البوليمرات:جزيئاتكبيرةشائعةالوجودوكثيرةالمنافع!

مواد الجزيئات الكبيرة: الوحدات البنائية للحياة

يُستخدم اللفظ العلمي”الجزيئاتالكبيرة”“أوماكرو”للإشارةإلىالجزيئاتالضخمة،لأنكلمة”ماكرو”تعنيكبرالحجم。وتُعدالبوليمراتمنالموادذاتالجزيئاتالكبيرة،التيتكادتوجدفيجوانبحياتناكافة。فمنالمحتملاحتكاكأحدناعلىالأقلمعأحدالمنتجاتالمحتويةعلىبوليمرات،مثلزجاجاتالمياه،أوأحدالآلاتالصغيرة،أوالإطاراتخلالالخمسدقائقالماضية。وفي الحقيقة، يعطينا مصطلحالبوليمرلمحةً عن كيفية تصميم هذه المواد。وفياللغةاليونانية،يُقصدبكلمة”بولي”متعدد،وتعنيكلمة”مر”جزءًا．ولإيضاحالصورةبطريقةأفضل،تخيلأنكتصنعقلادةمامنالخرزات。إذ تُمثل كل واحدة من هذه الخرزات ذرةً واحدةً。حيث تنتظم كل خرزة مع الأخرى في صفٍّ واحد。أويُمكنكصُنعمجموعاتمننوعواحدمنالخرزاتمعالأنواعالأخرى،ثمصفهممعًا。ويعني البوليمر الواحد؛مجموعةمنالخرزاتالمستقلة،إذتُسمّىكلواحدةٍمنهابالمونومير．وعنداجتماعهامعًا،تصنعتلكالمونوميراتالمستقلةالبوليمر。ويوضحالشكل رقمأحدالرسومالبيانيةالمُبسّطةحولكيفيةبناءالمونوميراتللأنواعالمختلفةمنالبوليمرات。

لفهمالبوليمراتبطريقةأفضل،يتحتّمعلينافحصالمادةالتيصُنعمنهاكلواحدٍمنأنواعالمونوميرات。وتأتيالبوليمراتبأشكالوأحجاممختلفة،كمايُمكنأنتكونمُصنّعة،أوتحدثبصورةطبيعيةكمافيالنباتاتأوالحيوانات。فمثلًا؛تُعدالبروتيناتأحدأنواعالبوليمرات،وتتكونمنمونوميراتتُسمىالأحماضالأمينية。ويُمكنإيجادالبروتيناتفيالأظافر،أوالعضلات،أوالجلد،أوخلاياالأجهزةالمهمة،ويعتمدذلكعلىنوعالأحماضالأمينيةوعددهاالمجتمعمعًا。كماتوجدإحدىالبوليمراتالتيتحدثبصورةطبيعيةوهيالنشا،التيتُشكّلمخزونالطعامللنباتاتمثل:البطاطس،والذرة،والقمح。وتُعدالنشاأحدالبوليمراتلذيذةالمذاق،ويمكنناإيجادُهافيالخبز،والمعكرونة!150年وعلىمدارعامًاماضية،ظلالبشريتعلمونكيفيةتصنيعالبوليمراتالصناعية(أو المصنوعة بالأيدي البشرية)。ويمكننااليومالتحكمفيالبوليمراتالطبيعية——مثلالسليولوزأحدالبوليمراتالمُصنّعةمنالجلوكوز(أحدأشكالالسكر)——أوالتحكمفيالبوليمراتالصناعيةمثل:التفلونالمشتقمنزيتالبترول。

