تبلیغات
گروه شیمی دبیرستان دکتر شریعتی - ابر مولکول

گروه شیمی دبیرستان دکتر شریعتی
 
شیمی،زندگی ما،آینده ی ما


طی قرن گذشته ، شیمیدان ها در درك و استفاده از مفهوم پیوند كووالانسی...


طی قرن گذشته ، شیمیدان ها در درك و استفاده از مفهوم پیوند كووالانسی استاد شده اند . آن ها صدها واكنش شیمیایی ابداع كرده اند كه این پیوند بسیار محكم را كه نتیجه ی اشتراك الكتون بین دو اتم است ، بنیان می نهند یا آن را دچار بازآرایی می كنند . آن ها دانش خود را به كار گرفته اند تا در آفرینش هر چیزی ، از پاد زیست ها گرفته تا پلاستیك ها ، با طبیعت به رقابت برخیزند.
  

هر چند شیمیدان ها ، به طور معمول واكنش های شیمیایی را در مفهوم شكستن و تشكیل پیوندهای قوی كووالانسی بیان می كنند، اما در سال های اخیر توجه آن ها به پیوندهای ظریف تری جلب شده است كه در شكل گیری كمپلكس های مولكولی بزرگ نقش اصلی را بر عهده دارند . این پیوندها كه بهتر است آن ها را نیروها یا برهم كنش های ناكووالانسی بنامیم . پیوندهای هیدروژنی ، نیروهای وان دروالس ، برهم كنش های پای، پل های نمكی و نیروهای آبگریز را شامل می شوند . در این بر هم كنش ها بدون آن كه الكترونی مبادله شود ، اتم ها و در واقع مولكول ها به سوی یك دیگر جذب می شوند. هر چند این پیوندها به تنهایی ضعیف هستند اما مجموعه ی آن ها چسب قدرتمندی را پدید می آورد كه می تواند مولكول ها را به شدت به یك دیگر بچسباند .

پیوندهای كووالانسی اساس پویایی حیات را تشكیل می دهند . پیام رسانی سلول ، جابه جایی گزینشی یون ها و مولكول ها از خلال غشای سلول ، واكنش های آنزیمی ، شكل گیری كمپلكس های مولكولی بزرگ نظیر ریبوزوم ها (كارخانه های تولید پروتئین ) و لیپوپروتیین ها (حاملان چربی در بدن ) ، انقباض ماهیچه ها و ذخیره ، بازیابی و تكثیر اطلاعات ژنتیكی بدون میانجی گری پیوندهای ناكووالانسی غیر ممكن است . این پیوندها ویژگی دیگری نیز به جانداران و اجزای سازنده آن ها بخشیده اند : خود – گردآوری1 .

خود – گردآوری سازمان یابی خود به خودی اجزا به صورت الگوها یا ساختارهای منظم است . طی تقسیم سلول اجزای سلول همانند سازی می شوند و به صورت سلول جدیدی گرد هم می آیند . ما می دانیم كه سلول زنده كیسه ای است دارای تعداد زیادی واكنشگر شیمیایی و تعداد زیادی حسگر2 محیطی كه اجازه می دهد گرما و برخی مواد شیمیایی از خلال غشای آن جابه جا شوند . به علاوه ، ما می دانیم سلول، ساختاری بسته و خود – همانند ساز3 است كه با محیط انرژی مبادله می كند و با آن سازگار می شود . چگونه حیات از مجموعه ای از واكنش های شیمیایی برمی خیزد؟ خود – گردآوری ممكن است رشته نخی باشد كه سادگی نسبی واكنش های شیمیایی را با پیچیدگی سلول خود – همانند ساز، پیوند می زند.

بنابراین درك فرآیند خود – گردآوری به درك دقیق تر حیات كمك می كند . به قول ژان ماری لن4 «خود – سازمان یابی ، نیروی پیش برنده ای است كه به تكامل جهان زنده از ماده ی غیر زنده انجامیده است ." به علاوه ، خود – گردآوری یكی از راهبردهای عملی برای ساختن ساختارهای نانو5 است .

در این مقاله شما با گوشه هایی از تلاش شیمیدان ها برای ساختن ابر مولكول های6 كارا كه بعضی نیز خود گردآورند ، آشنا می شوید . آن ها بسیاری از این ابر مولكول ها را با الگو برداری از زیست شناسی ساخته اند و در پی آن هستند كه این «مولكول های غول آسا» را چنان طرحی كنند كه علاوه بر صنعت ، در خدمت زیست شناسی و سلامت انسان نیز قرار گیرند.

