POLIMEROWE MODELE MEMBRAN BIOLOGICZNYCH BIOMIMETYCZNE UKŁADY MEMBRANOWE. Romuald WÓDZKI

Transkrypt

1 R. Wódzki mbray teoria i praktyka PLIMERWE MDELE MEMBRA BILGIZY BIMIMETYZE UKŁADY MEMBRAWE Romuald WÓDZKI Uiwersytet Mikołaja Koperika, Wydział hemii, Zakład hemii Fizyczej ul. Gagaria 7, Toruń wodzki@chem.ui.toru.pl 1. BIMIMETYKA MEMBRAWA [1-12] Budowa i fukcje membra biologiczych (bło aturalych) budzą zaiteresowaie w związku z ogólym postępem w badaiach fukcji i mechaizmu trasportu komórkowego, rozwojem biotechologii, próbami sytezy membra biopodobych, sesorów biopodobych oraz specyficzych sorbetów. Błoa biologicza pełi szereg fukcji, spośród których do ajważiejszych ależy przeoszeie masy, eergii oraz iformacji. Fukcje te staowiąc uikalą kombiację procesów reakcyjych i dyfuzyjych i wyikają ze specyficzej budowy bło komórkowych oraz właściwości zawartych w ich składików takich jak białka i joofory. mbraa biologicza składa się zwykle z 25-75% lipidów, 25-75% białek oraz miej iż 10% węglowodaów. Zgodie z płyo-mozaikowym modelem Sigera - icolsoa podstawą typowej błoy biologiczej jest regulara dwuwarstwa lipidowa o grubości 5-7 m, która jest praktyczie ieprzeikala dla joów i wody. Zjawiska trasportowe charakterystycze dla membra biologiczych są, zatem uzależioe od obecości wyspecjalizowaych cząsteczek trasportowych azywaych jooforami. W zależości od składu chemiczego działają oe jako przeośiki lub kaały joowe. Przeośik joowy jest cząsteczką posiadającą cetrum wiążące dostępe po jedej ze stro membray w sposób przemiey, ale igdy rówocześie. Kaał joowy tworzy atomiast trasmembraową ścieżkę otwartą dla joów jedocześie po obydwu stroach membray. W przypadku mikroorgaizmów błoie komórkowej towarzyszy ściaa komórkowa, której podstawowym składi- 188

2 mbray teoria i praktyka Polimerowe modele kiem jest peptydoglika. Polimer te tworzy trójwymiarową sieć zawierającą dodatkowo polimery joowe, zwykle estry kwasu fosforowego (kwasy tejchojowe - bakterie gram dodatie) lub polimery z grupami karboksylowymi (kwasy tejchuroowe - bakterie gram ujeme). aśladowaie fukcji i zjawisk obserwowaych w błoach aturalych leży u podstaw chemii membra biopodobych, która tworzy pomost pomiędzy dziedzią membra biologiczych i sytetyczych, w tym rówież membra polimerowych. Podstawowym zadaiem chemii membra biopodobych początkowo było modelowaie i odtwarzaie struktury, mechaizmu powstawaia oraz właściwości moo- i dwuwarstw lipidowych. becie zakres tej dziedziy jest szerszy i obejmuje rówież problemy związae z właściwościami sytetyczych substacji wielkocząsteczkowych oraz złożoych membraowych układów hybrydowych, co pozwala kostruować trwałe układy biomimetycze o zaczeiu praktyczym. W rezultacie możliwa staje się syteza membra lub układów membraowych łączących techologiczie wymagaą trwałość membra sytetyczych z selektywością bło komórkowych takich jak p. błoy erytrocytowe, cytoplazmatycze, mitochodriale, ściay komórkowe, skóra, bądź złożoe zespoły komórkowe (p. erki). Modelowaie struktury: ajprostszymi biomimetyczymi układami membraowymi są agregaty tworzoe przez związki powierzchiowo czye, tj. micele, odwrócoe micele, moowarstwy, wielowarstwy oraz obiekty kuliste azywae pęcherzykami (vesicle). Pęcherzyki staowią sztucze odpowiediki liposomów (pęcherzyków lipidowych) otrzymywaych aalogiczie, ale z substacji aturalych. Proste modele dwuwarstw lipidowych otrzymywae są zwykle pod wpływem działaia ultradźwięków a związki powierzchiowo czye (p. bromek dioktadecylodimetylamiowy, lub diheksadecylofosfora), które tworzą sferycze dwuwarstwa o średicy 50 m-100 m i grubości około 5 m. W odróżieiu od miceli ie ulegają oe rozpadowi ziszczeiu po rozcieńczeiu oraz pozostają strukturami dyamiczymi, tj. ruchy molekulare ich składików odpowiadają płyo-mozaikowemu modelowi bło. dmieym zagadieiem jest modelowaie budowy ścia komórkowych, których skład chemiczy pozwala traktować je jako membray joowymiee z grupami fosfodiestrowymi i karboksylowymi. becość grup joowych w ściaie komórkowej powoduje, że mechaizm selektywej sorpcji i trasportu joów jest w iej aalogiczy do tego, jaki obserwuje się w sytetyczych membraach joowymieych. Staowi to podstawę do stosowaia membra polimerowych z grupami fosforaowymi, karboksylowymi lub sulfoowymi do modelowaia fizykochemiczych właściwości ścia komórkowych lub powierzchi dwuwarstw fosfolipidowych. Modelowaie fukcji: Fukcje membra biologiczych mogą być w prosty sposób modelowae z wykorzystaiem techiki membra ciekłych. Typowa membraa ciekła staowi hydrofobową warstwę rozdzielającą dwie fazy wode, podobie jak dwuwarstwa lipidowa bło aturalych. Zespół zja- 189

