Диссертация (1150173), страница 2
Текст из файла (страница 2)
ПолиэлектролитыПолимеры представляют собой высокомолекулярные природные или синтезированныехимические соединения, состоящие из большого числа повторяющихся структурныхзвеньев – мономеров, связанных между собой химическими или координационнымисвязями в линейные (например, полиакриловая кислота), разветвленные (крахмал) илипространственные трехмерные структуры (ДНК). Число мономерных звеньев определяетстепень полимеризации данного полимера и может варьироваться в пределах отнескольких десятков (синтетические олигомеры) до миллионов (геномная ДНК).Если по крайней мере некоторые повторяющиеся сегменты полимера имеют заряд, тотакой полимер называется полиэлектролитом.
Полиэлектролиты подразделяются наполикатионы, при диссоциации которых в водном растворе макромолекула приобретаетположительныйзаряд,полианионы,зарядкоторыхврастворестановитсяотрицательным, и полиамфолиты, макромолекулы которых в растворе имеют какположительные, так и отрицательные заряды. Наличие заряженных групп в составеполимеров приводит к увеличению их растворимости в воде, а также оказывает влияниена внутри- и межмолекулярные взаимодействия в растворе.Как и в случае незаряженных полимеров, полиэлектролиты могут быть каксинтетическими(полиакриловаякислота),такиприродными(полисахариды,полипептиды).
Одним из важнейших биологических полиэлектролитов являетсядезоксирибонуклеиновая кислота, свойства которой кратко рассматриваются вследующем параграфе.I.1.2. Дезоксирибонуклеиновая кислотаДезоксирибонуклеиновая кислота – биополимер, присутствующий в клетках всехживых организмов и отвечающий за хранение и передачу генетической информации [49].Как химическое вещество ДНК была впервые выделена в 1869 году Мишером [50].Однако, биологическая функция ДНК как носителя генетической информации сталаизвестна много позже, благодаря работам Эвери и др. по трансформации бактерий [51].8Расшифровка структуры ДНК с помощью снимков, полученных Франклин методомрентгеновской дифракции в 1953 году (рис.I.1) [52–54], стала поворотным моментов вистории биологии и современной генной инженерии [55].С химической точки зрения ДНК представляет собой нерегулярный полиэлектролит(полианион), в котором роль мономера играет нуклеотид.
Каждый нуклеотид, в своюочередь, состоит из фосфатной группы, дезоксирибозы (2-дезокси-D-рибозы) иазотистого основания. Азотистые основания, входящие в состав ДНК, представленыпуринами – аденином (А) и гуанином (Г), а также пиримидинами – тимином (Т) ицитозином (Ц) (рис.I.1). Первый атом углерода дезоксирибозы связывается гликозиднойсвязью с атомом азота в положении 9 или 1 пуринового или пиримидинового основания,соответственно, образуя дезоксирибонуклеозиды, далее соединяющиеся с фосфатнойгруппой через сложноэфирную связь.
Образующиеся нуклеотиды объединяются междусобой в длинную полинуклеотидную цепь, формируя первичную структуру молекулыДНК. Остов такой цепи состоит из чередующихся фосфатов и сахаров, соединенныхфосфодиэфирными связями, которые формируются в результате взаимодействиягидроксильной группы дезоксирибозы одного нуклеотида и фосфатной группой другого.В большинстве случаев две цепи ДНК закручиваются одна вокруг другой в видедвойной спирали, представляющей вторичную структуру молекулы.
Двойная спиральобычно правозакрученная и стабилизирована водородными связями, образующимисямежду обращёнными друг к другу азотистыми основаниями согласно принципукомплементарности: аденин соединяется только с тимином, гуанин — только сцитозином [56]. Кроме того, одиночные цепи, входящие в состав двойной спирали,антипараллельны друг другу. Диметр двойной спирали составляет от 2.2 до 2.4 нм, длинакаждого нуклеотида – 0.34 нм [57].
В двойной спирали различают малую (1.2 нм) ибольшую (2.2 нм) бороздки [58], появляющиеся при смещении антипараллельнорасположенных цепей относительно друг друга вследствие неодинакового размераазотистых оснований.Описанная выше двойная спираль является В-формой, в которой ДНК присутствует вклетках живых организмов. При дегидратации B-формы образуется А-форма, котораятакже является правозакрученной. В таком виде ДНК встречается в спорах.
Приизменении ионной силы и состава растворителя двойная спираль может изменятьнаправление вращения и превращаться в левозакрученную Z-форму. А, В и Z формы9отличаются между собой количеством нуклеотидных пар, приходящихся на один виток,а также углом наклона плоскости азотистых оснований по отношению к оси спирали(рис.I.1).При физиологических значениях рН (7–8) молекула ДНК несет сильныйотрицательный заряд. Это связано с тем, что гидроксильные группы остатков фосфорнойкислоты ионизированы в данных условиях. Внешняя часть молекулы ДНК – остатокфосфорной кислоты и дезоксирибоза, проявляет гидрофильные свойства, тогда какобращенные внутрь спирали азотистые основания, наоборот, почти нерастворимы в водеи проявляют ярко выраженный гидрофобный характер, что является одной из причинсамоорганизации одиночных цепей ДНК в водной среде.I.1.3.
