за счет того, что мы копаем из земли. Основанные на знаниях отрасли производства новых видов топлива, продуктов питания, умных продуктов и материалов будут иметь важное значение для сильной, процветающей, здоровой и безопасной Австралии.Чтобы достичь этого, нам нужно думать по-умному. Наиболее важно то, что нам нужно инвестировать в все наши лучшие химические таланты — как женщин, так и мужчин, — чтобы обеспечить наше конкурентное преимущество. Наше будущее зависит от этого.


Эта статья является частью серии «Австралия 2025: умная наука», опубликованной совместно с Управлением главного ученого.
Дополнительная литература:
Будущее Австралии зависит от сильного научного внимания сегодня
Физика: фундаментальная сила безопасности в будущем
Оптимизация будущего с помощью математики
Австралия может способствовать росту и процветанию с помощью биологии
Здоровое будущее? Давайте поместим медицинскую науку под микроскоп
Новаторские науки о Земле для умной и удачливой страны
Чтобы достичь звезд, Австралия должна сосредоточиться на астрономии
Морская наука: проблемы для растущей «голубой экономики»
Строить нацию будет невозможно без инженеров
У Австралии есть таланты в области ИКТ — так как же нам извлечь из них максимальную пользу?
Сельское хозяйство в Австралии: рост больше, чем наше будущее сельского хозяйства

Как определить и изучить структурные белки как биополимерные материалы

  • 1.

    Askarieh G, Hedhammar M, Nordling K, Saenz A, Casals C, Rising A. et al. Самосборка белков паучьего шелка контролируется pH-чувствительным реле. Природа. 2010; 465: 236–8.

    PubMed
    CAS

    Google Scholar

  • 2.

    Hagn F, Eisoldt L, Hardy JG, Vendrely C, Coles M, Scheibel T. et al. Консервативный домен паучьего шелка действует как молекулярный переключатель, который контролирует сборку волокна. Природа. 2010; 465: 239–42.

    PubMed
    CAS

    Google Scholar

  • 3.

    Цучия К., Нумата К. Химический синтез мультиблочных сополипептидов, вдохновленный белками шелка пауков-драглайнов. ACS Macro Lett. 2017; 6: 103–6.

    CAS

    Google Scholar

  • 4.

    Babb PL, Lahens NF, Correa-Garhwal SM, Nicholson DN, Kim EJ, Hogenesch JB. и другие. Геном Nephila clavipes подчеркивает разнообразие генов паучьего шелка и их сложную экспрессию. Нат Жене. 2017; 49: 895–903.

    PubMed
    CAS

    Google Scholar

  • 5.

    Vollrath F, Porter D, Holland C. Из паучьего шелка еще предстоит извлечь много уроков. Мягкая материя. 2011; 7: 9595–600.

    CAS

    Google Scholar

  • 6.

    Каташима Т., Малайский А.Д., Нумата К. Химическая модификация и биосинтез шелкоподобных полимеров. Curr Opin Chem Eng. 2019; 24: 61–8.

    Google Scholar

  • 7.

    Gosline JM, Denny MW, DeMont ME. Паучий шелк как резина.Природа. 1984; 309: 551–2.

    CAS

    Google Scholar

  • 8.

    Gosline JM, Guerette PA, Ortlepp CS, Savage KN. Механический дизайн паучьего шелка: от последовательности фиброина до механической функции. J Exp Biol. 1999; 202: 3295–303.

    PubMed
    CAS

    Google Scholar

  • 9.

    Малайский А.Д., Аракава К., Нумата К. Анализ повторяющихся аминокислотных мотивов выявляет существенные особенности белков шелка драглайна пауков.Plos ONE. 2017; 12: e0183397.

    PubMed
    PubMed Central

    Google Scholar

  • 10.

    Ядзава К., Исида К., Масунага Х., Хикима Т., Нумата К. Влияние содержания воды на формирование бета-листа, термостабильность, удаление воды и механические свойства шелковых материалов. Биомакромолекулы. 2016; 17: 1057–66.

    PubMed
    CAS

    Google Scholar

  • 11.

    Yazawa K, Malay AD, Masunaga H, Numata K.Comms Mater. 2020; 1:10.

  • 12.

    Нумата К., Масунага Х., Хикима Т., Сасаки С., Секияма К., Таката М. Использование кристаллизации шелковых волокон на основе растяжения-деформации для различения их функций в природе. Мягкая материя. 2015; 11: 6335–42.

    PubMed
    CAS

    Google Scholar

  • 13.

    van Beek JD, Hess S, Vollrath F, Meier BH. Молекулярная структура шелка драглайна пауков: складчатость и ориентация белкового остова.Proc Natl Acad Sci USA. 2002; 99: 10266–71.

    PubMed

    Google Scholar

  • 14.

    Сюй М., Льюис Р.В. Состав протеинового суперволокна: шелк драглайна паука. Proc Natl Acad Sci USA. 1990; 87: 7120–4.

    PubMed
    CAS

    Google Scholar

  • 15.

    Zhang YQ. Применение натурального шелкового протеина серицина в биоматериалах. Biotechnol Adv. 2002; 20: 91–100.

    PubMed
    CAS

    Google Scholar

  • 16.

    Malay AD, Sato R, Yazawa K, Watanabe H, Ifuku N, Masunaga H. et al. Связь между физическими свойствами и последовательностью шелка тутового шелкопряда. Научный доклад 2016; 6: 27573.

    PubMed
    PubMed Central

    Google Scholar

  • 17.

    Holland C, Numata K, Rnjak-Kovacina J, Seib FP. Биомедицинское использование шелка: прошлое, настоящее, будущее. Adv Health Mater. 2019; 8: e1800465.

