Historia

Makrocząsteczki biologiczne, do których należą przede wszystkim białka i kwasy nukleinowe, stanowią podstawowe cegiełki życia. Aby dopełnić tego obrazu, należy dodać jeszcze wszelkie struktury spontanicznie powstające z surfaktantów (głównie fosfolipidów), a więc: micele, błony komórkowe, liposomy i wreszcie całe komórki.

Od czasu odkrycia ich istnienia i pełnionych przez nie funkcji życiowych, biomakrocząsteczki stały się w naturalny sposób obiektem badań strukturalnych w nadziei, że ustalenie ich struktury pomoże w wyjaśnieniu sposobu realizacji ich roli w różnych procesach życiowych.

Tego rodzaju pytania stawiane początkowo z pobudek czysto poznawczych i filozoficznych dorobiły się z czasem zastosowań czysto medycznych. Np. dogłębna znajomość struktury DNA umożliwia korygowanie błędów w budowie kluczowych dla życia enzymów, ale również zaczyna pozwalać na naprawianie, a nawet poprawianie różnych cech ludzkiego ciała, co z kolei budzi wątpliwości natury etycznej.

Badanie cząsteczek o rozmiarach pojedynczych nanometrów stanowiło na początku XX wieku (i stanowi nadal) spore wyzwanie zarówno pod względem teoretycznym jak i metodologicznym, ponieważ do czasu ich odkrycia fizyka zajmowała się albo światem pojedynczych atomów i cząsteczek chemicznych złożonych z kilku atomów (fizyka atomowa), albo obiektami makroskopowymi (fizyka ciała stałego). Z kolei biologia idąc w głąb świata komórkowego zatrzymała się na etapie organelli komórkowych.

Przełomem w badaniu cząsteczek koloidowych, bo takim mianem nazwano cząsteczki o rozmiarach od nanometrów do mikrometrów, były prace Einsteina, Smoluchowskiego i Sutherlanda, w których pokazali, że obiekty te z jednej strony zachowują się jak cząsteczki w roztworach i podlegają prawom termodynamiki (np. są źródłem ciśnienia osmotycznego i podlegają zjawisku dyfuzji), a z drugiej wykazują cechy cząstek makroskopowych, np. te związane z hydrodynamiką (opór hydrodynamiczny, sedymentacja). Połączenie świata mikroskopowego, rządzonego energią termiczną ze światem makroskopowym z jego bezwładnością, zaowocowało m.in. sformułowaniem równania Einsteina-Stokesa, które pozwoliło powiązać rozmiar cząsteczek koloidowych ze współczynnikiem dyfuzji.

\(D=\frac{k_BT}{6\pi \eta R_h}\)

(\(k_B\) – stała Boltzmanna, \(T\) – temperatura, \(\eta\) - lepkość rozpuszczalnika, \(R_h\) – promień hydrodynamiczny).

Badania, napędzane z jednej strony przez chęć rozwiązania tajemnicy życia, a z drugiej przez rozwijający się przemysł polimerów, doprowadziły do powstania szeregu strategii eksperymentalnych opartych na właściwościach hydrodynamicznych cząsteczek koloidowych: pomiar współczynnika dyfuzji, pomiar szybkości sedymentacji (Svedberg), pomiar szybkości unoszenia w polu elektrycznym (elektroforeza), pomiar lepkości (wiskozymetria).

Z oczywistych względów makrocząsteczki stały się również przedmiotem badań strukturalnych wysokiej rozdzielczości przeprowadzanych techniką dyfrakcji promieni rentgenowskich. Zarówno rozwiązanie pierwszej struktury białka jak i struktury kwasów DNA zaowocowało przyznaniem nagrody Nobla. Znajomość struktury na poziomie atomowym pomogła w opracowaniu metod interpretacji wyników z innych doświadczeń.

Jednocześnie biomakrocząsteczki okazały się doskonałym modelem niemal perfekcyjnie monodyspersyjnych (identycznych) cząsteczek koloidowych.

Scroll to top