§ 2. Синтетические полимерные носители

Огромное разнообразие доступных синтетических полимеров обеспечило их широкое использование в качестве носителей для иммобилизации ферментов. Вводя в полимерные молекулы раз-

18

личные функциональные группы, можно в широких пределах варьировать физические свойства носителя и создаваемое им мик­роокружение для иммобилизованных молекул фермента. Синте­тические полимеры применяются как для ковалентной иммоби­лизации ферментов, так и для сорбционной, для получения гелей, микрокапсул.

Полимеры на основе стирола. Они янлнются основой многих промышленных марок ионообменных материалов. Для сорбцион-ной иммобилизации применяются как микропористые, так и мак­ропористые {размер пор 10—1000 нм) материалы. Сополимеры стирола в виде сферических частиц с различными сшивающими агентами можно получить гранульной полимеризацией. Наиболее часто в качестве сшивающего агента используется дивинил бен­зол. Структурный фрагмент с дивинил бензолом можно предста­вить так:

сн—сн*—сн—Ob—сн—сн,—сн~

сн—сн_а—сн—сн,—сн—ш₃~

Геометрическая структура таких макропористых носителей (размер пор, удельная поверхность) варьируется в широких пре­делах при изменении количества сшивающего агента и концент­рации растворителя мономеров в реакционной среде. Пористость сополимеров стирола регулируют также тем, что проводят поли­меризацию в присутствии порообразователей, например добавок, разлагающихся при нагревании с выделением газообразных ве­ществ (NH.C1),

Носители на основе сополимеров стирола и дивинил бензол а выпускаются в промышленном масштабе в виде ионообменников марок Дауэкс и Амберлит.

В последние годы стали применяться также носители, име­ющие макросетчатую, изопористую и гетеропор истую структуры. Макросетчатые полистиролы подобны стеклам, они имеют ста­бильную структуру пор, не набухают в воде, отличаются повы­шенной механической прочностью. Получают их эмульсионной «►полимеризацией стирола с дивинил бензолом в присутствии осадителя.

Изопористый макросетчатый полистирол не обладает порис­тостью в сухом виде, образуется он при сшивании стирола в дн-хлорэтане, содержащем я-ксилилендихлорид.

Под действием монохлордиметилового эфира и порообразо-вателя можло получить гетеропор истый полистирол с диаметром пор ~ 1 мкм. Применение гетеропористых носителей обеспечи­вает для различных по размерам ферментов сохранение высокой

19

остаточной активности» по-видимому, за счет структурного соот­ветствия молекулы белка и матрицы.

Немодифицированные полистиролыше носители гидрофобны. Присоединением ионогенных групп в параположение бензольных радикалов можно придать ему некоторую гидрофильность, хотя, в целом, сохраняется склонность полимера к гидрофобным взаимодействиям. Это свойство может оказаться полезным при хроматографии гидрофобных белков мембран.

Широкие возможности для разработки новых видов носителей открывает введение реакционноспособных ангидридных групп н состав синтетических полимеров. П этой свя;чи отметим новый тип носителя, полученного сополимеризацией эквимолярных ко­личеств стирола и малеииового ангидрида:

с* Hi с

НС

с ,с=

С

NH НН С

_кг

С С —СН_а—СНС

QH

,

Такие носители обладают довольно высокой вместимостью по отношению к белкам, могут применяться как для нековалентной, так и ковалентнок иммобилизации ферментов;

Другие способы активации носителей, в том числе модифи­кация бензольного ядра матрицы, будут рассмотрены ниже.

Полимеры на основе производных акриловой кислоты. Одним из многочисленных производных акриловой кислоты, широко применяющихся для получения полимерных гидрофильных носи­телей, является акрилсшид. Широкое распространение получил метод включения ферментов и клеток в полиакриламидный гель (ПААГ), получающийся при сополимеризации акриламида со сшивающим агентом N, N'-метилен-бис-акриламидом (МБАА).

20

Нити линейного полимера акриламнда, сшитые МБАА, образуют пространственную сетку геля, относительно жесткую, стойкую к химическим воздействиям. Процентное содержание полимера определяет пористость и жесткость геля.

