هنگام سوار شدن به اتوبوس به راننده سلام كن و موقع پیاده شدن از او تشكر كن. اچ جکسون براون (کتاب نکته‌های کوچک زندگی)

شیمی و فیزیک

شیمی و فیزیک
SuperUser Account
/ دسته ها: علم شیمی

 

طی قرن گذشته ، شیمیدان ها در درک و استفاده از مفهوم پیوند کووالانسی استاد شده اند . آن ها صدها واکنش شیمیایی ابداع کرده اند که این پیوند بسیار محکم را که نتیجه ی اشتراک الکتون بین دو اتم است ، بنیان می نهند یا آن را دچار بازآرایی می کنند . آن ها دانش خود را به کار گرفته اند تا در آفرینش هر چیزی ، از پاد زیست ها گرفته تا پلاستیک ها ، با طبیعت به رقابت برخیزند. هر چند شیمیدان ها ، به طور معمول واکنش های شیمیایی را در مفهوم شکستن و تشکیل پیوندهای قوی کووالانسی بیان می کنند، اما در سال های اخیر توجه آن ها به پیوندهای ظریف تری جلب شده است که در شکل گیری کمپلکس های مولکولی بزرگ نقش اصلی را بر عهده دارند .
این پیوندها که بهتر است آن ها را نیروها یا برهم کنش های ناکووالانسی بنامیم . پیوندهای هیدروژنی ، نیروهای وان دروالس ، برهم کنش های پای، پل های نمکی و نیروهای آبگریز را شامل می شوند . در این بر هم کنش ها بدون آن که الکترونی مبادله شود ، اتم ها و در واقع مولکول ها به سوی یک دیگر جذب می شوند. هر چند این پیوندها به تنهایی ضعیف هستند اما مجموعه ی آن ها چسب قدرتمندی را پدید می آورد که می تواند مولکول ها را به شدت به یک دیگر بچسباند . پیوندهای کووالانسی اساس پویایی حیات را تشکیل می دهند . پیام رسانی سلول ، جابه جایی گزینشی یون ها و مولکول ها از خلال غشای سلول ، واکنش های آنزیمی ، شکل گیری کمپلکس های مولکولی بزرگ نظیر ریبوزوم ها (کارخانه های تولید پروتئین ) و لیپوپروتیین ها (حاملان چربی در بدن ) ، انقباض ماهیچه ها و ذخیره ، بازیابی و تکثیر اطلاعات ژنتیکی بدون میانجی گری پیوندهای ناکووالانسی غیر ممکن است .
این پیوندها ویژگی دیگری نیز به جانداران و اجزای سازنده آن ها بخشیده اند : 
خود – گردآوری۱ .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 که سلول زنده کیسه ای است دارای تعداد زیادی واکنشگر شیمیایی و تعداد زیادی حسگر۲ محیطی که 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 ساز۳ است که با محیط انرژی مبادله می کند و با آن سازگار می شود . چگونه حیات از مجموعه ای از واکنش های شیمیایی برمی خیزد؟ خود – گردآوری ممکن است رشته نخی باشد که سادگی نسبی واکنش های شیمیایی را با پیچیدگی سلول خود – همانند ساز، پیوند می زند. بنابراین درک فرآیند خود – گردآوری به درک دقیق تر حیات کمک می کند . به قول ژان ماری لن۴ «خود – سازمان یابی ، نیروی پیش برنده ای است که به تکامل جهان زنده از ماده ی غیر زنده انجامیده است ." به علاوه ، خود – گردآوری یکی از راهبردهای عملی برای ساختن ساختارهای نانو۵ است . در این مقاله شما با گوشه هایی از تلاش شیمیدان ها برای ساختن ابر مولکول های۶ کارا که بعضی نیز خود گردآورند ، آشنا می شوید . 