    Google Scholar

  • 18.

    Numata K, Kaplan DL. Системы доставки биоактивных молекул на основе шелка. Adv Drug Deliv Rev.2010; 62: 1497–508.

    PubMed
    PubMed Central
    CAS

    Google Scholar

  • 19.

    Numata K, Cebe P, Kaplan DL. Механизм ферментативной деградации бета-листовых кристаллов. Биоматериалы. 2010; 31: 2926–33.

    PubMed
    CAS

    Google Scholar

  • 20.

    Нумата К., Каташима Т., Сакаи Т.Состояние воды, молекулярная структура и цитотоксичность гидрогелей шелка. Биомакромолекулы. 2011; 12: 2137–44.

    PubMed
    CAS

    Google Scholar

  • 21.

    Гупта П., Кумар М., Бхардвадж Н., Кумар Дж. П., Кришнамурти К.С., Нанди С.К. и другие. Имитация формы и функции естественных сосудистых каналов небольшого диаметра с использованием шелковых пленок с шелковицей и немелковицей. ACS Appl Mater Inter. 2016; 8: 15874–88.

    CAS

    Google Scholar

  • 22.

    Нумата К., Сато Р., Ядзава К., Хикима Т., Масунага Х. Кристаллическая структура и физические свойства шелковых волокон Antheraea yamamai: длинные последовательности поли (аланина) частично находятся в кристаллической области. Полимер. 2015; 77: 87–94.

    CAS

    Google Scholar

  • 23.

    Мандал ББ, Дас С., Чоудхури К., Кунду, Южная Каролина. Влияние доступности RGD шелковой пленки и шероховатости поверхности на организацию цитоскелета и пролиферацию первичных клеток костного мозга крыс.Tissue Eng A. 2010; 16: 2391–403.

    CAS

    Google Scholar

  • 24.

    Агейтос Дж. М., Язава К., Татейши А., Цучия К., Нумата К. Бензилэфирная группа аминокислотных мономеров усиливает сродство к субстрату и расширяет субстратную специфичность ферментного катализатора в хемоферментной сополимеризации. Биомакромолекулы. 2016; 17: 314–23.

    PubMed
    CAS

    Google Scholar

  • 25.

    Ли Ч., Сингла А., Ли Ю. Биомедицинские применения коллагена. Int J Pharm. 2001; 221: 1–22.

    PubMed
    CAS

    Google Scholar

  • 26.

    Oxlund H, Manschot J, Viidik A. Роль эластина в механических свойствах кожи. J Biomech. 1988; 21: 213–8.

    PubMed
    CAS

    Google Scholar

  • 27.

    Аарон ББ, Гослайн Дж. М.. Эластин как эластомер со случайной сеткой — механический и оптический анализ отдельных эластиновых волокон.Биополимеры. 1981; 20: 1247–60.

    CAS

    Google Scholar

  • 28.

    Киркпатрик С.Дж., Хайндс М.Т., Дункан Д.Д. Акустооптическая характеристика вязкоупругой природы тканевого каркаса из эластина затылка. Tissue Eng. 2003. 9: 645–56.

    PubMed

    Google Scholar

  • 29.

    Берглунд Дж. Д., Нерем Р. М., Самбанис А. Включение интактных эластиновых каркасов в тканеинженерные сосудистые трансплантаты на основе коллагена.Tissue Eng. 2004. 10: 1526–35.

    PubMed
    CAS

    Google Scholar

  • 30.

    Tatham AS, Shewry PR. Сравнительные структуры и свойства эластичных белков. Филос Транс Соц Лондон Б. 2002; 357: 229–34.

    CAS

    Google Scholar

  • 31.

    Gosline J, Lillie M, Carrington E, Guerette P, Ortlepp C, Savage K. Эластичные белки: биологические роли и механические свойства.Филос Транс Соц Лондон Б. 2002; 357: 121–32.

    CAS

    Google Scholar

  • 32.

    Мамат Н., Ядзава К., Нумата К., Норма-Рашид Ю. Морфологические и механические свойства гибких резиновых суставов на крыльях стрекоз ( Rhinocypha spp.). PLoS ONE. 2018; 13: e0193147.

    Google Scholar

  • 33.

    Elvin CM, Carr AG, Huson MG, Maxwell JM, Pearson RD, Vuocolo T.и другие. Синтез и свойства сшитого рекомбинантного прорезилина. Природа. 2005; 437: 999–1002.

    PubMed
    CAS

    Google Scholar

  • 34.

    Qin GK, Lapidot S, Numata K, Hu X, Meirovitch S, Dekel M. et al. Экспрессия, перекрестное связывание и характеристика рекомбинантного хитинсвязывающего резилина. Биомакромолекулы. 2009. 10: 3227–34.

    PubMed
    CAS

    Google Scholar

  • 35.

    Цинь Г.К., Ривкин А., Лапидот С., Ху Х, Прейс I, Аринус С.Б. и другие. Рекомбинантные закодированные экзонами резилины для эластомерных биоматериалов. Биоматериалы. 2011; 32: 9231–43.

    PubMed
    PubMed Central
    CAS

    Google Scholar

  • 36.

    Цинь Г.К., Ху Х, Себе П., Каплан Д.Л. Механизм эластичности резилина. Nat Commun. 2012; 3: 1003.

    PubMed
    PubMed Central

    Google Scholar

  • 37.

    Cao Y, Li H. Полипротеин GB1 — идеальный искусственный эластомерный белок. Nat Mater. 2007; 6: 109–14.

    PubMed
    CAS

    Google Scholar

  • 38.

    Lv S, Dudek DM, Cao Y, Balamurali MM, Gosline J, Li H. Разработаны биоматериалы, имитирующие механические свойства мышц. Природа. 2010; 465: 69–73.

