ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ, Серия А, 2007, том 49, № 4, с. 691-700
РАСТВОРЫ
УДК 541(64+49+183)
СТАБИЛИЗАЦИЯ ПОЛИЭЛЕКТРОЛИТНЫХ КОМПЛЕКСОВ КАРБОКСИЛСОДЕРЖАЩИХ ПОЛИАНИОНОВ В НЕЙТРАЛЬНЫХ И СЛАБОКИСЛЫХ СРЕДАХ И ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА НЕЕ
© 2007 г. В. А. Изумрудов
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова.
Химический факультет 119992 Москва, Ленинские горы Поступила в редакцию 12.10.2006 г.
Принята в печать 09.11.2006 г.
Методом турбидиметрического титрования изучена устойчивость нерастворимых полиэлектролитных комплексов, образованных различными карбоксилсодержащими полианионами с положительно заряженным партнером - линейным поликатионом или белком. В подавляющем большинстве случаев подкисление среды приводит к существенному упрочнению комплексов по отношению к действию вводимой соли, которое наблюдали в нейтральных или слабокислых средах. Полученные данные по влиянию химической природы полимерных компонентов, а также степени полимеризации, плотности заряда и структуры их цепей на рН-зависимые профили разрушения комплексов свидетельствуют в пользу того, что этот эффект обусловлен стабилизацией полиэлектролитного комплекса системой водородных связей, формируемой карбоксильными группами частично заряженного полианиона, включенного в состав комплекса. Обнаруженное резкое и обратимое изменение устойчивости систем при благоприятных для функционирования биополимеров рН и ионной силе раствора (белков, ферментов, антител, нуклеиновых кислот и т.п.) делает поликарбоксилатные полиэлектролитные комплексы особенно привлекательными для решения важных практических задач, например в биотехнологии для разделения биологических смесей.
ВВЕДЕНИЕ
Хорошо известно, какую важную роль играет низкомолекулярный электролит в межмакромо-лекулярных реакциях, протекающих в водных средах с участием полиэлектролитных компонентов. Его присутствие является обязательным для осуществления интерполиэлектролитного обмена в смесях разбавленных растворов разноименно заряженных полиионов, приводящего к образованию водорастворимых нестехиометричных полиэлектролитных комплексов (НПЭК), а концентрация и природа добавляемых низкомолекулярных ионов могут определять направление и скорость конкурентных интерполиэлектролитных реакций в растворах НПЭК [1]. Как правило, введение больших количеств низкомолекулярного электролита приводит к диссоциации полиэлектролитных комплексов, построенных из высокозаряженных полимерных компонентов, которая
E-mail: izumrud@genebee.msu.su (Изумрудов Владимир Алексеевич).
завершается в достаточно концентрированных водно-солевых растворах. Поскольку введение соли является универсальным средством разрушения комплексных частиц, стабильность полиэлектролитных комплексов обычно оценивают по их устойчивости в водно-солевых средах.
Другим способом воздействия на комплексо-образование может быть изменение кислотности среды, влияющее на состояние пар полиионов, в которых один или оба полимерных компонента представляют собой слабые полиэлектролиты. Наличие во взаимодействующих цепях ионоген-ных групп с рН-зависимой ионизацией делает такие комплексы чувствительными к изменению кислотности среды и приводит к их диссоциации и полному разрушению в той области рН, где один из полимерных компонентов теряет свой заряд. Значимость рН как фактора, контролирующего стабильность полиэлектролитных комплексов, заметно возрастает, если в качестве слабого полиэлектролита использовать полимер, способ-
691
8*
ный образовывать водородные связи. Так, в трех-компонентных системах, содержащих слабую карбоксилсодержащую поликислоту (полиакриловую или полиметакриловую), слабое полиоснование (поли-2-винилпиридин или олигоэтилен-имин) и полимер, способный образовывать водородные связи (полиэтиленгликоль), реакционная способность полимерных компонентов и природа образующихся комплексов существенно зависят от рН раствора [2]. В кислой среде, где слабая поликислота находится преимущественно в недис-социированной форме, ее взаимодействие с поли-этиленгликолем приводит к возникновению комплекса, стабилизированного межмолекулярными водородными связями. В нейтральной области и слабая поликислота, и слабое полиоснование частично заряжены, и это создает условия для образования еще и полиэлектролитного комплекса. В щелочной среде, где слабая поликислота полностью ионизована, а слабое полиоснование незаря-жено, взаимодействие между компонентами отсутствует вовсе.
Способность карбоксильных групп поликар-боновых кислот взаимодействовать друг с другом за счет образования водородных связей открывает дополнительные возможности регулирования стабильности полиэлектролитных комплексов изменением кислотности среды. В настоящей работе исследованы пары, составленные из различных карбоксилсодержащих полианионов и их положительно заряженных партнеров. В подавляющем большинстве случаев они обладали высокой чувствительностью к изменению рН, существенно упрочняясь в нейтральных и слабокислых средах. Совокупность полученных в работе данных дополняет результаты проведенных ранее исследований [3-5] и свидетельствует в пользу того, что этот эффект обусловлен стабилизацией полиэлектролитного комплекса системой водородных связей, формируемой карбоксильными группами частично заряженного полианиона. Резкое и обратимое изменение устойчивости систем при благоприятных для функционирования биополимеров pH и ионной силе раствора (белков, ферментов, антител, нуклеиновых кислот и т.п.) делает поликарбоксилатные полиэлектролитные комплексы особенно привлекательными для решения важных прикладных задач, например в
биотехнологии для разделения биологических смесей.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Материалы
Буферные соли MES (2-[К-морфолино]этан-сульфоновая кислота), HEPES (К-[2-оксиэтил]пи-перазин-№-[2-этансульфоновая кислота]) и TRIS (трис(гидроксиметил)аминометан), а также NaCl и NaOH фирмы "Sigma" (США) использовали без дополнительной очистки. Растворы готовили в бидистиллированной воде.
