CC BY
14ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ Том (А) 33 = " 1991 № 11
УДК 541.64:547.96
© 1991 г. Д. X. Халиков, 3. Б. Шарифова, Ф. X. Сафиуллина
ОСОБЕННОСТИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СЫВОРОТОЧНОГО АЛЬБУМИНА С СЕТЧАТЫМИ ПОЛИМЕРАМИ ПРОИЗВОДНЫХ ЭТИНИЛПИПЕРИДОЛА
Изучена сорбция сывороточного альбумина человека с сетчатыми винилэтинилтриметшшиперидола. На основании данных равновесного распределения альбумина в фазе полимера и внешнего раствора, набу-хаемости и активности воды в полимере при различной степени альбуми-низации проведена количественная оценка интегрального изменения свободной энергии системы и пяти ее составляющих. Сорбция сывороточного альбумина человека сетчатыми полимерами определяется главным образом изменением слагаемых, обусловленных гипотетическим ионным обменом, кооперативностью взаимодействия и изменением концентрации соответствующих резинатов. Вклад слагаемых, обусловленных переносом растворителя из фазы полимера во внешний раствор и различием в энергиях моноионных форм полимера, незначителен и направлен против протекания процесса сорбции. Сетчатый полимер эти-нилпиперидола характеризуется высокой емкостью по альбумину и проявляет заметную избирательность.
Взаимодействие низко- и высокомолекулярных соединений с высоко-набухшими сетчатыми полимерами (СТП) представляет собой сложный процесс, включающий реакции ионного обмена и перенос растворителя между фазами, приводящими к изменению концентрации и активности составляющих системы [ 1 ].
Количественный учет этих процессов — важная задача, ибо каждый из них вносит определенный вклад в изменение свободной энергии системы А<?°, представляющей собой сумму составляющих, обусловленных гипотетическим ионным обменом Д<?0\ изменением концентрации резинатов АСт°, кооперативностью взаимодействия АС/, переносом растворителя Д£гш0 и различием в энергиях моноионных форм СТП А б?,,0:
Д<?0=Д£00+ДСт+Сп0+ДСк0+ДС/ (1);
Экспериментальными данными для оценки этих величин служат распределение ионов между фазами системы, количество и активность воды в фазе СТП. Методы расчета отдельных слагаемых по этим данным приведены в работах [1—4]. Нами такой подход был использован при изучении процесса взаимодействия кватернизованных СТП этинилпиперидола с ионами трийодида [4].
Цель настоящей работы — изучение взаимодействия СТП этинилпиперидола с сывороточным альбумином человека (САЧ) путем количественной оценки отдельных слагаемых АС. Выбор СТП этинилпиперидола обусловлен тем, что эти полимеры обладают достаточно высокой сорб-ционной активностью по отношению к ряду компонентов биологической жидкости [5]. Поскольку последние обогащены различными белками, установление закономерности их взаимодействия с СТП этинилпиперидола может дать ценные сведения о путях повышения избирательного удаления соединений белковой природы из многокомпонентных систем.
Использовали двойные СТП винилэтинилтриметилпиперидола (ВЭТП) и мети-лен-бис-акриламида (БИС) с содержанием первого 95 и 96 вес.% и кватернизованныя с помощью НС1 и СН2С1СООН (В96НС1, В95 НС1, В95 СН2С1СООН), а также тройные сополимеры на основе ВЭТП, БИС и 1Ч-винилпирролидона (ВП), звенья ВЭТП в кото-
2322
Двойные и тройные сетчатые полимеры этинилпиперидола
Сетчатый полимер ВЭТП. мол.% БИС, мол.% "с. ммоль/г Е. мэкв/г в С1—форме
В96НС1 95,80 4,20 0,779 3,942
В95НС1 94,65 5,35 1,038 3,898
В95СН2С1СООН 94,65 5,35 — —
СОВ79-2НС1 79,43 * 2,29 » 0,259 3,52
СОВ61-ЗСН31 61,23* 3,31 * 0,407 2,98
* Остальное до 100% — содержание ВП.
рых кватернизованы с помощью HCl или CH3I (СОВ79-2-HCl, COB61-3CHJ). Характеристики этих полимеров приведены в табл. 1.
