Biopolimery Tom 1

W organizmach zarówno roślin, zwierząt, jak i ludzi występują miliardy białek, które są biopolimerami. Pełnią one funkcje związane z podtrzymywaniem i regulacją procesów życiowych oraz stanowią materiał budulcowy struktur komórkowych i tkanek. Biopolimery są materiałami odnawialnymi, biodegradowalnymi, co ma duże znaczenie w ekosystemie. Mają szeroki wachlarz zastosowań od przemysłu spożywczego, tekstylnego aż do medycyny i kosmetyki włącznie. O znaczeniu biopolimerów i konieczności poznania ich roli w życiu człowieka i ich przemianach w przyrodzie świadczy ogromna liczba badań, których wyniki są opublikowane w licznych publikacjach. O ważności tych badań dla ludzkości świadczy m.in. uhonorowanie licznych naukowców zajmujących się biopolimerami Nagrodą Nobla. Książka prezentuje wybrane zagadnienia, szczególnie ważne dla tematyki biopolimerów. Są one opracowane systematycznie w możliwie najprzystępniejszy sposób. Rysunki i tabele uzupełniają treść i warto je dokładnie przeanalizować. Dużo znamiennych terminów, z różnych dziedzin, m. in. z chemii, biologii i medycyny ma objaśnienie znaczenia umieszczone na aplach. Szczególną uwagę Autor poświecił badaniom eksperymentalnym biopolimerów i wskazówkom do przeprowadzania ćwiczeń laboratoryjnych z tego zakresu. Każdy rozdział kończy się spisem literatury, który umożliwi zainteresowanemu czytelnikowi rozszerzenie wiedzy w oparciu o oryginalne źródło. Z recenzji Tematyka zawarta w obu tomach publikacji Biopolimery dotyczy materiałów syntezowanych przez organizmy żywe a zatem odnawialnych, co ma niebagatelne znaczenie dla ekosystemu. Materiały te są znane i stosowane przez ludzkość od setek lat. Jednakże poznanie struktury i niektórych wysublimowanych zastosowań biopolimerów jest dziełem naukowców głównie XX i XXI wieku. Autorowi udało się przedstawić olbrzymi zasób wiedzy w sposób czytelny, unikając wielu zawiłości i wzorów matematycznych. Liczne wzory chemiczne są wizualnie przejrzyste, a mikrofotografie obiektów badań uzyskane za pomocą technik pozwalają wniknąć w głąb materii. Prof. dr hab. Danuta Żuchowska

1. KWASY NUKLEINOWE DNA I RNA - KLUCZE DO SYNTEZY BIAŁEK 1 1.1. Krótka historia DNA i RNA i ich roli w dziedziczeniu 1 1.2. Podstawowe pojęcia terminologiczne dotyczące budowy kwasów nukleinowych 3 1.2.1. Komplementarność par zasad 6 1.2.2. Budowa helisy DNA 8 1.2.3. Kwas rybonukleinowy (RNA) 11 1.3. Metody oczyszczania kwasów nukleinowych 15 1.3.1. Denaturacja termiczna DNA 16 1.3.2. Hydroliza chemiczna kwasów nukleinowych 17 1.3.3. Degradacja enzymatyczna 18 1.4. Sekwencjonowanie DNA 19 1.4.1. Metoda Sangera terminacji wydłużania łańcucha 20 1.4.2. Metoda Gilberta—Maxama 21 1.4.3. Oznaczanie ilości DNA metodą spektrofotometryczną 23 1.5. Replikacja DNA 24 1.6. Przekazywanie informacji genetycznej 29 