Самоорганизация и функциональная активность катионных амфифилов, содержащих пиримидиновый или дитерпеноидный фрагмент тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

На правах рукописи

Габдрахманов Динар Рашндовпч

САМООРГАНИЗАЦИЯ И ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ АКТИВНОСТЬ КАТИОННЫХ АМФИФИЛОВ, СОДЕРЖАЩИХ ПИРИМИДИНОВЫЙ ИЛИ ДИТЕРПЕНОИДНЫЙ ФРАГМЕНТ

02.00.04 - Физическая химия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Казань-2013

9АВГ2М

005532338

005532338

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет»

Научный руководитель: доктор химических наук, профессор

Захарова Люция Ярулловна

Официальные оппоненты: Кацюба Сергей Александрович,

доктор химических наук,

ФГБУН Институт органической и физической химии им. А.Е. Арбузова КазНЦ РАН, ведущий научный сотрудник лаборатории оптической спектроскопии

Билалов Азат Вагизович,

доктор химических наук,

ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет», профессор кафедры физической и коллоидной химии

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный уни-

верситет им. Н.Г. Чернышевского»

Защита состоится « 24 » сентября в 14 часов на заседании диссертационного совета Д.212.080.03 на базе Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет» по адресу: г. Казань, ул. К.Маркса, д. 68, зал заседаний Ученого совета, А-ЗЗО.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет».

Автореферат разослан «

» юфи^/СУР^ 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Третьякова А.Я.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время амфифильные соединения применяются во многих областях технологии, включая биомедицину, катализ, нефтедобывающую, лакокрасочную, текстильную промышленность, производство моющих средств и ад Вместе с тем, с развитием наукоемких технологий и ужесточением экологических критериев вдарасгаот требования к применяемым синтетическим соединениям, в том числе к поверхностно-активным веществам (ПАВ), что стимулирует поиск новых амфифильных соединений. Одним из основных вопросов при исследовании новых амфифилов является установление корреляции между химической структурой и свойствами агрегатов на их основе. Это позволит контролировать и прогнозировать функциональную акгавносп, ПАВ и осуществил, направленный дизайн супрамолекулярных систем. Благодаря своей способности к формированию агрегатов различного тала, амфифильные соединения прочно заняли нишу в разработке высокоэффективных биотехнологий, направленных на доставку лекарственных средств. Одной го проблем, решение дагорой позволит сделал, новый качественный скачок в медацине и фармакологии, является конструирование так называемых невирусных векторов, т. е. сштяических переносчиков генетического материала Создание подобных препаратов позволит повысил, эффж-■швностъ терапешических методов лечения, в частности, значительно понизит минимальные действующие концентрации и токсичность препаратов. В соответствии с критерием биосовместимости, при разработке невирусных векторов находят широкое применение амфифилы с природным фрагментом в структуре, которые позволяют моделировать и воспроизводить спектр межмолекулярных взаимодействий, реализующийся в биосистемах. Вышеописанное обусловливает актуальность представляемой работы и ее научный потенциал.

Работа выполнена на кафедре органической химии Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет». Работа проведена при финансовой поддержке программ ОХНМ РАН № 3 «Создание и изучение макромолекул и макромолекулярных структур новых поколений», Ка 6 «Химия и физикохимия супрамолекулярных систем и атомных кластеров»; грата Президента Российской Федерации по государственной поддержке ведущих научных школ за 2011 год «Создание двух- и трехмерных полифункциональных супрамолекулярных систем с контролируемым связыванием «гостей», государственного кошракта «Дизайн стабильных нанодисперспых систем на основе амфифильных и макроцикпических соединений, обладающих каталигическои, люминео ценгной и антимикробной активностью» (№14.740.11.0384); трашов РФФИ «Синтез и свойства крип-тавдоподобных и нашразмерных пиримидинофанов» (№ 104)3-00365), Псмимер-кошюидные; комплексы как основа для создания невирусных векторов: влияние структуры компонентов (№12-Ш-31292), грантов ПрезнденгаРоссии МК-2332.2009.3 и МК-6711-2012-3.

Цель работы состоит в создании супрамолекулярных систем с контролируемыми свойствами на основе амфифильных соединений, содержащих в структуре природный фрагмент (пиримвди-новый или изосгевиольный), обладающих полифункциональной активностью: способностью к со-любилизации гидрофобных гостей, комгагексообразованию с нуклеиновыми кислотами, каталига-ческим эффектом.

Научная новизна работы:

1. Определены характеристики агрегатов: критическая концентрация мицешюобразования (ККМ), гидродинамический диаметр, деега-потенциал, степень связывания противоионов новых амфифильных соединений с природным фрагментом в структуре (пиримидиновый или изосгевиольный) Установлено влияние таких структурных факторов, как протяженность и жесткость спей-сера, локализация мосгакового фрагмента, природа противоиона, наличие циклических фрагментов на способность к самоассоциации в водных растворах.

2 Сформированы новые супрамолекулярные системы на основе амфифильных пиримиди-нофанов, морфология и стабильность которых могут обратимо контролироваться концентрацией и рН раствора.

3. Впервые проведена оценка взаимодействия новых пиримидинсодержащих и дигерпеновд-ных ПАВ с олигонуклеотидом и вклада различных межмолекулярных сил в процесс тмгитексооб-разования. Выявлены потенциальные кандидаты на роль невирусных векторов, способные формировать компактные агрегаты при низких соотношениях ПАВ-олигонуклеотцд.

3

Методы исследования. В рамках данной работы применяли современный комплекс физике -химических методов исследования, в который входили кондукгометрия, тензиометрия, рН-метрия, потенциометрия с использованием Вг-селектвного элеюрода, динамическое и элекгрофоретиче-ское рассеяние света, флуоримегрия, ЯМР 'Н-спекгроскопия, турбцдиметрия, спекгрофотометрия.

Практическая значимость. Выявление закономерностей в изменении агрегирующей способности и функциональной активности ПАВ с природным фрагментом в струюуре позволяет направленно создавать эффективные биомиметические системы с определенным набором свойств. Это имеет существенное значение при создании наноконтейнеров дня адресной доставки лекарственных преп^эатов. В рамках проведенного исследования разработаны системы с контролируемой агрега-ционной активностью и морфологией, способные к обратимому связыванию не растворимых в воде соединений, комплексообразованию с декамером ДНК, интегрированию с липидным бислоем. Подобные соединения являются перспективными строительными блоками для решения биеггехнологи-ческих задач.

На защиту выносится:

1. Определение агрегирующей способности пиримидинсодержащих или изостевиол содержащих амфифилов при систематическом варьировании их молекулярной структуры (протяженность и жесткость спейсернош фрагмента, локализация мосгикового фрагмента, природа противоиона, наличие макроциклической платформы).

2. Количественная характеристика комплексообразующей способности этих амфифилов с олигонуклеогидом. Выявление структурных факторов, отвечающих за эффективность комплексооб-разования; установление механизмов связывания компонентов на молекулярном уровне.

3. Доказательство структурных переходов мицелла-везикула-мицелла в водном растворе ди-терпеноидного ПАВ с бромвд-противоионом. Использование его в качестве вспомогательного ПАВ для создания смешанных липосом на основе дипальшлоилфосфатидюшшина, имеющих катонный поверхностный заряд и обладающих улучшенными солюбилшационными свойствами.

4. Создание рН- и конценграционно контролируемых систем на основе пиримидинсодержащих амфифилов, способных к обратимым морфологическим перестройкам и связываг шло/высвобождению гидрофобных субстратов.

Апробация работы. На основе результатов, представленных в диссертационной работе, сделаны доклады на I Всероссийском симпозиуме по поверхности »-активным веществам «От коллоидных систем к нанохимии» (Казань, 2011); Всероссийской молодежной конференции «Теоретическая и экспериментальная химия жидкофазных систем» (Казань, 2011); XIX Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Волгоград, 2011); Седьмой Санкт-Петербургской конференции молодых ученых «Современные проблемы науки о полимерах» (Санкт-Петербург, 2011); Всероссийской молодежной научной школе «Биомагериалы и нанобиоматериалы: Актуатьиьте проблемы и вопросы» (Казань, 2012); Школе-конференции для молодых ученых «Макромолекулярные нанообьекш и полимерные нанокомпозиш» (Московская область, пансионат «Союз», 2012); Всероссийской молодежной конференции «Химия поверхности и нанотехнология» (Казань, 2012).

Публикации. Результаты диссертационного исследования опубликованы в 6 статьях в журналах, входящих в перечень, рекомендуемый ВАК РФ, и 11 тезисах докладов.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, выводов и списка литературы (227 литературных ссылок на публикации отечественных и зарубежных авторов). Общий объем диссертации составляет 189 страниц, включая 14 таблиц, 121 рисунок и 10 схем.

Личный вклад автора. Приведенные в диссертационной работе результаты получены лично автором или при его непосредственном участии. Автор выражает глубокую признательность руководителю диссертационной работы дхл. Захаровой ЛЯ. за неоценимую помощь в инициировании и развили диссертационной работы, н.с. Воронину МА. и н.с. Валеевой Ф.Г. (лаборатория высокоорганизованных сред) за помощь в проведении экспериментов и обсуждении экспериментальных данных; с.н.с. Семенову В.Э, н.с. Николаеву А.Е., с.н.с. Михайлову А.С., мл.с. Гиншпуллину Р.Х. (лаборатория химии нуклеотидных оснований, зав. лаб. - д^сн. профессор Резник B.C.) за предоставление пиримидинсодержащих ПАВ; в.н.с. Катаеву В.Е, с.н.с. Сгробыкиной И.Ю, н.с. Хай-буллину РЛ. (лаборатория фосфорсодержащих аналогов природных соединений, зав. лаб. — д.х.н.

