БИОФИЗИКА, 2009, том 54, вып.4, c.641-646
МОЛЕКУЛЯР НАЯ БИОФИЗИКА =
УДК 577.3
МОЛЕКУЛЯР НЫЕ ХАРАКТЕР И СТИКИ ЦИКЛОДЕКСТР ИНОВ, ПОЛУЧЕННЫЕ ПРИ ИЗУЧЕНИИ ИX СВОЙСТВ В РАСТВОРАХ
2009 г. Г.М. Павлов* **, Е.В. Корнеева**, Н.А. Смолина***
*Институт физики Санкт- Петербургского государственного университета, 198504, Санкт -Петербург, Ульяновская ул. 1;
**Институт высокомолекулярных соединений РАН, 199004, Санкт-Петербург, Большой просп., 31;
***Биолого-почвенный факультет Санкт - Петербургского государственного университета, 199034, Санкт-Петербург, Университетская набережная, 7-9
E-mail: ^гог^г&.рау1оу @роЬох. ърЪы. ru
Поступила в p едакцию 09.12.08 г.
Методами молекулярной гидродинамики изучены молекулы трех циклодекстринов в воде, диметилформамиде и диметилсульфоксиде. Определены молекулярные массы, удовлетворительно коррелирующие с расчетными значениями, а также гидродинамические радиусы цик-лодекстриновых молекул. Проведено сопоставление экспериментальных данных с теоретическими расчетами для тороидальных молекул. В предположении адсорбции молекул раствор ителя на внешней поверхности циклодекстринов удается удовлетвор ительным образом со -вместить экспериментальные данные с теоретическими оценками.
Ключевые слова: циклодекстрины, молекулярные характеристики, вода, диметилформамид, ди-метилсульфоксид, метод молекулярной гидродинамики.
Циклодекстрины (ЦД) - продукты энзима-тической деструкции амило пектина - являются известными объектами исследований в науке о сахарах и в супрамолекулярной химии [1,2]. ЦД - циклические олигосахариды, со стоящие из 6, 7 или 8 Б-глюкоз, соединенных а (1^4) связями, соответственно а-, в- и у-ЦД. И х форма похожа на полый усеченный конус с гидрофобной центральной полостью, со стоящей из С3Н и С5Н углеродный атомов и эфироподоб-ных 0-4 и 0-5 атомов кислорода. Наиболее известным, изученным и используемым свойством ЦД является способность образования комплексов включения с гидрофобными молекулами-гостями подходящего для полости размер а. Конструир ование супрамолекулярных структур, организованных нековалентным взаимодействием типа хозяин-гость, привлекает в последнее вр емя большое внимание исследователей. В связи с этим, ЦД рассматриваются как перспективные носители гидрофобных лекарственных препаратов. Комплексы включения ЦД с различными молекулами-гостями изучены спектроскопическими, кинетическими и кристаллогра-
Сокращения: ЦД - циклодекстрины, ДМФА - диметилформамид, ДМСО - диметилсульфоксид.
фическими методами [1-4]. Однако инфор мация о характеристиках самих молекул ЦД в разбавленных растворах весьма скудна [1,3,5].
В настоящей работе изучены гидродинамические свойства а-, в- и у-ЦД (Sigma, США). Определены коэффициенты изотермической поступательной диффузии D о и скоро стной седиментации s0, фрикционное отношение //р^, а также значения характеристической вязкости [П] в диметилформамиде (ДМФА), H2O, и ди-метилсульфоксиде (ДМСО). Способность к раствор ению ЦД в этих растворителях р асполага-ется в следующем порядке: H2O < ДМФА < ДМСО. 2
Скоростную седиментацию проводили на аналитической ультр ацентрифуге Весктап XLI пр и частоте вращения р отора 55000 об/мин в ячейках с 12 мм Al вкладышами. Опыты продолжались в течение 12-14 ч при концентрации, примерно равной 3 мг/мл.
Седиментограммы обрабатывали с помощью компьютер ной прогр аммы Sedfit [6], которая численно решает уравнение Ламма [7] и позволяет получить информацию о коэффициентах скоро стной седиментации и поступательного трения макромолекул. Дифференциальное уравнение Ламма (1) описывает процесс седи-
Pис. 1. Дифференциальные распределения а-цикло-декстрина (а) и у-циклодекстрина (б) в разных растворителях: 1 - в воде; 2 - в ДМФА; 3 - в ДМCО. Распределения нормализованы на максимальную высоту пика.