Условия синтеза СТП описаны в работе [4]. Степень сшивания пс и набухае-мость So СТП в воде определяли аналогично методике [6]. Обменную емкость Е оценивали потенциометрически. Определение количества воды ш и ее активности äw в СТП при различных степенях его альбуминизации, а также сорбцию САЧ проводили согласно работе [4].
Для термодинамического анализа процесса взаимодействия СТП с различными компонентами необходимо экспериментальное определение величины адсорбции Q и ее предельного значения Qm. В отличие от низкомолекулярного иона [4] при сорбции сывороточного альбумина человека СТП этинилпиперидола при малой сшивке (<4%) зависимость Q от равновесной концентрации ср имеет довольно сложный вид с максимумом при определенных величинах ср (рис. 1). Кривые Q=f(cP) с максимумом были обнаружены также при взаимодействии инсулина с полиэлектролитом макропористой структуры [7], что объясняется наличием нескольких центров адсорбции. Такая особенность изотермы при взаимодействии белков с синтетическими полимерами может быть следствием димеризации САЧ в растворе. Не останавливаясь подробно на этом вопросе, отметим, чт в данной работе за величину Qm принимали максимальное значение функции <?=/(сР). Поэтому все количественные данные относятся к области равновесной концентрации САЧ ниже, чем ср, для которой получены величины Qm. По этим данным можно оценить величину кажущейся константы адсорбционного взаимодействия и первое слагаемое изменения свободной энергии системы ДС°. Этот подход был использован при анализе сорбции белков на сульфокатиони-тах и карбоксильных катионитах, максимальная емкость которых обнаруживается в области изоэлектрической точки белков [8].
Известно, что САЧ в нейтральной области pH имеет суммарный заряд, равный —18 [9]. Исходя из этого, взаимодействие СТП этинилпиперидола с САЧ можно представить как реакцию катионогенных (СТП ВЭТП) и анионогенных макромолекул (САЧ), приводящую к образованию интерполимерных солей. Такое представление позволяет оценить теоретическое значение максимальной емкости QmT СП и определить глубину превращения ф, представляющую собой долю образовавшихся межмакромолеку-лярных солевых связей от максимально возможного числа [10]. Величину ф рассчитывали по формуле
ф=Ст/(>тТ=(ет£сАч)/£стП, (2)
где Еслч и £стп — обменная емкость САЧ и СТП соответственно.
В табл. 2 представлены экспериментальные величины Qm и ф. Видно, что данное отношение ф во всех случаях <1. При высокой степени сшивания (В95 НС1) малая величина ф обусловлена ситовым эффектом, т. е. низкой проницаемостью СТП. Для СТП малой степени сшивания и высокой плотности зарядов (В96-НС1) небольшое значение величины ф можно объяснить пространственным несоответствием зарядов СТП и САЧ, а также, по-видимому, высокой жесткостью цепей между узламп.
При включении третьего сомономера ВП в состав СТП оба условия становятся более благоприятными и максимальная величина ф характерна для СТП СОВ61-3-СНЛ.
Таким образом, в отличие от низкомолекулярных ионов [4] проницаемость САЧ в СТП этинилпиперидола ограничена в небольшой области степени сшивания. При постоянной сетчатости емкость СТП к САЧ возрастает с увеличением расстояния между ионогенными группами в макромолекуле.
2323
Емкость СТП этинилпиперидола по САЧ и величины изменения интегральных составляющих свободной энергии процесса сорбции
Сетчатый полимер
«гд.г/г
—ДСо°, кДж/моль
~Авп'
кДж/моль
В95-НС1 В96НС1 СОВ79-2НС1 СОВ61-3-СН31
в 0,15 м. КаС1 в 0,2 м. NaCl В96СН2С1СООН
1,092 4,830 6,680 10,060 2,362 0,867 0,660
0,071 0,318 0,488 0,868
26,93
25.55 23,19
22.56 22,28 20,08 15,67
17,96
11,15 15,74 11,42 5,43 12,08
На основании экспериментальных значений (), ()т и равновесной концентрации ср САЧ во внешнем растворе построены зависимости величины 9=(?/@т от ср, пример которой представлен на рис. 1, б. Эти изотермы имеют Э-образную форму и с ростом ионной силы смещаются в область более высоких значений ср. Как правило, Э-образная форма изотермы характерна для кооперативных процессов [3].