член-корр. РАН Миронов В.Ф.) за предоставление июетевиолсодержащих ПАВ; с.н.с. Харламову СБ., с.к.с. Сякаеву ВВ. (лаборатория радиоспектроскопии, зав. лаб. - дх.н. Латыпов Ш.К.) за оказание помощи в проведении экспериментов по ЯМР 'Н-спекгроскопии; д.х.н. профессору Зуеву Ю.Ф, н.с. Файзуллину ДА., н.с. Идюпуллипу Б.З. за помощь в проведении исследований взаимодействия ПАВ с липосомами и олигонуклеотадом (лаборатория биофизической химии наносисгем).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Введение включает обоснование актуальности работы, формулировку цели и задач диссертационного исследования, характеристику практической значимости и научной новизны.

Первая глава представляет собой лигераэдшый обзор, в котором рассмотрены современные направления исследования в области организованных систем. Отдельный раздел посвящен использованию амфифильных соединений в качестве невирусных векторов, т.е. агентов-переносчиков генетического материала Обозначены ранее не освещенные проблемы, связанные с отсутствием информации о комплексообразовании нуклеиновых кислот и молекул ПАВ на молекулярном уровне.

Вторая глава представляет экспериментальную часть. В ней приведены синтез и физико-химические свойства соединений, описание использованных в работе методов исследования и приготовления образцов, данные о погрешностях измерения физико-химических величин.^

Третья глава посвящена обсуждению результатов исследования агрегирующей способности и функциональной активности пиримидин- или шостевиолсодержащих амфифилов при варьировании их структуры, концентрации и внешних условий. Для указанных амфифилов определены агре-гационные характеристики в водных растворах, изучено их взаимодействие с олигонуклеотадом, способность к встраиванию в липвдный бисяой, исследована солюбилизационная акшвность в отношении гидрофобных красителей, а также каталитический эффект в реакции переноса фосфориль-ной группы.

Самоорганизацня олигомерных пиримцдннсодержаших амфифилов.

Роль структурных факторов

В рачках диссертационной работы проведено систематическое исследование олигомерных ПАВ с пиримидиновым фрагментом в струюуре. Олишмерные ПАВ выбраны в качестве объектов исследования, исхода из их повышенной поверхностной и мицешюобразующей способности. Исследованы амфифилы ациклической (АП) и макроцикличесгай структуры (ПФ).

Ациклические пирнмндинсодержащне ПАВ. Влияние природы спейссрного фрагмента на агрегирующую способность

Важным фактором, определяющим агрегационное поведение димерных амфифильных молекул в водных растворах, является природа спейсерного фрагмента. В связи с этим нами рассмотрено изменение агрегационных характеристик при переходе от олишмерного ациклического пиримидинсо-держащего амфифила с мегаленовым мостиком (МАПБ-10, рис. 1) к его аналогу с более протяженным и жестким гексадииновым спейсером (ГАПБ-10, рис. 1). Переломы на концентрационных зависимостях поверхностного натяжения для водных растворов МАПБ-10 и ГАПБ-10 (рис. 2), свидетельствуют о начале процессов агрегации в данных системах и соответствуют величинам ККМ В табл. 1 представлены полученные с помощью данного метода значения ККМ, которые различаются незначительно. Несколько более выраженная агрегирующая способность амфифила с гексадиин-2,4-овым спейсером по сравнению с его аналогом с мешленовым фрагментом обусловлена, вероятно, более высокой пщэофобностью спейсерного фрагмента ГАПБ-10. Кроме того, несмотря на присутствие тройной связи, достаточно протяженный гексадииновый фрагмент способен выталкиваться в воздух в процессе адсорбции ПАВ на границе раздела фаз вод а/воздух или втягиваться внутрь агрегатов при их образовании, тем самым понижая свободную энергию системы. Переломы на концентрационных зависимостях поверхностного натяжения для водных растворов МАПБ-10 и ГАПБ-10 (рис. 2), свидетельствуют о начале процессов агрегации в данных системах и соответствуют величи-

5

,<f.»Ha, «а,® ef«>H2i С»нг, <ае ^«Нг,

/-ii-(CHiÄ ЧснА-^ГЛ ^-(CHife (СНЛ-IJ^

CioHJI C,0H„

Рис. 1. Структура ациклических амфифилов МАПБ-10 и ГАПБ-10.

1е-3

С„,

0.01 „м

Рис. 2. Изотермы поверхностного натяжения для водных растворов МАПБ-10 (1) и ГАПБ-10 (2); 25 °С._

Рис. 3. Распределение частиц, усредненное ш числу частиц для водных растворов МАПБ-10 (1 -1,4 мМ, 2 - 0.9 мМ) и ГАПБ-10 (3 -1.0 мМ, 4-3.0 мМ, 5 - 5.8 мМ); 25 °С. _

нам ККМ, которые представлены в табл. 1. Пролить свет на специфику самоорганизации гафимидинсодержащих амфифилов в водных растворах может метод динамического рассеяния света, Измерение размеров частиц показало, что для МАПБ-10 характерно формирование крупных агрегатов со средним гидродинамическим диаметром (Од) 100-120 нм (рис. 3). Очевидно, короткий мегаленовый спейсерный фрашенг препятствует компактной упаковке молекул ПАВ, тем самым затрудняя пространственное сближение гидрофобных радикалов в агрегатах. Это затрудняет формирование небольших мицеялоподобных агрегатов по закрытой модели ассоциации и инициирует формирование агрегатов с меньшей кривизной поверхности (вероятно, стопочные ассоциаты или везикулы). При переходе от метиленового мостякового фрагмента к гексадииновому наблюдается снижение размеров формируемых агрегатов (величины гидродинамических диаметров составляют 40-60 нм, рис. 3). Жесткий дииновый фрагмент так же, как и метиленовый спейсер, препятствует формированию небольших мицелл (геометрический фактор). Следует отметить, что с повышением концентрации ГАПБ-10 происходит уменьшение размеров агрегатов, а их число увеличивается. Вероятно, в случае Г'АПБ-Ю при увеличении концентрации амфифила больший вклад в процессы самоорганизации молекул ПАВ начинает вносить гидрофобный эффект (энергетический фактор), способствуя более компактной упаковке молекул.

Макроцнклические пирнмидинсодержащие ПАВ. Влияние природы спейсерного фрагмента на агрегирующую способность

Одним из ключевых структурных факторов, определяющих параметр упаковки и свойства супрамолекулярных систем на основе амфифильных соединений, является наличие в структуре мак-роциклических фрагментов. Поэтому в рамках данной работы были изучены макроциклические пирнмидинсодержащие соединения (пиримидинофаны) с варьируемым мосгиковым фрагментом: ме-таленовым (МПФ-10) и гексадиин-2,4-овым (ШФ-10) (рис. 4), являющиеся макроциклическими аналогами МАПБ-10 и ГАПБ-10. Полученные для двух ковалентно сшитых пиримидинофанов агре-гационные характеристики были сравнены с ранее изученным мономерным пиримидинофаном ПФ-10 (рис. 4). Очевидно, что межмолекулярная сшивка двух молекул пиримидинофанов, несмотря на увеличение гидрофобносги молекулы в 2 раза, приводит к небольшому ухудшению афвгационных характеристик рассматриваемых амфифилов в водной среде (рис. 5). Наблюдается увеличение значений ККМ в 1.3 раза при переходе от мономерного пиримидинофана кМПФ-10 и ГПФ-10 (табл. 1). Вероятно, это объясняется тем, что ключевым фактором, контролирующим агрегацию олигомерных ПАВ, является геометрия молекул, а энергетический фактор (гидрофобный эффект) играет второстепенную роль.

Интересно, что характер межмолекулярной сшивки (монометиленовый или гексадииновый фрагменты) не оказывает влияния на величину ККМ. Вероятно, это связано с тем, что положительный вклад в агрегирующую способность увеличения гидрофобносги молекулы при переходе от мо-номепиенового фрагмента к гексадииновому полностью компенсируется увеличением общей жесткости молекулы. Это снижает ее лабильность и приводит к ухудшению агрегационных характеристик. В результате действия двух противоположных факторов величина ККМ при варьировании протяженности спейсерного фрагмента остается практически неизменной. Для оценки вклада пири-мидинового фрагмента, макроциклической платформы и природы швалентной сшивки (меж- или

»¿л.

^г^ и™?™** к1'

V

"РЫгЧр(НА

СиНз,

»¿л,

в 0=</-снг-с^с-снс—аъ^

V Л

СкМй

ч „е

0 ЛИг^-ЯЯк о

Рис. 4. Структура макроцикгшческих амфифилов МПФ-10, ГПФ-10 и ПФ-Ю.

Рис. 5. Изотермы поверхностного натяжения водных растворов МПФ-10 (1) и ГПФ-10 (2); 25° С.

Таблица 1. Величины ККМ для водных растворов пиримидансодержащих ПАВ.

ПАВ МАПБ-10 ГАПБ-10 МПФ-10 ГПФ-10 ВПФ-10 ПФ-10

ККМ, мМ 0.87 0.72 1.10 1.10 >10 1.0

внутримолеку лярная; проведен анализ результант, иолучопмыл. «л» -------

ных на рис.4, 6. Сравнительное исследование агрегации этих соединений позволит изучил, вопрос, какова роль предорганизации пиримиданофанов за счет их коваленгаой сшивки относительно гибким межмолекулярным меггаленовым спейсером или внутримолекулярным метиленовым спейсе-ром, повышающим жесткость геометрического каркаса молекулы. Для МПФ-10 на изотерме поверхностного натяжения наблюдается перелом, соответствующий ККМ в области -0.001 М (рис. 5, табл. 1).