ментации монодисперсного вещества в ячейке секто р иальной фо р мы:
дс/дг = (1 /г)д[г(В(дс/дг) - ¿ш>2г2с)]/дг, (1)
где с - концентрация растворенного вещества; г - время седиментации; г - радиальное расстояние, измеряемое от о си вращения; ш - угловая скор о сть вр ащения; д и В - соответственно коэффициенты седиментации и поступательной диффузии раствор енного вещества. Это ур авнение не может быть решено аналитически [8]. П р огр амма Sedfit [6,9] р ешает это ур авнение численно. Подбор ом коэффициентов седимен -тации и поступательной диффузии ищется такое решение, которое приводит к максимальному совпадению р асчетного и экспер иментального пр офилей седиментационной гр аницы. Численный анализ проводится с применением соответствующих статистических критериев, кото-р ые включают минимизацию суммы квадр атов невязок между экспериментальными и расчетными кр ивыми ра спр еделения концентр ации ве-
щества в ячейке. П р и этом необходимо введение в пр огр амму пар аметр ов: вязко сти По, плотности р0 ра створ ителя и пар циального удельного объема полимер а и. Другими необходимыми пар аметр ами являются минимальное smin и максимальное smax значения коэффициентов седиментации, котор ые нар яду с числом разр ешения (resolution) N определяют шаг распределения As = (smax - smin)/N. В пр ограмме можно использовать по выбору два метода р егуляр иза-ции (сглаживания): метод максимальной энтр о -пии или метод Тихонова-Филипса. Пр и р егу-ляризации важен выбор доверительного уровня (F-ratio), задаваемого опер атор ом, котор ый оп-р еделяет степень сглаживания р аспр еделения. Обработка первичных экспериментальных данных, пр едставляющих собой оцифр ованные ин-тегр альные р а спр еделения показателя пр елом -ления в седиментационной ячейке, пр иводит к дифференциальному распределению образца по коэффициентам седиментации (dc(s)/ds), кото-р ое, однако, в пр огр амме обозначено как c(s). Площадь под кр ивой между значениями s1 и s2 соответствует концентр ации макр омолекул в этом интервале значений s, выраженной в числе интер фер енционны х поло с. В результате получают ср едние значения коэффициента седимен -тации и фрикционного отношения //f^, где f -коэффициент поступательного трения молекулы, а /.рЬ - коэффициент по ступательного трения сфер ы, имеющей тот же, что и исследуемая молекула, объем. На рис. 1 пр едставлены ра с-пределения по коэффициентам седиментации а-ЦД и у-ЦД в тр ех р а створ ителях, полученные с использованием пр огр аммы Sedfit.
Поступательную диффузию изучали также на поляризационном диффузометре Цветкова классическим методом образования границы между ра створ ом и чистым ра створ ителем, подслаивая более тяжелый компонент под более легкий [10]. Диффузионная гр аница фор мир о -вала сь в стеклянных кюветах пр ямоугольно -па-раллепипедной формы длиной h = 30 мм по ходу луча пр и ср едней концентр ации раствор а c = 1-2 мг/мл. Оптической системой, регистрирующей диффузионную границу между раствором и растворителем, служил поляризационный интер фер ометр Лебедева [11]. Коэффициент поступательной диффузии р ассчитывали по соотношению:
2а2 = а2 + 4Dt,
(2)
где а2 - дисперсия диффузионной гр аницы, рассчитываемая по методу максимальной о р-динаты и площади, огр аниченной диффузионной кр ивой; а02 - начальная дисперсия, хар ак-
Р ис. 2. Зависимости дисперсии диффузионной гр а -ницы от времени диффузии в воде (а) и ДМФА (б) для а-ЦД (1), в-ЦД (2) и у-ЦД (3). Для удобства кр ивые (2) и (3) смещены по о си абсцисс влево по отношению к кр ивой (1) на 50 и 100 мин соответственно.
теризующая качество образования границы; г -вр емя диффузии. На рис. 2 пр едставлены зависимо сти дисперсии диффузионной гр аницы от вр емени для циклодекстр инов в воде и в ДМФА. Диффузионные эксперименты проводили пр и темпер атур е 26°С. Рассчитывали ха -рактеристическое значение коэффициента поступательной диффузии [В] = В0П0/Т, которое зависит только от молекулярных характеристик диффундир ующей молекулы.
И спользованные в седиментационных и диффузионных опытах концентрации практически соответствуют предельному разбавлению, по скольку значение пар аметр а Дебая с[п], ха -рактеризующего разбавленность раствора, находится в пределах 0,01 < е[ц] < 0,03. Полученные пр и такой концентр ации коэффициенты седиментации и поступательной диффузии пр и-нимали за величины, экстраполированные на ну левую концентр ацию.
Pис. 3. Зависимости ^р/с (1, 3, 5) и lnпг/с (2, 4, 6) от с, используемые для опр еделения значений ха -рактеристической вязкости [п] для растворов у-(1,2), ß- (3,4) и а- (5,6)-ЦД в ДМ С О.
Вискозиметрические измерения проводили на вискозиметр е О ствальда, опр еделяя вр емена течения фиксированного объема растворителя и ра створ а т0 и t соответственно. Относительную вязко сть р а ссчитывали как пг = t/T0, ха -р актер истические вязко сти [п] опр еделяли из построений Хаггинса и Крамера (рис. 3). Недостаточная растворимость ЦД в H2O не позволила измерить [п] в этом растворителе.
Инкр емент плотно сти раствор ов Ар/Ас или факто р плавучести (1 - ир0) (Ар/Ас = (1 - ир0)), где Ар - р азность плотности р аствор а и р аствор ителя, был получен из измер ений плотности на денситометре DMA 5000 (Anton Paar, Австрия) [12]. Из величин фактора плавучести (рис. 4) были рассчитаны значения парциального удельного объема и, котор ые пр актически одинаковы для разных ЦД в одном ра створ и-теле и оказались р авными 0,667; 0,632 и 0,649 см 3/г в Н 2О, ДМФА и ДМ С О соответственно.
В табл. 1 пр иведены значения коэффициентов седиментации s0, фр икционного отношения ///фЬ, хар актер истические значения [D ] и [п] в трех растворителях.
Молекулярные массы M были рассчитаны с использованием значений [s] = s^0 / (1 - ир0) и (///Snh)0 по модифицир ованному соотношению Сведберга:
Msf = R [s] /[D] = 9П21 /2Na(М(/-/ЛрЬ)0)3/2u1 /2, (3)
где R - универсальная газовая постоянная; NA -число Авогадро. В табл. 2 сопоставлены зна-чения величины М, полученные в разных р ас-творителях, с расчетными значениями M . С
Р ис. 4. Зависимости разности плотности Ар между раствором и растворителем для циклодекстринов в воде (1) и ДМС О (2) от концентр ации раствор а. Наклон этих зависимостей опр еделяет фактор пла -вучести (1 - иро). Р азличные точки соответствую
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.