ПААГ выпускается рядом фирм, например, «Bio-Rad Labs» (США) производит ПААГ и его производные под названием «биогели» типа Р, «Koch-Light» (Англия) - «энзакрилыз», «ReanaJ» (ВНР) — «акрилексы». Ниже приведены функцио­нальные производные на основе энзакрила:

Функциональная группа Название

—CONH—^ ^V-NH, Эизакрнл АА

—CONHNHs JlBjg* ^con, Энзакрнл АН

—CONHCH{OCH₃)_S Энзакрилполиацеталь (сополимер N-акри-

лоиламиноацетальдегнддиметиланеталя н МБАА)

—CONHCHjSH Энзакрилнолитиол (сополимер акрнлэмы-

да и акрнлонлцнстеина)

—CONH О Энзакрнлполитнолактон

I I

!

Фирмы «LKB» (Швеция) н «IBF» (Франция) выпускают так­же носители смешанного типа на основе ПААГ н агарозы под названием «ультрогели» типа АсА. Они представляют собой жесткую матрицу, создаваемую агарозой, с контролируемой пористостью, обеспечиваемой ПААГ. Носители выпускаются в виде водной суспензии сферических гранул, применяются для синтеза аффинных сорбентов и нековалентной иммобилизации ферментов.

Для целей ковалентной иммобилизации ферментов полиакри-ламндный носитель активируют одним из способов: либо в го­товый полимер вводят функциональные группы методом хими­ческой модификации, либо полимеризуют соответствующее функциональное производное мономера.

В качестве примера приведем реакцию сополимеризации ак-риламида и я-нитрофенилакрилата:

— СНа—СН—СН,-

N0,

Способ полимеризации соединений, содержащих реакционноспо-собные группы, более удобен, так как позволяет избежать неже­лательного изменения свойств (набухаемости, проницаемости) геля, возможного при модификации готового полимера.

В настоящее время создано большое число носителей на осно­ве сополимеров акриламида с различными функциональными

21

Таблица 4. Мономеры, применяемые для получения сополимеров акркламнда

22

реакционноспособнымн группами. Некоторые примеры представ­лены в табл. 4.

Из других производных акриловой кислоты, применяющихся для получения полимерных носителей, следует назвать хлоран-гидрид метакриловой кислоты. При его взаимодействии, напри­мер, с ванилином образуется мономер, дающий при полимериза­ции соединение с высокореакционноспособными альдегидными Группами (так называемый «ванакрил»};

оси

Большинство полимеров на основе акриловой кислоты не от­личаются устойчивостью к воздействию многих химических реа­гентов, а также сильно набухают в воде и органических раствори­телях. Поэтому в некоторых случаях возникает необходимость в полимерных материалах, имеющих более жесткую структуру. Примером жесткого носителя смешанного типа на основе гните тического и природного полимеров является ультрогель типа АсА; к синтетическим полимерам с жесткой структурой относятся сополимеры производных акриловой кислоты, в частности

СНз

2-окснэг кл м*т в к р« л ата

-сн₂

I

_он

СН₂=С

I

СНз

_°

_ч

этияе иди м ета крнл ата

С—С=СН_г СНз

Макропористые полимерные гели на основе мономеров та­кого типа получаются обычно в виде сферических гранул. Важ­ными характеристиками этих материалов служат их гидрофиль-ность, механическая прочность, химическая и биологическая стойкость, возможность использования органических растворите­лей. Такие носители под названием «сферой» выпускаются фир­мами «Lachema» (ЧССР) и «Realco Chem. Co» (США). Сфероны можно получить гетерогенной суспензионной сополнмеризацией мономеров акрилата или метакрилата, содержащих гидроксиль­ные группы» с диакрилатамн и диметилметакрнлатамн в присут­ствии инертного растворителя. Схематически фрагмент структу­ры сополимера 2-оксиэтил метакрилата, сшитого этилендимета-крилатом, можно представить следующим образом:

СН₃

СНэ COOCHjCHiOH СН₃

С—СН_а—С—СН_а—С(СН,)—СНа—С^

N

С =О СН₃ COOCHjCH^OH

Изменяя соотношение концентраций исходных мономеров, можно в широких пределах изменять пористость, удельную поверхность и число активных гидроксильных групп сферона, Структура твер­дого макросетчатого геля сферона похожа на структуру силикаге-ля (гидрофобные углеводородные группы обращены внутрь поли­мера). В то же время наличие гидроксильных групп на поверх­ности придает матрице сходство с сефарозой и позволяет не пол ь-зонатъ разработанные для сефарозы методы активации носителя. Типы гелей «сферой», содержащих различные функциональные группы, выпускаемые фирмой «Lachema» (ЧССР), приведены ниже:

Функциональная группа

ОН

Название (тип геля)

Сферой 40. 100. 300, 1000, 100000

СООН

Сферой С 1000

<abbN(QH₅)₂ Сферой ДЭАЭ 10Ш

Функциональная группа

24

OPO(OH)s Сферои Fostal 1000

CONHNHs Сферои СН

Сферой Salkyl 1000

Сферой OxinlOOO

Полиамидные носители. Это группа различных гетероцепных полимеров с повторяющейся амидной группой —С (О)—NH—. Один из способов их получения основан на гомополиконденсацик аминокарбоновых кислот, например е-аминокапроновой кислоты или ее лактама (найлон-6, капрон):

—N—

О

_{Н N)}

Помимо найлона-б для иммобилизации используются поли-нзонитрилнайлон, полиаминоарилнайлон и др. Амидные группы придают полимерам гидрофнльность.

Для использования в качестве носителей полиамиды активи­руют, частично гндролизуя, с последующей обработкой, напри­мер глутаровым альдегидом:

ООН

Главным¹ достоинством носителей этого типа является то, что они могут быть созданы в различной физической форме: в виде гранул, порошков, волокон, мембран, трубок н т. д.

К группе полиамидных носителей следует отнести полимеры иа основе и-аинилпирролидона:

CHj=CH

I N

:=о

Широкое применение этих носителей, прежде всего для меди­цинских целей, обусловлено их биологической инертностью и стойкостью к воздействию биологической среды. При использо­вании поливинилпирролидона и сополимеров на его основе полу­чаются препараты иммобилизованных ферментов, способные

25

медленно распадаться в организме, причем скорость распада зависит от природы второго мономера и концентрации сшива­ющего агента в смеси. Например, радикальная с о полимеризация винил пиррол и дона с акриловой кислотой в присутствии азо-бисизобутиронитрила дает водорастворимый полимер, содержа­щий карбоксильные группы, а сополимернзация с глицидилакрн-латом —■ водорастворимый полимер с альдегидными группами. Носители на основе поливинилового спирта. Эти носители, предложенные Г. Манеке и Г. Фогтом (1980), обладают высокой реакционной способностью. Соответствующая обработка позво­ляет вводить в них различные функциональные группы: диазо-, изотиоцианатные, альдегидные, хлоротриази новые, дисульфндные и др. Для получения гидрофильных гелей носители могут быть сшиты глутаровым альдегидом в кислой среде, а в щелочной — эпихлоргидрнном или л-ксилилендихлорндом:

сн—<сн_а)₃-

К достоинствам носителей на основе поливинилового спирта следует отнести, помимо высокого содержания реакционноспо-собных групп, большую вместимость по отношению к белкам.

Полиуретаны. Гидрофильные пол иурета новые полимеры, со­держащие группировку—NH—С—О—, — достаточно удобные

II

О

материалы для включения ферментов в гель; процедура иммо­билизации в этом случае заключается в простом смешении компонентов.

Полиуретаны образуются при взаимодействии изоцианатов (например, 2, 4- и 2, б-толуилен-» гексаметилен- или дифенил-метандиизоцнанатов) с пол иола ми (гликоля ми, триоламн, про­стыми или сложными олигоэфирами, содержащими ОН-группы). Структуру одного из полимеров для получения пол иурета ново го геля можно представить в следующем виде: О

HN—С—О— (СН—СН*—О) ^—С—Г

I I II

С Нэ О

При полимеризации может происходить частичный гидролиз иэоцнанатиых групп с выделением диоксида углерода. Образу­ющиеся аминогруппы вза и моде ист ну ют е изоцианатнъши груп­пами, поперечно сшивая полимер. Суммарную реакцию можно представить следующим образом:

2R—NCO + НзО ^R—NHCONH—R + СО*

Полиуретаны обладают большей стойкостью по отношению к воде и окислителям, чем полиамиды.