Для ВПФ-10 в исследованной области концентраций все параметры изменяются линеино с увеличением концентрации вплоть до 0.01 М что говорит об отсутствии агрегатов в растворе (рис. 7, табл. 1). Вместе с тем значительное снижение поверхностного натяжения до величины -40 мН/м позволяет предположить, что в случае ВПФ-10 удалось вплотную приблизиться к порогу агрегации в системе. Учитывая, что гидрофобносгь ВПФ-10 и ПФ-10 одинакова, а в молекуле МПФ-10 присутствует дополнительно два децильных радикала, можно было ожидать изменения ККМ в следующей последовательности: МПФ-10 < ВПФ-10 « ПФ-10. В действительности наблюдается следующий ряд: МПФ-10 к ПФ-10 < ВПФ-10. Это позволяет сделать вывод, что в рассмотренной серии пиримиданофанов фактор гидрофобности не является доминирующим, и существенную роль может играл, геометрия молекул. Действительно, ККМ пиримвдинофанов ВПФ-10 (в предположении, что это соединение способно агрегировать выше концентрации 0.01 М) и ПФ-10 одинаковой гидрофобности различаются, по меньшей мере, на порядок, а значения ККМ МПФ-10 и ПФ-10 совпадают, хотя последний макроцикл гораздо менее гидрофобен.

д МПФ -10

пф - ю

. д

Рис. I

Вг°Г"

*Ч(СН2)5—IV!—(Н2С)5/ С10Н21

. Структура ВПФ-10.

5 70

Е

5

„,'М

Рис. 7. Изотермы поверхностного натяжения водных растворов ПАВ; 25°С.

Гелеобразующая система на основе пиримидинофана с тремя пиримцциновыми фрагментами в структуре

С точки зрения потенциашьнош использования ПАВ в современных биотехнологиях в качестве наноконтейнеров особый интерес представляют морфологические переходы, которые могут контролировать процессы связывания/высвобождения субстратов. В нашей работе этот аспект проиллюстрирован на примере тиоциюзинсодержащего пиримидинофана (ПФТ10), содержащего три пиримидиновых фрагмента (рис. 8). Данный пиримидинофан мало растворим в воде, поэтому его агрегаци-онные характеристики были изучены в 20% (об.) смеси вода-ДМФА Для ПФТЮ бьшо установлено концентрационно зависимое агрегационное поведение, характеризующееся двумя критическими точками. Первая, при 2 мМ, была идентифицирована (гак критическая концентрация мицеллообразования, а вторая, при

мн-(СН2)5—мн

г-? Л

(СН^е

о=

С10Н21

Рис. 8. Структура Г1ФТЮ.

Схема 1. Схематическое изображение упаковки ПФТ!0: а — стопочные ассоциаты; б -слоистые ассоциаты; в - мицелла._

Рис. 10. Фото образцов ПФТ]0 в 20 % (об.) растворе вода-ДМФА при концентрации (слева направо): 0.0008 М, 0.005 М, 0.009 М.

Рис. 9. Распределение агрегатов по размерам, усредненное по числу частиц, для растворов ПФТ)0 в 20 % гю объему смеси вода-ДМФА; 25 °С.

10 мМ - как точка морфологической перестройки агрегатов, сопровождающаяся переходом от открытой - к закрытой модели ассоциации (схема 1). При реализации закрытой модели ассоциации происходит формирование небольших мицеллоподобных структур. Открытая модель ассоциации характеризуется образованием агрегатов с меньшей кривизной поверхности (молекулы ПАВ упаковываются в слои или стопки). Реализация различных моделей ассоциации подтверждается данными динамического рассеяния света (рис. 9), свидетельствующими об образовании двух типов агрегатов: небольших, мицеллоподобных, и крупных, размером ~200 нм. При концентрациях ПФТ10 вблизи ККМ, предположительно, реализуется открытая модель ассоциации (схема 1а или б): наблюдается мономодальное распределение частиц по размерам с формированием агрегатов с гидродинамическим диаметром около 200 нм. При концентрации пиримидинофана выше второй критической точки С = 0.01 М происходит переход к ассоциации по закрытой модели (схема 1в). При концентрации ниже 0.009 М все образцы достаточно прозрачны и текучи, однако, ниже 20 °С они проявляют обратимые гелеобразующие свойства Гелеобразование визуализировано на фото (рис. 10), подтверждаг ется данными вискозиметрии и динамического рассеяния света Подобные супрамолекулярные сис-

темы относятся к наносистемам с контролируемыми структурно-фазовыми характеристиками, что может быть использовано на практике для направленного дизайна наноконтейнеров с управляемыми свойствами.

рН-Зависимая смешанная система на основе неионного пиримидинофана и Трнтона-А-1ии Другим интересным примером контролируемой самоорганизации пиримидинсодержащих амфифилов являются системы на основе неионного пиримидинофана ПФ-12 (рис. 11). Данное мак-роциклическое соединение способно растворяться в воде лишь в кислой области (рН < 4) за счет протонирования азота и образования катионных мицелл (рис.12). С целью увеличения агрегирующей способности ПФ-12 и повышения стабильности его агрегатов в водных растворах изучены процессы ассоциации при введении в систему типичного неионного ПАВ Тритона-Х-100 (рис. 11). Выбор именно этого ПАВ был сделан благодаря его низкой токсичности и доступности. Смешанные системы на основе пиримидшюфана и ТршонагХ-100 бьши изучены при различных мольных соотношениях компонентов и различных рН методом элеюрофорешческого рассеяния света и измерь ния коэффициента самодаффузии с помощью ЯМР 'Н-спектроскопии. При рН < 4 формируются рН-зависимые агрегаты ПФ-12, существование которых возможно лишь в виде положительно заряженных мицелл. В нейтральных и щелочных условиях агрегаты пиримидинофана нестабильны -происходит выпадение осадка, который при введении в систему кислоты вновь переходит в раствор. Подобные циклы, включающие подщелачивание и подкисление, могут быть повторены многократно. В смешанных системах ПФ-12АГритон-Х-100 в зависимости от рН среды и мольного соотношения компонентов реализуются различные модели самоорганизации (рис.12). При экви-мольном соотношении компонентов (0.005 М: 0.005 М) в кислой среде формируются агрегаты, состоящие как из катионов пиримидинофана, так и молекул Тритона-Х-100. При подщелачивают раствора происходит депрогонизация катионной формы ПФ-12, и молекулы пиримидинофана с поверхности агрегатов перемещаются внутрь гидрофобного ядра мицелл Тритона-Х-100. Такие агрегаты нестабильны, и через 4-5 часов в системе происходит выпадение осадка. При избытке как

и*

' (СН2Ь

Какоиоигейнеры стабильны в кислых условиях

Иаиоконгейнвры стабильны при любых жачешях рИ

ПФ-12

Тритон-Х-100

Рис. 11. Структура ПФ-12 и ТритонагХ-100.

Рис. 12. Схематическое изображение структуры наноконтейне-

1 )т 1ииа-у>- ш»._ ров на основе Тригона-Х-100 (ТХ-100) и ПФ-12._

Тритона-Х-100, так и пиримидинофана (в определенных соотношениях) смешанные агрегаты ПФ-12/Григон-Х-100 отличаются высокой стабильностью даже в щелочных условиях. Таким образом, новьм пиримидинофан ПФ-12 может быть рекомендован для создания наноконтейнеров с контролируемыми свойствами для отрицательно заряженных биологических субстратов (в частности, нуклеиновых кислот). Модификация мицелл ПФ-12 неионным ПАВ увеличивает стабильность агрегатов при сохранении их положительного заряда.

Комплсксообразование пиримидинсодержащих амфифилов с олигонуклеотвдом Одним из важнейших направлений применения катионных амфифильных соединений является создание эффективных систем для переноса генетического материала. Вместе с тем анализ литературных данных о комплексообразовании в системе ДНК/ПАВ показал, что на молекулярном уровне механизм взаимодействия компонентов системы изучен еще в недостаточной мере. Информация подобного рода может быта, получена путем анализа влияния различных межмолекулярных взаимодействий на процессы комплексообразования в системах на основе катионных ПАВ и нуклеиновых кислот. Поэтому данный раздел работы посвящен исследованию роли структурных факторов (переход от монокатионных к дикатионным амфифилам и от бола-формных ПАВ к геминальным) в самоассоциации новых пиримидинсодержащих катионных ПАВ и их взаимодействию с простейшим аналогом нуклеиновой кислоты - молекулой

9

нг

у.

ОС На 6АПБ

(СНЖ-^Д

-<СН2>5.

АПБга-10

Рис. 13. Пиримидинсодержащие ПАВ, исследованные в комплексообразова-нии с олигонуклеотидом._

олигонуклеогида (ОЫи). Болаформные амфифилы обладают низкой способностью к самоассоциации, поэтому они были выбраны в качестве соединений, моделирующих электростатические взаимодействия с молекулой олигонуклеогида В то же время для геминальных ПАВ помимо стехиометрических электростатических взаимодействий возможен вклад кооперативных взаимодействий и солюби-лизационного связывания. Поэтому при сравнении комплексообразования ОЫи с болаформными и геминальными ПАВ можно проанализировать механизм и эффективность связывания компонентов системы, а также оценить вклад во взаимодействие с полианионом мономерных молекул амфифила и их агрегатов. Введение в молекулу пиримидиновых фрагментов с подвижными атомами водорода расширяет спектр взаимодействий благодаря вовлечению во взаимодействие л-к-стэккингового и комплементарного связывания. Комплексообразование кахионных агентов с нуклеиновыми кислотами сопровождается компактизацией гигантских биомакромолекул и нейтрализацией заряда фосфатных остатков. Поэтому комплексообразование было исследовано методами динамического и электрофоретического рассеяния света Кроме того, эффективность взаимодействия между катионными ПАВ и нуклеиновыми кислотами может быть оценена по изменению интенсивности флуоресценции зонда-интеркалятора этидиума бромида (ЭБ). На рис. 14 представлены данные динамического светорассеяния для системы СЖи-мАПБ-10. С увеличением концентрации амфифила и молярного соотношения Спав/Со№ наблюдалось увеличение размера агрегатов. Ниже ККМ при большом избытке ОЫи образуются комплексы с Он около 50 нм, тогда как при соотношении, близком к эквимолярному, размер агрегатов достигает 100 нм. Выше точки ККМ при избытке ПАВ происходит формирование больших агрегатов сЕ>н > 500 нм. Данные, полученные методом динамического светорассеяния для геминального ПАВ АПБю-10, представлены на рис. 15. При соотношении Спав/С0№ ~ 0.01 зафиксировано бимодальное распределение частиц по размеру с заселенностью при Он =2 нм и Он = 70 нм. Последний вклад соответствует комплексам ОМи-АПБю-Ю и увеличивается с ростом концентрации ПАВ. При более высоких значениях Сплв^Сот наибольший вклад в средний размер частиц вносят агрегаты с Он = 100 нм.