Для оценки интегральной величины первого слагаемого изменения свободной энергии АСо" можно исходить из представления адсорбционного взаимодействия [4]. Тогда величина А¿?0° определяется интегрированием величины кажущейся константы адсорбционного равновесия в области значений 6 от нуля до единицы. При этом дифференциальные величины ЛГе можно рассчитать по уравнению
в ■, О)
ср(1-6)
где 9 — степень заполнения. Если при взаимодействии САЧ с СТП проис^ ходит обмен ионов, то возникновение каждой интерполимерной солевой связи сопровождается выделением во внешний раствор пары низкомолекулярных ионов. При постоянной ионной силе и при динамическом режиме сорбции для определенных величин кажущейся мольной константы ионообменного равновесия Кт и величины АС0° достаточным является определение ионного состава фазы СТП. При проведении процесса в водной среде и в условиях изменяющейся ионной силы количественный анализ низкомолекулярных ионов во внешнем растворе является достаточно трудной задачей. Однако на основании закона эквивалентного ионного обмена и экспериментальной величины 8 можно рассчитать мольную концентрацию т.1 этих ионов во внешнем растворе по формуле
«8Е Г/Л
т(=--, (4)
где q — навеска сухого СТП, — масса растворителя во внешнем объеме раствора. Тогда связь между Йо и Кт можно записать в виде
(5)
В табл. 3 представлены уравнения, связывающие дифференциальные величины Къ и Кт с 6 для различных СТП этинилпиперидола. Интегральные величины Кв и рассчитанные по этим данным величины Д(?00 приведены в табл. 2.
Для некоторых из синтезированных СТП как дифференциальные, так и интегральные величины К» достигают предела, превышающего 1-■104 моль, что характеризует их высокую сорбционную активность по отношению к САЧ и свидетельствует о проявлении ими избирательности [11]. Интегральные величины К9 уменьшаются со снижением густоты сшивания, а для тройных СТП с возрастанием содержания ВП в составе мономерных звеньев цепочек макромолекул. В этих условиях аналогич-
2324
Q. г/г
10 20 30
с мг/мл
Рис. 1. Изотерма сорбции САЧ сетчатыми полимерами В96-•HCl (а) и СОВ61-ЗСН31 (б) в координатах Q - ср (а) и 0 — ср (б) в воде (2), физиологическом растворе (2) и в растворе 0,2 м. NaCl (3)
вые изменения происходят с Кт, численные значения которых в зависимости от природы СТП изменяются в пределах нескольких сотен.
Дифференциальные величины Кц и Кт, как правило, возрастают с ростом 6 (табл. 3), что может свидетельствовать о проявлении эффекта кооперативности. Для выявления данного эффекта и оценки численного значения Дб,,0 соответствующие экспериментальные данные были обработаны на основании уравнения Хилла [3]
ТТ = ^СРП (6)
Таблица 3
Уравнения, связывающие дифференциальные значения и Кт со степенью заполнения в СТП этинилпиперидола с САЧ при 26°
Сетчатый полимер Вид уравнения Дисперсия
В96НС1 In К* 1П Кт —8,449+5,8229—2,61102 = -0,0249+2,38O0+4.7O102 0,123 0,0195
СОВ79-2НС1 In In Rm = 11,492+2,5156-1,44002 =2,40+11,8400-10,4Ю02 0,125 0,249
ООВ61-3-СНз1 In R, lni?m = 11,834-6,0710+2,94262 =2,092+17,8500-40,5902+22,2903 0,806 0,720
СОВ61-3 СН31 в 0,2 м. NaCl In Rt =6,801+2,8810 0,0593
2325
Рис. 2. Зависимости величин 1п [0/(1-6)] (1) и п (2) от равновесной концентрации САЧ для СТП СОВ61-3-СН31 в 0,2 м. растворе КаС1
и рассчитаны величины параметра кооперативное™ п. Типичный пример взаимосвязи величины 0/(1—0) с п при различных равновесных концентрациях САЧ во внешнем растворе с„ представлен на рис. 2. Видно, что экспериментальные данные достаточно хорошо описываются уравнением Хилла, а параметр п> 1, что действительно свидетельствует о проявлении кооперативности при взаимодействии САЧ с СТП этинилпиперидола. Используя эти данные, на основании уравнения Уаймена [2, 3] были рассчитаны величины ДСД которые приведены в табл. 2. Видно, что величина Д(3п0 вносит существенный вклад в общее изменение ДС°, а его численное значение составляет более половины от Д£?о°.