آن ها بسیاری از این ابر مولکول ها را با الگو برداری از زیست شناسی ساخته اند و در پی آن هستند که این «مولکول های غول آسا» را چنان طرحی کنند که علاوه بر صنعت ، در خدمت زیست شناسی و سلامت انسان نیز قرار گیرند. ویروس های شیمیایی ویروس ها به طور معمول از یک پوشش پروتیینی ساخته شده اند که 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 کپسول توخالی ، متقارن و بسیار زیبایی را می سازند . این کپسول آن قدر پایدار است که هم درون بدن جاندار و هم بیرون بدن آن ساختار خود را حفظ می کند . از طرف دیگر ، این کپسول آن قدر شکننده و حساس است که هنگام ورود به سلول هدف ، از هم می پاشد و محتویات خود (ماده ی ژنتیک ) را به درون سلول آزاد می کند . اکنون ماده ی ژنتیک ویروس امکانات سلول را در اختیار خود می گیرد تا خود را همانند سازی کند و به علاوه با توجه به اطلاعات نهفته در آن ، پروتیین های پوشش ویروس ساخته می شوند . سپس پروتیین های پوشش ویروس به طور خودکار گرد هم می آیند و کپسول ویروس را می سازند . البته هنگام گردهم آیی ، ماده ی ژنتیک ویروس درون کپسول به دام می افتد. دیوید آت وود۷ و همکارانش در مرکز تحقیقات علوم مولکولی اتاوا در کانادا ، پس از بررسی ساختار بلوری ویروس ها توانستند مولکول های کوچکی را بسازند که به صورت کره ای توخالی گرد هم می آیند. بررسی این کره ها ،که از ۶ زیر واحد یکسان و بسیار متقارن ساخته شده اند ، بافن بلور نگاری۸ نشان داد هر کره حدود ۱۵۱۰ آنگستروم مکعب فضای خالی دارد . ساختن چنین مولکول 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 کپسول هایی را می توان برای تخلیه ی دارو به درون اهداف مورد نظر (برای نمونه ،سلول های سرطانی ) و کمک به جدا سازی مولکول های بزرگ بر اساس اندازه یا شکل ، به کار گرفت . ابر مولکول های خود همانند ساز DNA بسپاری شامل چهار نوع نوکلئوئید است . 
این ابر مولکول به صورت مارپیچ دو رشته ای آرایش یافته است که دو نوع پیوند ناکووالانسی آن را پایدار می سازند: پیوند هیدروژنی (از قرار گیری یک اتم هیدروژن میان دو اتم الکترونگاتیو مانند اکسیژن و نیتروژن ، حاصل می شود) و بر هم کنش های آبگریز (از کنار هم قرار گرفتن مولکول های چربی دوست جهت به حداقل رساندن تماس خود با آب ایجاد می شود). در مولکول DNA ، پیوندهای هیدروژنی دو رشته را به سوی یک دیگر می کشانند، حال آن که حلقه های آبگریز بازهای این اسید نوکلییک ، همانند تعداد زیادی سکه روی هم انباشه می شوند و رشته ها را محکم و پایدارتر می سازند .
این روی هم انباشتگی با برهم کنش های بین ابرهای الکترونی پای که بالا و پایین این حلقه ها قرار دارند ، پایدارتر می شود. ایوان هوک۹ و همکارانش در مرکز تحقیقات شیمی و زیست شناسی تالنس فرانسه ، سال گذشته نخستین بسپار مصنوعی را تولید کردند که در محلول ، به صورت مارپیچ دو رشته ای گرد هم می آید . 
آنان کار خود را با دو زیر واحد بسیار مشابه ۲ و ۶- پیپریدین دی کربوکسیلیک اسید و ۲و ۶- دی آمینو پیپریدین آغاز کردند که می توانند با پیوند کووالانسی به صورت یک 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 تک رشته ای مشابهی را می سازند . اما این بسپار به رشته ی دومی جفت می شود و یک مارپیچ دو رشته ای شبیه مارپیچ دو رشته ای DNA به وجود می آورد . وان کیدروسکی۱۰ روشی را برای خود همانند سازی اولیگونوکلئوتیدهای مصنوعی ابداع کرده است .