Количественная оценка комплексообразующей способности пиримидансодержащих ПАВ выявила, чш болаамфифил 6АПБ показал достаточно низкую способность связываться с ОЫи. Хотя и наблюдается формирование смешанных агрегатов с ОЫи, происходит лишь незначительная ком

250 1300

Оц, нм

Рис. 14. Зависимость гидродинамического диаметра смешанных агрегатов ПАВ/ОЫи от Спав/Сом, для системы 0№л-мАПБ-10: индивидуальный ОЫи 0.002 М (1), индивидуальный мАПБ-10 0.185 М (2), Спдв/Соми = 0.01 (3), 0.05 (4), 0.3 (5), 0.5 (6), 1.1 (7), 2.7 (8), 5.7 (9), 12.0 (10); 25 "С._

Рис. 15. Зависимость гидродинамического диаметра смешанных агрегатов ПАВ/ОМи от Спав/С0№ для системы ОМи-АПБю-Ю: индивидуальный 0№ 0.002 М (1), индивидуальный АПБю-Ю 0.01 М (2), Спав/Соыц = 0.01 (3), 0.05 (4), 0.1 (5), 0.4 (6), 0.5 (7), 0.8 (8), 1.0 (9), 1.3 (10), 2.3 (11X4.5 (12); 25 °С._

0.8 CD.

0.6

Рис. 16. Зависимость доли ОМи, связанного с ПАВ, от соотношения ПАВ/0№ (данные по тушению флуоресценции ЭБ).

СПАВ 1 CONu

Рис. 17. Зависимость электрокинетического потенциала бинарной системы ПАВ-ONu от мольного соотношения ПАВ/QNu; 25 С

Tvmofimo JLJI -----------------------——-Г-

пенсация заряда ONu без достижения перезарядки даже при большом избытке болаамфифила (рис. 17) Пиримидинсодержащие мицеплообршующие ПАВ мАПБ-10 и АПБ-10 обладают средней юм-плексообршующей способностью среда изученных соединений. Они формируют совместные с ONu ассоциагы значительно ниже точки ККМ, однако у геминальнош ПАВ АПБ-10, шожирическая точка достигается при соотношении г ~ 1 (для монокагионного ПАВ мАПБ-10 г ~ 3). Ло, вероятно, свидетельствует о значительном вкладе кооперативных электростатических взаимодействии в случае АПБ-10 Геминальное пиримидинсодержащее ПАВ АПБю-10, содержащее в структуре три детальных радикала, показало наиболее высокую ^шлексообразующую шособность (доля связанного ONu достигает 76 %) по сравнению с остальными мученными ПАВ (рис. 16). Учитывая высокое значение изометрической точки для данного ПАВ (г > 3, рис. 17), очевидно, что вклад в ком-плексообразуюшую способность по отношению к ONu вносят не только электростатические силы, а их комбинация с гидрофобным эффектом, я-я-етэккинговыми и Ван-дер-Ваальсовыми взаимодействиями. Основываясь на полученных данных, АПБ10-Ю может быть рекомендован как перспективный агент для адресной доставки генного материала в клетки.

Самоорганизация и комплексообразующая способность вдосгевиолсодержащих амфнфилов.

Влияние природы противоиона

Производные изосгевиола обладают широким спектром биологической активности, включая антигапертензивные, ангигипергли-цемические. противовоспалительные, аншоксидангные и другие свойства Вместе с этим их применение ограничено, вследствие относительно низкой растворимости в воде. В рамках данной части работы предлагается подход к решению этой проблемы, который заключается в превращении производных изосгевиола в амфи-фильные соединения путем введения в молекулу ониевых фрагментов. В качестве объектов исследования использовали дигерпе-ноцдные ПАВ, содержащие в структуре бромидный (ИБ) и този-лагный (ИТ) прогивоионы (рис. 18). Оценку агрегирующей спо-

____собносга проводили с помощью различных методов. Тензиомет-

рические величины ККМ для ИБ и ИТ составили, соответственно, 12 мМ и 9.7 мМ. Несмотря на небольшую разнипу в величинах ККМ, структурное поведение ИБ и ИТ различается значительно. На это указывает наличие второго излома на кондукгомегрической зависимости в области 0.03 М в случае ИБ, что, вероятно, соответствует структурной перестрой!« агрегатов (рис. 19). Способность соединений ИБ и ИТ выступать в качестве наноконгейнеров для гидрофобных молекул показана на примере солюбюгизации гидрофобного красителя Orange ОТ (рис. 20). Для обоих исследованных амфифилов зафиксировано резкое увеличение оптической плотности при длине волны 495 нм при определенной концентрации ПАВ в растворе, что свидетельствует о связывании молекул красителя неполярным ядром образующихся агрегатов. Следует отметить наличие второй критическом точки на зависимости д ля бромид-производного, в той же области концентраций, как и в кондукгометричес-

о о Рис. 18. Структура ИБ (X = Вт) и ИТ (X = OTs).

Рис. 19. Зависимость удельной электропроводности водных растворов ИБ и ИТ от концентрации ПАВ; 25 °С.

Рис. 20. Зависимость оптической плотности Orange ОТ в водных растворах ИБ и ИТ при длине волны 495 нм от концентрации ПАВ; 25 °С.

ком эксперименте (рис. 19,20).

Агрегация дигерпеноидных ПАВ и их структурные перестройки подтверждаются также данными динамического рассеяния свет (рис. 21). В случае ИТ во всем изученном концентрационном диапазоне было зафиксировано формирование частиц со средним гидродинамическим диаметром Dh от 3 до 5 нм. Для ИБ вблизи точки ККМ наблюдали образование мицеллоподобных частиц. Выше ККМ вплоть до точки 0.03 М среднее значение Е>н для агрегатов ИБ составило 150 нм, что соответствует формированию крупных ассоциатов, отличных от мицелл. Выше концешрации 0.03 М вновь наблюдались небольшие агрегаты.

Таким образом, получено подтверждение структурной перестройки агрегатов, предположение о которой было сделано на основании кондукгометрических и спектро фотометрических данных (рис.19, 20). Вероятно, в растворах ИБ и ИТ реализуются различные модели ассоциации. Агрегаты размером 5 нм, предположительно, соответствуют сферическим мицеллам. Большие ассоциаты, вероятно, представляют собой коллоидные частицы с более низкой кривизной поверхности по сравнению с мицеллами. Наличие двух типов агрегатов в растворах ИБ также подтверждается методом трансмиссионной электронной микроскопии. Вблизи ККМ зафиксировано формирование небольших мицеллоподобных агрегатов, в то время как при 20 мМ их размер достигает 150 нм (рис. 22).Информативным методом определения морфологии агрегатов является измерение анизотропии (г) спектральных зондов типа 1,6-дифенштгексатриена-1,3,5 (ЦФГ) с помощью метода флуоресцентной спектроскопии. На рис. 23 представлена концентрационная зависимость г для ИБ. Ход зависимости хорошо согласуется с данными, полученными методами динамического рассеяния света и со-любилизации красителя. Вблизи ККМ для бромидного ПАВ характерны низкие величины г, что соответствует сферическим мицеллам. Дальнейшее увеличение анизотропии подтверждает формиро-

Рис. 22. Фотографии, полученные методом трансмиссионной электронной микроскопии для образца ИБ вблизи точки ККМ (на вставке: фотография при концешрации ИБ 20 мМ).

Рис. 21. Распределение агрегатов по размерам, усредненное по числу частиц, для растворов ИБ (1-4) и ИТ (5-6): 10 мМ (1), 17.5 мМ (2), 20 мМ (3), 30 мМ (4), 15 мМ (5), 30 мМ (6); 25 °С

2 10 50 250 DH, НМ

1300

■ОЛ

5 0.1

Рис. 23. Зависимость анизотропии флуоресценции ДФГ от концентрации ИБ в его водных растворов; 25 С.