ویروس های شیمیایی

ویروس ها به طور معمول از یك پوشش پروتیینی ساخته شده اند كه قطعه ای DNA یا RNA را در برمی گیرند . هنگام تولید ذره های ویروسی ، پروتیین های پوشش ویروس با فرآیند خود – گردآوری گرد هم می آیند و كپسول توخالی ، متقارن و بسیار زیبایی را می سازند . این كپسول آن قدر پایدار است كه هم درون بدن جاندار و هم بیرون بدن آن ساختار خود را حفظ می كند . از طرف دیگر ، این كپسول آن قدر شكننده و حساس است كه هنگام ورود به سلول هدف ، از هم می پاشد و محتویات خود (ماده ی ژنتیك ) را به درون سلول آزاد می كند .

اكنون ماده ی ژنتیك ویروس امكانات سلول را در اختیار خود می گیرد تا خود را همانند سازی كند و به علاوه با توجه به اطلاعات نهفته در آن ، پروتیین های پوشش ویروس ساخته می شوند . سپس پروتیین های پوشش ویروس به طور خودكار گرد هم می آیند و كپسول ویروس را می سازند . البته هنگام گردهم آیی ، ماده ی ژنتیك ویروس درون كپسول به دام می افتد.

دیوید آت وود7 و همكارانش در مركز تحقیقات علوم مولكولی اتاوا در كانادا ، پس از بررسی ساختار بلوری ویروس ها توانستند مولكول های كوچكی را بسازند كه به صورت كره ای توخالی گرد هم می آیند. بررسی این كره ها ،كه از 6 زیر واحد یكسان و بسیار متقارن ساخته شده اند ، بافن بلور نگاری8 نشان داد هر كره حدود 1510 آنگستروم مكعب فضای خالی دارد .

ساختن چنین مولكول های توخالی با روش های معمول در شیمی آلی بسیار دشوار است . به علاوه ، این ساختارهای حفره دار و بسیار بزرگ ، حتی در حضور زیر واحدهای بسیار مشابه ، تنها با زیرواحدهای نظیر خود گردآوری می شوند . آت وود معتقد است روزی چنین كپسول هایی را می توان برای تخلیه ی دارو به درون اهداف مورد نظر (برای نمونه ،سلول های سرطانی ) و كمك به جدا سازی مولكول های بزرگ بر اساس اندازه یا شكل ، به كار گرفت .

ابر مولكول های خود همانند ساز

DNA بسپاری شامل چهار نوع نوكلئوئید است . این ابر مولكول به صورت مارپیچ دو رشته ای آرایش یافته است كه دو نوع پیوند ناكووالانسی آن را پایدار می سازند: پیوند هیدروژنی (از قرار گیری یك اتم هیدروژن میان دو اتم الكترونگاتیو مانند اكسیژن و نیتروژن ، حاصل می شود) و بر هم كنش های آبگریز (از كنار هم قرار گرفتن مولكول های چربی دوست جهت به حداقل رساندن تماس خود با آب ایجاد می شود).

در مولكول DNA ، پیوندهای هیدروژنی دو رشته را به سوی یك دیگر می كشانند، حال آن كه حلقه های آبگریز بازهای این اسید نوكلییك ، همانند تعداد زیادی سكه روی هم انباشه می شوند و رشته ها را محكم و پایدارتر می سازند . این روی هم انباشتگی با برهم كنش های بین ابرهای الكترونی پای كه بالا و پایین این حلقه ها قرار دارند ، پایدارتر می شود.

ایوان هوك9 و همكارانش در مركز تحقیقات شیمی و زیست شناسی تالنس فرانسه ، سال گذشته نخستین بسپار مصنوعی را تولید كردند كه در محلول ، به صورت مارپیچ دو رشته ای گرد هم می آید . آنان كار خود را با دو زیر واحد بسیار مشابه 2 و 6- پیپریدین دی كربوكسیلیك اسید و 2و 6- دی آمینو پیپریدین آغاز كردند كه می توانند با پیوند كووالانسی به صورت یك رشته به هم متصل شوند . بسپار حاصل ، در محلول رقیق به صورت مارپیچ آرایش می یابد. بسیاری از بسپارها ، چه طبیعی و چه مصنوعی ، مارپیچ های تك رشته ای مشابهی را می سازند . اما این بسپار به رشته ی دومی جفت می شود و یك مارپیچ دو رشته ای شبیه مارپیچ دو رشته ای DNA به وجود می آورد .

