Деформационное и ориентационное структурообразованиЕ фибриллярных белков при неньютоновском течении и электродиализЕ ионов 01. 04. 19 Физика полимеров

_____________________________________________________

ИНСТИТУТ ХИМИИ И ФИЗИКИ ПОЛИМЕРОВ


На правах рукописи
УДК 541.547.962.94.

+532.77.522.2.535.55
Эшбекова Санобар Омонликовна


Деформационное и ориентационное

структурообразованиЕ фибриллярных

белков при НЕньютоновском течении

и электродиализЕ ионов

01.04.19 - Физика полимеров

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Ташкент - 2010

Работа выполнена в Институте химии и физики полимеров

Академии наук Республики Узбекистан

Научный руководитель доктор физико-математических наук Холмуминов Абдулфатто Ахатович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

Тураева Нигора Назаровна

Джураев Урал Байирович

Ведущая организация Отдел теплофизики Академии наук

Республики Узбекистан

Защита состоится "____"____________2010 года в _____ часов на заседании специализированного совета ДК 015.24.01 при Институте химии и физики полимеров АН РУз по адресу: 100128, г. Ташкент, ул. А. Кадыри 7б, телефон:

(998-71) 241-85-94, факс: (998-71) 244-26-61, е-mail: carbon@uzsci.net

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института химии и

физики полимеров АН РУз

Автореферат разослан "____"_____________ 2010 г.

специализированного совета,

кандидат химических наук Усманова М.М.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА диссертации
Актуальность работы. Неньютоновское течение, обусловленное ориентационно-деформационным поведением и межмолекулярным взаимодействием молекулярных цепей, неизбежно реализуется при получении полимерных материалов с высокими структурными и специфическими функциональными характеристиками из растворов. В случае биополимеров, имеющих сложное цепное строение и растворяющихся в ионосодержащих системах, неньютоновское течение носит сложный характер, что требует проведения глубокого исследования с учетом молекулярно-структурных организаций полимеров и подбором необходимых экспериментальных методов.

Однако наличие ионов затрудняет эффективное фазовое разделение с ассоциированием цепей при ориентации, что требует ухудшения термодинамического качества растворителя за счет удаления ионов. Одним из интенсивных способов удаления ионов является электродиализ, который до сих пор не был применен при неньютоновском течении ионосодержащих растворов полимеров. Применение данного подхода представляет большой интерес для фибриллярных белков (-кератин – кератин шерсти; -кератин – фиброин шелка), характеризующихся структурообразующими особенностями в потоке. Для решения данного вопроса необходим детальный анализ, прежде всего, неньютоновского поведения фибриллярных белков в сдвиговом и продольном потоках, в которых, соответственно, реализуются деформационное и ориентационное упорядочение макромолекул. Особым моментом является ассоциирование упорядоченных цепей с удалением ионов.

Растворы фиброина и кератина, обычно, приготавливают в присутствии ионов солей и щелочей. Удаление ионов способствует увеличению частоты межмолекулярных водородных связей в белках, а также их гелеобразованию и осаждению из растворов. Наличие неудаленных ионов в гелях и отвержденной массе биополимера влияет на их физические свойства и способствует проявлению электропроводимости. Изучение закономерностей регулирования содержания ионов при неньютоновском течении растворов белков и упорядоченного структурообразования их в виде гелей и осажденной формы с электропроводящими характеристиками является актуальной задачей, решаемой в рамках физики полимеров.

Степень изученности проблемы. Вопросы получения ионосодержащих растворов фиброина и его ориентационное структурообразование в потоке были изучены рядом исследователей, в частности, С.Я. Френкелем, Ж. Магоши, П. Ягира, Д. Тиррела, С. Венуа и другими. Однако подробные исследования в условиях интенсивного удаления ионов при сдвиговом и продольном течении растворов белков до сих пор не были проведены. В этой связи в настоящей работе применен способ электродиализа ионов при сдвиговом и продольном течении растворов фиброина и кератина, исследовано их деформационное и ориентационное структурообразование в неньютоновском потоке, а также электропроводимость полученных ионосодержащих гелеобразных и осажденных образцов на их основе.