Однако если для расчета Дбо0 использовать величины Кт вместо то вклад Дбго" становится ниже, чем АС„°. В частности, для двух сетчатых полимеров В96-НС1 и СОВ79-2-НС1 величина ДО0° при этом снижается соответственно до —6,72 и —11,81 кДж/моль.
На величину ДСП° наиболее сильное влияние оказывает изменение ионной силы раствора. Как видно из табл. 2, при возрастании концентрации КаС1 до 0,2 м величина ДСП° уменьшается в 3 раза. Эти изменения могут свидетельствовать об электростатическом характере кооперативного взаимодействия.
Вклад последних трех слагаемых ДС° был оценен на примере двух гидрогелей — В96 НС1 и СОВ79-2 НС1. Для этого при каждой степени альбуминизации 0 СТП измеряли количество воды, поглощенной ими при различных величинах относительной влажности рк/рш° и экстраполировали его к рю/ра°=1. Найденное таким способом количество воды (при ошибке определения 3—5%) принимали за гидратную Для этих же полимеров при тех же величинах 8 определяли степень набухания 50' в воде и, используя величины обменной емкости Е СТП, определяли общее содержание воды ш в соответствующих полимерах. Мольную долю воды, найденную по разности и? ж и;т, по аналогии с рассуждением, приведенным в работе [4], принимали за активность воды аю в фазе СТП.
На рис. 3 представлены зависимости ю и 0 для СТП В96НС1 и СОВ79-2-НС1. Видно, что для обоих полимеров при малых величинах 0 наблюдается резкое уменьшение содержания воды. В отличие от сорбции иода [4] при взаимодействии САЧ с СТП функция проходит через минимум, положение которого зависит от состава сополимера. Возрастание содержания воды при высоких величинах 0, по-видимому, обусловлено переносом воды, находящейся в связанном состоянии с молекулой САЧ в гидратной форме, в фазу гидрогеля.
Величины и? служили исходными данными для расчета концентрации резинатов САЧ, связанных в комплекс с СТП т, и резината исходной соли т2, на основе которых было оценено слагаемое свободной энергии, обусловленное изменением концентрации компонентов в СТП при их
2326
9(1), 3-8(2)
Рис. 3. Поглощение воды ш в зависимости от степени заполнения альбумином сетчатыми полимерами В96НС1 (1) и В79-2 НС1 в начальной (2) и конечной (3) областях
1И с
т0,экв/кг ■ н2о 0,5
о,г о,б е
Рис. 4. Зависимость 1/21т1+22т2 от т0 (1) и ш1па„ от 0 (2); ¿-дифференциальная и 4 - интегральная кривая функции ш1паш—/(0) для сетчатого полимера В96 НС1
взаимодействии с САЧ ДСт"
т„(6=1)
АСт° = —ЯТ ^ (Ипо^М^ г2М2), (7)
й«(0т=о)
где г — валентность обменивающихся ионов и т0 — суммарная концентрация резинатов.
На рис. 4 в качестве примера представлена зависимость 1/(г1т1+12т2) от пг0 для СТП В96НС1 в области от нуля до единицы. На основании этих данных были рассчитаны интеграл уравнения (4) и величина АСт°, которые для СП В96НС1 и СОВ79-2-НС1 были равны соответственно —6,326 и —7,960 кДж/моль. Видно, что эти величины при сорбции САЧ полимерами этинилпиперидола, как и в случае сорбции иода [4], изменяются в сторону выгодного протекания процесса.
Оценку следующего слагаемого свободной энергии ДСт° проводили по формуле [1]
(8)
о
На рис. 4 приведена зависимость величины ю 1п аш от 0, а также соответствующие дифференциальные и интегральные кривые, рассчитанные на основе данной зависимости. Видно, что величина интеграла уравнения (8) во всей области значений 0 отрицательна, вследствие чего дифферен-
2327
циальные величины AGw° приобретают положительный знак. Интегральные величины AGJ для СП В96НС1 и СОВ79-2-НС1 имеют небольшие положительные (3,145 и 2,047 кДж/моль) значения. Из этого следует, что гидратация САЧ, комплексно связанного с СТП, или меньшая степень дегидратации звеньев макромолекул уменьшает сорбционную активность соответствующих сорбентов.