وان كیدروسكی10 روشی را برای خود همانند سازی اولیگونوكلئوتیدهای مصنوعی ابداع كرده است . در این روش اولیگونوكلئو تیدها روی بستر جامدی تثبیت می شوند. سپس این الگوها به قطعات مكمل كه در محلول وجود دارد پیوند می یابند. این قطعات به كمك واكنش های شیمیایی به هم متصل می شوند . در نهایت نسخه همانند سازی شده از روی الگو ، آزاد و بار دیگر روی بستر تثبیت می شود و خود به عنوان الگوی تازه ای به كار گرفته می شود . به این ترتیب ، از اثر مهاری فرآورده ها بر واكنش جلوگیری می شود . دانشمندان معتقدند ادامه این آزمایش ها به تولید ابر مولكول های شبه DNA ، خواهد انجامید كه توان خود همانند سازی دارند.

استخوان های ساختگی

استخوان ها از مجموعه ای از سلول های زنده ساخته شده اند كه در زمینه ای سخت و آهكی جای گرفته اند . این زمنیه ، از رشته های پروتئئنی كلاژن و بلورهای هیدروكسی آپاتیت Ca5(PO4CO3)3  تشكیل شده است . رشته های پروتیینی كلاژن از زیر واحدهای رشته ای كوچك تری ساخته می شوند كه سلول ها ی استخوانی آن ها را به فضای بین سلولی ترشح می كنند .

این زیرواحدها ، در این محیط گرد هم می آیند و رشته های كابل مانند كلاژن را می سازند . سپس بلورهای هیدروكسی آپاتیت با این رشته ها ، كمپلكس های عظیمی را می سازند. این كمپلكس ها كه می توان آن ها را «ابر كابل های كلاژنی» نامید، بافت زمینه ی استخوان را می سازند.

جفری هارت جرنیك11 و الی ابنیاش12 مولكول های آلی دو قسمتی ساخته اند كه به طور خودكار خود را به صورت رشته های كابل مانندی گردآوری می كنند . وقتی آن ها این رشته ها را در محلولی از یون های كلسیم ، فسفات و یون های هیدروكسید قرار دادند ، آن ها به صورت كمپلكس های كلاژن و هیدروكسی آپاتیت استخوان ، گرد هم آمدند. دانشمندان معتقدند تلاش در این زمینه به تولید استخوان های ساختگی خواهد انجامید . این استخوان ها در پزشكی كاربردهای زیادی خواهند داشت .

گیرنده های ساختگی

نخستین كارهایی كه در زمینه ی شیمی ابر مولكول ها صورت گرفت ، روی تشخیص مولكولی متمركز شده بود . منظور از تشخیص مولكولی ، شناسایی گزینش مولكول های سوبسترا (مهمان ) به وسیله ی گیرنده های ساختگی (میزبان ) است . اساس فرآیندهای تشخیص گزینشی در جانداران ، الهام بخش شیمیدان ها در طراحی نظام های مشابهی در دنیای شیمی بوده است . شیمی ابر مولكول ها ، به چنان سطحی از كنترل دست پیدا كرده است كه گیرنده های "اترتاجی "13 با توان گزینش پادزیست والینومایسین برابری می كنند.

والینومایسین را نوعی قارچ تولید می كند تا از خود در برابر باكتری ها حفاظت كند . این پادزیست محلول در چربی در غشای باكتری ها قرار می گیرد و همانند دریچه های اختصاصی به طور گزینشی به یون های پتاسیم اجازه رفت و آمد می دهد . در نتیجه ، تعادل یون ها در باكتری به هم می خورد و همانند تیوپی كه پنجر شده است ، ادامه فعالیت برای باكتری غیر ممكن می شود .

گیرنده ها ی اترتاجی وقتی در غشای مصنوعی ، نقش مشابهی ایفا می كنند.گیرنده های آنیونی نیز ساخته شده اند كه به طور ترجیحی -H2PO4 را از محیط دارای -HSO4  یا - Cl  انتخاب می كنند . عمل این گیرنده های مصنوعی به عمل پروتیین های طبیعی جانداران شباهت دارد كه به یون های فسفات متصل می شوند .

به تازگی محققان حتی توانسته اند برای گزینش درشت مولكو های زیستی بسیار پیچیده ، نظیر سیتوكروم C ، نیز گیرنده های مصنوعی بسازند . این گیرنده ها با قدرتی همانند سیتوكروم C اكسید از طبیعی ، به این مولكول پیچیده متصل می شوند . از این نوع گیرنده ها می توان برای طراحی و كشف دارو استفاده كرد . به علاوه از آن ها می توان برای تشخیص گزینش ماده مورد تجزیه به وسیله ی حسگرها و تفكیك مواد از طریق مبادله ی غشایی بهره گرفت .