§ Э. Активация полимерных носителей

Активация г ядро к сильных и аминогрупп носителя. Под акти­вацией матрицы понимают проведение химической реакции с активатором, в результате которой на ее поверхности образу­ются электрофильные группы, обладающие высокой реакцион­ной способностью по отношению к нуклеофнльным группам на белке (например, аммно- и SH-группам). В числе наиболее эффективных электроф ильных групп можно назвать следующие (Дж. Порат, 1976):

карбонаты

эпоксиды — СН—CHs

аэирндииы —СН—СНа

\ / NH

активированные двойные связи, напри- CHs=^CH—

мер —.О^СН—С (О)—

активированные атомы галогена, на- Вг—CHsr—С (О)— гример Cl—G=NH

Реакции взаимодействия электрофилышх групп носителя с нуклеофильными группами белка будут рассмотрены в гл. III. Здесь остановимся на способах получения самих активиро­ванных полимерных матриц.

Имидокарбонаты. Получение этих производных основано иа реакции полимеров с циан галогена ми. Взаимодействие BrCN н водной или смешанной водно-органической среде с двумя сосед­ними гндроксильными группами носителя приводит к образова­нию через неустойчивый цизнат активного имидокарбоната (I) и неактивного карбамата (II):

27

При температуре ^20°С оптимальное значение рН этой реакции 11,0—12,5. Реакция в этих условиях крайне нерацио­нальна. Дело в том, что создание сильно щелочной среды обусловлено необходимостью повышения нуклеофильности носи­теля, например полисахарида (за счет частичной ионизации ОН-группы). Однако здесь неустойчив как сам BrCN, так и образующийся эфир, который гидролизуется с образованием неактивного карбамата. Поэтому более 80% эфира циамата трансформируется по пути (II). Эффективность этой реакции можно повысить, увеличив электрофнльность циановой группи­ровки. Такая возможность была реализована путем промежуточ­ного переноса этой группировки на триэтнламин:

Ы(Е1)з + BrCN *~ N5SSC—N* <Е1)_Э ВГ

@—ОН + NSaO-N* (El)jBr- т- (Й)—О—O=3N

Реакция активации идет при рН 7—8 через образование очень реакционноспособного комплекса триэтиламмонийннтрнла (более реакционноспособного, чем BrCN), который атакует неиокизо-ванные ОН-группы полисахарида. При снижении рН с 12 до 7 в 20 раз снижается расход BrCN, вместо 4 включается до 24% от внесенного азота (причем 98% оказывается в составе актив­ных групп матрицы вместо 10% по старой методике). Эффек­тивность включения повышается до 50%, а токсичность снижа­ется практически до нуля, если вместо BrCN использовать 1-циан-4-диметиламинопнридинтетрафторборат.

Эпоксиды (оксираны). Например, 1,4-бис (2,3-эпоксипро-покси)бутан часто используют для модификации и активации гидрокс ил содержат их полимеров;

,—СН—C

СН_аСН—СН_а—О—(СН*)₄—О—СНг—СН—СН,

Реакция протекает в щелочной среде (рН 8,5—11,0), реакцион­ная способность образующегося эфнра в отношении нуклеофиль-

28

иых групп белков проявляется в обычном порядке: SH ;> NH₂ ;> ОН. Попутно может протекать реакция сшивки матрицы:

Для получения эпоксиактнвированной матрицы вместо бис* оксирана можно употреблять эпихлоргндрин. Преимущество носителей, эпоксидированных длинноцепочечными соединениями типа диглицилового эфира 1,4-«-бутандиола, по сравнению с носи­телями, обработанными эпихлоргидрином, и в целом преиму­щества метода эпоксидирования перед другими, в частности, бромцнановым, заключаются в том, что он дает возможность получать длинную «иожку», отделяющую фермент от носителя. Это обстоятельство может иметь значение для уменьшения потери ферментативной активности из-за стерических затруднений, возни­кающих в процессе иммобилизации.

