شيمي ابر مولكول‌ها

طي قرن گذشته ، شيميدان ها در درك و استفاده از مفهوم پيوند كووالانسي استاد شده اند . آن ها صدها واكنش شيميايي ابداع كرده اند كه اين پيوند بسيار محكم را كه نتيجه ي اشتراك الكتون بين دو اتم است ، بنيان مي نهند يا آن را دچار بازآرايي مي كنند . آن ها دانش خود را به كار گرفته اند تا در آفرينش هر چيزي ، از پاد زيست ها گرفته تا پلاستيك ها ، با طبيعت به رقابت برخيزند.
[ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ] هر چند شيميدان ها ، به طور معمول واكنش هاي شيميايي را در مفهوم شكستن و تشكيل پيوندهاي قوي كووالانسي بيان مي كنند، اما در سال هاي اخير توجه آن ها به پيوندهاي ظريف تري جلب شده است كه در شكل گيري كمپلكس هاي مولكولي بزرگ نقش اصلي را بر عهده دارند . اين پيوندها كه بهتر است آن ها را نيروها يا برهم كنش هاي ناكووالانسي بناميم . پيوندهاي هيدروژني ، نيروهاي وان دروالس ، برهم كنش هاي پاي، پل هاي نمكي و نيروهاي آبگريز را شامل مي شوند . در اين بر هم كنش ها بدون آن كه الكتروني مبادله شود ، اتم ها و در واقع مولكول ها به سوي يك ديگر جذب مي شوند. هر چند اين پيوندها به تنهايي ضعيف هستند اما مجموعه ي آن ها چسب قدرتمندي را پديد مي آورد كه مي تواند مولكول ها را به شدت به يك ديگر بچسباند .
پيوندهاي كووالانسي اساس پويايي حيات را تشكيل مي دهند . پيام رساني سلول ، جابه جايي گزينشي يون ها و مولكول ها از خلال غشاي سلول ، واكنش هاي آنزيمي ، شكل گيري كمپلكس هاي مولكولي بزرگ نظير ريبوزوم ها (كارخانه هاي توليد پروتئين ) و ليپوپروتيين ها (حاملان چربي در بدن ) ، انقباض ماهيچه ها و ذخيره ، بازيابي و تكثير اطلاعات ژنتيكي بدون ميانجي گري پيوندهاي ناكووالانسي غير ممكن است . اين پيوندها ويژگي ديگري نيز به جانداران و اجزاي سازنده آن ها بخشيده اند : خود – گردآوري1 .
خود – گردآوري سازمان يابي خود به خودي اجزا به صورت الگوها يا ساختارهاي منظم است . طي تقسيم سلول اجزاي سلول همانند سازي مي شوند و به صورت سلول جديدي گرد هم مي آيند . ما مي دانيم كه سلول زنده كيسه اي است داراي تعداد زيادي واكنشگر شيميايي و تعداد زيادي حسگر2 محيطي كه اجازه مي دهد گرما و برخي مواد شيميايي از خلال غشاي آن جابه جا شوند . به علاوه ، ما مي دانيم سلول، ساختاري بسته و خود – همانند ساز3 است كه با محيط انرژي مبادله مي كند و با آن سازگار مي شود . چگونه حيات از مجموعه اي از واكنش هاي شيميايي برمي خيزد؟ خود – گردآوري ممكن است رشته نخي باشد كه سادگي نسبي واكنش هاي شيميايي را با پيچيدگي سلول خود – همانند ساز، پيوند مي زند.
بنابراين درك فرآيند خود – گردآوري به درك دقيق تر حيات كمك مي كند . به قول ژان ماري لن4 «خود – سازمان يابي ، نيروي پيش برنده اي است كه به تكامل جهان زنده از ماده ي غير زنده انجاميده است ." به علاوه ، خود – گردآوري يكي از راهبردهاي عملي براي ساختن ساختارهاي نانو5 است .