برهم كنش های میزبان – میهمان برای ساختن كارآمدتر میزابان های درشت حلقه نیز سودمندند . برای نمونه ، اترهای تاجی را نمی توان به آسانی ساخت ، زیرا بر هم كنش های بین مولكولی با حلقه ای شدن درون مولكولی مقابله می كنند . با وجود این ، وقتی یك میهمان مكمل (الگو ) در محیط آماده سازی این ساختارها وجود داشته باشد، برهم كنش های ناكووالانسی بین مولكول های خطی و این الگو از درشت شدن حلقه ها پشتیبانی می كنند . بنابراین ، شیمی ابر مولكول ها در ساختن تركیب هایی با پیوندهای كووالانسی نیز موثر است .

آنزیم های مصنوعی

هر چند همیشه تفاوت های بین كاتالیزگرهای ابرمولكولی و كاتالیزگرهای «عادی » (آنزیم های جانداران ) آشكار نیست (به ویژه زمانی كه یون های فلزی در ساختار كاتالیزگر حضور دارند) یكی از عرصه هایی كه شیمی ابر مولكول ها می تواند در آن نقش مهمی ایفا كند ، كاتالیزكردن گزینشی است . تشخیص گزینشی سوبسترا و پایدار ساختن حالت گذار كه در آنزیم های جهان زنده دیده می شود ، الهام بخش شیمیدان ها در این زمینه بوده است .

لوییجی ماندولینی14 و همكارانش نوعی ابر مولكول كاتالیزگر را گزارش كرده اند كه سه خصوصیت ویژه ی آنزیم ها را از خود نشان دهد : اختصاصی عمل كردن ، پایدار كردن حالت گذار و «عدد تبدیل »15 بسیار بالا . این «یورانیل سالینوفان » افزودن گروه های تیول را به موقعیت های 1 و 4 كتون های سیر نشده در موقعیت های  آلفا و بتا، در دمای اتاق تسهیل می كند .

نولت16 و همكارانش مدل سیتوكروم P450 (یكی از آنزیم های مهم در متابولیسم داروها ) را ساخته اند . این مدل به عنوان اكسید كننده از اكسیژن بهره می گیرد ، به عنوان مركز كاتالیزگر از متالوپورفیرین استفاده می كند ، یك عامل كاهنده به عنوان دهنده ی الكترون دارد و برای نگه داشتن همه ی اجزا در كنار یك دیگر ، درون غشای مصنوعی جای داده شده است .

كلام آخر

صد سال پیش هرمان امیل فیشر17 دومین جایزه ی نوبل را به خاطر ساختن مولكول های آلی پیچیده دریافت كرد . آن كار عظیم یك قرن طلایی را برای شیمی رقم زد . در سال 1987 ، كمیته نوبل با اهدای جایزه به دونالد كرام18 ، ژان ماری لن و چارلز پدرسون19 به خاطر كار روی ساختن كمپلكس های مولكولی از مولكول های كوچك به كمك نیروی ناكووالانسی ، پیدایش عرصه تازه ای را در شیمی به نام شیمی ابر مولكول ها تصدیق كرد.

شناختن ابر مولكول ها و نحوه خود گردآوری آن ها برای درك پدیده های زیستی اهمیت فوق العاده ای دارد . به علاوه ، راهبرد تازه ای است برای سازمان دهی ماده در مقیاس بزرگ تر ؛ كار عظیمی كه شیمی پیوندهای كووالانسی در آفرینش آن عاجز است.

زمینه های مختلف علم ، راه های متفاوتی را برای درك طبیعت و بهره گیری از آن برمی گزیند. شیمیدان ها تلاش می كنند با طراحی و ساختن سیستم های جدید مسایل را حل كنند؛ فیزیكدان ها سیستم های موجود را بررسی می كنند و زیست شناسان با در هم آمیختن اجزای از پیش موجود، تغییراتی پدید می آورند . هر یك از این شیوه های مطالعاتی ، می تواند به نحوی در دنیای ابر مولكول ها اثر گذار باشد. بنابراین ، از همكاری زیست شناس ها ،فیزیكدان ها و شیمیدان ها ، بینش ها و كاربردهای جالب و سودمندی حاصل خواهد شد .





نوشته شده در تاریخ یکشنبه 14 فروردین 1390 توسط محمد مهدی خدادادپور
تمامی حقوق این وبلاگ محفوظ است | طراحی : پیچک
قالب وبلاگ