вание больших агрегатов с плотной упаковкой мономеров, предположительно, везикул. Последующее понижение значения анизотропии ДФГ в области концентрации ИБ 0.025 М находится в соответствии с формированием мицеллоподобных агрегатов и полностью согласуется с данными динамического рассеяния света в этой области концентраций (рис.21). Отношение интенсивносгей первого и третьего пиков (Щ) в спектрах флуоресценции пирена чувствительно к микрополярности среды, в которой локализован зовд. Поэтому зависимость ^Лз от концентрации ПАВ часто применяется для определения ККМ ПАВ и характеристики их микрополярноста. На рис. 24 приведены эти зависимости для ПБ и ИТ. В случае ИТ зафиксированы

______более значительные изменения величины № по

сравнению с его бромидным аналогом. Это может быть обусловлено как различной моделью упаковки ПАВ, так различным расположением пирена в агрегатах. Более низкие величины 1,/13 для ИТ после точки излома, вероятно, указывают на то, что в слу ше амфифила с тозилатным противоионом наблюдается локализация пирена с более глубоким погружением в неполярное ядро агрегатов. С помощью линеаризации флуориметрических данных по тушению флуоресценции (цетилпириди-нийбромид, ЦПБ) (рис. 24, вставка) были определены числа агрегации мицелл ИБ и ИТ в водных растворах. В случае ИТ во воем концентрационном диапазоне зафиксировано формирование агрегатов с числами агрегации около 50-60. Это хорошо согласуется с формированием мицеллоподобных агрегатов. Для растворов ИБ выше точки ККМ происходит резкое увеличение чисел агрегации с 72 (10 мМ) до 164 (20 мМ), за которым следует понижение величины N до 45 при концентрации ПАВ 25 мМ. Полученные данные свидетельствуют в пользу предположения о морфологических перестройках мицелла-везикула-мицелла в системах на основе ИБ.

В результате исследования самоорганизации изосгевиольных ПАВ можно заключить, что в агрегационном поведении амфифилов с изостевиольным фрагментом в структуре существенную роль играет природа противоиона С одной стороны, подобный результат имеет важное значение для понимания механизма функционирования биологических систем. С другой стороны, полученная закономерность может быть использована при конструировании наноматериалов с раулируемыми свойствами для биологических целей.

Методология исследования бинарных систем на основе олигонуклеотвда (01Ми) и изосгевиолсодержащих амфифилов была аналогична той, что описана^ выше для пиримидинсодерржащих амфифилов. Измерение электрокинетттческого потенциала в бинарных _

спдв, м

Рис. 24. Зависимость соотношения 1,Л3 гшрена от концентрации ИБ и ИТ (на вставке - зависимость логарифма соотношения интенсивности флуоресценции пирена в отсутствие и присутствии ЦПБ от концентрации тушителя в растворе ИБ: 10 мМ (1), 20 мМ (2) и 25 мМ (3), 25 °С._

Рис. 25. Зависимость элекгрокинетиче-ского потенциала бинарной системы 1I АВ-ОМи от мольного соотношения ПАВ/ОМи для ИБ и ИТ; 25 °С.

системах изостевиолсодержащие ПАВ/олигенуклеотид показало, что для обеих систем характерна компенса1щя заряда ОМи, которая начинается при мольном соотношении ПАВ/ОИи (г) около 0.8-0.9 (рис. 25). Полная перезарядка агрегатов достигается при г = 2.5 для ИБ и г = 3.0 в случае ИТ. Эти данные согласуются с результатами, полученными методом флуоресцентной спектроскопии с использованием зонда-ишеркалягора этидиума бромида На рис. 26 представлены результаты, полученные методом флуоресценции, для бинарных систем ИБ/ОМи и ИТ/ОМи. В качестве сравнения также приведены данные для классического катионного ПАВ ЦТАБ. Для юостевиолсодержащих ПАВ характерно эффективное свзывание ОМи в диапазоне г от 0.8 до 2. В данном эксперименте наблюдалось более резкое увеличение величины 0, чем для элекгрокинегического потенциала. Действительно, зависимость дзета-потенциала от мольного соотношения изосгевиолсодержащие ПАВ/ОМи выходит на плато (фи г > 10, в то время как в эксперименте по вытеснению ЭБ - при г, близком к двум. Вероятно, это можно объяснить тем, что компенсация заряда ОМи происходит, главным образом, за счет электростатических взаимодействий, в то время как юомплексообразование между ПАВ и ОМи обусловливается более широким спектром межмолекулярных взаимодействий, включая водородное связывание,

1.00 -л—ЦТАЕ

—»—иг /

^0.75 / ч*

0.50 I /

0.25 //

0.00 . *— Л*

>/С„

сиб ' сдлфх

Рис. 26. Зависимость доли ОМи, связанного с ПАВ, от мольного соотношения ПАВ/ОМи (данные по тушению флуоресценции ЭБ).

Рис. 27. Зависимость температуры главного фазового перехода ДПФХ от мольного соотношения ПАВ/ДПФХ для ИБ и ИТ (вставка); 0.0007 М ДПФХ, трис-НС1-буфер.

С точки зрения практического использования синтетических амфифильных соединений важным свойством является их способность встраиваться в липидные мембраны и проникать вну трь клеток. Поэтому в рамках работы проведено исследование взаимодействия дитерпеноидных ПАВ с типичным представителем липидов - дипальмигоилфосфатидилхолином (ДПФХ), способным формировать замкнутые бислойные структуры (липосомы). В зависимости от температуры в водном растворе ДПФХ представляет собой гелеобразную или жидко-кристаллическую систему. Температура фазового перехода ДПФХ составляет ~41 °С. Введение в данную систему молекул ПАВ способно изменять эту температуру. Этот процесс позволяет моделировать взаимодействие синтетических наноконтейнеров с биологической мембраной, поэтому изучение взаимодействия липидов и ПАВ в водном растворе является актуальным На рис. 27 представлены результаты исследований систем на основе изосгевисшсодержащих ПАВ и ДПФХ методом турбвдиметрии. Для ИБ и ИТ были зафиксированы значительные различия во взаимодействии с липосомами ДПФХ. В присутствии ИТ происходит лишь незначительное увеличение температуры фазового перехода системы, что свидетельствует об отсутствии влияния или некоторой стабилизации гелеобразного состояния биелоя. Вероятно, такое незначительное изменение температуры фазового перехода указывает на низкое сродство ИТ к мембране. Напротив, для бинарной системы ИБ/ДПФХ введемте бромидного производного в систему приводит к снижению температуры фазового перехода, что, вероятно, обусловлено ослаблением межмолекулярных взаимодействий алкильных радикалов липида в бислое. Монотонное снижение температуры фазового перехода имеет место вплоть до мольного соотношения ИБ/ДПФХ 0.14, при котором, вероятно, происходит насыщение липидного бислоя молекулами ПАВ и инициируется процесс солюбилизации липосом. По своему поведению и

структуре изостевиольный фрагмент подобен холестерину, который способен нарушать упорядоченность липидного бислоя, тем самым увеличивая текучесть и изменяя кривизну поверхности мембраны. Выявленная способность ИБ встраиваться в липидныи бислои была использована для разработки положительно заряженных липидных наноконтеинеров, в которых ИБ использован в качестве вспомогательного ПАВ. Было показано, что смешанные агрегаты ДПФХ/ИБ находятся в наноразмерном диапазоне и обладают положительным зарядом Кроме того, они проявляют повышенную способность к «мобилизации гидрофоб-

ных субстратов.

3.

Каталитический эффект дитерпеноидных амфифнлов в реакции переноса фосфорильной группы Данный раздел посвящен исследованию влияния дигерпеноидных амфифилов на скорость переноса фосфорильной труппы на примере модельных синтетических субстратов различной гадро-

сн2счЛ /=\_ о _ снЧ-<? + е / У_,о2

* 20Н - У

Схема 2. Схема реакции щелочного гидролиза фосфонатов 1 (Я=С21Ь,). 2 (П=н-С6Нп).

фобности (1) и (2) (схема 2). Фосфорилирование относится к ключевым процессам, контролирующим энергетический баланс живых организмов, а также является первичной стадией функц ионирования важнейших метаболитов: жиров, белков и углеводов. Выбор субстратов различной гидрофоб-ности позволяет оценить явление субстратной специфичности, играющей принципиальную роль в высоко согласованных и взаимообусловленных каталитических циклах, в том числе при переходе от катализа к ингибироваяию и обрагаых эффектах в ферментативном катализе. На рис. 28-30 приведены данные по исследованию кинетики щелочного гидролиза фосфонатов 1 и 2 в мицеялярных растворах дигерпеноидных ПАВ. Несмотря на то, что ИТ и ИБ различаются только природои про-тивоионов, характер их влияния на скорость гидролиза фосфонатов принципиально отличается. В присутствии ИТ наблюдается ускорение процесса в 4 и 20 раз дата фосфонатов 1 и 2 соответственно (рис. 28). Этот результат, а также более высокий эффект в случае более гидрофобного субстрата является типичным мицеллярным эффектом катионных ПАВ в отношении реакций с участием анионных нуклеофштов. В случае ИБ имеет место аномальное ингибирование гидролиза обоих фосфоиа-

0.01

"ит'

Рис. 28. Зависимость наблюдаемой константы скорости щелочного гидролиза фосфонатов 1 (1), 2 (2) от концентрации ИТ; СМаон = 0.001 М, 25 °С. _

0.000 0.004 0.008 0.012

С , М

иб

Рис. 29. Зависимость наблюдаемой константы скорости щелочного гидролиза фосфонатов 1 (1), 2 (2) от концентрации ИБ; С№он = 0.001 М, 25 °С. На вставке — зависимость рН раствора от концентрации ПАВ.

Рис. 30. Зависимость наблюдаемой константы скорости щелочного гидролиза фосфонатов 1 (1), 2 (2) от концентрации ИБ; С№он=0-01 М,

тов (рис. 29). Этот пример нагляд но демонстрирует, к каким последствиям может привести незначительное изменение структуры ПАВ (переход от катализа к ингибированию) или субстрата (5-кратное различие в каталитическом эффекте) при проведении реакции в организованных средах. В качестве причины подобного явления может быть обнаруженное нами самопроизвольное снижение рН раствора с ростом концентрации диюрпеноидных амфифилов (рис.29, вставка), а также сгерическая загруженность у головных групп, препятствующая доступу нуклеофильных реагентов в зону реакции. Действительно, проведение гидролиза фосфонагов в более щелочной среде показало, что в этих условиях наблюдается инверсия мшвллярного эффекта ИБ: переход от ингибирования (почти на порядок) к 2-4-кратному ускорению гцпроигоа (рис. 30). Катализ гидролиза фосфонагов в мицеллах ИТ (рис28), несмотря на эффект подкисления, позволяет предположить, что снижение рН в этой системе полностью компенсируется

более эффективным вкладом факторов мицеллярного катализа (концентрирования реагентов и изменения их микроокружения) по сравнению с мицеллами ИБ.