1.7. Transkrypcja i translacja tRNA 36 1.8. Projekt poznania genomu ludzkiego 39 1.9. Inżynieria genetyczna 40 1.10. Klonowanie DNA 42 LITERATURA 46 2. BIAŁKA - BIOPOLIMERY ŻYCIA 51 2.1. Historia badań nad białkami w skrócie 51 2.2. Aminokwasy - elementarny budulec białek 53 2.2.1. Synteza organiczna aminokwasów 60 2.3. Budowa białek 64 2.3.1. Peptydy 64 2.3.2. Podział grupowy białek 65 2.3.3. Polipeptydy i białka 70 2.3.4. Budowa konformacyjna białek 76 2.3.5. Zwijanie i rozwijanie białek 88 2.3.6. Dysocjacja aminokwasów i białek 91 2.4. Cięcie białek 95 2.4.1. Oznaczanie aminokwasów N- i C-końcowych 97 2.4.2. Enzymatyczna fragmentacja białek 99 2.4.3. Sekwencjonowanie białek 101 2.5. Barwienie aminokwasów i biopolimerów w reakcjach chemicznych 105 2.5.1. Barwienie identyfikacyjne białek 105 2.6. Białka z grupami siarkowymi (—SM; —S—S—) 114 2.6.1. Wykrywanie siarki cysteiny i cystyny 115 2.6.2. Redukcja mostków disiarczkowych 116 2.7. Chemiczna synteza białek 120 2.8. Modyfikacja białek 124 2.9. Analiza instrumentalna w badaniach białek 128 2.9.1. Zagadnienia proteomiki 129 2.9.2. Bazy danych 131 2.10. Przykłady specyficznych peptydów i białek 134 2.10.1. Insulina do walki z cukrzycą 134 2.10.2. Białka motoryczne mięśni - miozyna 136 2.10.4. Białka motoryczne - kinezyna i dyneina 139 2.10.3. Białka krwi 142 2.10.5. Białka supertoksyczne grzybów 144 2.10.6. Białka supertoksyczne jadu węży 146 2.10.7. Priony 147 2.11. Co było pierwsze — białko czy DNA? 148 2.12. Enzymy — biokatalizatory 149 2.12.1. Historia enzymów w skrócie 149 2.12.2. Podział grupowy enzymów 150 2.12.3. Kinetyka reakcji enzymatycznych 154 2.12.4. Enzymatyczna aktywność enzymu 162 2.12.5. Kofaktory i koenzymy 165 2.12.6. Metaloenzymy 170 2.12.7. Inhibitory aktywacji enzymów 172 2.12.8. Reakcje metaboliczne enzymów 178 2.12.9. Immobilizacja enzymów 179 2.13. Rola nukleotydów AMP, ADP i ATP w magazynowaniu energii 183 2.13.1. ATP - adenozyno-5'-trifosforan 183 2.13.2. AMP - adenozyno-5'-monofosforan 185 2.13.3. Dinukleotydy nikotynoamidoadeniny (NADPH i NAD+) 185 LITERATURA 188 3. BIAŁKA STRUKTURALNE 199 3.1. Białka strukturalne 199 3.1.1. Kolagen 199 3.1.2. Właściwości kolagenu 211 3.1.3. Woda w kolagenie 213 3.2. Żelatyna 213 3.3. Elastyna 216 3.4. a-Keratyna 219 LITERATURA 223 4. BIOPOLIMERY WIELOCUKROWE – POLIGLUKANY (POLISACHARYDY) 225 4.1. Poliglukany pochodzenia roślinnego 225 4.1.1. Skrobia - budowa strukturalna 226 4.1.1.1. Kwas amylofosforowy 232 4.1.1.2. Kompleks skrobi z jodem 233 4.1.2. Dekstryny 234 4.1.3. Glikogen 235 4.1.4. Pektyny 235 4.1.5. Gumy roślinne 236 4.1.6. Agar 238 4.1.7. Inulina 239 4.2. Poliglukany pochodzenia drobnoustrojowego 241 4.2.1. Kwas alginowy 241 4.2.2. Dekstran 242 4.2.3. Gelan 244 4.2.4. Ksantan 245 4.2.5. Pozostałe egzopolisacharydy 246 4.3. Cyklodekstryny 248 