Соединения с активированными двойными связями- В поли­меры, содержащие гидроксильиые или аминогруппы, можно ввес­ти винилсульфонильные группы. Для этого матрицу обрабаты­вают дивннилсульфоном в сильнощелочной среде:

-CHj—СНа—SO₃—CH=CH,

Этот метод активации используется редко ввиду токсичности днвинилсульфона.

Весьма аффективными агентами для активации полисахари­дов оказались ароматические хиноны, в частности бензохинон:

О

Реакция протекает легко с высоким выходом, в широком интер­вале рН (от 3 до 10).

Соединения с активным атомом галогена, Хлортриазины (на пример, цианурхлорид) легко реагирует с гидроксильной и ами ногруппой полимера в щелочной водно-орган и чес кой среде:

(где R = ^CJ; —NH₂; —NHR')

29

Наиболее часто этим способом активируют полисахариды и их аминопроизводные, хотя используются и белковые носители (коллаген, кератин_т фиброин). Среди синтетических полимеров амннированный полистирол и поливиниловый спирт также могут быть успешно активированы хлортрназинами.

Эффектнвным реагентом, позволяющим проводить реакцию в мягких условиях (рН 7,5) _t является трезилклорид (трифтор-этил сульфон ил хлорид):

:Н₃ОН *■ С1—SOj—CHa—

I,—О—Юг—СН_Д—CF₃ + НС1

Альдегидные группы. Введение реакцноннослособных альде­гидных групп может быть осуществлено несколькими путями. Полимеры, имеющие гидрокскльные группы, например полисаха­риды, могут быть окислены под действием периодата натрия. В качестве примера можно привести структуру эвена диалъде-гидцел л юл оэ ы:

п

Применение альдегидных производных полисахаридов часто обе­спечивает меньшую потерю активности фермента, чем, например, хлортриазильных производных.

Введение альдегидных групп в полимеры, содержащие амино­группы, можно проводить с помощью диальдегидов, например глутарового альдегида. Таким способом можно активировать аминоэтилцеллюлозу, амннополистнрол, ПААГ, полиамиды, бел­ковые носители и т, д. Реакцию активации аминогрупп можно представить так:

-NH_a + НОС—(CHi)_s—CHO

_N=CH—(ГИ_а )₃—СНО

И наконец, введение альдегидной группы можно осуществить при полимеризации, подбирая соответствующий мономер, на­пример аддукты полиакролеина и гидросульфита натрия, сопо­лимеры ненасыщенных альдегидов и вин ил пиррол ид она и т. д. Один из процессов разобран выше (получение ваиакрила).

Имидоэфирные группы (—C = NH—). Введение этих групп

I OR

применяется как один из способов активации полиамидных но­сителей. Схему реакции с диметилсульфатом можно представить следующим образом:

.10

—С—NH 1£У&^ — C=NH—

I 1

О ОСНэ

Полимерные нитрилы обработкой хлор водородом в среде ме­танола также можно активировать до имидопроизводных:

—Н_гС—СН

I

EN

net.

I

C=NH

I OCR,

Диазогруппы (—N^NCI). Их введение—весьма широко применяемый способ активации носителей, содержащих амино­группы в ароматических радикалах. В качестве примера можно назвать л-аминобензилцел.пюлозу, поли -rt-аминости рол, наиболее часто активируемые этим путем. К амннопроиэводным также от­носятся ароматические амннолронзводные шелка, шерсти, хи­тина, частично гидролизе ванный полиамид и др.

Довольно сложная схема активации сефарозы с целью вве­дения peaкционнеспособных диазогрупл предложена С. Икедой и С. Фукуи (1973):

кн.

)Н

Активация карбоксильных групп носителя. Введение азидной группы — это один из наиболее старых способов активации но­сителей. Чаще всего для этой цели используют карбоксильные производные полисахаридов — целлюлозы, декстрана. Модифи цированный препарат этернфицнруют, переводят в гидразид, а затем в азид:

В качестве источника для получения азида можно применять и полимеры, не имеющие карбоксильных групп. Например, поли-акриламид, обработанный гидразином («энзакрил АН»), легко превращается в азид непосредственно перед иммобилизацией фермента:

@—CONHj -™'™U. @—CONHNH, *- @—CONj

В последнее время азидный метод применяется редко из-за одно­временного протекания ряда побочных реакций, приводящих к образованию неактивных амидных и карбамндных групп на носи­теле.