    PubMed
    CAS

    Google Scholar

  • 39.

    Даулинг Л.М., Crewther WG, Парри Д.А.Вторичная структура компонента 8c-1 альфа-кератина. Анальная аминокислотная последовательность Biochem J. 1986; 236: 705–12.

    CAS

    Google Scholar

  • 40.

    Даулинг Л.М., Crewther WG, Inglis AS. Первичная структура компонента 8c-1, субъединицы белка промежуточных волокон кератина шерсти. Отношения с белками из других промежуточных филаментов. Биохим Дж. 1986; 236: 695–703.

    PubMed
    PubMed Central
    CAS

    Google Scholar

  • 41.

    Полинг Л., Кори РБ. Сложные спиральные конфигурации полипептидных цепей: структура белков альфа-кератинового типа. Природа. 1953; 171: 59–61.

    PubMed
    CAS

    Google Scholar

  • 42.

    Ямаути К., Ямаути А., Кусуноки Т., Кохда А., Кониши Ю. Приготовление стабильного водного раствора кератинов, а также физико-химические и биодеградационные свойства пленок. J Biomed Mater Res. 1996; 31: 439–44.

    PubMed
    CAS

    Google Scholar

  • 43.

    Като К., Шибаяма М., Танабе Т., Ямаути К. Получение и физико-химические свойства прессованных кератиновых пленок. Биоматериалы. 2004. 25: 2265–72.

    PubMed
    CAS

    Google Scholar

  • 44.

    Като К., Танабе Т., Ямаути К. Новый подход к изготовлению каркасов из кератиновой губки с контролируемым размером пор и пористостью. Биоматериалы. 2004. 25: 4255–62.

    PubMed
    CAS

    Google Scholar

  • 45.

    Crookes WJ, Ding LL, Huang QL, Kimbell JR, Horwitz J, McFall-Ngai MJ. Рефлектины: необычные белки светоотражающих тканей кальмаров. Наука. 2004; 303: 235–8.

    PubMed
    CAS

    Google Scholar

  • 46.

    Kramer RM, Crookes-Goodson WJ, Naik RR. Самоорганизующиеся свойства белка рефлектина кальмара. Nat Mater. 2007; 6: 533–8.

    PubMed
    CAS

    Google Scholar

  • 47.

    DeMartini DG, Izumi M, Weaver AT, Pandolfi E, Morse DE. Структуры, организация и функция белков рефлектора в динамически настраиваемых рефлексивных клетках. J Biol Chem. 2015; 290: 15238–49.

    PubMed
    PubMed Central
    CAS

    Google Scholar

  • 48.

    Naughton KL, Phan L, Leung EM, Kautz R, Lin QY, Van Dyke Y. et al. Самосборка белка рефлектина головоногих. Adv Mater. 2016; 28: 8405–12.

    PubMed
    CAS

    Google Scholar

  • 49.

    Guan Z, Cai TT, Liu ZM, Dou YF, Hu XS, Zhang P. et al. Происхождение гена рефлектина и иерархическая сборка его белка. Curr Biol. 2017; 27: 2833–42.

    PubMed
    CAS

    Google Scholar

  • 50.

    Цинь Г.К., Деннис П.Б., Чжан Ю.Дж., Ху Х, Бресснер Дж.Э., Сунь З.Й. и другие. Рекомбинантные оптические материалы на основе рефлектора. J Polym Sci Pol Phys. 2013; 51: 254–64.

    CAS

    Google Scholar

  • 51.

    Prince JT, McGrath KP, DiGirolamo CM, Kaplan DL. Конструирование, клонирование и экспрессия синтетических генов, кодирующих шелк драглайна пауков. Биохимия. 1995; 34: 10879–85.

    PubMed
    CAS

    Google Scholar

  • 52.

    Нумата К., Хамасаки Дж., Субраманиан Б., Каплан Д.Л. Доставка генов опосредуется рекомбинантными белками шелка, содержащими катионные и связывающие клетки мотивы. J Control Release. 2010. 146: 136–43.

    PubMed
    PubMed Central
    CAS

    Google Scholar

  • 53.

    Numata K, Kaplan DL. Носители генов на основе шелка с пептидами, дестабилизирующими клеточную мембрану. Биомакромолекулы. 2010; 11: 3189–95.

    PubMed
    PubMed Central
    CAS

    Google Scholar

  • 54.

    Нумата К., Рейган М.Р., Гольдштейн Р.Х., Розенблатт М., Каплан Д.Л. Носители генов на основе паучьего шелка для доставки в опухолевые клетки. Bioconjug Chem. 2011; 22: 1605–10.

    PubMed
    PubMed Central
    CAS

    Google Scholar

  • 55.

    Numata K, Subramanian B, Currie HA, Kaplan DL. Биоинженерные системы доставки генов на основе протеина шелка. Биоматериалы. 2009. 30: 5775–84.

    PubMed
    PubMed Central
    CAS

    Google Scholar

  • 56.

    Fahnestock SR, Bedzyk LA. Производство синтетического протеина шелка пауков-драглайнов в Pichia pastoris . Appl Microbiol Biotechnol. 1997; 47: 33–9.

    PubMed
    CAS

    Google Scholar

  • 57.

    Янссон Р., Лау С.Х., Исида Т., Рамстром М., Сандгрен М., Хедхаммар М. Функционализированный шелк, собранный из рекомбинантного слитого белка паучьего шелка (Z-4RepCT), продуцируемого метилотрофными дрожжами Pichia pastoris . Biotechnol J. 2016; 11: 687–99.

    PubMed
    CAS

    Google Scholar

  • 58.