3 R. Wódzki mbray teoria i praktyka wisk reakcyjych i dyfuzyjych występujących w błoie może być częściowo odtworzoy wówczas, gdy substacje zajdujące się w roztworach wodych przylegających do membray mogą przeikać przez membraę po uprzedim rozpuszczeiu się w warstwie hydrofobowej zgodie z mechaizmem rozpuszczaia-dyfuzji. chaizm te może być wspomagay obecością specyficzej substacji azywaej przeośikiem. iezależie od postaci (membraa ciekła grubowarstwowa, immobilizowaa, emulsyja) właściwości membra ciekłych lub agregatów liposomowych w trasporcie substacji joowych uwarukowae są obecością przeośika (rys. 1A). W zależości od jego budowy chemiczej (joowy, iejoowy) obserwuje się przeoszeie wg mechaizmu charakterystyczego dla współtrasportu (symport) lub przeciwtrasportu (dyfuzja wymiea), które schematyczie przedstawioo a rys.1 B A) f _ s + S + S + S + S B) - przeośik, m - membraa ciekła, S - substacja przeoszoa, f - roztwór zasilający, s- roztwór odbierający Rys. 1. A)-schemat działaia przeośika w membraie ciekłej; B) mechaizmy trasportu w membraach ciekłych: (a) - dyfuzyjy, (b) - trasport ułatwioy, (c) - przeciwtrasport, (d) - współtrasport 190

4 mbray teoria i praktyka Polimerowe modele 2. PLIMERWE MEMBRAY BIMIMETYZE W trakcie liczych prób rekostytucji moo- lub dwuwarstwy lipidowej stwierdzoo, że agregaty symulujące błoy charakteryzują się iestabilością. Z tego względu, w celu uzyskaia trwałych i stabilie działających modelowych membra lipidowych stosuje się obecie rozwiązaia związae bezpośredio z chemią polimerów, tj. otrzymywaie membra polilipidowych, tzw. sztuczych membra lipidowych oraz membra zawierających lipidy zdyspergowae w plastyfikowaym polimerze (solvet polymer membraes) azywaych rówież membraami ikluzyjymi. mbray polilipidowe: Moo-, wielowarstwy i sztucze liposomy otrzymywae ze związków powierzchiowo czyych mogą być stabilizowae przez polimeryzację (rys.2) po uprzedim dołączeiu grup wiylowych, metakrylowych, diacetyleowych, styreowych, itp., do łańcucha hydrofobowego lub do części hydrofilowej. Uzyskae w te sposób polimery, takie jak tj. poli(akryla oleilowy) oraz poli(matakryla oleilowy), okazały się przydate do otrzymywaia membra wykazujących, charakterystycze dla bło komórek erwowych, oscylacje potecjału membraowego. Związek I tworzy a powierzchi wody moowarstwę, która ulega polimeryzacji po apromieiowaiu UV. Bezpośredia polimeryzacja grup reaktywych wewątrz związków amfifilowych wywiera jedak iekorzysty wpływ łańcucha polimerowego a ruchliwość łańcuchów boczych, co prowadzi do spadku lub wręcz do zaiku charakterystyczej dla membra biologiczych "ciekłości". W skrajym przypadku, zredukowaa ruchliwość podłoża polimerowego hamuje proces samoorgaizacji spolimeryzowaych lipidów a tym samym i tworzeie się liposomów. iemiej, polimerowe liposomy mogą być otrzymae z odpowiedio przygotowaych moomeultradźwięki UV Rys. 2. Sposób przygotowaia polimerowych liposomów lub dwuwarstw zawierających środki powierzchiowo czye. mbraa biomimetycza może, a awet powia, być wykoaa ze związków wielkocząsteczkowych o budowie odpowiadającej fosfolipidom. Wymaga to przeprowadzeia sytezy odpowiedich cząsteczek modelowych zawierających ugrupowaia zdole do polimeryzacji, p. I [13]: 3 ( 2 ) 11 ( 2 ) 9 P () 2 (I) 191