قصة الجزيئات الكبيرة

علىالرغممنكونالبوليمراتقديمةقدمالحياة،فإننالمنعرفهاحتىعام1830،عندماوصفهاالعلماءللمرةالأولى。وقدتمتصنيعأولبوليمرصناعيعا1907،مالمعروفباسمالباكليت،وهوأولالبوليمراتالبلاستيكية،الذيصُنّعنتيجةتفاعلبسيطوغيرمكلف。وبعدذلك،ساعَدبوليمرالباكليتالمهندسينفيتصنيعهمالعديدمنلعبالأطفالالمتنوعة،وأدواتالمطبخ。لكنظلمصطلح”الجزيئاتالكبيرة”غيرمعروفحتىعام1920،وذلكعندماصاغالعالمالألمانيهرمانشتاودنگرالذيكانيعملعلىالبوليمراتالصناعيةهذاالمصطلح。لكنمنالمؤسف،عدمتصديقالكثيرمنالعلماءلهبالنسبةلوجودهذهالجزيئاتالكبيرة،إذعارضالعديدمنالكيميائيينوجود”الجزيئاتالعضويةالضخمة”فيتلكالآونة。ونوعًامالميُفضّلواتصديقفكرةوجودقوةاستثنائيةكبيرةتتحكمفيالعديدمنالموادالطبيعية،التيتتكونمنوحداتصغيرة؛مثل الجلوكوز، والحرير، والمطاط。وبعدأنأعلنالعالمالألمانيهرمانمصطلحالجزئياتالكبيرة،عارضهأحدعلماءالكيمياءالمرموقينقائلًا:“ربمامنالأفضلأنتدّعيوجودفيلبمكانٍمابإفريقيايبلغطوله1500قدم،وارتفاعهنحو300قدم”(1，2］．ولطرافةالأمر،بماأنهذاالفيلالخياليغيرموجود؛إذنفالبوليمراتكذلكليسلهاوجود،إلاأنّاكتشافالبوليمراتأحدثثورةعلمية。

لميكتشفالباحثونحتىأربعينياتأوخمسينياتالقرنالماضيوجودالبوليمراتبصورةطبيعيةفيالأجسامالبشرية،بمافيذلكالبروتينات(التيسبقأنوصفناهابأنهامونوميراتأحماضأمينية)والحمضالنووي．ويتشكلالحمضالنوويمنمونوميراتتُسمىالنيوكليوتيدات。أدركالعلماءعندبناءالنموذجالأولمنبوليمرالحمضالنوويالطبيعي،أنتركيبجزيئاتالحمضالنوويقدساعدهمفيشرحطريقةعملالحمضالنوويعلىاحتفاظهبكلتلكالمعلوماتاللازمةلتشكيلالكائنالحي。

تركيب الجزيئات الكبيرة

يستمرالعلماءمعمرورالوقتفيدراسةتركيبالجزيئاتالكبيرة。وقدوجدواأنالبوليمراتالطبيعيةأقلبكثيرمننماذجهمالصناعيةالطويلة。واكتشفواكذلكأنطولتلكالبوليمراتالصناعية،والأنماطالتيتتخذهاالمونوميراتحينتصطفمعبعضهابعضًا؛هيالعواملالتيتجعلتلكالبوليمراتالطويلةقوية،وخفيفةالوزن،وشفافة،ومرنة。وللبوليمرات قدرة أخرى خارقة؛إذ تتعدد أشكلها المختلفة!ففيالشكل(2)تستطيعرؤيةالأشكالالرئيسيةالثلاثةللبوليمراتوهي:البوليمراتالخطية،والمتفرعة،والمتشابكة。ويمكنتمثيلالبوليمراتالخطيةبالمعكرونةالإسباجتيالمطبوخة。وعلىعكسالبوليمراتالمتفرعة،تُعدالبوليمراتالخطيةأكثرتشابكًا،بحيثتُصبحلزجةومرنة。وعلىعكسذلك،تملكالبوليمراتالمتشابكةالكثيرمنالتشعباتالتيتمنعهامنتجاوزبعضهابعضًا。إذجعلتهذهالميزةالبوليمراتالمتشابكةأكثرصلابةومتانة،ويمكنقصمها،مماجعلهامفيدةلتشكيلالموادالصلبة؛مثلالمطاطالمتشابك(مطاطستيرين——بيوتادي)نالمستخدمفيصناعةالكثيرمنالسيارات،وإطاراتالمركبات。وهذايجعلتركيبالبوليمراتالمتشابكةسببًافيعدمانصهارالإطاراتالمطاطيةللسياراتخلالالقيادةبسرعة،علىالرغممنشدةارتفاعسخونتهانتيجةالاحتكاكبالطريق。