Связь диссертационной работы с тематическими планами НИР. Диссертационная работа связана с тематическими планами научно-исследовательских работ, выполненных в Институте химии и физики полимеров АН РУз в соответствии с фундаментальными темами: 3Ф-1 «Научные основы формирования наночастиц и наноструктур в полимерных системах» (2003-2007 гг.); ФПФИ-104-06 АН РУз «Установление параметров взаимосвязи структурных и фазовых превращений фиброина шелка в потоке методом реодинамооптиметрии» (2006-2007 гг.).

Цель исследования заключается в выявлении закономерностей деформационного и ориентационного структурообразования фиброина и кератина при неньютоновском течении растворов и электродиализе ионов, а также определении электропроводящих характеристик полученных гелей и осажденных образцов, содержащих остаточные ионы.

Задачи исследования:

- установление этапов растворения фиброина шелка и кератина шерсти в присутствии ионов солей и щелочей с подбором оптимальных условий и выбор систем растворов, позволяющих осуществлять структурообразование белков в потоке;

- сравнительное изучение неньютоновского поведения фибриллярных белков (фиброина, кератина) при сдвиговом и продольном потоках ионосодержащих растворов. Оценка гистерезисных эффектов, характеризующих структурную организацию и взаимодействия фибриллярных белков в потоке;

- изучение влияния электродиализа ионов на деформационное и ориентационное структурообразование фибриллярных белков при неньютоновском течении растворов. Получение гелей и осажденных образцов фибриллярных белков с упорядоченными состояниями цепей и остаточными содержаниями ионов;

- исследование электропроводящих свойств полученных образцов гелей и осажденных образцов белков, содержащих остаточные ионы в зависимости от состава, температуры и ориентационного упорядочения цепей.

- выявленные особенности по этапного растворения фиброина и кератина в ионосодержащих растворителях и установленные критические параметры для выбора биополимерного раствора, позволяющего реализовать неньютоновское течение и электродиализ ионов;

- данные о неньютоновском поведении фибриллярных белков в сдвиговом и продольном полях, выраженные гистерезисным эффектом, обусловленные структурной организацией, взаимодействием молекулярных цепей, зависящих от динамики течения и температуры растворов;

- данные о влиянии электродиализа ионов на деформационное и ориентационное структурообразование фибриллярных белков при неньютоновском течении растворов, а также результаты получения гелей и осажденных образцов белков с высокоупорядоченными состояниями цепей и остаточными содержаниями ионов;

- результаты изучения электропроводимости полученных гелей и осажденных образцов белков, содержащих остаточные ионы. Выявление механизма электропроводимости в зависимости от состава, температуры и упорядоченности молекулярных цепей в образцах;

- разработанный метод реооптиметрии, дополненный электродиализом для исследования структурообразования фибриллярных белков при неньютоновском течении растворов с интенсивным удалением ионов.

- структурные организации и взаимодействия фибриллярных белков в неньютоновском потоке анализированы на основе гистерезисных эффектов, обнаруженных при сдвиговом и продольном течении растворов. Показано уменьшение площадей гистерезисов белков с повышением температуры;

- выявлены возможности деформационного и ориентационного структурообразования фиброина и кератина при неньютоновском течении растворов с интенсивным удалением ионов посредством электродиализа. Определены условия получения гелей и осажденных образцов фибриллярных белков с высокими степенями фактора ориентации цепей и малым количеством остаточных ионов;

- определены электропроводящие характеристики полученных гелей и осажденных фибриллярных белков в зависимости от степени упорядочения макромолекул и содержания ионов в образцах;

- разработана установка реооптиметра, дополненная электродиализом для исследования структурообразования фибриллярных белков при неньютоновском течении в условиях интенсивного удаления ионов.