Полученные данные показывают, что один из вероятных элементарных механизмов специфичности ферментативного катализа может быть связан с локальным изменением микросвойств в зоне реакции, в частности, со значительным снижением рН, обусловленным, предположительно, ионизацией воды в сольватных оболочках головных групп, которое может приводить к инверсии каталитического эффекта «катализ-ингибирование».

Основные результаты и выводы:

1. Проведена оценка мицеллообразующей способности нового типа амфифильных соединений —тетрамерных пиримидинофанов с межмолекулярным метиленовым или дииновым спей-серами, их ациклических аналогов и мономерного пиримидинофана, содержащего внутримолекулярный спейсер. Агрегация олигомерных амфифилов не зависит от природы спейсера и определяется их гидрофобностъю, а также геометрическим фактором, контролирующим формирование крупных агрегатов >100 нм, предположительно, по открытой модели ассоциации, с низкими числами агрегации и высокой полидисперсностъю.

2. На основе пиримидинофанов созданы новые супрамолекулярные системы с контролируемыми свойствами. Для тиоцитозинсодержащего макроцикла показано концешрационно зависимое гелеобразование. Для аминосодержащего пиримидинофана с додецштьньш радикалом (ПФ-12) наблюдается рН зависимая агрегация. Индивидуальные мицеллы ПФ-12 существуют только в кислой области рН и подвергаются многократным циклам разрушения-образования при варьировании рН. Стабильность и морфология смешанных систем ПФ-12-Тритон-Х-100 определяются величиной рН и соотношением компонентов, варьирование которых обратимо контролирует поверхностный заряд агрегатов и связывание/высвобождение гидрофобных молид'л-госгей.

3. Впервые проведена оценка природы взаимодействия новых пиримидинсодержащих ПАВ с олигонуклеотидом (0№) и дифференциация их комплексообразующей способности. Бо-лаформное ПАВ, взаимодействующее с ОМ» только по электростатическому механизму, проявило низкую комплексообразующую активность. Монокатионное ПАВ, содержащее подвижный атом водорода и способное к образованию водородных связей, занимает промежуточное положение. Наиболее эффективное комплексообразование установлено для дикатионных ПАВ с двумя и тремя алкильными радикалами, способных взаимодействовать посредством кооперативных электростатических сил и по солюбилизационному механизму, формировать компактные агрегаты -100 нм, осуществлять перезарядку комплексов и вытеснять зонд-ингеркалягор этцди-ум бромид при низком мольном соотношении ПАВ/ОИи.

4. На примере новых катионных ПАВ, производных изосгевиола, показана ключевая роль противоионов: бромида (ИБ) и тозилата (ИТ) в процессах агрегации и каталитической активности. Хотя критическая концентрация мицеллообразования ПАВ различается незначительно (-10 мМ), в случае ИБ во всем диапазоне концентраций формируются мицеллы, а для ИТ наблюдаются морфологические перестройки мицеллы-везикулы-мицеллы, подтвержденные данными кондукгометрии, оолюбилизации красителя и симбатным изменением размера агрегатов и параметра анизотропии флуоресценции. В отличие от ИТ, бромид-производное проявляет аномальный ингибирующий эффект в реакции гидролиза эфиров кислот фосфора.

5 Впервые показано, что доггерпеноидные ПАВ могут быть использованы в качестве синтетических векторов для нуклеиновых кислот. Они образуют компактные комплексы с декаме-ром ДНК при низких мольных соотношениях ПАВ-ONu, что подтверждается данными динамического рассеяния света и молекулярной флуоресценции. В отличие от ИТ, бромид-производное способно встраиваться в липидный бислой до мольного соотношения иб/дипальмитоилфосфатидилхолин (ДПФХ) 0.14. Смешанные липосомы ДПФХ-ИБ приобретают положительный заряд и проявляют повышенную способность к солюбилизации гидрофобных субстратов.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1 Габдрахманов ДР. Агрегационное поведение и каталитическая акгавностъ нового пиримидинсодержащего тетракатионного ПАВ и его смеси с полиэтилеиимином / МА Воронин В.Э. Семенов, Ф.Г. Валеева, Р.Х. Гиншгтуллин, А.Е. Николаев, ЛЯ. Захарова, B.C. Резник//Вестник КГТУ.-20 ll.-№ 18.-С. 27-30.

2 Voronin М.А. Novel bolaamphiphilic pyrimidinophane as building block for design ol nanosizea su-pramolecular systems with concentration-dependent structural behavior / MA. Voronin, DR. Gabdrakhmanov, V.E. Semenov, F.G. Valeeva, A.S. Mikhailov, I.R. Nizameev, M.K. KadirovL Ya Zakharova, V.S. Reznik, A.I. Konovalov // ACS Appl. Mater. Interfaces. - 2011. - V. 2(3). - P. 402-409.

3 Zakharova L.Ya, Supramolecular systems based on novel mono- and dicatiomc pynmidinic amphi-philes and oligonucleotides: A self-organization and complexation study / L.Ya. Zakharova, MA Voronin, V.E. Semenov, D.R Gabdrakhmanov, V.V. Syakaev, Yu.V. Gogolev, RKh. GimyatuHm, S S Lukashenko, V.S. Reznik, Sh.K. Latypov, A.I. Konovalov, YilF. Zuev // ChemPhysChem. - 2012. - V.

13(3).-P. 788-796. o . ..

4 Zakharova L.Ya. Comparative study of aqueous solutions of calionic surfactants: stmcturc/activity relation in their aggregation and solubilization behavior and complexation with an oligonucleotide / L.Ya Zakharova, RR. Kashapov, G.I. Vagapova, D.R Gabdrakhmanov, EA. Vasilieva // Chemistry

Letters.-2012.-V. 41(10).-P. 1226-1228. , ., ...

5 Voronin MA. Novel biomimetic systems based on amphiphilic compounds with a diterpenoid trag-menf role of counterfoils in self-assembly / MA Voronin, D.R. Gabdrakhmanov R.N. KhaiMhn, I.Yu. Strobykina, V.E. ICataev, B.Z. Idiyatullin, DA Faizullin, YilF. Zuev, L.Ya Zakharova, AI. Konovalov //J. Colloid Interface Sci.-2013.-V. 405.-P. 125-133. ......

6 Kharlamov S.V. Tunable biomimetic systems based on a novel amphiphilic pyrumdmophane and a helper nonionic surfactant / S.V. Kharlamov, M.A. Voronin, V.E. Semenov, DRGabdraMmianov, AE. Nikolaev, V.S. Reznik, L.Ya Zakharova, A.I. Konovalov // Coll. Surf„ B. - 2013. - V. 111. - P. 218223.

7 Габдрахманов Д.P. рН-зависимая гелеобразующая система на основе нового тиощгтозинсодержащего пиримидинофана / Д.Р. Габдрахманов, М.А. Воротшн, В.Э. Семенов, ЛЯ. Захарова, B.C. Резник // Итоговая конферещия КНИГУ 2010. Аннотация сообщении. Научная сессия.-Казань.-2011.-С. 43.

8 Воронин МА Биомиметические комплексы на основе новых пиртшдансодержащих амфифилов и олигонуклеотида / М. А. Воронин, Д.Р. Габдрахманов, В.Э. Семенов, ЮВ. Гоголев, Ю Ф Зуев ЛЯ. Захарова, B.C. Резник //1 Всероссийский симпозиум по поверхностноакгавтш веществам «От коллоидных систем к нанохимии». Сборник тезисов и докладов. - Казань. -¿ОН. -С. 62.

9 Хайбуллин Р.Н. Новые биосовместимые амфифилы на основе изосгевиола синтез и самоорганизация / Р.Н. Хайбуллин, И.Ю. Стробыюша, ЕБ. Мокшина, ДР. Габдрахманов, МА Воронин, В.Е. Катаев, ЛЯ. Захарова// I Всероссийский симпозиум по поверхносшо-актигаым веществам «От коллоидных систем к нанохимии». Сборник тезисов и докладов.—Казань,—ДШ. _^ 126

10 ' Габдрахманов ДР. Самоорганизация и каталитическая активность новьк пиримидинсодержащих ПАВ с варьируемым количеством пиримидиновых фрагментов / Д-Р. Габдрахманов, Е.В. Мокшина, МА. Воронин, В.Э. Семенов, Ф.Г. Валеева, Р.Х Гиншпуллин, ЛЯ. Захарова, B.C. Резник //1 Всероссийский симпозиум по поверхносгао-актишшм веществам «От коллоидных систем к нанохимии». Сборник тезисов и докладов. - Казань. - 2011. - С. 18.

17

11. Воронин MA. Новые пиримидинофаны олигомерного строения: влияние природы спейсера / М.А Воронин, Д.Р. Габдрахманов, Ф.Г. Валеева, AJE. Николаев, В.Э. Семенов, ЛЯ. Захарова, B.C. Резник, АЛ. Коновалов // XIX Менделеевский съезд по общей и прикладной химии. Тезисы докладов. - Волгоград. - 2011. - Т. 3. - С. 46.