در اين مقاله شما با گوشه هايي از تلاش شيميدان ها براي ساختن ابر مولكول هاي6 كارا كه بعضي نيز خود گردآورند ، آشنا مي شويد . آن ها بسياري از اين ابر مولكول ها را با الگو برداري از زيست شناسي ساخته اند و در پي آن هستند كه اين «مولكول هاي غول آسا» را چنان طرحي كنند كه علاوه بر صنعت ، در خدمت زيست شناسي و سلامت انسان نيز قرار گيرند.
ويروس هاي شيميايي
ويروس ها به طور معمول از يك پوشش پروتييني ساخته شده اند كه قطعه اي DNA يا RNA را در برمي گيرند . هنگام توليد ذره هاي ويروسي ، پروتيين هاي پوشش ويروس با فرآيند خود – گردآوري گرد هم مي آيند و كپسول توخالي ، متقارن و بسيار زيبايي را مي سازند . اين كپسول آن قدر پايدار است كه هم درون بدن جاندار و هم بيرون بدن آن ساختار خود را حفظ مي كند . از طرف ديگر ، اين كپسول آن قدر شكننده و حساس است كه هنگام ورود به سلول هدف ، از هم مي پاشد و محتويات خود (ماده ي ژنتيك ) را به درون سلول آزاد مي كند .
اكنون ماده ي ژنتيك ويروس امكانات سلول را در اختيار خود مي گيرد تا خود را همانند سازي كند و به علاوه با توجه به اطلاعات نهفته در آن ، پروتيين هاي پوشش ويروس ساخته مي شوند . سپس پروتيين هاي پوشش ويروس به طور خودكار گرد هم مي آيند و كپسول ويروس را مي سازند . البته هنگام گردهم آيي ، ماده ي ژنتيك ويروس درون كپسول به دام مي افتد.
ديويد آت وود7 و همكارانش در مركز تحقيقات علوم مولكولي اتاوا در كانادا ، پس از بررسي ساختار بلوري ويروس ها توانستند مولكول هاي كوچكي را بسازند كه به صورت كره اي توخالي گرد هم مي آيند. بررسي اين كره ها ،كه از 6 زير واحد يكسان و بسيار متقارن ساخته شده اند ، بافن بلور نگاري8 نشان داد هر كره حدود 1510 آنگستروم مكعب فضاي خالي دارد .
ساختن چنين مولكول هاي توخالي با روش هاي معمول در شيمي آلي بسيار دشوار است . به علاوه ، اين ساختارهاي حفره دار و بسيار بزرگ ، حتي در حضور زير واحدهاي بسيار مشابه ، تنها با زيرواحدهاي نظير خود گردآوري مي شوند . آت وود معتقد است روزي چنين كپسول هايي را مي توان براي تخليه ي دارو به درون اهداف مورد نظر (براي نمونه ،سلول هاي سرطاني ) و كمك به جدا سازي مولكول هاي بزرگ بر اساس اندازه يا شكل ، به كار گرفت .
ابر مولكول هاي خود همانند ساز
DNA بسپاري شامل چهار نوع نوكلئوئيد است . اين ابر مولكول به صورت مارپيچ دو رشته اي آرايش يافته است كه دو نوع پيوند ناكووالانسي آن را پايدار مي سازند: پيوند هيدروژني (از قرار گيري يك اتم هيدروژن ميان دو اتم الكترونگاتيو مانند اكسيژن و نيتروژن ، حاصل مي شود) و بر هم كنش هاي آبگريز (از كنار هم قرار گرفتن مولكول هاي چربي دوست جهت به حداقل رساندن تماس خود با آب ايجاد مي شود).