Научная и практическая значимость результатов исследования.

Выявленное деформационное и ориентационное поведение фиброина и кератина, а также их гистерезисные эффекты в неньютоновском потоке имеют важное значение в развитии фундаментальных представлений о динамике упорядоченного структурообразования фибриллярных белков из растворов.

Закономерности образования растворов, гелей и осажденных образцов фиброина и кератина в присутствии ионов солей и щелочей, а также их электропроводящие характеристики могут быть полезны для разработки научных принципов переработки волокнистых отходов шелка и шерсти с получением биоматериалов со специфическими физическими свойствами.

Специально собранные экспериментальные способы генерирования неньютоновского течения и электродиализа ионов представляют большой интерес для исследования упорядоченного структурообразования биополимеров с регулированием содержания ионов, а также для получения на их основе гелей и осажденных образцов с электропроводящими свойствами.

- разработанный способ реооптиметрии, дополненный электродиализом для исследования ионосодержащих растворов фибриллярных белков, нашел применение в выполнении научных фундаментальных тем: 3Ф-1 «Научные основы формирования наночастиц и наноструктур в полимерных системах» (2003-2007 гг.); ФПФИ-104-06 «Установление параметров взаимосвязи структурных и фазовых превращений фиброина шелка в потоке методом реодинамооптиметрии» (2006-2007 гг.);

- выявленные способы получения растворов фиброина и кератина в ионосодержащих растворителях, методы изучения неньютоновского поведения растворов данных белков и электродиализа ионов использовались при выполнении выпускных и диссертационных работ бакалавров и магистров Национального университета Узбекистана им. М. Улугбека по специальности физика и химия полимеров.

Апробация результатов работы. Материалы диссертации представлены и обсуждены на следующих международных и республиканских конференциях: Респ. конф. «Полимеры-2002» (Ташкент, 2002); Респ. конф. молодых ученых ИХФП АН РУз «Химия и физика высокомолекулярных соединений» (Ташкент, 2002); Международ. конф. «Нанохимия: новые подходы к созданию полимерных систем со специфическими свойствами» (Ташкент, 2003); Международ. конф. «Актуальные проблемы химии и физики полимеров» (Ташкент, 2006); “Inducturial-innovation development - the basuis of stable enonomy of Kazakhstan” Inter. scientifically-practical conf. (Shymkent, 2006); 18-Менделеевский съезд по общ. и прикл. химии (Москва, 2007); Респ. науч. – техн. конф. «Получение нанокомпозитов, их структура и свойства» (Ташкент, 2007).

Опубликованность результатов. По материалам диссертационной работы опубликованы 5 статей и 9 тезисов научных докладов.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы*. Материал работы изложен на 118 страницах машинописного текста, включает 43 рисунков, 4 таблицы. Список литературы содержит 128 наименований.
_________________________________________

*Автор искренне благодарит заслуженного деятеля науки РУз, академика Рашидову С.Ш. за научные консультации и внимание при выполнении данной диссертационной работы.

Основное СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
Во введении диссертации обоснована актуальность решаемой фундаментальной задачи, обоснован выбор объекта, сформулированы цель и задачи исследования, приведены новизна, а также научная и практическая значимость результатов работы.

В первой главе диссертации обсуждены литературные данные о структурах фибриллярных белков (фиброина шелка и кератина шерсти) и их ионосодержащих растворов, динамике структурообразования макромолекул при неньютоновском течении и возможности регулирования содержания ионов в растворах. Рассмотрены вопросы эффективного удаления ионов посредством электродиализа при структурообразовании белков в неньютоновских потоках и получении биополимерных материалов, характеризующихся электропроводящими свойствами. На основе проведенного литературного обзора обоснованы сформулированные цели и задачи диссертационной работы.

