Глава VII. Свойства растворов высокомолекулярных соединений

§ 1. Некоторые сведения о синтетических и природных вмс

Высокомолекулярными соединениями (ВМС) называются вещества с молекулярной массой порядка 10⁴ — 10^е отно­сительных единиц массы. Макромолекулы построены из большого числа повторяющихся звеньев, их свойства зависят не только- от химического состава, но и от пространственной структуры. Различают природные, искусственные и синтети­ческие полимеры. К природным относятся белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды, каучук; к группе синтетических соединений — полимеры, получаемые путем синтеза низкомо­лекулярных веществ (капрон, найлон, полиэтилен). Искус­ственные высокомолекулярные соединения образуются в ре­зультате химической обработки природных высокополимер­ных соединений, в большинстве случаев это производные целлюлозы.

По форме макромолекул полимеры делятся на линейные, разветвленные и сетчатые. Макромолекулы линейных поли­меров представляют собой длинные цепи, толщина которых значительно меньше длины. Так, например, поперечный размер линейной макромолекулы целлюлозы измеряется десятыми долями нанометра, а длина — сотнями нанометров. Макро­молекулы разветвленных полимеров состоят из цепей с боко­выми ответвлениями. Сетчатые полимеры построены из макро­молекули рных звеньев, соединенных друг с другом попереч­ными химическими связями. Они часто имеют пространственную структуру.

, Вогтціт от низкомолекулярных веществ, имеющих опре-делеіїную молекулярную массу, полимеры могут характеризо­ваться только средней.мОлекулярной массой, так как содержат макромолекулы различных размеров, хотя й одного строе­ния.

В настоящее время синтетические полимерные материалы находят весьма широкое применение в медицине. В клиниче­ской практике используются эквиваленты различных орга­нов, тканей, костей, суставов, сосудов; полупроницаемые мембраны (аппараты «искусственная почка», «искусственное сердце», «печень» и т. д.). Большие успехи достигнуты в соз­дании сополимерных заменителей плазмы крови, противови­русных веществ, пролонгаторов лекарственных средств, про­тивораковых препаратов.

С позиций взаимодействия с биологическими средами медицинские материалы можно разделить на две группы: био-рассасывающиеся и биосовместимые. Биорассасывающиеся мате­риалы способны некоторое время выполнять функции утра­ченных тканей и в процессе постепенного замещения рас­сасываться и выводиться из организма, не оказывая на него отрицательного воздействия.

Для протезирования внутренних органов используются биосовместимые материалы, которые остаются в организме че­ловека до конца его жизни. Эти материалы, находящиеся в по­стоянном контакте с кровью, должны быть гемосовместимыми и тромборезистентными.

Успехи в синтезе и применении таких материалов могут быть достигнуты на основании детального изучения механиз­мов их взаимодействия с биологическими средами.

В -медицине применяются как поЛимеризационные, так и поликонденсационные пластмассы. Методом поликонденса-.лгци получают полиэфирные смолы. Волокна на основе поли-~этилентерефталата (лавсана) идут на изготовление протезов кровеносных сосудов. Высокой гемосовместимостью и тромбо-резистентностью обладают полисилоксаны. В настоящее вре­мя эластичные силоксановые материалы используются для эндопротезирования. Из них изготавливают части приборов АИК и АИП, контактирующие с кровью. Жидкие кремний-органические полимеры — силиконовые масла — хорошо раст­воряют кислород и применяются как различные биологические жидкости.

Из полимеризационных пластмасс в медицине применяются фторопласт-4, поливиниловый спирт, поливинилпирроли-дон и др. Синтетические сополимеры дают возможность моде­лировать и изучать многие биологически активные вещества. Сюда же следует отнести и синтез ионообменных смол меди­цинского назначения.

Биологические макромолекулы. Полисахариды являются полимерами глюкозы, 2-ацетилглюкозамина и других простых углеводов. Полисахариды выполняют важную структурную функцию — входят в состав стенок бактериальных и расти­тельных клеток, а также служат запасной формой питательных веществ.

Одним из важнейших запасных полисахаридов является крахмал, состоящий из амилозы и амилопектина. Амилоза— линейный полимер с молекулярной массой до 500000. Ами-лопектин — высокополимерное ветвящееся образование с мо­лекулярной массой до 10000000. Крахмальное зерно имеет строго определенную структуру,

Второй запасный полисахарид — гликоген, имеющий мо­лекулярную массу до 5 • 10^е. Гликоген хорошо растворим в во­де. В процессе химической эволюции организмы приспособи­лись к отложению запасов питательных веществ в виде гли­когена и крахмала.

Широко распространенным полисахаридом является цел­люлоза, состоящая из мономеров — Р-глюкозы,— связанных в длинную неразветвленную цепь. Макромолекула целлюлозы представляет собой громадную нить, состоящую приблизитель­но из '4000 остатков глюкозы и имеющую молекулярную массу около (2—3) • 10^е. Нити целлюлозы образуют длинные волокна, связанные между собой водородными связями, по­этому целлюлоза не растворяется в воде.

В последние годы большое внимание привлекают смешанные биополимеры, в первую очередь гликопротеиды. Установ­лена первичная структура углеводных цепей гликопротеидов в групповых веществах крови, определяющих их биологичес­кую специфичность, показана высокая гетерогенность угле­водных цепей и высказаны предположения о макроструктуре гликопротеидов и ее связи с иммунологическими свойствами-

Нуклеиновые кислоты представляют собой линейные полимеры с очень высокой молекулярной массой — от 2 • 10* до 2-Ю⁶ у рибонуклеиновых кислот (РНК) и до 10¹⁰— 10¹¹ — у дезоксирибонуклеинорых кислот (ДНК). Это со­ответствует полимерным цепям, содержащим от десятков ДО сотен тысяч нуклеотидов, которые являются основой поли­мерной цепи и состоят из азотистого основания, углевода и фосфата.

Нуклеиновые кислоты составляют наряду с белками один из важнейших классов биополимеров. Они служат храните­лями и источниками наследственной информации, определяю­щей весь ход развития живого организма. Исследования в об­ласти химии нуклеиновых кислот позволяют, р конечном итоге, расшифровать молекулярные механизмы их функционирования в живой клетке, что поможет бороться со многими наследст­венными заболеваниями.

В нашей стране в последние годы создан широкий наборреа-гентов для аффинной модификации нуклеиновых кислоти нукпе-опротеидов, участвующих в биосинтезе белков и нуклеиновых кислот, что помогает расшифровывать их структуру.

Белки. Все белки построены путем сочетания 20 а-ами-нокислот. В состав макромолекул белков может входить до нескольких сотен аминокислотных остатков. В организме че­ловека содержится до 5 млн. различных белков. Их разнооб­разие зависит от сочетания и последовательности расположе-

ния аминокислот, а также от конформаций полипептидных це­пей.

За последние 25 лет разработаны совершенные методы вы­деления, очистки, фракционирования и получения в химиче­ски чистом виде индивидуальных белков, количество при­месей в которых не превышает 0,01 %,

К настоящему времени подробно изучена структура боль­шого количества белков.

Структура биополимеров. Первичной структурой полимера, состоящего из различных мономеров, является последователь­ность ковалентно-связанных мономеров, например последова­тельность аминокислот в белке или последовательность нукле-отидов в полинуклеотиде:

R _и О R₃ НО

I у и і І її

CH L С CH N с

/ \ / \ / \ / \ / \ / \

NH₂ С CH N С ... CH ОН.

Il I I Il

O R₂ H о