وقدجدنامنذمعرفتنابكيفيةاختراعالبوليمرات،وكيفيةالتعاملمعهاأنبعضهاقدشكَّلعالمنا؛مثل متعدد الأميد، والبوليستر، ومتعدد الإيثيلين。فيُعدّبوليمرمتعددالأميدقويًامثلالموادالواقيةمنالرصاصالتيتُستخدمفيصناعةالستراتالواقيةمنالرصاص。بيدأننانستخدمبوليمرالبوليسترالمحتويعلىروابطأضعففيصناعةأشياءعدة؛مثل الخيوط القابلة للتحلل الحيوي لخياطة الجروح。كما يمكنك فيالشكل(2 b)الاطلاععلىتركيباتبعضالبوليمراتالأخرى،بمافيهامنبعضالبوليمراتالطبيعيةالأكثرتعقيدًا،والمصنوعةمنالسكّريات،والأحماضالأمينية،والنيوكليوتيدات。

ماذاتُعدالجزيئاتالكبيرةبالغةالأهميةمنأجلصحتنا؟

تلعبالجزيئاتالكبيرةبعضالأدوارالعظيمةالتيتؤديهافيعملخلايانايوميًّا。فمثلًا؛عندماتتفاعلالبوليمراتالصناعيةمعأجسامنا——فيعمليةتطعيمأحدالعظامالمكسورةأوفيالأدوية——ينبغيلناالتأكدمنعدمبقائهاداخلأجسامنافتراتطويلةعقباستخدامها،لأنتلكالبوليمراتتستطيعبناءتراكماتسامةمعالوقت،وتُصبحفيغايةالخطورةعلىصحةأجسامنا!لذلك،صُمِّمتتلكالبوليمراتالصناعيةلتأديةالدورالمرجومنها،ثمبعدذلكتتحلللأجزاءصغيرةيمكنلخلايانامعالجتهابصورةطبيعية。وبسببذوبانهامعأجسامنانطلقعليها”البوليمراتالقابلةللتحللالحيوي”。ويعدبوليمرالبوليسترأحدأمثلةعناصرالبوليمراتالقابلةللتحللالعضويالمستعملفيعددلايُحصىمناستخداماتالطبالحيوي؛مثلالغرزالقابلةللتحلل،والبراغي،والشرائح،والمساميرالطبيةالمستخدمةكلهافيإصلاحالعظامالمكسورةوتثبيتهامعًا。ويُعدتوافقالبوليمراتالصناعيةمعأجسامنامنالأمورالمهمةكذلك،ونسميذلكالأمربالتوافقالحيوي。

يسمحالتوافقالحيويبعملالجسمبصورةطبيعيةفيظلوجودالبوليمرات،دونوجودأيتفاعلاتحساسية،أوآثارجانبيةمعاكسةإثروجودها。

منالجليأناستخدامالبوليمراتأثّرتعلىصحتنا،وأحيانًادونعلمنا[3.］．فمثلًا؛فيبعضالأحيانينبغيلن——عاندمرضنا——ابتلاعحبوبلمساعدتنافيالتعافيسريعًا。وبوجهٍعام،تُذابتلكالحبوبفيالمعدةلينتقلأثرالدواءعبرمجرىالدم。لكن،ولسوءالحظ،فيبعضالأحيانيتلفالعقارداخلالمعدة،أوالأمعاءقبلالوصولعبرمجرىالدمإلىالعضوالسقيم。أوربمافيبعضالأوقات،لايملكالدواءالفرصةللذوبانداخلالمعدة。فمهمةالمعدةهيإذابةالأشياءسريعًا،لذافإنعمليةإبطاءتلكالعمليةأمرعسير。فكر في حل ما؟حسنًا،يكمنالحلفيتصنيعقرصالدواءبالاستعانةببعضالبوليمراتالمصممةبطريقةمخصصة!