ПлазмидыПомимо двойной спирали известны структурные формы ДНК более высокого порядка,представляющие третичную структуру ДНК. Типичным примером может служитькруговая молекула – плазмид. Термин “плазмид” был введен Ледербергом в 1952году [59,60]. Плазмиды представляют собой небольшие двухцепочечные кольцевыемолекулы ДНК, физически отделенные от геномных хромосом и способныереплицироваться автономно. При изменении параметров среды (ионной силы, рН),круговая молекула плазмидов может принимать суперскрученную конформацию.В природе плазмиды обычно содержат гены, повышающие устойчивость клетки кнеблагоприятным внешним факторам, например, устойчивость к антибиотикам, но такжемогут быть искусственно модифицированы в лабораторных условиях.
Размер плазмидовварьируется от одной до нескольких тысяч пар оснований, а количество идентичныхплазмид в пределах одной клетки изменяется от одной до нескольких десятков, взависимости от типа клеток.Плазмиды широко используются в генной инженерии для переноса генетическойинформации и генетических манипуляций. Для этого создаются плазмиды-векторы,состоящие из частей, взятых из разных генетических источников, а также из искусственносозданных фрагментов ДНК.10Рис. I.1.Слева:схематичноеизображениедвойнойспиралиДНК(https://www.nature.com/scitable/topicpage/discovery-of-dna-structure-and-functionwatson-397); справа: (верх) рентгенограмма В-формы ДНК, полученная Франклин(https://askabiologist.asu.edu/Rosalind_Franklin-DNA); (низ) различные формы двойнойспирали ДНК – A, B, Z (https://en.wikipedia.org/wiki/DNA).I.2.1.
Взаимодействие полиэлектролитов и ПАВ в водном раствореИнтерес к изучению смешанных растворов синтетических водорастворимыхполимеров и низкомолекулярных ПАВ значительно возрос в последние десятилетия, чтово многом связано с широким использованием этих систем в фармацевтической,косметической, лакокрасочной, пищевой отраслях промышленности, а также вмедицине [10,11,61,62].На начальном этапе иследований основное внимание уделялось растворам смесейнеионных полимеров и ионных ПАВ, представлявшимися более простыми системамис точки зрения коллоидной химии [63].
В последнее десятилетие основным объектомизучения оказались водные растворы смесей полиэлектролитов с противоположнозаряженными ПАВ из-за их все более широкого применения в промышленности ираспространенностивприроде.Крометого,многиебиополимерыявляютсяполиэлектролитами и проявление их биологической активности в значительной степени11связано со взаимодействием с низкомолекулярными веществами, прежде всего, слипидами.Большинство имеющихся в литературе данных по растворам полимеров и их смесей сПАВ получены для разбавленных растворов, в которых взаимодействием междуотдельными макромолекулами можно пренебречь.В целом растворы полимер/ПАВ можно разделить на две основные группы – растворысо слабыми взаимодействиями (неионные полимеры и ионные ПАВ) и растворы ссильными взаимодействиями, возникающими между молекулами полиэлектролитов ипротивоположно заряженных ПАВ. Подробные обзоры литературы по взаимодействиюполиэлектролитов и ПАВ в объеме водного раствора представлены в работах [4,11].На протяжении долгого времени основным методом изучения растворов полимер/ПАВявлялось измерение поверхностного натяжения.
Было показано, что в зависимости отхимической природы полимера и ПАВ изотерма поверхностного натяжения может иметьразличный вид [8].Для систем с незаряженным полимером и ионным ПАВ характер зависимостиповерхностного натяжения от концентрации был установлен в конце 60-х годов в работахДжонса, который определил три характеристические концентрации на изотермеповерхностного натяжения для растворов слабо взаимодействующих компонентов ДСНи ПЭО [64]. Первая точка перегиба на зависимости поверхностного натяжения отконценрации ПАВ при постоянной концентрации полимера в области низкихконцентраций ПАВ, соответствующая началу области плато, была определена каккритическая концентрация агрегации (ККА) и связывалась с началом образования наполимернойцепимицеллоподобныхагрегатовПАВ.КонцентрацияПАВ,соответствующая началу второго участка плато, при которой в объеме растворапроисходит образование свободных мицелл, представляет критическую концентрациюмицеллообразования (ККМ) в присутствии полимера.
Кроме того, Джонс выделилпромежуточную концентрацию ПАВ, при которой в объеме раствора полимерные цепинасыщены молекулами ПАВ, и дальнейшее увеличение концентрации ПАВ приводит кпоявлению свободных мономеров в растворе.Изотермы поверхностного натяжения для растворов смеси полиэлектролитов ипротивоположно заряженных ПАВ могут иметь более сложную форму [12].
Так, длярастворов ПДАДМАХ/ДСН в присутствии неорганической соли на изотерме12поверхностного натяжения появляется максимум, смещающийся в область большихконцентраций ПАВ при увеличении объемной концентрации полиэлектролита [65].Подобный эффект наблюдался также для растворов полиэтиленимина/ДСН (ПЭИ/ДСН)[66] и ПАК/бромид цетилтриметиламмония (ПАК/ЦТАБ) [39]. Для растворовполистиролсульфонат натрия/бромид додецилтриметиламмония (ПСС/ДТАБ) максимумна изотерме поверхностного натяжения не появляется, однако, положение ККА зависитот концентрации полиэлектролита, смещаясь в область больших концентраций ПАВ приувеличении концентрации полиэлектролита [25].Сильные электростатические взаимодействия между заряженными сегментамиполиэлектролита и поверхностно-активными ионами приводят к кооперативномусвязыванию и образованию агрегатов в объеме раствора при концентрациях ПАВ, многоменьших ККМ [4,67].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