در مولكول DNA ، پيوندهاي هيدروژني دو رشته را به سوي يك ديگر مي كشانند، حال آن كه حلقه هاي آبگريز بازهاي اين اسيد نوكلييك ، همانند تعداد زيادي سكه روي هم انباشه مي شوند و رشته ها را محكم و پايدارتر مي سازند . اين روي هم انباشتگي با برهم كنش هاي بين ابرهاي الكتروني پاي كه بالا و پايين اين حلقه ها قرار دارند ، پايدارتر مي شود.
ايوان هوك9 و همكارانش در مركز تحقيقات شيمي و زيست شناسي تالنس فرانسه ، سال گذشته نخستين بسپار مصنوعي را توليد كردند كه در محلول ، به صورت مارپيچ دو رشته اي گرد هم مي آيد . آنان كار خود را با دو زير واحد بسيار مشابه 2 و 6- پيپريدين دي كربوكسيليك اسيد و 2و 6- دي آمينو پيپريدين آغاز كردند كه مي توانند با پيوند كووالانسي به صورت يك رشته به هم متصل شوند . بسپار حاصل ، در محلول رقيق به صورت مارپيچ آرايش مي يابد. بسياري از بسپارها ، چه طبيعي و چه مصنوعي ، مارپيچ هاي تك رشته اي مشابهي را مي سازند . اما اين بسپار به رشته ي دومي جفت مي شود و يك مارپيچ دو رشته اي شبيه مارپيچ دو رشته اي DNA به وجود مي آورد .
وان كيدروسكي10 روشي را براي خود همانند سازي اوليگونوكلئوتيدهاي مصنوعي ابداع كرده است . در اين روش اوليگونوكلئو تيدها روي بستر جامدي تثبيت مي شوند. سپس اين الگوها به قطعات مكمل كه در محلول وجود دارد پيوند مي يابند. اين قطعات به كمك واكنش هاي شيميايي به هم متصل مي شوند . در نهايت نسخه همانند سازي شده از روي الگو ، آزاد و بار ديگر روي بستر تثبيت مي شود و خود به عنوان الگوي تازه اي به كار گرفته مي شود . به اين ترتيب ، از اثر مهاري فرآورده ها بر واكنش جلوگيري مي شود . دانشمندان معتقدند ادامه اين آزمايش ها به توليد ابر مولكول هاي شبه DNA ، خواهد انجاميد كه توان خود همانند سازي دارند.
استخوان هاي ساختگي
استخوان ها از مجموعه اي از سلول هاي زنده ساخته شده اند كه در زمينه اي سخت و آهكي جاي گرفته اند . اين زمنيه ، از رشته هاي پروتئئني كلاژن و بلورهاي هيدروكسي آپاتيت Ca5(PO4CO3)3 تشكيل شده است . رشته هاي پروتييني كلاژن از زير واحدهاي رشته اي كوچك تري ساخته مي شوند كه سلول ها ي استخواني آن ها را به فضاي بين سلولي ترشح مي كنند .
اين زيرواحدها ، در اين محيط گرد هم مي آيند و رشته هاي كابل مانند كلاژن را مي سازند . سپس بلورهاي هيدروكسي آپاتيت با اين رشته ها ، كمپلكس هاي عظيمي را مي سازند. اين كمپلكس ها كه مي توان آن ها را «ابر كابل هاي كلاژني» ناميد، بافت زمينه ي استخوان را مي سازند.
جفري هارت جرنيك11 و الي ابنياش12 مولكول هاي آلي دو قسمتي ساخته اند كه به طور خودكار خود را به صورت رشته هاي كابل مانندي گردآوري مي كنند . وقتي آن ها اين رشته ها را در محلولي از يون هاي كلسيم ، فسفات و يون هاي هيدروكسيد قرار دادند ، آن ها به صورت كمپلكس هاي كلاژن و هيدروكسي آپاتيت استخوان ، گرد هم آمدند. دانشمندان معتقدند تلاش در اين زمينه به توليد استخوان هاي ساختگي خواهد انجاميد . اين استخوان ها در پزشكي كاربردهاي زيادي خواهند داشت .