12. Воронин МА. Самоорганизация новых пиримидинсодержащих ПАВ и их комплексообразующая способность в отношении олигонуклеотида / М.А. Воронин, ДР. Габдрахманов, В.Э. Семенов, Ю.В. Гоголев, Ю.Ф. Зуев, B.C. Резник, ЛЯ. Захарова, А.И. Коновалов // Седьмая Санкт-Петербургская конференция молодых ученых «Современные проблемы науки о полимерах». Программа и тезисы докладов. - Санкт-Петербург. — 2011. — С. 42.

13. Габдрахманов ДР. Новые ди- и тетракахионные пиримидинсодержащие амфифилы: самоорганизация и каталитическая активность / ДР. Габдрахманов, МА. Воронин, В.Э. Семенов, Ф.Г. Валеева, ЛЯ. Захарова, B.C. Резник // Итоговая конференция КНИТУ 2011. Аннотация сообщений. Научная сессия.—Казань.—2012.—С. 11.

14. Габдрахманов Д.Р. Самоорганизация новых пиримидинсодержащих амфифилов и их комплексообразование с олигонуклеотидом / Д.Р. Габдрахманов, МА. Воронин, В.Э. Семенов,

B.В. Сякаев, Ю.В. Гоголев, С.С. Лукашенко, Р.Х. Гиниятуллин, ЛЯ Захарова, B.C. Резник, Ш.К. Латыпов, Ю.Ф. Зуев // Всероссийская молодежная научная школа «Биоматериалы и нанобиоматериалы: Актуальные проблемы и вопросы». Тезисы докладов. - Казань. - 2012. - С. 73.

15. Воронин МА. Комплексообразование новых катонных ПАВ и олигонуклеотида / МА. Воронин, ДР. Габдрахманов, В.Э. Семенов, B.C. Резник, Ю.Ф. Зуев, ЛЯ. Захарова // Школа-конференция для молодых ученых «Макромолекулярные нанообъекгы и полимерные нанокомпозигы». Тезисы докладов. - Московская область, пансионат «Союз». - 2012. - С. 69.

16. Габдрахманов Д.Р. Новые амфифилы с терпеноидным фрагментом: агрегация и перспектива в биотехнологиях / ДР. Габдрахманов, М.А. Воронин, Р.Н. Хайбуллин, И.Ю. Стробыкина, ДА. Файзуллин, Ю.Ф. Зуев, В Л. Катаев, ЛЯ. Захарова, АЛ. Коновалов // Всероссийская молодежная конференция «Химия поверхности и нанотехнология». Сборник материалов. - Казань. - 2012. -

C. 86.

17. Габдрахманов Д.Р. Роль структурных факторов в самоорганизации и комплексообразовании с олигонуклеотидом в ряду пиримидинсодержащих амфифилов / Д.Р. Габдрахманов, М.А. Воронин, В.Э. Семенов, Р.Х. Гиниятуллин, B.C. Резник, Ю.Ф. Зуев, ЛЯ. Захарова, АЛ. Коновалов // Юбилейная научная школа-конференция «Кирпичниковские чтения по химии и технологии высокомолекулярных соединений». Сборник материалов. - Казань. - 2012. - С. 52.

Отпечатано в ООО «Печатный двор», г. Казань, ул. Журналистов, 2А, оф.022

Тел: 295-30-36, 564-77-41, 564-77-51. Лицензия ПД№7-0215 от 01.11.2001 л Выдана Поволжским межрегиональным территориальным управлением МПТР РФ. Подписано в печать 16.08.2013 г. Печ.л. 1,0 Заказ № К-7290. Тираж 150 экз. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать - ризография.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технологический

университет»

На правах рукописи

04201 361 366

Габдрахманов Динар Рашидович

САМООРГАНИЗАЦИЯ И ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ АКТИВНОСТЬ КАТИОННЫХ АМФИФИЛОВ, СОДЕРЖАЩИХ ПИРИМИДИНОВЫЙ ИЛИ ДИТЕРПЕНОИДНЫЙ ФРАГМЕНТ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата

химических наук

02.00.04 - физическая химия

Научный руководитель: доктор химических наук, проф. Л.Я. Захарова

Казань-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.................................................................5

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................8

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР. ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫЕ ВЕЩЕСТВА НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА.........14

1.1. Димерные амфифилы как перспективные ПАВ нового поколения........15

1.1.1. Роль природы головной группы в самоорганизации геминальных димерных ПАВ.....................................................................19

1.1.2. Влияние природы спейсерного фрагмента на агрегирующую способность геминальных димерных ПАВ...................................21

1.1.3. Влияние структуры гидрофобного фрагмента на свойства

геминальных димерных ПАВ....................................................25

■

1.1.4. Влияние природы противоиона на агрегационные характеристики геминальных димерных ПАВ....................................................27

1.2. Олигомерные катионные ПАВ.....................................................29

1.3. Пиримидинсодержащие поверхностно-активные вещества - новый класс амфифилов с уникальными свойствами................................................34

1.4. Комплексообразование в системе катионные ПАВ/нуклеиновые кислоты.. ..37

1.4.1. Комплексообразование в системе монокатионные ПАВ/нуклеиновые кислоты.......................................................40

1.4.2. Комплексообразование нуклеиновых кислот с катионными амфифилами, содержащими биофрагмент....................................43

1.4.3. Комплексообразование в системе олигонуклеотид/катионные ПАВ....................................................................................45

1.4.4. Комплексообразование в системе дикатионные ПАВ/нуклеиновые кислоты......................................................50

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ......................................58

2.1. Исходные вещества и реагенты...................................................58

2.2. Приготовление растворов..........................................................71

2.3. Методы измерения...................................................................72

ГЛАВА 3. САМООРГАНИЗАЦИЯ И ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ АКТИВНОСТЬ ПАВ С ПРИРОДНЫМ (ПИРИМИДИНОВЫМ ИЛИ ИЗОСТЕВИОЛЬНЫМ) ФРАГМЕНТОМ.............................................................................85

3.1. Самоорганизация олигомерных пиримидинсодержащих амфифилов. Роль структурных факторов.............................................................86

3.1.1. Ациклические тетракатионные пиримидинсодержащие ПАВ. Влияние природы спейсерного фрагмента на агрегирующую способность...........................................................................87

3.1.2. Макроциклические олигомерные пиримидинсодержащие ПАВ. Влияние природы спейсерного фрагмента на агрегирующую способность...........................................................................91

3.1.3. Самоорганизация и каталитическая активность пиримидинофанов. Роль меж- и внутримолекулярной ковалентной связи на их агрегирующую способность......................................96

3.2. Гелеобразующая система на основе пиримидинофана с тремя пиримидиновыми фрагментами в структуре........................................111

3.3. рН-зависимая смешанная система на основе неионного пиримидинофана и Тритона-Х-100..........................................................................115

3.4. Комплексообразование пиримидинсодержащих амфифилов с олигонуклеотидом.......................................................................125

3.4.1. Самоорганизация монокатионных и дикатионных пиримидинсодержащих ПАВ...................................................128

3.4.2. Комплексообразующая способность пиримидинсодержащих амфифилов с олигонуклеотидом...............................................132

3.5. Самоорганизация и комплексообразующая способность изостевиолсодержащих амфифилов. Влияние природы противоиона........141

3.5.1. Агрегирующая способность амфифильных соединений с изостевиольным фрагментом в структуре............................................142

3.5.2. Комплексообразование изостевиолсодержащих амфифилов с

олигонуклеотидом................................................................155

3.5.3. Взаимодействие изостевиолсодержащих ПАВ с липидным бислоем......................................................................................................159

3.5.4. Аномальный каталитический эффект дитерпеноидных амфифилов на скорость переноса фосфорильной группы................164

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.............................................168

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...............................................................170

Список сокращений

ПАВ - поверхностно-активное вещество

мАПБ-10 - ациклический монокатионный пиримидинсодержащий амфифил с пентаметиленовыми звеньями в спейсере, бромидным противоионом, и н-децильным радикалом у головной группы. В сокращенном названии амфифилов первая буква отражает структурные особенности каждого амфифила (м - монокатионный амфифил; б - болаформный амфифил; М - межмолекулярный монометиленовый мостиковый фрагмент; Г - межмолекулярный гекса-2,4-диинильный мостиковый фрагмент; В -внутримолекулярный мостиковый фрагмент). Третья буква в названии амфифила соответствует противоиону (Б - бромидный, Т - тозилатный). Цифра, следующая после буквенной аббревиатуры, соответствует числу атомов углерода в н-алкильном радикале, который присоединен к атому азота. Подстрочная цифра отражает длину н-алкильного радикала в спейсерном фрагменте.

АПБ-10 - ациклический дикатионный пиримидинсодержащий амфифил с пентаметиленовыми звеньями в спейсере, бромидным противоионом, н-децильными радикалами у головных групп.

АПБю-10 - ациклический дикатионный пиримидинсодержащий амфифил с пентаметиленовыми звеньями в спейсере, бромидным противоионом, н-децильными радикалами у головных групп и н-децильным углеводородным радикалом в урациловом фрагменте.

6АПБ - ациклический дикатионный болаформный пиримидинсодержащий амфифил с пентаметиленовыми звеньями в спейсере, бромидным противоионом и метокси-группой в урациловом фрагменте.

ПФ-12 - неионный пиримидинофан с одним пиримидинсодержащим фрагментом в структуре, пентаметиленовыми звеньями в спейсере, бромидным противоионом и н-додецильным гидрофобным радикалом.

МПФ-10 - тетракатионный пиримидинофан с четырьмя пиримидинсодержащими фрагментами в структуре, пентаметиленовыми звеньями в спейсере, бромидным противоионом, н-децильным гидрофобным радикалом и метиленовым межмолекулярным мостиковым фрагментом.