در این روش اولیگونوکلئو تیدها روی بستر جامدی تثبیت می شوند. سپس این الگوها به قطعات مکمل که در محلول وجود دارد پیوند می یابند. این قطعات به کمک واکنش 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 کار گرفته می شود . به این ترتیب ، از اثر مهاری فرآورده ها بر واکنش جلوگیری می شود . دانشمندان معتقدند ادامه این آزمایش ها به تولید ابر مولکول های شبه DNA ، خواهد انجامید که توان خود همانند سازی دارند. استخوان های ساختگی استخوان ها از مجموعه ای از سلول های زنده ساخته شده اند که در زمینه ای سخت و آهکی جای گرفته اند . این زمنیه ، از رشته های پروتئئنی کلاژن و بلورهای هیدروکسی آپاتیت Ca۵(PO۴CO۳)۳ تشکیل شده است . رشته های پروتیینی کلاژن از زیر واحدهای رشته ای کوچک تری ساخته می شوند که سلول ها ی استخوانی آن ها را به فضای بین سلولی ترشح می کنند .
این زیرواحدها ، در این محیط گرد هم می آیند و رشته های کابل مانند کلاژن را می سازند . سپس بلورهای هیدروکسی آپاتیت با این رشته ها ، کمپلکس های عظیمی را می سازند. این کمپلکس ها که می توان آن ها را «ابر کابل های کلاژنی» نامید، بافت زمینه ی استخوان را می سازند. جفری هارت جرنیک۱۱ و الی ابنیاش۱۲ مولکول های آلی دو قسمتی ساخته اند که به طور خودکار خود را به صورت رشته های کابل مانندی گردآوری می کنند . وقتی آن ها این رشته ها را در محلولی از یون های کلسیم ، فسفات و یون های هیدروکسید قرار دادند ، آن ها به صورت کمپلکس های کلاژن و هیدروکسی آپاتیت استخوان ، گرد هم آمدند. دانشمندان معتقدند تلاش در این زمینه به تولید استخوان های ساختگی خواهد انجامید . این استخوان ها در پزشکی کاربردهای زیادی خواهند داشت . 
گیرنده های ساختگی نخستین کارهایی که در زمینه ی شیمی ابر مولکول ها صورت گرفت ، روی تشخیص مولکولی متمرکز شده بود . منظور از تشخیص مولکولی ، شناسایی گزینش مولکول 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 مولکول ها ، به چنان سطحی از کنترل دست پیدا کرده است که گیرنده های "اترتاجی "۱۳ با توان گزینش پادزیست والینومایسین برابری می کنند. 
والینومایسین را نوعی قارچ تولید می کند تا از خود در برابر باکتری ها حفاظت کند . این پادزیست محلول در چربی در غشای باکتری 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 باکتری به هم می خورد و همانند تیوپی که پنجر شده است ، ادامه فعالیت برای باکتری غیر ممکن می شود . گیرنده ها ی اترتاجی وقتی در غشای مصنوعی ، نقش مشابهی ایفا می کنند.گیرنده های آنیونی نیز ساخته شده اند که به طور ترجیحی -H۲PO۴ را از محیط دارای -HSO۴ یا - Cl انتخاب می کنند . عمل این گیرنده های مصنوعی به عمل پروتیین های طبیعی جانداران شباهت دارد که به یون های فسفات متصل می شوند . به تازگی محققان حتی توانسته اند برای گزینش درشت مولکو های زیستی بسیار پیچیده ، نظیر سیتوکروم C ، نیز گیرنده های مصنوعی بسازند . این گیرنده ها با قدرتی همانند سیتوکروم C اکسید از طبیعی ، به این مولکول پیچیده متصل می شوند . از این نوع گیرنده ها می توان برای طراحی و کشف دارو استفاده کرد . به علاوه از آن ها می توان برای تشخیص گزینش ماده مورد تجزیه به وسیله ی حسگرها و تفکیک مواد از طریق مبادله ی غشایی بهره گرفت . برهم کنش های میزبان – میهمان برای ساختن کارآمدتر میزابان های درشت حلقه نیز سودمندند . برای نمونه ، اترهای تاجی را نمی توان به آسانی ساخت ، زیرا بر هم کنش های بین مولکولی با حلقه ای شدن درون مولکولی مقابله می کنند .