Из результатов, изложенных в работе [4], можно с большой уверенностью предположить, что величина последнего слагаемого AG,0 свободной энергии для рассматриваемого процесса не вносит существенного вклада в величину AG0. Это следует из того факта, что с ростом степени альбуминизации дегидратации звеньев макромолекул в определенной степени компенсируется гидратацией молекул САЧ и в результате содержание и активность воды в соответствующем комплексе претерпевает небольшое изменение. Это означает, что вклад величины коэффициента активности резината САЧ с СТП (liKp0im) в значение AG,,0 незначителен или равен нулю.
Что касается величины коэффициента активности исходной соли CTII (¡Пфогт), как уже показано в работе [4], при малых степенях сшивания она не вносит существенного вклада в величину AG„°. В результате последнее слагаемое свободной энергии, хотя и положительное по знаку, остается малым по величине.
Таким образом, при изучении сорбционных процессов с участием вы-соконабухших гидрогелевых систем проведение термодинамического анализа на основании распределения ионов между фазами не является достаточным, но и необходим учет переноса растворителя и изменение его активности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Солдатов В. С. Простые ионообменные равновесия. Минск, 1972. С. о.
2. Во.гъкенштейн М. В. Биофизика. 2-е изд. М., 1988. С. 214.
3. Кузнецова Н. П., Самсонов Г. В., Мишаева Р. Н. // Высокомолек. соед. Б. 1989. Т. 31. № 10. С. 723.
4. Халиков Д. X., Маджлисова Г. ¿.//Высокомолек. соед. А. 1991. Т. 33. № 9. С. 1841.
5. Халиков Д. X., Сафиуллина Ф. X, Шарифова 3. В., Мухиддинов 3. К., Шурдука-лова Н. И., Колонтаров И. Я.//VII Всесоюз. симпоз. «Синтетические полимеры медицинского назначения». Минск, 1985. С. 31.
6. Халиков Д. X., Шарифова 3. В., Сафиуллина Ф. X., Санюкович Г. С. // Высокомолек. соед. А. 1989. Т. 31. № 10. С. 2044.
7. Островский Д. И., Дмитриенко Л. В., Самсонов Г. В. //Изв. АН СССР. Сер. хим. 1970. № 5. С. 1145.
8. Шатаева Л. К., Чернова И. А., Самсонов Г. В. //Изв. АН СССР. Сер. хим. 1977. №2. С. 358.
9. Buzzell J. G., Tanford G. 11 J. Phys. Chem. 1956. B. 12. P. 287.
10. Кабанов В. А., Зезин А. В. //Успехи химии. 1982. Т. 51. № 9. С. 1447. И. Луйк А. И., Лукьянчук В. Д. Сывороточный альбумин и биотранспорт ядов. М., 1984. С. 224.
Институт химии им. В. И. Никитина Поступила в редакцию
АН ТаджССР 29.11.90
D. Kh. Khalikov, Z. В. Sharifova, F. Kh. Safiullina
FEATURES OF INTERACTION OF SERUM ALBUMINE WITH NETWORK POLYMERS OF ETHYNYLPIPERIDOLE DERIVATIVES Summary
Sorption of human serum albumine (HSA) by network vinylethynyltrimethylpiperi-dole polymers has been studied. From the data on the equilibrium distribution of HSA in the polymer phase and external solution, swelling capacity and water activity in the polymer for various HSA contents the integral change of the free energy of a system and five its components have been quantitatively evaluated. HSA sorption by network polymers depends mainly on the change of components related with hypotetic ion exchange, cooperative character of interaction and the change of concentration of corresponding resinates. The contribution of components related with solvent transfer from the polymer phase into the external solution and with a difference in energies of mo-noionic forms of a polymer is small and prevents the sorption. Network polymer of ethynylpiperidole has the high sorption capacity towards HSA and essential selectivity.
2328