    Ян Дж.Дж., Барр Л.А., Фанесток С.Р., Лю З.Б. Получение высокопродуктивного рекомбинантного шелкоподобного белка в трансгенных растениях посредством нацеливания на белок.Transgenic Res. 2005; 14: 313–24.

    PubMed
    CAS

    Google Scholar

  • 59.

    Scheller J, Guhrs KH, Grosse F, Conrad U. Производство белков паучьего шелка в табаке и картофеле. Nat Biotechnol. 2001; 19: 573–7.

    PubMed
    CAS

    Google Scholar

  • 60.

    Hauptmann V, Weichert N, Rakhimova M, Conrad U. Паутинные шелка из растений — задача создания спидроинов естественного размера.Biotechnol J. 2013; 8: 1183–92.

    PubMed
    CAS

    Google Scholar

  • 61.

    Сюй Дж., Донг КЛ, Юй И, Ню Б.Л., Цзи Д.Ф., Ли М.В. и другие. Массовое производство паучьего шелка путем целенаправленной замены генов у Bombyx mori. Proc Natl Acad Sci USA. 2018; 115: 8757–62.

    PubMed
    CAS

    Google Scholar

  • 62.

    Хигучи-Такеучи М., Нумата К. Морские пурпурные фотосинтезирующие бактерии как устойчивые хозяева микробного производства.Фронт Bioeng Biotech. 2019; 7: 258.

    Google Scholar

  • 63.

    Хигучи-Такеучи М., Морисаки К., Нумата К. Метод легкой трансформации морских пурпурных фотосинтетических бактерий с использованием химически компетентных клеток. Microbiologyopen. 2020; 9: e953.

    Google Scholar

  • 64.

    Хигучи-Такеучи М., Нумата К. Метаболические состояния, вызывающие ацетат, увеличивают выработку полигидроксиалканоата морскими пурпурными несерными бактериями в аэробных условиях.Фронт Bioeng Biotech. 2019; 7: 118.

    Google Scholar

  • 65.

    Фунг С.П., Хигучи-Такеучи М., Нумата К. Оптимальные концентрации железа для связанного с ростом биосинтеза полигидроксиалканоатов у морской фотосинтезирующей пурпурной бактерии Rhodovulumulfidophilum в фотогетеротрофных условиях. Plos ONE. 2019; 14: e0212654.

    PubMed
    PubMed Central
    CAS

    Google Scholar

  • 66.

    Хигучи-Такеучи М., Мотода Ю., Кигава Т., Нумата К. Полигидроксиалканоатсинтаза класса I из пурпурной фотосинтезирующей бактерии Rhodovulumulfidophilum преимущественно существует в виде функционального димера в отсутствие субстрата. САУ Омега. 2017; 2: 5071–8.

    PubMed
    PubMed Central
    CAS

    Google Scholar

  • 67.

    Хигучи-Такеучи М., Морисаки К., Тойока К., Нумата К. Синтез высокомолекулярных полигидроксиалканоатов морскими фотосинтетическими пурпурными бактериями.Plos ONE. 2016; 11: e0160981.

    PubMed
    PubMed Central

    Google Scholar

  • 68.

    Хигучи-Такеучи М., Морисаки К., Нумата К. Метод скрининга для выделения производящих полигидроксиалканоат пурпурных несернистых фотосинтетических бактерий из естественной морской воды. Front Microbiol. 2016; 7: 1509.

    PubMed
    PubMed Central

    Google Scholar

  • 69.

    Fields GB, Noble RL.Твердофазный синтез пептидов с использованием 9-флуоренилметоксикарбониламинокислоты. Int J Pept Protein Res. 1990; 35: 161–214.

    PubMed
    CAS

    Google Scholar

  • 70.

    Меррифилд РБ. Твердофазный пептидный синтез. Adv Enzymol Ramb. 1969; 32: 221–96.

    CAS

    Google Scholar

  • 71.

    Байер Э., Муттер М. Жидкофазный синтез пептидов. Природа. 1972; 237: 512–3.

    PubMed
    CAS

    Google Scholar

  • 72.

    Dawson PE, Muir TW, Clarklewis I, Kent SBH. Синтез белков путем нативного химического лигирования. Наука. 1994; 266: 776–9.

    PubMed
    CAS

    Google Scholar

  • 73.

    Johnson ECB, Kent SBH. Понимание механизма и катализа нативной химической реакции лигирования. J Am Chem Soc. 2006. 128: 6640–6.

    PubMed
    CAS

    Google Scholar

  • 74.

    Johnson ECB, Durek T, Kent SBN. Полный химический синтез, фолдинг и анализ небольшого белка на водосовместимой твердой подложке. Angew Chem Int Ed. 2006. 45: 3283–7.

    CAS

    Google Scholar

  • 75.

    Агуридас В., Эль-Махди О., Димер В., Каржет М., Монбалиу Дж. М., Мельник О. Нативное химическое лигирование и расширенные методы: механизмы, катализ, объем и ограничения. Chem Rev.2019; 119: 7328–443.

    PubMed
    CAS

    Google Scholar

  • 76.

    Гудман М., Хатчисон Дж. Механизмы полимеризации N-незамещенных N-карбоксиангдридов. J Am Chem Soc. 1966; 88: 3627

    CAS

    Google Scholar

  • 77.

    Деминг Т.Дж. Синтетические полипептиды для биомедицинского применения. Prog Polym Sci. 2007. 32: 858–75.

    CAS

    Google Scholar

  • 78.

    Кога К., Судо А., Эндо Т. Революционный синтез N-карбоксиангидридов альфа-аминокислот без фосгена с использованием дифенилкарбоната, основанный на активации альфа-аминокислот путем превращения в соли имидазолия.J. Polym Sci Poly Chem. 2010. 48: 4351–5.