گيرنده هاي ساختگي
نخستين كارهايي كه در زمينه ي شيمي ابر مولكول ها صورت گرفت ، روي تشخيص مولكولي متمركز شده بود . منظور از تشخيص مولكولي ، شناسايي گزينش مولكول هاي سوبسترا (مهمان ) به وسيله ي گيرنده هاي ساختگي (ميزبان ) است . اساس فرآيندهاي تشخيص گزينشي در جانداران ، الهام بخش شيميدان ها در طراحي نظام هاي مشابهي در دنياي شيمي بوده است . شيمي ابر مولكول ها ، به چنان سطحي از كنترل دست پيدا كرده است كه گيرنده هاي "اترتاجي "13 با توان گزينش پادزيست والينومايسين برابري مي كنند.
والينومايسين را نوعي قارچ توليد مي كند تا از خود در برابر باكتري ها حفاظت كند . اين پادزيست محلول در چربي در غشاي باكتري ها قرار مي گيرد و همانند دريچه هاي اختصاصي به طور گزينشي به يون هاي پتاسيم اجازه رفت و آمد مي دهد . در نتيجه ، تعادل يون ها در باكتري به هم مي خورد و همانند تيوپي كه پنجر شده است ، ادامه فعاليت براي باكتري غير ممكن مي شود .
گيرنده ها ي اترتاجي وقتي در غشاي مصنوعي ، نقش مشابهي ايفا مي كنند.گيرنده هاي آنيوني نيز ساخته شده اند كه به طور ترجيحي -H2PO4 را از محيط داراي -HSO4 يا - Cl انتخاب مي كنند . عمل اين گيرنده هاي مصنوعي به عمل پروتيين هاي طبيعي جانداران شباهت دارد كه به يون هاي فسفات متصل مي شوند .
به تازگي محققان حتي توانسته اند براي گزينش درشت مولكو هاي زيستي بسيار پيچيده ، نظير سيتوكروم C ، نيز گيرنده هاي مصنوعي بسازند . اين گيرنده ها با قدرتي همانند سيتوكروم C اكسيد از طبيعي ، به اين مولكول پيچيده متصل مي شوند . از اين نوع گيرنده ها مي توان براي طراحي و كشف دارو استفاده كرد . به علاوه از آن ها مي توان براي تشخيص گزينش ماده مورد تجزيه به وسيله ي حسگرها و تفكيك مواد از طريق مبادله ي غشايي بهره گرفت .
برهم كنش هاي ميزبان – ميهمان براي ساختن كارآمدتر ميزابان هاي درشت حلقه نيز سودمندند . براي نمونه ، اترهاي تاجي را نمي توان به آساني ساخت ، زيرا بر هم كنش هاي بين مولكولي با حلقه اي شدن درون مولكولي مقابله مي كنند . با وجود اين ، وقتي يك ميهمان مكمل (الگو ) در محيط آماده سازي اين ساختارها وجود داشته باشد، برهم كنش هاي ناكووالانسي بين مولكول هاي خطي و اين الگو از درشت شدن حلقه ها پشتيباني مي كنند . بنابراين ، شيمي ابر مولكول ها در ساختن تركيب هايي با پيوندهاي كووالانسي نيز موثر است .
آنزيم هاي مصنوعي
هر چند هميشه تفاوت هاي بين كاتاليزگرهاي ابرمولكولي و كاتاليزگرهاي «عادي » (آنزيم هاي جانداران ) آشكار نيست (به ويژه زماني كه يون هاي فلزي در ساختار كاتاليزگر حضور دارند) يكي از عرصه هايي كه شيمي ابر مولكول ها مي تواند در آن نقش مهمي ايفا كند ، كاتاليزكردن گزينشي است . تشخيص گزينشي سوبسترا و پايدار ساختن حالت گذار كه در آنزيم هاي جهان زنده ديده مي شود ، الهام بخش شيميدان ها در اين زمينه بوده است .