فمثلًا؛يُستخدمأحدالأدوية——النيفيديبين——لمعالجةضغطالدمالمرتفع،ممّايُعدُّنبأًعظيمًالقرابةالمليارشخصحولالعالمممنيعانونمنهذاالمرض。بيدأنالأخبارالسيئةتكمنفيأندواءالنيفيديبينلايملكالوقتالكافيغالبًاللذوبانفيالمعدة。فمن حسن الحظ، يعالج البوليمر هذه المشكلة。إذيُستخدمبوليمريسمىبوليفينيلبيروليدونلدعمقدرةدواءالنيفيديبينفيعمليةالإذابةداخلالمعدة。وقد مزج العلماء بين دواء النيفيديبين منخفضالذوبانيةمعالبوليفينيلبيروليدون،لتشكيلأحدالأقراصالدوائية。وذلكمنخلالتغطيةقرصالدواءنيفيديبينبأحدالأغطيةالمصنوعةمنهذاالبوليمر،وبهذايستطيعالعقارإحداثفاعليتهمنخلالوصولهإلىمجرىالدمبأمان(الشكل3) [4］．وماهذاإلامثالواحدفقطعلىطرقٍللتأثيرالإيجابيللجزيئاتالكبيرةعلىصحتنا。

ومنهنا،نستنتجأنالبوليمراتوالجزيئاتالكبيرةبشتىأشكالهاتلعبدورًامهمًافيصحتناكبشر。وحان الوقت لإظهار بعض الامتنان لها。

مسردللمصطلحات

الجزيئات الكبيرة(大分子)：↑عبارةعنأحدالجزيئاتالكبيرةالتيتحتويعلىآلافالذراتأوأكثر。

البوليمر(聚合物)：↑عبارةعنأحدالجزيئاتالضخمة،أوالجزيئاتالكبيرة،وتتكونمنوحداتمتكررةتُسمىالمونوميمرات。

المونومير(单体)：↑عبارةعنالوحداتالبنائية،أوالوحداتالمتكررةالمكونةلأحدالبوليمرات。

البوليمر الصناعي(合成)：↑مصنوع من المواد الكيميائية。

الحمض النووي (dna)：↑عبارةعنالمادةالوراثيةالتيتحملالمعلوماتالجينيةحولشكلووصفأحدالكائناتالحية。

التوافق الحيوي(生物相容性)：↑قدرةإحدىالموادعلىالتواجدفيالجسمدونإيذاءالأنسجةالحية。

الذوبانية(溶解度)：↑قدرة المادة على الامتزاج مكونة خليطًا سائلًا。

إقرار تضارب المصالح

يعلنالمؤلفونأنالبحثقدأُجريفيغيابأيعلاقاتتجاريةأوماليةيمكنتفسيرهاعلىأنهاتضاربمحتملفيالمصالح。

إقرار

نودشكرمعلميناومستشاريناالدكتور/保罗Decuzzi،والدكتور/琳恩斯托克斯،والأستاذالجامعي/马克Searcey。تمدعمهذاالعملمنقِبلمؤسسةBBSRCلمنحةنورويتشلأبحاثالعلومالبيولوجية——شراكةتدريبالدكتوراةبرقم(BB / M011216/1, 1794654)،وبرنامج地平线2020للبحثوالابتكارالتابعللاتحادالأوروبيبموجباتفاقيةمنحة玛丽·斯卡洛多斯卡·居里رقم754490。

---

المراجع

［1］↑Mülhaupt, R. 2014。Hermann Staudinger和大分子化学的起源。Angew。化学。Int。艾德,心血管病。43:1054 - 63。doi: 10.1002 / anie.200330070

[２]↑范登堡，E. J. 2012。高分子科学当代专题“，．卷。5。纽约:施普林格科学与商业媒体。

[3]↑兰格，R.和蒂雷尔，D. 2004。为生物和医学设计材料。自然428:487。doi: 10.1038 / nature02388

[4]↑马萨克，P. J.， Konno, H.和泰勒，L. S. 2006。非晶态非洛地平和硝苯地平体系物理稳定性的比较。制药。Res。23:2306。doi: 10.1007 / s11095 - 006 - 9047 - 9