    CAS

    Google Scholar

  • 79.

    Ямада С., Кога К., Судо А., Гото М., Эндо Т. Синтез полипептидов без фосгена: полезный синтез гидрофобных полипептидов путем поликонденсации активированных уретановых производных аминокислот. J. Polym Sci Poly Chem. 2013; 51: 3726–31.

    CAS

    Google Scholar

  • 80.

    Кобаяси С., Макино А.Ферментативный синтез полимеров: возможность для химии экологически чистых полимеров. Chem Rev.2009; 109: 5288–353.

    PubMed
    CAS

    Google Scholar

  • 81.

    Кобаяси С., Уяма Х., Кимура С. Ферментативная полимеризация. Chem Rev.2001; 101: 3793–818.

    PubMed
    CAS

    Google Scholar

  • 82.

    Нумата К. Поли (аминокислоты) s / полипептиды как потенциальные функциональные и структурные материалы.Полим Дж. 2015; 47: 537–45.

    CAS

    Google Scholar

  • 83.

    Цучия К., Нумата К. Хемоэнзиматический синтез полипептидов для использования в качестве функциональных и структурных материалов. Macromol Biosci. 2017; 17: 1700177.

    Google Scholar

  • 84.

    Ма Ю.Н., Ли З.Б., Нумата К. Синтетические короткие пептиды для быстрого изготовления однослойных клеточных листов. ACS Biomater Sci Eng. 2016; 2: 697–706.

    CAS

    Google Scholar

  • 85.

    Ма Ю.А., Сато Р., Ли З.Б., Нумата К. Химиоферментный синтез олиго (L-цистеина) для использования в качестве термостабильного материала на биологической основе. Macromol Biosci. 2016; 16: 151–9.

    PubMed
    CAS

    Google Scholar

  • 86.

    Бейкер П.Дж., Нумата К. Хемоэнзиматический синтез поли (L-аланина) в водной среде. Биомакромолекулы. 2012; 13: 947–51.

    PubMed
    CAS

    Google Scholar

  • 87.

    Tsuchiya K, Kurokawa N, Gimenez-Dejoz J, Gudeangadi PG, Masunaga H, Numata K. Периодическое введение ароматических звеньев в полипептиды посредством хемоферментной полимеризации с получением специфических вторичных структур с высокой термостабильностью. Полим Дж. 2019; 51: 1287–98.

    CAS

    Google Scholar

  • 88.

    Агейтос Дж. М., Бейкер П. Дж., Сугахара М., Нумата К.Катализируемый протеиназой К синтез конъюгатов линейных и звездчатых олиго (L-фенилаланин). Биомакромолекулы. 2013; 14: 3635–42.

    PubMed
    CAS

    Google Scholar

  • 89.

    Fagerland J, Finne-Wistrand A, Numata K. Короткий химико-ферментативный синтез L-лизина и L-аланиновых диблочных коолигопептидов в одном сосуде. Биомакромолекулы. 2014; 15: 735–43.

    PubMed
    CAS

    Google Scholar

  • 90.

    Цучия К., Нумата К. Хемоэнзиматический синтез полипептидов, содержащих неприродную аминокислоту 2-аминоизомасляную кислоту. Chem Commun. 2017; 53: 7318–21.

    CAS

    Google Scholar

  • 91.

    Ядзава К., Гименес-Дежоз Дж., Масунага Х., Хикима Т., Нумата К. Химиоферментативный синтез пептида, содержащего звенья нейлонового мономера, для применения термически обрабатываемого пептидного материала. Polym Chem. 2017; 8: 4172–6.

    CAS

    Google Scholar

  • 92.

    Ядзава К., Нумата К. Катализируемый папаином синтез полиглутамата, содержащего звено мономера нейлона. Полимеры. 2016; 8: 194.

    PubMed Central

    Google Scholar

  • 93.

    Hu X, Cebe P, Weiss AS, Omenetto F, Kaplan DL. Композиционные материалы на белковой основе. Mater Today. 2012; 15: 208–15.

    CAS

    Google Scholar

  • 94.

    Abascal NC, Regan L. Прошлое, настоящее и будущее белковых материалов.Откройте Биол. 2018; 8: 180113.

    PubMed
    PubMed Central
    CAS

    Google Scholar

  • 95.

    van Hest JC, Tirrell DA. Материалы на белковой основе — переход на новый уровень структурного контроля. Chem Commun. 2001; 19: 1897–904.

    Google Scholar

  • 96.

    Фаррелл Х.М., Малин Э.Л., Браун Э.М., Ци П.Х. Структура мицелл казеина: что можно узнать из синтеза молока и структурной биологии? Curr Opin Colloid.Интерфейс. 2006; 11: 135–47.

    CAS

    Google Scholar

  • 97.

    Starcher B. Анализ на основе нингидрина для количественного определения общего содержания белка в образцах тканей. Анальная биохимия. 2001; 292: 125–9.

    PubMed
    CAS

    Google Scholar

  • 98.

    Брюер Дж. М., Робертс К. В., Стимсон У.Х., Александр Дж. Точное определение ассоциированного с адъювантом белка или пептида с помощью анализа нингидрина.Вакцина. 1995; 13: 1441–4.

    PubMed
    CAS

    Google Scholar

  • 99.

    Дои Э., Шибата Д., Матоба Т. Модифицированные колориметрические методы нингидрина для анализа пептидазы. Анальная биохимия. 1981; 118: 173–84.

    PubMed
    CAS

    Google Scholar

  • 100.