4.4. Poliheteroglukany 252 4.4.1. Proteoglikany 252 4.4.2. Heparyna 254 4.4.3. Kwas hialuronowy 255 4.5. Celuloza - budowa strukturalna 256 4.5.1. Celuloza bakteryjna 264 4.5.2. Hemiceluloza 266 4.6. Fotosynteza celulozy 269 4.6.1. Cykl Calyina w procesie fotosyntezy 279 4.6.2. Właściwości chemiczne chlorofili 281 4.6.3. Właściwości emisyjne chlorofili 282 4.6.4. Efekt Kautsky'ego 283 LITERATURA 285 5. BIOPOLIMERY ROŚLINNE - PRAKTYCZNE ZASTOSOWANIA 291 5.1. Biopolimery spożywcze 291 5.1.1. Historia upraw rolnych w skrócie 291 5.1.2. Biopolimery roślinne 291 5.1.3. Białka zbóż 293 5.1.4. Gluten 294 5.1.5. Proces wypiekania z mąki 296 5.1.6. Błonnik pokarmowy 298 5.2. Włókna roślinne 300 5.2.1. Włókna naturalne w przemyśle włókienniczym 303 5.2.2. Włókna roślinne jako wypełniacze kompozytów 305 5.3. Biopolimery drzewiaste 308 5.3.1. Rozkład drewna powodowany przez grzyby 316 5.3.2. Wpływ światła na rozwój biopolimerów roślinnych 318 5.3.3. Odpady rolnicze i z przemysłu rolno-spożywczego 319 5.4. Lignina 321 5.5. Kauczuk naturalny 329 5.5.1. Historia odkrycia kauczuku naturalnego w skrócie 329 5.5.2. Kauczuk naturalny (Heyea brasiliensis) 330 5.5.3. Skład i właściwości fizykochemiczne lateksu 332 5.5.4. Otrzymywanie kauczuku z lateksu 333 5.5.5. Budowa chemiczna i fizyczna kauczuku naturalnego 333 5.5.6. Biosynteza kauczuku naturalnego 335 5.5.7. Kauczuk naturalny gutaperka 336 5.5.8. Rośliny kauczukodajne 336 5.6. Węgiel kamienny 337 5.7. Węgiel brunatny 340 LITERATURA 341 6. BIOPOLIMERY ZWIERZĘCE 345 6.1. Białka złożone żywności (proteidy) 345 6.1.1. Białka mleka krowiego 345 6.1.1.1. Kazeina 350 6.1.1.2. Galalit 352 6.1.1.3. Podpuszczka 354 6.1.1.4. Białko serwatkowe 354 6.1.2. Białka jaj kurzych 354 6.1.3. Białka mięsa 357 6.1.4. Białka ryb 361 6.2. Bilans energetyczny organizmu 362 6.2.1. Czy wiesz, ile człowiek potrzebuje białka? 363 6.3. Jedwab 367 6.3.1. Historia jedwabiu naturalnego w skrócie 367 6.3.2. Budowa białka jedwabiu naturalnego 368 6.4. Wełna 375 6.4.1. Historia wyrobów wełnianych w skrócie 375 6.4.2. Budowa i zastosowanie włókna wełny 375 6.5. Garbowanie skóry zwierzęcej 380 6.5.1. Historia garbarstwa w skrócie 380 6.5.2. Proces garbowania 381 6.6. Chityna i chitozan 387 6.6.1. Modyfikacja fizyczna i chemiczna chityny i chitozanu 394 LITERATURA 396 7. ZASTOSOWANIA BIOPOLIMERÓW W SKALI WIELKOPRZEMYSŁOWEJ 399 7.1. Rozwój przemysłowy biotechnologii 399 7.2. Produkcja skrobi 400 7.2.1. Fizyczna i chemiczna modyfikacja skrobi 401 7.2.2. Biokompozyty skrobi z polimerami 406 7.2.3. Biodegradacja enzymatyczna skrobi 409 7.3. Celuloza na użytek przemysłowy 411 7.3.1. Modyfikacja fizyczna i chemiczna celulozy 413 7.3.2. Włókna celulozowe 418 7.3.3. Wytwarzanie włókien 420 7.3.4. Formowanie włókien metodą elektroprzędzenia 421 7.4. Papier 422 7.4.1. Historia papieru w skrócie 