Во второй главе описываются характеристики выбранных объектов – фибриллярных белков фиброина шелка и кератина шерсти, растворителей 2,5 М LiCl-ДМФА для фиброина и 2,5 М NaOH-вода для кератина, а также основные методы исследований:

- неньютоновское течение растворов в сдвиговом и продольном полях исследовали, соответственно, на приборе Реотест-2 и установке «Реодинамооптиметр» Франка-Келлера, объединяющей методы вискозиметрии Кувшинского (ВК), двулучепреломления (ДЛП), дисперсии оптического вращения (ДОВ) и поляризационной ультрамикроскопии (ПУМК);

- влияние электродиализа на структурообразование белков в неньютоновском потоке исследовали на специально собранной установке реооптиметра, дополненной способом электродиализа ионов. В данной установке с помощью вращающего цилиндра генерировали сдвиговое течение растворов в цилиндрической мембране, продольное течение реализовали применением капиллярного вискозиметра Кувшинского.

Перемещение ионов через мембрану в диализат осуществляли под действием постоянного электрического тока в интервале 1 – 10 мА. Эффективность электродиализа оценивали по скорости выделения ионов на угольных электродах по закону Фарадея для электролиза. Наряду с этим, данная электрическая цепь применялась для определения электропроводимости ионосодержащих растворов, гелей и осажденных образцов фиброина и кератина.

- начальный - 1-этап растворения, т.е. разрушение волокнистого образца до промежуточных грубо- и коллоидно-дисперсных частиц контролировали по изменению фактора разориентации цепей N ≈Dn/Dn_в (где n – измеряемое ДЛП, Dn_в ≈ 8,34*10^-3С – ДЛП волокон фиброина или Dn_в ≈ 6,55*10^-3С -ДЛП волокон кератина). Обнаружили резкое снижение N с распадом волокон на грубодисперсные частицы после 10-15 минутного набухания в нагретом растворителе. Далее грубодисперсные частицы превращались в коллоидно-дисперсные частицы в течение следующих 10-15 мин и оставались стабильными. Для разрушения их, т.е. для реализации 2-го этапа растворения, потребовалось подключение интенсивного механического перемешивания с частотой вращения мешалки не менее   100 об/мин.

Рис.1. Зависимость параметров N, Ф, а от времени (t) растворения фиброина в 2,5 М LiCl-ДМФА при 110 ^оС (слева) и кератина в 2,5 М NaОН-вода при 65 ^оС(справа)

Молекулярную массу фиброина М  278000 определяли по уравнению Марка-Куна-Хаувинка []  1,23*10^-3 М^0.91, cм³/г с проведением измерения [] - характеристической вязкости. М  65000 для кератина рассчитывали по формуле Петерлина M_g 0,5RT/g_кр[]_o, где g_кр - критический градиент скорости разворачивания цепей в продольном поле, _o- вязкость растворителя, R – универсальная газовая постоянная; T – абсолютная температура.

Знак константы в_о дисперсии оптического вращения для полученных растворов фиброина и кератина отрицательный, что свидетельствует о нахождении молекул белков в частично спирализованном состоянии.
Таким образом, выявлены условия образования полимерных растворов фиброина и кератина в ионосодержащих растворителях. Далее исследовано поведение фибриллярных белков в полученных растворах при неньютоновском течении, генерированного в сдвиговом и продольном полях.

Неньютоновское течение растворов в сдвиговом поле. Опыты проводили на приборе Реотест-2 с использованием ячейки соосных цилиндров при 25 ^оС для 10 %-ных растворов фиброина и кератина, в которых ассоциирование белков наиболее очевидно при сдвиге. Полученные данные сопоставили с аналогичными данными для 10 % - ного раствора сополимера акрилонитрила в 7,7 М NaCNS-вода. Из рис.2.а видно, что эффективная вязкость (_эфф) растворов интенсивно уменьшается на начальном этапе деформационного воздействия сдвигового поля, т.е. при градиенте скорости   4060 с^-1. Далее достигнутые значения _эфф, стабилизируются с ростом   80 с^-1. Это свидетельствует о заметной деформационной перестройке молекул белков со снижением вязкости при сдвиге. Зависимости графиков имеют криволинейный вид, характерный для неньютоновского течения, и с ростом температуры смещаются в область малых значений вязкости.