    Нумата К., Бейкер П.Дж. Синтез адгезионных пептидов, подобных тем, которые обнаружены в голубой мидии (Mytilus edulis), с использованием папаина и тирозиназы.Биомакромолекулы. 2014; 15: 3206–12.

    PubMed
    CAS

    Google Scholar

  • 101.

    Хименес-Дехос Дж., Цучия К., Нумата К. Понимание стереоспецифичности опосредованной папаином хемоферментной полимеризации на основе моделирования квантовой механики / молекулярной механики. ACS Chem Biol. 2019; 14: 1280–92.

    PubMed
    CAS

    Google Scholar

  • Белок — обзор | ScienceDirect Topics

    1 Введение

    CSP — это белок, характеризующийся четырьмя остатками цистеина, расположенными в двух соседних дисульфидных мостиках в консервативных положениях (Picimbon, 2003).Он складывается в гибкую треугольную пирамидальную структуру, обычно состоящую из шести α-спиралей. Основание многоугольника очень гидрофобно, а вершина свободна (Jansen et al., 2007; Jansen, Zídek, Löfstedt, Picimbon, & Sklenar, 2006; Lartigue et al., 2002; Tomaselli et al., 2006).

    Естественное распространение CSP происходит в различных частях тела насекомого, не только в усиках, щупиках и ногах, но также во многих различных органах, не связанных с органами чувств, лимфатических и тканях, таких как гемолимфа, эпидермис, кишечник и жировое тело. (Анджели и др., 1999; Одзаки и др., 2005; Пичимбон, Дитрих, Анджели и др., 2000; Пичимбон, Дитрих, Брер и Кригер, 2000; Пичимбон, Дитрих, Кригер и Брир, 2001; Пичимбон и Лил, 1999; Xuan et al., 2015).

    У бабочек синтез CSP начинается на очень ранних стадиях развития взрослых особей, намного раньше, чем появление хемосенсорных нейронов, и продолжается на взрослой стадии при высоком уровне активности, особенно в ответ на инсектицидный стресс (Picimbon et al. др., 2001; Xuan et al., 2015). Половые феромоны железы самок тутового шелкопряда содержат 14 CSP и экспрессируют еще большее количество аминокислотных вариантов в белках CSP посредством редактирования РНК (Picimbon, 2019; Xuan et al., 2014, 2015; Xuan, Rajashekar, Kasvandik, & Picimbon, 2016; Сюан, Раджашекар и Пичимбон, 2019). У медоносных пчел нокаут специфического гена CSP приводит к архаичному развитию головы (Maleszka, Forêt, Saint, & Maleszka, 2007), что убедительно свидетельствует о функции этого семейства генов в развитии, росте и / или регенерации тканей. в раннем отчете Номуры, Кавасаки, Кубо и Натори (1992).

    Эти данные о развитии и липидах тканей объединяются не только с профилями экспрессии генов, но также с данными связывания, , то есть , характеристиками функциональных свойств связывания лиганда белка. Известно, что CSP взаимодействуют с липидными соединениями разной длины цепи (C12-C18, , т.е. , длина цепи 12-18 атомов углерода), в конечном итоге проявляя определенное или специфическое свойство различения (Briand et al., 2002; Dani et al., 2010 ). Соответственно, было показано, что они сохраняют склонность к конформационным изменениям и взаимодействию с множеством липидов или липидных цепей (Campanacci et al., 2001, 2003; Lartigue et al., 2002). Однако не все CSP взаимодействуют с липидами. У белокрылки сладкого картофеля или серебристой белокрылки Bemisia tabaci было показано, что CSP1 связывают линолевую кислоту (C18: 2, , т.е. , длина 18 углеродной цепи с двумя двойными связями), в то время как CSP2 и CSP3 более конкретно взаимодействуют с небольшими циклическими такие соединения, как коричный альдегид, основной компонент растительного масла, который признан довольно репеллентным и / или очень токсичным для насекомых (Liu, Ma, Xie, Xuan, & Picimbon, 2016; Liu, Ma, Xie, Xuan, Xia, Fan, et al., 2016; Лю, Арно, Оффманн и Пичимбон, 2017 г .; Liu et al., 2020), решительно подтверждая роль CSP в метаболизме липидов и / или деградации ксенобиотиков (Einhorn & Imler, 2019; Liu et al., 2020).

    В этой главе мы исследуем молекулярную эволюцию генов CSP у двукрылых видов, уделяя особое внимание мухам и комарам, чтобы показать набор данных, необходимых для полного и актуального эволюционного анализа определенного семейства генов белков. Мы описываем, как использовать полную базу данных генома двукрылых Drosophila ananassae , D.erecta , D. grimshawi , D. melanogaster , D. mojavensis , D. persimilis , D. pseudoobscura , D. sechellia , D. simulans , D. simulans , D. , D. willistoni , D. yakuba , Aedes aegypti , Anopheles gambiae и Culex pipiens , чтобы идентифицировать 127 копий гена CSP и сообщить о структурных свойствах гена и реконструировать филогении. последовательности (аминокислота, нуклеотид, экзон и интрон).Мы также стремимся объяснить необходимость знаний о ретротранспозициях ( Feilai-Twin ) и их связи с расширением и эволюцией определенного семейства генов. Затем мы предоставляем руководство для всего анализа (геномная организация, сдвиг границы интрона и филогенетического распределения) и интерпретации двукрылых как классической модельной системы не только для ретротранспозиции, но и для многих различных хромосомных перестроек (делеции, дупликации, вставки, инверсии , мутации и транслокации), которые явно влияют на эволюцию генов и геномов.