لوييجي ماندوليني14 و همكارانش نوعي ابر مولكول كاتاليزگر را گزارش كرده اند كه سه خصوصيت ويژه ي آنزيم ها را از خود نشان دهد : اختصاصي عمل كردن ، پايدار كردن حالت گذار و «عدد تبديل »15 بسيار بالا . اين «يورانيل سالينوفان » افزودن گروه هاي تيول را به موقعيت هاي 1 و 4 كتون هاي سير نشده در موقعيت هاي آلفا و بتا، در دماي اتاق تسهيل مي كند .
نولت16 و همكارانش مدل سيتوكروم P450 (يكي از آنزيم هاي مهم در متابوليسم داروها ) را ساخته اند . اين مدل به عنوان اكسيد كننده از اكسيژن بهره مي گيرد ، به عنوان مركز كاتاليزگر از متالوپورفيرين استفاده مي كند ، يك عامل كاهنده به عنوان دهنده ي الكترون دارد و براي نگه داشتن همه ي اجزا در كنار يك ديگر ، درون غشاي مصنوعي جاي داده شده است .
كلام آخر
صد سال پيش هرمان اميل فيشر17 دومين جايزه ي نوبل را به خاطر ساختن مولكول هاي آلي پيچيده دريافت كرد . آن كار عظيم يك قرن طلايي را براي شيمي رقم زد . در سال 1987 ، كميته نوبل با اهداي جايزه به دونالد كرام18 ، ژان ماري لن و چارلز پدرسون19 به خاطر كار روي ساختن كمپلكس هاي مولكولي از مولكول هاي كوچك به كمك نيروي ناكووالانسي ، پيدايش عرصه تازه اي را در شيمي به نام شيمي ابر مولكول ها تصديق كرد.
شناختن ابر مولكول ها و نحوه خود گردآوري آن ها براي درك پديده هاي زيستي اهميت فوق العاده اي دارد . به علاوه ، راهبرد تازه اي است براي سازمان دهي ماده در مقياس بزرگ تر ؛ كار عظيمي كه شيمي پيوندهاي كووالانسي در آفرينش آن عاجز است.
زمينه هاي مختلف علم ، راه هاي متفاوتي را براي درك طبيعت و بهره گيري از آن برمي گزيند. شيميدان ها تلاش مي كنند با طراحي و ساختن سيستم هاي جديد مسايل را حل كنند؛ فيزيكدان ها سيستم هاي موجود را بررسي مي كنند و زيست شناسان با در هم آميختن اجزاي از پيش موجود، تغييراتي پديد مي آورند . هر يك از اين شيوه هاي مطالعاتي ، مي تواند به نحوي در دنياي ابر مولكول ها اثر گذار باشد. بنابراين ، از همكاري زيست شناس ها ،فيزيكدان ها و شيميدان ها ، بينش ها و كاربردهاي جالب و سودمندي حاصل خواهد شد .
زيرنويس
1-Self-assembly
2-Sensor
3-Self-replicating
4-Lehn,j.M.
5-Nano structure
6-Supramolecules
7-Atwood,D.
8-Crystallography
9-Huc,I.
10-Kiedrowski,V.
11-Hartgernic,j.
12-Beniash,E.
13-Crown ether
14-Mandolini,L.
15-Turnover number
16-Nolte,R.J.M.
17-Fischer,H.E.
18-Cram,D.
19-Pedersen,C.
منابع
1.Alper J., Chemist Look to Follow Biology Lead, Science, 2000. 295 , p.2396
2.Lehn J.M., Toward Self-organizing And Complex Matter, Science. 2002, 295. p.2400.
3.Reinhoudt, D.N. Crego-Calama M., Synthesis Beyond The Molecule, Science, 2002, 295, p. 2403
4.Kato T., Self-assembly of Phases Segregated Liquid Crystal Structure, Science, 2002, 295, p.2418