با وجود این ، وقتی یک میهمان مکمل (الگو ) در محیط آماده سازی این ساختارها وجود داشته باشد، برهم کنش های ناکووالانسی بین مولکول های خطی و این الگو از درشت شدن حلقه ها پشتیبانی می کنند . بنابراین ، شیمی ابر مولکول ها در ساختن ترکیب هایی با پیوندهای کووالانسی نیز موثر است . آنزیم های مصنوعی هر چند همیشه تفاوت های بین کاتالیزگرهای ابرمولکولی و کاتالیزگرهای «عادی » (آنزیم های جانداران ) آشکار نیست (به ویژه زمانی که یون های فلزی در ساختار کاتالیزگر حضور دارند) یکی از عرصه هایی که شیمی ابر مولکول ها می تواند در آن نقش مهمی ایفا کند ، کاتالیزکردن گزینشی است . تشخیص گزینشی سوبسترا و پایدار ساختن حالت گذار که در آنزیم های جهان زنده دیده می شود ، الهام بخش شیمیدان ها در این زمینه بوده است . لوییجی ماندولینی۱۴ و همکارانش نوعی ابر مولکول کاتالیزگر را گزارش کرده اند که سه خصوصیت ویژه ی آنزیم ها را از خود نشان دهد : اختصاصی عمل کردن ، پایدار کردن حالت گذار و «عدد تبدیل »۱۵ بسیار بالا . این «یورانیل سالینوفان » افزودن گروه های تیول را به موقعیت های ۱ و ۴ کتون های سیر نشده در موقعیت های آلفا و بتا، در دمای اتاق تسهیل می کند . 
نولت۱۶ و همکارانش مدل سیتوکروم P۴۵۰ (یکی از آنزیم های مهم در متابولیسم داروها ) را ساخته اند . این مدل به عنوان اکسید کننده از اکسیژن بهره می گیرد ، به عنوان مرکز کاتالیزگر از متالوپورفیرین استفاده می کند ، یک عامل کاهنده به عنوان دهنده ی الکترون دارد و برای نگه داشتن همه ی اجزا در کنار یک دیگر ، درون غشای مصنوعی جای داده شده است . کلام آخر صد سال پیش هرمان امیل فیشر۱۷ دومین جایزه ی نوبل را به خاطر ساختن مولکول های آلی پیچیده دریافت کرد . آن کار عظیم یک قرن طلایی را برای شیمی رقم زد .
در سال ۱۹۸۷ ، کمیته نوبل با اهدای جایزه به دونالد کرام۱۸ ، ژان ماری لن و چارلز پدرسون۱۹ به خاطر کار روی ساختن کمپلکس های مولکولی از مولکول های کوچک به کمک نیروی ناکووالانسی ، پیدایش عرصه تازه ای را در شیمی به نام شیمی ابر مولکول ها تصدیق کرد. شناختن ابر مولکول ها و نحوه خود گردآوری آن ها برای درک پدیده های زیستی اهمیت فوق العاده ای دارد . به علاوه ، راهبرد تازه ای است برای سازمان دهی ماده در مقیاس بزرگ تر ؛ کار عظیمی که شیمی پیوندهای کووالانسی در آفرینش آن عاجز است. زمینه های مختلف علم ، راه های متفاوتی را برای درک طبیعت و بهره گیری از آن برمی گزیند. شیمیدان ها تلاش می کنند با طراحی و ساختن سیستم های جدید مسایل را حل کنند؛ فیزیکدان ها سیستم های موجود را بررسی می کنند و زیست شناسان با در هم آمیختن اجزای از پیش موجود، تغییراتی پدید می آورند . هر یک از این شیوه های مطالعاتی ، می تواند به نحوی در دنیای ابر مولکول ها اثر گذار باشد. بنابراین ، از همکاری زیست شناس ها ،فیزیکدان ها و شیمیدان ها ، بینش ها و کاربردهای جالب و سودمندی حاصل خواهد شد .
Print
344 رتبه بندی این مطلب:
بدون رتبه

SuperUser AccountSuperUser Account

سایر نوشته ها توسط SuperUser Account
تماس با نویسنده

نوشتن یک نظر

افزودن نظر

x
دی ان ان