422 7.4.2. Produkcja papieru i tektury 423 7.4.3. Degradacja biologiczna celulozy (papieru i książek) 429 7.5. Przemysłowe aspekty biosyntezy biopolimerów 430 7.5.1. Budowa bakterii produkujących enzymy 432 7.5.2. Zastosowanie enzymów w różnych dziedzinach 436 7.6. Biopolimery w kontakcie z naturą 440 LITERATURA 447 8. BIOPOLIMERY W PRAKTYCE I MEDYCYNIE 453 8.1. Rola aminokwasów w organizmie człowieka 453 8.2. Rola polipeptydów i białek 457 8.3. Trawienie białek w układzie pokarmowym 458 8.4. Proteiny w medycynie 460 8.4.1. Glikoproteiny strukturalne 460 8.4.2. Heparyna i kwas hialuronowy 461 8.4.3. Kolageny w organizmie człowieka 462 8.4.3.1. Kolagen jako biomateriał tkanek, chrząstek i kości 463 8.4.3.2. Kolagen w inżynierii tkankowej 467 8.4.3.3. Choroby spowodowane uszkodzeniem kolagenu 468 8.4.4. Elastyna w medycynie 470 8.4.5. Keratyna w medycynie 470 8.4.6. Jedwab naturalny w medycynie 472 8.4.7. Wpływ kolagenu na starzenie się człowieka 472 8.4.8. Alergie 474 8.4.9. Celiakia choroba wywoływana biopolimerem glutenem 477 8.4.10. Albumina i jej wykorzystanie w medycynie 478 8.5. Polisacharydy w medycynie 479 8.5.1. Wybrane polisacharydy 479 8.5.2. Chityna i chitozan w medycynie 483 8.6. Biopolimery bakteriostatyczne w medycynie 484 8.6.1. Mikroby w biofilmie 484 8.6.2. Peptydy przeciwdrobnoustrojowe 486 8.7. Leki oparte na biopolimerach 487 8.8. Biopolimery jako implanty 489 8.9. Cytotoksyczność biomateriałów 496 LITERATURA 499 9. BIOPOLIMERY POWIĄZANE Z KOSMETYKĄ I MEDYCYNĄ SKÓRY 505 9.1. Skóra i jej funkcje fizjologiczne 505 9.1.1. Biologiczny proces starzenia skóry 514 9.1.2. Uszkodzenia skóry - rany 515 9.1.3. Celuloza bakteryjna jako materiał opatrunkowy 518 9.1.4. Biopolimerowe hydrożele 520 9.1.5. Opatrunki hydrożelowe 524 9.1.6. Wpływ enzymów na skórę 526 9.1.7. Proteoglikany - łącznik między naskórkiem a skórą właściwą 528 9.1.8. Kwas hialuronowy w organizmie człowieka 529 9.1.9. Zastosowanie kolagenu w kosmetyce 530 9.1.10. Wpływ światła słonecznego na skórę 531 9.1.11. Skóra sztuczna 535 9.2. Melanina - barwnik skóry 536 9.3. Budowa włosów i paznokci - keratyna 539 9.3.1. Modyfikacja struktury włosów 543 9.4. Elastyna w kosmetyce 544 9.5. Jedwab naturalny w kosmetyce 545 9.6. Chityna (chitozan) w kosmetyce 547 9.7. Preparaty kosmetyczne do pielęgnacji skóry 547 9.7.1. Peptydy stosowane w kosmetyce 552 9.8. Uszkodzenia skóry, włosów i paznokci wywołane stosowaniem kosmetyków 555 LITERATURA 557 10. STARZENIE SIĘ, UMIERANIE I ŚMIERĆ BIOPOLIMERÓW 561 10.1. Mechanizm starzenie się 561 10.2. Czas życia i umierania komórek 563 10.3. Manipulacje genetyczne w proces starzenia 569 10.4. Komórka - podstawy budowy strukturalnej 570 10.5. Oczekiwana długość trwania życia 572 10.6. Biologia śmierci 573 10.7. Procesy rozkładu biopolimerów 575 LITERATURA 577 SKOROWIDZ 579