Широкое распространение получил метод ацклирования в присутствии карбодиимидов. В качестве карбоксилсодержащих полимеров могут быть использованы производные полисахари­дов, различные полимеры на основе акриловой кислоты, сополи­меры N-винил пи рролидона и ненасыщенных кислот и др.:

_г*

(н)—соон+с

П—R

И наконец, весьма эффективным методом активации носите­лей, содержащих карбоксильные группы, является ацилирова-ние, в присутствии реактива Вудворда (1Ч-этил-5-фенилоксазо-лий-З'-сульфоната):

Модификация амидных групп (на примере полнакриламида). Как правило, первая стадия активации полимера, содержащего амидную группу, -^ это проведение реакции переамндирования:

_{f ° ЖШт}

I ⁴NH_a I JO

_не—cr

Образовавшаяся функциональная группа требует дополни­тельного активирования. Оно может быть проведено различны­ми путями. Один из них — формирование стабильного диокси-производного с последующим окислением до альдегида непосред­ственно перед взаимодействием с ферментом:

t . Щ,-" СН—СГ

И— (CHiV-^NHi ^х *^шш* ⁴NH—(СНа)!— NHCHjCH

ОМ

(к)

^XNH—(CHj)^ NHCBj

Другой путь последующей активации полнакриламида — это введение дназогруппы:

'-^Wlh ш (g)—CONHfCH,)*—NHCO—QH<-NOi-^—

(H)—COWH(CHt)_t—NHCO—CfitU—

*- (g)—CONH<CH2>₄—NHCO—C«H*—H^SNCl

Модификация бензольного ядрй (иа примере полистирола). Наиболее распространенными из реакций модификации поли-стирплы1ых матриц являются хлорметилирование и нитрование. Хлорметилирование может быть проведено различными способа-ми^ например под действием монохлордиметилового эфира в присутствии SnCU:

I I

33

НаС НС

Nal

I

HsC НС

(R =—<CH₃)₂NH_a: —(CH₄»_aNH(CH*)₂NH₂)

Схема процесса нитрования с последующим восстановлени ем нитрогруппы может быть представлена так:

HsC H_aC НаС

Проблема бнодеградацин полимерных носителей приобретает серьезное значение в связи с применением иммобилизованных ферментов в медицине. Полимеры, имеющие высокую молеку­лярную массу, могут накапливаться в организме, поэтому воз­никает необходимость создания таких синтетических полимеров (или выбора природных), которые будут расщепляться с обра­зованием нетоксичных продуктов обмена. В этом отношении предпочтение отдается природным полимерам, которые гидро-лнзуются в организме ферментами. Так, например, в качестве носителя лекарственных препаратов наиболее широко приме­няют декстран — нетоксичный, с малой нммуногенностью, спо­собный к бнодеструкции полисахарид. В свою очередь отметим, что химическая модификация природных полимеров может су­щественно снизить скорость их деструкции.

34

Среди синтетических полимерных материалов наибольшее применение в качестве носителей лекарственных препаратов име­ют полимеры на основе Ы-вниилпирролидока! Проводятся также попытки целенаправленного синтеза биодеградируемых полиме* ров, в частности полиуретанов, содержащих в основной цепи дипептндные фрагменты; поливиннлпнрролидона со звеньями эфа ров щавелевой кислоты н др.

Дополнительными факторами, играющими существенную роль в длительности действия препаратов и в снижении их токсич­ности, являются молекулярная масса и степень неоднородности полимера. Так, молекулярная масса полимера не должна быть слишком высокой. Например, установлено, что материалы на основе поли-N-винил пиррол идона, имеющие молекулярную массу более 20000, не способны выводиться из организма. Важную роль здесь играет и молекулярно-массовое распределение; по­вышение неоднородности по молекулярной массе приводит к увеличению токсичности материала.

ОРГАНИЧЕСКИЕ НИЗКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ НОСИТЕЛИ