Рис.2. Зависимость логарифм эффективно вязкости (_эфф) от градиента скорости () (а, в) и градиента скорости () от напряжения сдвига () (б, г) для растворов фиброина (ФБ), кератина (КР) и сополимера акрилонитрила (АН:МА:АК) при

различных температурах в сдвиговом поле

При этом зависимости градиента скорости от напряжения сдвига (), построенные при прямом и обратном измерениях показывают наличие гистерезиса (рис.2.б), проявление которого объясняется тем, что с ростом  происходит интенсивное деформационное упорядочение цепей, как в случае модели «гибкие гантели», по направлению тангенциального составляющего напряжения. При снижении  релаксируются деформационно-упорядоченные цепи, которые ведут себя как «бусины» в модели Рауза из-за повышения межмолекулярного трения.

Влияние температуры на неньютоновское течение растворов в сдвиговом поле исследовали для фиброина при 25, 40, 55, 70 ^оС. Обнаружено, что в интервале   0  80 с^-1 вязкость растворов изменяется криволинейно при всех Т = const и уменьшается с повышением температуры (рис.2. в). Причиной этого является уменьшение межмолекулярных взаимодействий в результате повышения беспорядочного движения молекул фиброина с ростом температуры. Проводя экстраполяцию при  0, находили значения динамической вязкости раствора фиброина для различной температуры: _25С  95,0 Па.с; _40С  54,5 Па.с; _55С  36,5 Па.с; _70С  19,1 Па.с, а также для кератина _25С  60,3 Па.с.

Представляло интерес рассмотрение характера гистерезиса в зависимости  от  при различных температурах (рис.2.г). Выявлено, что рост температуры способствует относительному уменьшению площадей гистерезисных петель: S₂₅^о/S₄₀^о 1,65; S₂₅^о/S₅₅^о 3,25; S₂₅^о/S₇₀^о 5,63 раз. Также наблюдается уменьшение расстояния между предельным (_,) и максимальным (_мах) напряжениями сдвигов, при которых, соответственно, начинают проявляться неньютоновское и квазиньютоновское течения раствора фиброина: l₂₅^о/l₄₀^о 1,2; l₂₅^о/l₅₅^о 1,5; l₂₅^о/l₇₀^о 1,7 раз. Показано, что с ростом температуры происходит смещение гистерезиса в область малых градиентов скорости и напряжений сдвига. Сужение площади гистерезиса свидетельствует о повышении подвижности цепей вследствие снижения взаимодействия «белок-белок».

Взаимодействие молекул белков при неньютоновском течении оценивали по величине энергии активации вязкого течения Е_в, рассчитанной по формуле ln  lnА+ Е_в /RT (где А - предэкспоненциальный множитель). Определяли Е_в1  30,28 кДж/моль при   0 с^-1, Е_в2  29,45 кДж/моль при   40 с^-1, Е_в3  29,23 кДж/моль при   150 с^-1. Разность Е_в= Е_в1 - Е_в3  1,05 кДж/моль характеризует максимальную работу по структурной перестройке молекул белков в области неньютоновского течения. При этом Е_в- характеризует изменение свободной энергии активации вязкого течения, т.е. Е_в  H_в-TS_в (где H_в и S_в - соответственно, теплота (энтальпия) и энтропия активации вязкого течения). H_в - представляет собой количество тепла, которое должно быть подведено к одному молю частиц для совершения акта перескока при течении. При деформации цепей в потоке их беспорядочное тепловое движение практически прекращается, т.е. S_в  0, следовательно Е_в  H_в.