Поликатионы
3,3-, 6,6- и 10,10-Ионен бромиды. Образцы ионен бромидов с среднечисленной степенью полимеризации 80, 110 и 100 соответственно были синтезированы, фракционированы и охарактеризованы по методике [6].
Поли-^этил-4-винилпиридиний бромиды
(ПЭП-Р). Образцы ПЭП-Р с различной степенью алкилирования в получали алкилированием по-ли-4-винилпиридина бромистым этилом. Использовали фракции поли-4-винилпиридина со сред-невесовыми степенями полимеризации 100, 340 и 900, измеренными светорассеянием, а также оли-гомерные фракции со среднечисленными степенями полимеризации 10, 20 и 30, определенными эбуллиоскопией. Степень алкилирования полимеров определяли ИК-спектроскопией [7].
Полианионы
Полиметакриловая кислота. Использовали олигомерный образец ПМАК фирмы "Fluka" (Швейцария) среднечисленной степени полимеризации 80 (ПМАК80) и относительно высокомолекулярные образцы ПМАК215 и ПМАК1840 фирмы "Polysciences" (США).
Полиакриловая кислота. Исследовали образцы ПАК степени полимеризации 30, 70 и 2360 фирмы "Aldrich" (США).
Сополимер дивинилового эфира и малеиново-го ангидрида (ДИВЭМА). Образец гидролизован-ного ДИВЭМА средневесовой степени полимеризации 820 был синтезирован из соответствующих
мoнoмepoв по peaкции paдикaльнoй циклосопо-лимepизaции. Пoлимep пoлyчeн и oxapa^ep^o-ван M.û. Гopшкoвoй (ИHXC им. A.В. Toпчиeвa PAH).
Полигалактуроновая кислота (ПГК) и поли-итаконовая кислота (ПИК). Использовали o6pa-зeц ПГK фиpмы "Aldrich" (CШA) и oбpaзeц ПИK фиpмы "Polysciences" (CMA).
Глoбyляpныe белku
Использовали кoммepчecкиe пpeпapaты лизо-цима (Lys) из кypиныx яиц, а тaкжe бычьeгo у-глoбyлинa (IgG) и pибoнyклeaзы A (RNase) из пoджeлyдoчнoй жeлeзы быка фиpмы "Sigma-Aldrich" (CMA) в видe лиофилизованных oбpaзцoв 95-98%-ной чистоты.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Typбuдuмempuчecкoe mumpoвaнue
Typбидимeтpичecкoe титpoвaниe ocyщecтвля-ли на cпeктpoфoтoмeтpe "Hitachi 150-20" (Япония) пocлeдoвaтeльным дoбaвлeниeм кoнцeнтpи-poвaннoгo pacraopa xлopиcтoгo нaтpия в cмecь pacraopoB пoлимepныx кoмпoнeнтoв с и^^ва-лом в 2 мин. Tитpoвaниe пpoвoдили нeпocpeд-cтвeннo в квapцeвoй кювeтe пpи постоянном да-peмeшивaнии и комнатной тeмпepaтype, измepяя oптичecкyю плотность пpи длинe волны 320 нм. В oтдeльныx опытах в кaчecтвe титpaнтa использовали pacтвop бyфepa.
Пoлиэлeктpoлитныe кoмплeкcы готовили пocpeдcтвeннo пepeд измepeниeм, cмeшивaя в кю-вeтe paвныe oбъeмы pacтвopoв пoликapбoкcи-латного аниона и поликатиона в бyфepe (MES, HEPES или TRIS). Бyфep пpeдвapитeльнo доводили до нужного знaчeния pH дoбaвлeниeм кон^н-тpиpoвaнныx pacтвopoв HCl или NaOH. Для ис-cлeдoвaния слабокислых pacraopoB использовали 0.05 M pacтвopы MES, а нeйтpaльныe и cлaбoщe-лочныге pacтвopы кoмпoнeнтoв готовили в 0.05 M pacraopax HEPES и TRIS cooтвeтcтвeннo. Ko^ цeнтpaция кapбoкcильныx ^упп полианиона в cмecяx составляла 4 x 10-4 моль/л.
Koмплeкcы с бeлкaми готовили аналогичным oбpaзoм, но пpeдвapитeльнo находили cooтнoшe-
ние белок/поликислота, соответствующее максимальной мутности. Для этого проводили турбиди-метрическое титрование раствора поликарбокси-латного аниона концентрированным раствором белка (0.05 M HEPES, pH 6.0). Найденное соотношение компонентов использовали при приготовлении смесей белок/поликислота. Концентрация карбоксильных групп полианиона в смесях составляла 4 х 10-4 моль/л.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Стабильность комплексов оценивали по их устойчивости в растворах хлористого натрия. Для этого проводили турбидиметрическое титрование растворов смесей полиионов, содержащих эк-вимольные количества ионогенных групп, концентрированным раствором соли. Точку, соответствующую полному исчезновению мутности, определяли спектрофотометрически по отсутствию оптического поглощения при длине волны 320 нм, т.е. в области спектра, где ни один из полимерных компонентов не поглощал свет. Мольную концентрацию соли, при которой достигалось полное растворение, обозначали [№0]*. В специальных экспериментах ту же точку находили титрованием раствором буфера прозрачных смесей полимерных компонентов, заранее приготовленных в концентрированных солевых рас
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.