ГПФ-10 - тетракатионный пиримидинофан с четырьмя пиримидинсодержащими фрагментами в структуре, пентаметиленовыми звеньями в спейсере, бромидным противоионом, н-децильным гидрофобным радикалом и гекса-2,4-дииновым межмолекулярным мостиковым фрагментом.

ПФТ10 - дикатионный пиримидинофан с тремя пиримидинсодержащими фрагментами в структуре, пентаметиленовыми звеньями в спейсере, тиоэфирными и аминными фрагментами в цикле, тозилатным противоионом и н-децильным гидрофобным радикалом в урациловом фрагменте.

МАПБ-10 - ациклический тетракатионный пиримидинсодержащий амфифил с двумя пиримидинсодержащими фрагментами в структуре, пентаметиленовыми звеньями в спейсере, бромидным противоионом, н-децильными радикалами у головных групп и метиленовым межмолекулярным мостиковым фрагментом.

ГАПБ-10 - ациклический тетракатионный пиримидинсодержащий амфифил с двумя пиримидинсодержащими фрагментами в структуре, пентаметиленовыми звеньями в спейсере, бромидным противоионом, н-децильными радикалами у головных групп и гекса-2,4-дииновым межмолекулярным мостиковым фрагментом.

ВПФ-10 - дикатионный пиримидинофан с двумя пиримидинсодержащими фрагментами в структуре, пентаметиленовыми звеньями в спейсере, бромидным противоионом, н-децильными гидрофобными радикалами у головных групп и внутримолекулярным метиленовым фрагментом.

ПФ-10 - дикатионный пиримидинофан с двумя пиримидинсодержащими фрагментами в структуре, пентаметиленовыми

звеньями в спейсере, бромидным противоионом, н-децильными гидрофобными радикалами у головных групп.

ИБ - изостевиолсодержащий амфифил со оксиэтилированной и аммонийной головной группой и противоионом.

ИТ - изостевиолсодержащий амфифил со оксиэтилированной и аммонийной головной группой и противоионом.

ККМ - критическая концентрация мицеллообразования. ККА - критическая концентрация ассоциации. ЦТАБ - цетилтриметиламмонийбромид. ДСН - додецилсульфат натрия. Тритон-Х-100 - полиэтиленгликоль(10)моно-4-изооктилфениловый

эфир.

ЭБ - этидиум бромид.

ДПФХ - дипальмитоилфосфатидилхолин.

(Жи - олигонуклеотид.

ДФГ- 1,6-дифенилгексатриен-1,3,5

ГМДСО - гексаметилдисилоксан

смешанной бромидным

смешанной тозилатным

Введение

Актуальность работы. В настоящее время амфифильные соединения применяются во многих областях технологии, включая биомедицину, катализ, нефтедобывающую, лакокрасочную, текстильную промышленность, производство моющих средств и т.д. [1-3]. Вместе с тем, с развитием наукоемких технологий и ужесточением экологических критериев возрастают требования к применяемым синтетическим соединениям, в том числе к поверхностно-активным веществам (ПАВ), что стимулирует поиск новых амфифильных соединений. Одним из основных вопросов при исследовании новых амфифилов является установление корреляции между химической структурой и свойствами агрегатов на их основе. Это позволит контролировать и прогнозировать функциональную активность ПАВ и осуществить направленный дизайн супрамолекулярных систем [4-7]. Благодаря своей способности к формированию агрегатов различного типа, амфифильные соединения прочно заняли нишу в разработке высокоэффективных биотехнологий, направленных на доставку лекарственных средств. Одной из проблем, решение которой позволит сделать новый качественный скачок в медицине и фармакологии, является конструирование так называемых невирусных векторов, т. е. синтетических переносчиков генетического материала [8, 9]. Создание подобных препаратов позволит повысить эффективность терапевтических методов лечения, в частности, значительно понизит их минимальные действующие концентрации и токсичность препаратов. В соответствии с критерием биосовместимости, при разработке невирусных векторов находят широкое применение амфифилы с природным фрагментом в структуре [10], которые позволяют моделировать и воспроизводить спектр межмолекулярных взаимодействий, реализующийся в биосистемах. Вышеописанное обусловливает актуальность представляемой работы и ее научный потенциал.

Работа выполнена на кафедре органической химии Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет». Работа проведена при финансовой поддержке программ ОХНМ РАН № 3 «Создание и изучение макромолекул и макромолекулярных структур новых поколений», № 6 «Химия и физикохимия супрамолекулярных систем и атомных кластеров»; гранта Президента Российской Федерации по государственной поддержке ведущих научных школ за 2012 год «Создание двух- и трехмерных полифункциональных супрамолекулярных систем с контролируемым связыванием «гостей», государственного контракта «Дизайн стабильных нанодисперсных систем на основе амфифильных и макроциклических соединений, обладающих каталитической, люминесцентной и антимикробной активностью» (№14.740.11.0384); грантов РФФИ «Синтез и свойства криптандоподобных и наноразмерных пиримидинофанов» (№ 1003-00365), «Полимер-коллоидные комплексы как основа для создания невирусных векторов: влияние структуры компонентов» (№12-03-31292), грантов Президента России МК-2332.2009.3 и МК-6711-2012-3.

Цель работы состоит в создании супрамолекулярных систем с контролируемыми свойствами на основе амфифильных соединений, содержащих в структуре природный фрагмент (пиримидиновый или изостевиольный), обладающих полифункциональной активностью: способностью к солюбилизации гидрофобных гостей, комплексообразованию с нуклеиновыми кислотами, каталитическим эффектом.

Научная новизна работы:

1. Определены характеристики агрегатов: критическая концентрация мицеллообразования (ККМ), гидродинамический диаметр, дзета-потенциал, степень связывания противоиона новых амфифильных соединений с природным фрагментом в структуре (пиримидиновый или изостевиольный).

Установлено влияние таких структурных факторов, как протяженность и жесткость спейсера, локализация мостикового фрагмента, природа противоиона, наличие циклических фрагментов на способность к самоассоциации в водных растворах.

2. Сформированы новые супрамолекулярные системы на основе амфифильных пиримидинофанов, морфология и стабильность которых могут обратимо контролироваться концентрацией и рН раствора.

3. Впервые проведена оценка взаимодействия новых пиримидинсодержащих и дитерпеноидных ПАВ с олигонуклеотидом и вклада различных межмолекулярных сил в процесс комплексообразования. Выявлены потенциальные кандидаты на роль невирусных векторов, способные формировать компактные агрегаты при низких соотношениях ПАВ-олигонуклеотид.

Методы исследования. В рамках данной работы применяли современный комплекс физико-химических методов исследования, в который входили кондуктометрия, тензиометрия, рН-метрия, потенциометрия с использованием Вг-селективного электрода, динамическое и электрофоретическое рассеяние света, флуориметрия, ЯМР 'Н-спектроскопия, турбидиметрия, спектрофотометрия.

Практическая значимость. Выявление закономерностей в изменении агрегирующей способности и функциональной активности ПАВ с природным фрагментом в структуре позволяет направленно создавать эффективные биомиметические системы с определенным набором свойств. Это имеет существенное значение при создании наноконтейнеров для адресной доставки лекарственных преператов. В рамках проведенного исследования разработаны системы с контролируемой агрегационной активностью и морфологией, способные к обратимому связыванию не растворимых в воде соединений, комплексообразованию с декамером ДНК, интегрированию с липидным бислоем. Подобные соединения являются

перспективными строительными блоками для решения биотехнологических задач.

На защиту выносится;

1. Определение агрегирующей способности пиримидинсодержащих или изостевиолсодержащих амфифилов при систематическом варьировании их молекулярной структуры (протяженность и жесткость спейсерного фрагмента, локализация мостикового фрагмента, природа противоиона, наличие макроциклической платформы).

2. Количественная характеристика комплексообразующей способности этих амфифилов с олигонуклеотидом. Выявление структурных факторов, отвечающих за эффективность комплексообразования; установление механизмов связывания компонентов на молекулярном уровне.

3. Доказательство структурных переходов мицелла-везикула-мицелла в водном растворе дитерпеноидного ПАВ с бромид-противоионом. Использование его в качестве вспомогательного ПАВ для создания смешанных липосом на основе дипальмитоилфосфатидилхолина, имеющих катионный поверхностный заряд и обладающих улучшенными солюбилизационными свойствами.

4. Создание рН- и концентрационно контролируемых систем на основе пиримидинсодержащих амфифилов, способных к обратимым морфологическим перестройкам и связыванию/высвобождению гидрофобных субстратов.

Апробация работы. На основе результатов, представленных в диссертационной работе, сделаны доклады на I Всероссийском симпозиуме по поверхностно-активным веществам «От коллоидных систем к нанохимии» (Казань, 2011); Всероссийской молодежной конференции «Теоретическая и экспериментальная химия жидкофазных систем» (Казань, 2011); XIX Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Волгоград, 2011); Седьмой Санкт-Петербургской конференции молодых ученых «Современные

проблемы науки о полимерах» (Санкт-Петербург, 2011); Всероссийской молодежной научной школе «Биоматериалы и нанобиоматериалы: Актуальные проблемы и вопросы» (Казань, 2012); Школе-конференции для молодых ученых «Макромолекулярные нанообъекты и полимерные нанокомпозиты» (Московская область, пансионат «Союз», 2012); Всероссийской молодежной конференции «Химия поверхности и нанотехнология» (Казань, 2012).

Публикации. Результаты диссертационного исследования опубликованы в 6 статьях в журналах, входящих в перечень, рекомендуемый ВАК РФ, и 11 тезисах докладов.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, выводов и списка литературы (227 литературных ссылок на публикации отечественных и зарубежных авторов). Первая глава представляет собой литературный обзор, в котором рассмотрены современные направления исследования в области организованных систем. Втора