    Белки вместо пластика — Исследования в Германии

    Новые материалы без пластика для лучшего и более жизнеспособного будущего

    © Bundesministerium für Bildung und Forschung

    Статья д-ра Лин Рёмер, генерального директора AMSilk GmbH

    Продукты из белков скоро станут доступны для многих областей повседневной жизни. Ученые и инженеры упорно трудятся над разработкой и производством материалов на белковой основе, которые могут удовлетворить наши высокие требования к качеству и производительности, в то же время не создавая бремени для окружающей среды, потому что они сделаны из возобновляемых ресурсов и полностью биоразлагаемы в конце их время жизни.

    Пластиковые изделия везде

    Многие изделия, которые мы носим на теле или используем дома, производятся из нефти. Нефть, являющаяся ископаемым топливом, является основным основным материалом, используемым в химической промышленности, и ее огромное количество используется во всех видах различных пластмассовых изделий. Особенно хорошим примером является рынок текстиля: помимо натуральных продуктов, таких как шерсть или хлопок, ткани для функциональной верхней и спортивной одежды в основном изготавливаются из полиэстера, нейлона или других синтетических волокон.Такие материалы часто обладают хорошими механическими свойствами, долговечны и просты в обработке; Но прежде всего они дешевы и могут производиться в больших количествах.

    Ключевым недостатком этих материалов с точки зрения окружающей среды является то, что подавляющее большинство из них не производятся из возобновляемых источников и не поддаются биологическому разложению. В результате рано или поздно все эти продукты попадают на свалки или сжигаются. Особую тревогу вызывает тот факт, что большое количество пластика также попадает в океаны, где он распадается на микропластик и попадает в наши пищевые цепи через морских животных.

    Какие есть альтернативы?

    У нас не было бы этой проблемы, если бы многие люди — а в идеале все — хотели бы обходиться без пластиковых изделий. Но это вряд ли жизнеспособное предложение. Люди хотят и покупают хорошие продукты. И почти все высококачественные продукты, такие как спортивная обувь или верхняя одежда, пока могут изготавливаться только с использованием материалов на нефтяной основе. Переход на натуральные продукты, такие как хлопок, шерсть, конопля или традиционный шелк, — нереальный вариант.Мало того, что такие продукты не могут достичь требуемой степени производительности; они также предлагают очень низкую масштабируемость, потому что традиционные методы производства уже более или менее достигли пределов своих возможностей.

    Производство на основе микроорганизмов

    Поэтому нам и, прежде всего, нашей окружающей среде нужны новые материалы, которые могут соответствовать множеству критериев: для таких продуктов столь же важно, чтобы они были высокого качества и обеспечивали хорошие рабочие характеристики, так же как и для их производства из возобновляемых источников.Необходимая промышленная масштабируемость и гарантия того, что продукты могут быть утилизированы экологически безопасным способом или могут быть переработаны, не менее важны. Именно здесь в игру вступают методы микробиологического производства. Бактерии и грибки уже используются для производства многих продуктов, которые мы используем ежедневно, например, витаминов и моющих средств. Что относительно ново, так это то, что такие методы также подходят для производства волокон и других материалов.

    Белковые изделия

    Почему мы так полагаемся на ископаемое топливо, когда природа все время демонстрирует нам, как это сделать лучше? Наша кожа и шелковая нить, производимая пауком, состоят из молекул природного белка.Белки — стандартный эволюционный материал, который используется даже для самых сложных задач. Недавно стало возможным использовать наши знания об этих материалах в технических целях.

    Один многообещающий пример перспективного материала — это протеины шелка, которые производятся не пауками, а в биореакторах с помощью бактерий. Первые продукты с этими шелковыми волокнами уже доступны для покупки, а другие скоро появятся на рынке. Они производятся на основе возобновляемого сырья в процессе, который обеспечивает очень хорошую промышленную масштабируемость.По своим механическим свойствам эти продукты сравнимы с синтетическими продуктами, хотя они гораздо более безопасны для кожи и — в отличие от практически всех пластиковых материалов — полностью биоразлагаемы, что делает их экологически совместимыми.

    В настоящее время налаживается производство в очень больших промышленных объемах. Другими словами, скоро мы обнаружим множество продуктов в нашей повседневной жизни, в которых используются материалы на основе микробов, и мы сможем пользоваться ими, не разрушая природных ресурсов, от которых мы и наша окружающая среда зависят.Природа может научить нас, как поступать лучше — мы просто должны следовать ее примеру.

    Полимер

    | Описание, примеры и типы

    Полимер , любой из класса природных или синтетических веществ, состоящих из очень больших молекул, называемых макромолекулами, которые кратны более простым химическим единицам, называемым мономерами. Полимеры составляют многие материалы в живых организмах, включая, например, белки, целлюлозу и нуклеиновые кислоты. Более того, они составляют основу таких минералов, как алмаз, кварц и полевой шпат, а также таких искусственных материалов, как бетон, стекло, бумага, пластмассы и каучуки.

    химическая структура поливинилхлорида (ПВХ)

    Промышленные полимеры синтезируются из простых соединений, соединенных вместе в длинные цепи. Например, поливинилхлорид — это промышленный гомополимер, синтезированный из повторяющихся звеньев винилхлорида.

    Британская энциклопедия, Inc.

    Подробнее по этой теме

    life: Производство полимеров

    Образование полимеров, длинноцепочечных молекул, состоящих из повторяющихся звеньев мономеров (важнейшие строительные блоки, упомянутые выше)…

    Слово полимер обозначает неопределенное количество мономерных звеньев. Когда количество мономеров очень велико, соединение иногда называют высокополимером. Полимеры не ограничиваются мономерами того же химического состава, молекулярной массы и структуры. Некоторые природные полимеры состоят из одного вида мономеров. Однако большинство природных и синтетических полимеров состоит из двух или более различных типов мономеров; такие полимеры известны как сополимеры.