5 R. Wódzki mbray teoria i praktyka rów, a po wprowadzeiu dodatkowych hydrofilowych, giętkich i zdolych do polimeryzacji ugrupowań, możliwe jest osiągięcie kompromisu pomiędzy trwałością warstw polilipidowych a koieczością zachowaia ruchliwości ich składików. Do osiągięć w tej dziedziie ależy zaliczyć sytezę biokompatybilych polimerów a bazie metakrylau (II) zawierającego ugrupowaia fosfatydylocholiowe, w skrócie MP [14]: P 2 2 ( 3 ) 3 (II) Związek II wykazuje zdolość do kopolimeryzacji z metakrylaem metylu (MMA) a odpowiedi produkt, tj. poli(mp-ko-mma) tworzy hydrożele o właściwościach pożądaych z puktu widzeia techiki membraowej. Badaia kopolimerów MP z -butylometakrylaem (BMA) wykazały, że ich pęczieie zależy w ietypowy sposób od temperatury, tj. zawartość wody w hydrożelu rośie ze wzrostem temperatury. Powoduje to, że w membray wykoae z poli(mp-ko-bma) w istoty sposób zmieiają swe właściwości permeacyje z temperaturą. p. przeikaie modelowego związku orgaiczego, tj. 1,4-di(2-hydroksy-etoksy)bezeu (DEB) charakteryzuje się astępującymi współczyikami przeikaia: (30 o ), (40 o ) oraz (50 o ) cm 2 s -1. Ich wielkości mogą być skorelowae z rówowagową zawartością wody w membraie. Jedocześie współczyiki przeikaia zmiejszają się stopiowo ze wzrostem masy cząsteczkowej, szczególie powyżej wartości odpowiadającej białkom. zacza to, że globuliy (MW = ) ie będą przeikać przez membraę wykoaą z poli(mp-ko-bma). Umożliwia to zastosowaia tego rodzaju sztuczych membra lipidowych jako selektywych przegród w implatowalych sesorach, jak rówież w charakterze składików tzw. orgaów hybrydowych, które ze względów immuologiczych ie powiy przepuszczać γ-globuliy. Sztucze membray lipidowe: Prostą metodą prowadzącą do uzyskaia membra biopodobych zachowujących właściwości lipidów jest ich częściowa immobilizacja w mikroporowatych membraach polimerowych. Z pomocą takich membra prowadzi się badaia podstawowych fizykochemiczych właściwości bło biologiczych, tj. odtworzoo przy ich pomocy oscylacje potecjału błoowego. mbray tego rodzaju otrzymuje się zwykle z wykorzystaiem hadlowo dostępych membra filtracyjych a immobilizacji poddaje zarówo lipidy joowe, tj. dioleilofosfora (DP), jak i iejoowe: trójoleiia glicerolu, moooleiia glicerolu oraz ie. 192

6 mbray teoria i praktyka Polimerowe modele iezależie od pozawczego charakteru badań z immobilizowaymi membraami lipidowymi, owocują oe praktyczymi zastosowaiami w dziedziie medycyy i chemii aalityczej. p. zae jest zastosowaie immobilizowaych chemiczie fosfolipidów, tworzących moowarstwę a powierzchi ośika, w chromatografii leków i iych substacji [15]. Polimerowe membray kwazi-ciekłe: Zastąpieie rozpuszczalika orgaiczego w membraie ciekłej plastyfikowaym polimerem (ajczęściej PW) prowadzi do otrzymaia polimerowych membra kwazi-ciekłych lub iaczej "ikluzyjych ciekłych membra polimeryczych" (SPM-solvet polymeric membrae, IPLM-iclusio polymeric liquid membrae). mbray SPM zawierające aturale lipidy lub ie składiki występujące w błoach staowią wygody polimerowy model bło biologiczych. mbray SPM uzyskuje się przez wylewaie mieszaiy zawierającej rozpuszczoy polimer, plastyfikator i składik aktywy, i dalej odparowaie rozpuszczalika oraz próżiowe suszeie membray. Sytetyczymi membraami łączącymi w sobie właściwości sztuczych membra lipidowych, membra polilipidowych oraz membra SPM są membray zawierające jako składik aktywy metakryla oleiowy lub akryla oleiowy w PW z dodatkiem ftalau oktylu jako plastyfikatora. mbray SPM zawierające jako substację aktywą joofory aturale lub ich sytetycze odpowiediki staowią podstawowy elemet membraowych elektrod jooselektywych lub sesorów membraowych. 3. PLIMERY AKTYWE W TRASPRIE Sytetycze, polimerowe kaały joowe: Fukcje trasportowe w membraach biologiczych spełiają między iymi tzw. kaały joowe tworzoe przez proste lub zgrupowae proteiy trasportowe. Dla przykładu, gramicydya A obeca w błoach komórkowych bakterii tworzy kaał o średicy 0.4 m umożliwiający trasbłoowy przepływ iehydratowaych joów metali jedowartościowych. Rozwój polimerowych "membra kaałowych" wiąże się z sytezą makrocząsteczek zawierających wielokrotie powieloe cyklicze lub pseudocyklicze struktury charakterystycze dla kaałów joowych oraz owych polimerów sytetyzowaych w taki sposób aby małocząsteczkowe aalogi jooforów kaałowych (p. etery koroowe) tworzyły w membraie sekwecję (stos) przypomiającą strukturę kaału błoowego. Początkowo, sytetyczymi modelami kaałów joowych były kompleksy KBr ze związkami makrocykliczymi. Sytezę związków spełiających rolę prostych modelowych kaałów joowych opisao w latach osiemdziesiątych. p. olte i wsp. [16] opisali sytezę polimeru (III, Tab.1), do którego przyłączoo grupy bezo-16-koroa-6 (B166) jako grupy bocze. Polimer o masie cząsteczkowej zawierał około 40 jedostek tworzących około 10 helikoidalych cykli, w sposób przedstawioy schematyczie a rys. 3. dległość pomiędzy cyklami 193

7 R. Wódzki mbray teoria i praktyka wyosiła 0.4 m, tj. związek tworzył kaał o długości 4 m bliskiej grubości dwuwarstwy lipidowej. (b) (a) (b) Rys.3. Kaał joowy (a) z polimeru III w dwuwarstwie lipidowej (b). wg R.J.M. olte i wsp. [16] Eergia swoboda wiązaia joów przez sytetyczy joofor III mieści się w graicach kj/mol, tj. jest o około 5 kj/mol większa iż ta, którą wykazuje eter koroowy wchodzący w skład polimeru. Po wprowadzeiu do dwuwarstwy liposomowej joofor te ie wykazywał jedak istotego wpływu jej właściwości trasportowe. Fyles i wsp [27] przeprowadzili sytezę sztuczego kaału joowego o budowie chemiczej przedstawioej a rys.4. fosfolipidy 194 Rys.4. Budowa sytetyczego kaału joowego. wg T.M. Fyles i wsp. [27]

8 mbray teoria i praktyka Polimerowe modele W trakcie badań właściwości trasportowych jooforu ulokowaego w dwuwarstwie lipidowej stwierdzoo typowe dla trasportu kaałowego asyceie strumiei przewidywae kietyką Michaelisa-te, szereg selektywości trasportu zgody z właściwościami użytego eteru koroowego, tj. K + >Rb + >s + >a + >Li + oraz eergię aktywacji 30 kj/mol, porówywalą z eergią aktywacji trasportu joów przez gramicydyę wyoszącą 32 KJ/mol. Próby odtworzeia budowy i fukcji kaałów joowych są obecie juz bardzo zaawasowae a ich wyiki opisae w liczych pracach opublikowaych w ciągu ostatich dziesięciu lat [28]. Zjawiska jakościowo związae z trasportem kaałowym mogą być badae z wykorzystaiem prostszych związków modelowych (IV-XVII) zestawioych w Tab.1. Związki te są polimerami zawierającymi etery koroowe jako grupy bocze, grupy występujące w łańcuchu lub też bezpośredio spolimeryzowaymi eterami koroowymi. Ich przydatość praktycza wyika ze współzależości pomiędzy strukturą i średicą tzw. węki ligada makrocykliczego a jego zdolością do wiązaia określoego katiou lub aiou. Wykazao, że polimery z boczymi grupami makrocykliczymi zdole są do silego wiązaia joów o różej średicy, w tym rówież tych, których średica jest większa od średicy luki eteru koroowego. Różice występujące pomiędzy właściwościami p. eterów poli(wiylomakrocykliczych) a ich iskocząsteczkowymi aalogami pojawiają się a skutek bliskiego położeia ugrupowań koroowych względem siebie, wzdłuż łańcucha główego polimeru. Umożliwia to wystąpieie kooperatywego wiązaia katioów pomiędzy dwoma sąsiadującymi ugrupowaiami koroowymi. Katioy, które mogą się przestrzeie dopasować do luki eteru koroowego tworzą trwałe kompleksy 1:1, podczas gdy katioy o średicach większych tworzą kompleksy typu 1:2. W trakcie badań wiązaia joów metali alkaliczych przez poli(4 -wiylobezo-18-koroa- 6) [P(WB186)] i jego odpowiedika małocząsteczkowy, tj. metylobezo- 18-koroa-6 (MB186) wykazao [29], że joy a + są wiązae siliej przez moomer iż przez polimer. Zgodie z wartościami stałych tworzeia kompleksów przytoczoymi w Tab.2, wiązaie joów K + jest porówywale, atomiast wiązaie s + jest siliejsze w przypadku P(WB186). Moża się, zatem spodziewać, że membraa zawierająca makrojoofor wykazywać będzie lepszą selektywością rozdziału K + /a +, s + /a + oraz s + /K + iż membraa zawierająca odpowiedie moomery. 195

9 R. Wódzki mbray teoria i praktyka Tab. 1. Polimery zawierające etery koroowe - związki do symulowaia fukcji kaałów joowych w membraach biologiczych. Budowa chemicza R R R' R R = R' = 3 3 R III [16] 3 ( 2 ) 2 ( 2 ) 2 2 x 2 y IV [17] V [18] VI [19] ( 2 ) x ( 2 ) 1-x S VII [20] VIII [21] IX [22] X [22] XI [22] XII [22] 196

10 mbray teoria i praktyka Polimerowe modele Tab.1 cd. XIII [22] XIV [23] XV [24] ( R 1 R 3 ) x ( R 2 R 3 ) y R 1 = 3 ( 2 ) 2 3 ( 2 ) 2 R 2 = lub ( 2 ) 4 R 3 = XVI [25] 197

11 R. Wódzki mbray teoria i praktyka Tab.1 cd. = T = XVII [26] Tab. 2. Stałe tworzeia kompleksów przez MB66 oraz poli(wb186) z katioami, środowisko wode, temp.25 o. wg L.. Wog i wsp. [29] Katio MB186 Poli(WB186) M=30900 a K s Polimery zawierającego zarówo ugrupowaia koroowe jak i zjoizowae grupy karboksylowe (XIV) pozwoliły zrealizować iteresujący z puktu widzeia trasportu błoowego sprzężoego i aktywego traspot M + / +. Jedocześie, trasportują oe joy w porządku K + >s + >a + >Li + tj. w sposób odzwierciedlający kompleksowe właściwości 186. Makroprzeośiki: Z puktu widzeia chemii polimerów istote było wprowadzeie do techiki membra ciekłych owej klasy przeośików, tj. makrocząsteczkowych przeośików joów i substacji orgaiczych. 198

12 mbray teoria i praktyka Polimerowe modele Przeośikowe fukcje rozpuszczalych polimerów mogą być rozpatrywae w odiesieiu do roli makrobiocząsteczek w procesach komórkowego wiązaia i trasportu katioów. Rozpuszczale polimery wydają się bardziej odpowiedimi aalogami aturalych przeośików (p. przykłady XVII-XX w Tab.3) iż małocząsteczkowe związki, z uwagi a zwykle dużą masę cząsteczkowa jooforów aturalych. Tab. 3. Typowe przeośiki joów w membraach biologiczych. Budowa chemicza a Et XVIII moezya 2 a Et Et Et XIX lasalocid XX oaktya echy joowych przeośików makrocząsteczkowych (Tab.4) wykazują amfifilowe polielektrolity lub rozpuszczale polimery zawierające ugrupowaia zdole do wiązaia joów metali. Już w latach siedemdziesiątych 199

13 R. Wódzki mbray teoria i praktyka Varoqui i wsp. [30] przeprowadził badaia makroprzeośika (m.cz ) z grupami karboksylowymi (XXI). Związek te ależy do klasy polielektrolitów hydrofobowych, przyjmujących postać ścisłego kłębka w formie polikwasu i statystyczego kłębka w formie polisoli. dpowiedio, traci lub zyskuje zdolość do wiązaia joów metali w zależości od p środowiska. i może być wykorzystay do modelowaia tzw. mechaizmów przełączikowych w trasporcie joów sodowych i wapiowych. Tab. 4. Makrocząsteczkowe przeośiki joów w membraach ciekłych. Budowa chemicza ( 2 ) XXI [30] ( 2) m ( 2 ) k XXII [31] m:k = 5:1 P ( 2 2 ) 2 2 XXIII [32, 33] XXIV [33] 3 ( 2 2 ) P()() 2 XXV [34] R 2 P() ( 2 2 ) P()R 2 R=- XXVI, R= 3 - XXVII 2 2 R R ( ) R R'' R' XXVIII [35] XXIX [36] R=, 3, 2 3 R'=, 2, 2 3 R''= 3, 2, XXX [37]

14 mbray teoria i praktyka Polimerowe modele Wykazao rówież [32], że karboksyloway polistyre XXII (Mw = , 1 g polimeru/ 15 ml chloroformu) umożliwia trasport amio kwasów pod wpływem różicy p roztworu zasilającego i odbierającego. Ie badaia wykazały, że amfifilowe polielektrolity z grupami fosfodiestrowymi, (XXIV-XXVII) [33,34] wykazują aktywość w tras-porcie joów dwuwartościowych zgodie z mechaizmem przeciw-trasportu. Badaia w dziedziie membra biopodobych powodują zaiteresowaie sytezą iych makrocząsteczkowych przeośików poliacykliczych (pseudocykliczych) łączących w sobie zaą selektywość eterów koroowych, ale bardziej "elastyczych" i zdolych do selektywego trasportu rówież substacji orgaiczych. ajprostszym związkiem wykazującym takie właściwości jest poli(oksyetyle) XXIII o masach cząsteczkowych wyższych od 400. Zdolość do wiązaia katioów uwarukowaa jest w tym przypadku obecością struktur pseudocykliczych. Podobie, rozpuszczaly polimer XXIX, zawierający pierścieie tetrahydrofuraowe w łańcuchu, tworzy helikoidale struktury (rys. 5) umożliwiające efektywy trasport joów K +, a +, Ba 2+ oraz substacji orgaiczych (rodamia 6G oraz błękit metyleowy) [36] atomiast polimer XXVIII po rozpuszczeiu w chloroformie umożliwia eacjoselektywy trasport estrów [35]. M + Rys. 5. Pseudocyklicza struktura i wiązaie joów przez przeośik makrocząsteczkowy XXIX, wg B.M. ovak i wsp. [36] Przykładem wykorzystaia makrojooforów jako związków biomimetyczych jest wyjaśieie roli poli[kwasu (R)-3-hydroksymasłowego] [P(3-B)] w trasporcie joów przez błoę komórkową bakterii. Doświadczeia wykazały [37], że poli(3-b) XXX wykazuje zdolość do trasportu joów, przez membraę otrzymaą z 2 l 2 z zachowaiem astępującego szeregu strumiei: s + >K + Rb + >a + >Li + oraz Ba 2+ >>Sr 2+ >a 2+ >Mg 2+. siągae współczyiki ułatwieia trasportu mieszczą się w graicach od 17 dla s + do 2 (a 2+ ) lub 1 (Mg 2+ ). a podkreśleie zasługuje fakt, że w od- 201

15 R. Wódzki mbray teoria i praktyka różieiu od eterów koroowych, makrojoofory acyklicze zdole są do kooperatywej koordyacji katioów. Potwierdza to rówież porówaie przedstawioe w Tab.5 wskazujące, że polimer XXVIII wykazuje zdolość do wiązaia katioów w stopiu większym iż typowy eter koroowy tj. DB-186. [38] Tab. 5. Porówaie właściwości (% ekstrakcji)eteru koroowego i makrojooforu XXVIII, wg. ashimoto i wsp. [38] Li + a + K + Rb + s + błękit metyleowy rodamia G6 DB XXVIII ZŁŻE UKŁADY BIMIMETYZE W rozwoju fizykochemiczych podstaw trasportu błoowego istotym etapem opisu teoretyczego było opracowaie termodyamiczej aalizy sieciowej, uwzględiającej rówoczesy przebieg procesów reakcyjych i dyfuzyjych zachodzących w złożoych układach błoowych i komórkowych. Ważym wioskiem wyikającym z teorii jest to, że procesy zachodzące w układach aturalych, w tym rówież trasportowe uwarukowae są ich topologią. Między iymi, termodyamiczo-sieciowa aaliza zjawisk trasportowych w osłoie komórkowej bakterii wykazała, że mechaizm preferecyjego trasportu joów magezowych jest wyikiem złożoej sieci reakcji wymiay joowej, trasportu dyfuzyjo-wymieego oraz przeośikowego ułatwiaego obecością kwasów tejchojowych [6]. Biomimetycze układy doświadczale zbudowaych z membra polimerowych i ciekłych zawierających sytetycze aalogi kwasów tejchojowych (Tab.6A) tj. poli(1,3-propyleofosfora) XXXII oraz etylohekyslopoli(1,3-propyleofosfora) XXXI pozwoliły odtworzyć charakterystyczy dla kwasów tejchojowych preferecyjy trasport joów magezowych w obecości silie kokurujących joów wapiowych [40]. a tej podstawie opracowao dalej tzw. wielomembraowe układy hybrydowe, składające się z membra joowymieych i ciekłych, ispirowae strukturą i fukcjami osło komórkowych bakterii. Układy takie są projektowae z myślą o odzyskiwaiu lub usuwaiu toksyczych metali z odpadów i roztworów pogalwaiczych [12, 41-44]. 202

16 mbray teoria i praktyka Polimerowe modele Tab. 6. Układy do modelowaia trasportu katioów przez ściay i osłoy komórkowe bakterii. A). Układ hybrydowy - polimerowa membraa joowymiea oraz membraa ciekła zawierająca przeośik makrocząsteczkowy. wg. R. Wódzki, [40] membraa ciekła zawierająca aalog kwasów lipotejchojowych: 3 ( 2 ) 3 2 P ( 2 ) 3 = XXXI, membraa polimerowa: poli(1,3- propyleofosfora) P >30 XXXII immobilizoway w polimerze z grupami karboksylowymi B. Modyfikowaa membraa joowymiea. wg. T. ayashita i wsp. [45] wętrze membray joowymieej: (F F 2 ) x (F 2 F 2 ) y F 2 F 2 (F 2 ) 2 S 3 powierzchia membray joowymieej (F F 2 ) x (F 2 F 2 ) y F 2 F 2 XXXIII (F 2 ) 2 S 2 R 1 S R 1 S 2 XXXIV XXXV R 1 S 2 R 1 S 2 XXXVI XXXVII 203

17 R. Wódzki mbray teoria i praktyka Podobe zaczeie dla modelowaia fukcji ścia komórkowych mogą mieć membray joowymiee z powierzchiami modyfikowaymi mooazaeterami koroowymi [XXXIV-XXXVII, Tab.6B] [45]. Warstwy symulujące fukcje jooforów, wytworzoe a każdej z powierzchi (sulfooway polimer XXXIII), dodatkowo kotrolują przeikaie joów zmieiając selektywość wyjściowej membray. Przeprowadzoe badaia przeciwtrasportu M + / + z udziałem membra modyfikowaych i iemodyfikowaych wykazały, że selektywość membray modyfikowaej eterami koroowymi zmieia się w kolejości s + >Rb + >K + >a + >Li + atomiast membray iemodyfikowaej w kolejości K + >Rb + >s + >a + >Li LITERATURA [1] J.. Fedler, mbrae Mimetic hemistry, Joh Wiley & Sos, ew York, 1982 [2] J.-. Furhop, J. Köig, mbraes ad Molecular Assemblies: The Sykietic Approach, The Royal Society of hemistry, ambridge, 1994 [3] J.-M. Leh, hemia supramolekulara, Ist. hem. Fiz. PA, Warszawa 1993 [4] G.F. ster, A.S. Perelso, A. Katchalsky, etwork thermodyamics: dyamic modellig of biophysical systems, Quart. Rev. Biophys., 6 (1973) 1 [5] A.R. Peacocke: A Itroductio to The Physical hemistry of Biological rgaizatio, laredo Press, xford 1989 [6] R. Wódzki, Dyfuzyjo-wymiey trasport joów w modelach ścia komórkowych bakterii, Wyd. UMK, Toruń 1994 [7] W. Simo, w: Molecular Movemets ad hemical Reactivity as oditioed by mbraes, Ezymes ad ther Molecules, (wyd. R. Lefever, A. Goldbeter), J. Wiley & Sos, Ic., 1978 [8] A. Kotyk, Biomembraes as catalysts of mass, eergy ad iformatio trasfer, J. Radioaal. ucl. hem., Articles, 163 (1992) 37 [9] P. Läuger, chaisms of biological trasport - arriers, chaels, ad pumps i artificial lipid membraes, Agew. hem. It. Ed. Egl., 24 (1985) 905 [10] W. Pusch, Efficiecy of sythetic membraes i compariso with biological membraes, Desaliatio, 62 (1987) 5 [11] R. Wódzki, Polimery, 41 (1996) 426 [12] R. Wódzki, P. Szczepański, hem. Papers, 54 (2000) 430 [13] B. stermayer, W. Vogt, Makromol. hem., Rapid ommu., 3 (1982) 563 [14] K. Ishikara, T. Ueda,. akabayashi, Polymer, 22 (1990) 355 [15] S. Korokiewicz, B. Buszewski, Wiadomości hemicze, 51 (1997) 81 [16] R.J.M. olte, A.J.M. va Beje, J.G. eevel, J.W. Zwikker, A.J. Verkley, W. Dreth, Isr. hem. J., 24 (1984) 297 [17] D. Peramuage, J.E. Feradez, L. Garcia-Rubio, Macromolecules, 22 (1989) 2845 [18] A.J. Varma, T. Majewicz, J. Smid, J. Polym. Sci., Polym. hem. Ed., 17 (1979) 1573 [19] K. Kimura, M. Yoshiaga, S. Kitazawa, J. Polym. Sci., Polym. hem. Ed., 21 (1983) 2777 [20] Y. hujo, T. akamura, Y. Yamashita, J. Polym. Sci., Part A, Polym. hem., 28 (1990) 59 [21] M. Shirai, A. Ueda, M. Taaka, J. Polym. Sci., Part A, Polym. hem., 25 (1987) 1811 [22] E. Blasius, K.-P. Jaze,. Luxemburger, V.B. guye,. Klotz, J. Stockemer, J. hromatogr., 167 (1979) 307 [23]. Sakamoto, K. Kimura, T. Shoo, Eur. Polym. J., 22 (1986) 97 [24] E. Schori, J. Jagur-Grodziski, J. Appl. Polym. Sci., 20 (1976) 773 [25] U. Tuca, Y. Yagci, J. Polym. Sci., Part A, Polym. hem., 28 (1990)

18 mbray teoria i praktyka Polimerowe modele [26] A. Mori, F. Béiere, L. Agely, J. Rault-Berthelot, J. Simoet, J. hem. Soc., Faraday Tras., 87 (1991) 1393 [27] T.M. Fyles, T.D.James., K.. Kaye, a. J. hem., 68 (1990) 976 [28] W. Dąbek, mbraowy trasport kaałowy sytetycze kaały joowe, (Praca licecjacka, promotor: M. Światkowski), UMK Toruń, Wydział hemii, 2004 [29] L.. Wog, J. Smid, Polymer, 21 (1980) 195 [30] R. Varoqui, E. Pefferkor, w harged Gels ad mbraes. Part II, (red. E. Selegy), D. Reidel Publ. omp., Dordrecht 1976, str [31] M. Ersoz, U.S. Vural, A. kada, E. Phehliva, S. Yildiz, J. mbrae Sci., 104 (1995) 263 [32] F.-J. ui, B.-L. Tag, M.-X. Xu, Q.-J. Qi, L.-Y. Zhu, J. mbrae Sci., 12 (1982) 239 [33] R. Wódzki, A. Wyszyńska, A. arębska, Sep. Sci. Techol., 25 (1990) 1175 [34] R. Wódzki, M. Świątkowski, G. Łapieis, Macromol. hem. Phys., 202 (2001) 145 [35] T. Kakuchi, Y. arada, T. Satoh, K. Yokota,. ashimoto, Polymer, 35 (1994) 204 [36] B.M. ovak, R.. Grubbs, J. Am. hem. Soc., 110 (1988) 960 [37] M. Burger, D. Seebach, elv. him. Acta, 76 (1993) 2570 [38]. ashimoto, T. Kakuchi, K. Yokota, J. rg. hem., 56 (1991) 6470 [39] R. Wódzki, Makromol. hem., 194 (1993) 2239 [40] R. Wódzki, G. Siokowski, Sep. Sci. Techol, 30 (1995) 2763 [41] R. Wódzki, P. Szczepański, M. Pawłowski, Polish J. Evirom. Stud., 8 (1999) 111 [42] R. Wódzki, P. Szczepański, Polish J. Evirom. Stud., 10 (2001) 101 [43] R. Wódzki, P. Szczepański, Sep. Purif. Techol., (2001) 697 [44] R. Wódzki, P. Szczepański, Sep. Purif. Techol., (2005) 289 [45] T. ayashita, J.. Lee, R.A. Bartsch, J. mbrae Sci., 116 (1996)