    Органические полимеры играют решающую роль в живых существах, обеспечивая основные конструкционные материалы и участвуя в жизненно важных процессах. Например, твердые части всех растений состоят из полимеров. К ним относятся целлюлоза, лигнин и различные смолы. Целлюлоза — это полисахарид, полимер, состоящий из молекул сахара. Лигнин состоит из сложной трехмерной сети полимеров. Смолы для дерева — это полимеры простого углеводорода изопрена. Другой известный изопреновый полимер — это каучук.

    натуральный каучук

    Латекс, изготовленный из каучукового дерева ( Hevea brasiliensis ) в Малайзии.

    © Стюарт Тейлор / Fotolia

    Другие важные природные полимеры включают белки, которые представляют собой полимеры аминокислот, и нуклеиновые кислоты, которые представляют собой полимеры нуклеотидов — сложных молекул, состоящих из азотсодержащих оснований, сахаров и фосфорной кислоты. Нуклеиновые кислоты несут в клетке генетическую информацию. Крахмалы, важные источники пищевой энергии, получаемые из растений, представляют собой натуральные полимеры, состоящие из глюкозы.

    Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.
    Подпишитесь сейчас

    Многие неорганические полимеры также встречаются в природе, включая алмаз и графит. Оба состоят из углерода. В алмазе атомы углерода связаны в трехмерную сеть, которая придает материалу твердость. В графите, используемом в качестве смазки и в «грифелях» карандашей, атомы углерода соединяются в плоскостях, которые могут скользить друг по другу.

    Синтетические полимеры получают с помощью различных типов реакций.Многие простые углеводороды, такие как этилен и пропилен, можно превратить в полимеры, добавляя один мономер за другим к растущей цепи. Полиэтилен, состоящий из повторяющихся мономеров этилена, является аддитивным полимером. Он может иметь до 10 000 мономеров, соединенных в длинные спиральные цепи. Полиэтилен кристаллический, полупрозрачный и термопластичный, то есть он размягчается при нагревании. Он используется для покрытий, упаковки, формованных деталей, а также для изготовления бутылок и контейнеров. Полипропилен также кристаллический и термопластичный, но тверже полиэтилена.Его молекулы могут состоять из 50 000 — 200 000 мономеров. Этот состав используется в текстильной промышленности и для изготовления формованных изделий.

    Другие аддитивные полимеры включают полибутадиен, полиизопрен и полихлоропрен, которые играют важную роль в производстве синтетических каучуков. Некоторые полимеры, такие как полистирол, являются стекловидными и прозрачными при комнатной температуре, а также термопластичными. Полистирол может быть окрашен в любой оттенок и используется при изготовлении игрушек и других пластиковых предметов.

    Если один атом водорода в этилене заменить атомом хлора, образуется винилхлорид. Он полимеризуется в поливинилхлорид (ПВХ), бесцветный, твердый, прочный термопластический материал, который можно производить в различных формах, включая пену, пленки и волокна. Винилацетат, полученный реакцией этилена и уксусной кислоты, полимеризуется с образованием аморфных мягких смол, используемых в качестве покрытий и клеев. Он сополимеризуется с винилхлоридом с образованием большого семейства термопластичных материалов.

    Трубы ПВХ

    Трубы из поливинилхлорида (ПВХ).

    AdstockRF

    Многие важные полимеры содержат атомы кислорода или азота наряду с атомами углерода в основной цепи. К таким высокомолекулярным материалам с атомами кислорода относятся полиацетали. Самый простой полиацеталь — это полиформальдегид. Он имеет высокую температуру плавления, кристаллический и устойчивый к истиранию и действию растворителей. Ацеталевые смолы больше похожи на металл, чем любые другие пластмассы, и используются в производстве деталей машин, таких как шестерни и подшипники.

    Линейный полимер, характеризующийся повторением сложноэфирных групп вдоль основной цепи, называется полиэфиром. Сложные полиэфиры с открытой цепью представляют собой бесцветные кристаллические термопластичные материалы. Те с высоким молекулярным весом (от 10 000 до 15 000 молекул) используются в производстве пленок, формованных изделий и волокон, таких как дакрон.

    Полиамиды включают встречающийся в природе протеин казеин, содержащийся в молоке, и зеин, содержащийся в кукурузе (кукурузе), из которой изготавливаются пластмассы, волокна, клеи и покрытия.К синтетическим полиамидам относятся карбамидоформальдегидные смолы, которые являются термореактивными. Они используются для изготовления формованных изделий, а также в качестве клеев и покрытий для текстиля и бумаги. Также важны полиамидные смолы, известные как нейлон. Они прочные, устойчивые к нагреванию и истиранию, негорючие и нетоксичные, их можно окрашивать. Наиболее известно их использование в качестве текстильных волокон, но у них есть много других применений.

    нейлон

    Образование нейлона, полимера.

    Британская энциклопедия, Inc.

    Еще одно важное семейство синтетических органических полимеров состоит из линейных повторов уретановой группы. Полиуретаны используются в производстве эластомерных волокон, известных как спандекс, и в производстве основ покрытий, а также мягких и жестких пен.

    Другой класс полимеров — это смешанные органические и неорганические соединения. Наиболее важными представителями этого семейства полимеров являются силиконы. Их основа состоит из чередующихся атомов кремния и кислорода с органическими группами, присоединенными к каждому из атомов кремния.Силиконы с низкой молекулярной массой — это масла и смазки. Соединения с более высокой молекулярной массой представляют собой универсальные эластичные материалы, которые остаются мягкими и эластичными при очень низких температурах.

    Related Posts

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *