ВВЕДЕНИЕ 4
1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 7
1.1 Структура желатина и к-каррагинана 7
1.2 Гелеобразование 10
1.3 Структура смешанных гелей 12
1.3.1 Структура каждого компонента бинарных гелей в присутствии
солей 14
1.3.2 Температура плавления смешанных гелей 15
1.4 Физико-химические методы анализа 16
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 20
2.1 Объекты и методы исследования 20
2.1.1 ИК спектроскопия 21
2.1.1.1 Спектроскопия в широком температурном диапазоне 21
2.1.1.2 Спектроскопия неполного внутреннего отражения (НПВО) на
тонких пленках 21
2.1.2 Метод молекулярного докинга 22
2.1.3 Метод диэлектрической спектроскопии 24
2.2. Результаты 27
2.2.1. По данным молекулярного докинга 27
2.2.1.1 Расчет комплексов желатина с каррабиозной единицей 27
2.2.1.2 Расчет комплексов тройных спиралей желатина с одиночными
спиралями к-каррагинана 28
2.2.1.3 Расчет комплексов двойных спиралей к-каррагинана с
одиночной спиралью желатина 32
2.2.1.4 Расчет комплексов суперспиралей к-каррагинана и желатина .. 33
2.2.2 Структурный базис гелей желатина в присутствии к-каррагинана по
данным ИК спектроскопии 34
2.2.2.1 Определение спектральных детерминант для вторичных
структур к-каррагинана 34
2.2.2.2 Особенности гелеобразования бинарных гелей при различных
концентрациях к-каррагинана 39
2.2.2.3 Гель-золь переход в смешанных гелях 42
2.2.2.4 Водородный показатель для систем различных концентраций . . 45
2.2.2.5. Температурное смещение полосы деформационных колебаний воды 47
2.2.3. По данным диэлектрической спектроскопии 49
ВЫВОДЫ 54
Список использованной литературы 55
Приложение 59
Актуальность темы. Желатин представляет собой денатурированный белок коллагена животного происхождения, полученный гидролитической деградацией. [1] Хорошо известный своими желирующими свойствами, он находит широкое практическое применение в пищевой промышленности, фармацевтике, 3D печати и других областях [2].
Для улучшения свойств гелей используют второй разлагаемый биополимер - к-каррагинан. Каррагинан широко используется в пищевых продуктах в качестве эмульгатора, стабилизатора и загустителя. Результаты исследований на животных [3] показали, что каррагинан не является генотоксичным, канцерогенным и не оказывает вредного воздействия на иммунную систему. Поэтому изучение закономерностей структурообразования двухкомпонентных гидрогелей и понимание межмолекулярного взаимодействия желатина с полисахаридом представляет интерес и с научной, и с практической точки зрения.
Учитывая вышеизложенное можно выделить несколько аспектов актуальности данной работы. Во-первых, нередко для практических целей требуются гели с заданными вкусовыми, вязкоупругими, текучими и прочими свойствами. Во-вторых, интерес представляет электростатические взаимодействия белка и полисахарида в водной среде. При этом полисахарид играет роль лиофилизирующего полиэлектролита (комплексообразователя), а белок - блокирующего полиэлектролита (лиганда). И, в-третьих, фундаментальный аспект, связанный с определением микроскопических характеристик гелей.
Центральным вопросом является установление механизмов формирования гелей на молекулярном уровне с последующим построением молекулярных моделей, объясняющих эти взаимодействия. Рассмотрение этого вопроса является основной целью при постановке настоящей работы.
Исходя из указанной цели, можно выделить задачи, решаемые в данной работе. Необходимо:
1) Методом ИК-спектроскопии охарактеризовать химические группы, участвующие при взаимодействии желатин-к-каррагинан.
2) Методом ИК-спектроскопии изучить изменения во вторичной структуре белка и полисахарида при взаимодействии с полисахаридом различных концентраций в широком диапазоне температур.
3) Методом диэлектрической спектроскопии оценить энергии активации гидратной воды биополимеров и их комплексов и сопоставить с данными ИК-спектроскопии.
4) Рассчитать геометрии и энергии взаимодействия белок-полисахарид и визуализировать энергетически наиболее выгодные комплексы с использованием программ AutoDock и Maestro праграммного пакета Schrodinger.
Научная новизна работы заключается в детальном описании особенностей микроструктуры исследуемых комплексов, также в определении спектральных детерминант для вторичных структур к- каррагинана.
Практическая значимость. Полученные в данной работе результаты позволяют характеризовать механизмы прочности гидрогелей при варьируемом соотношении к-каррагинана и желатина. Понимание молекулярного базиса взаимодействия желатина с полисахаридами может дать ключ к рациональному дизайну новых материалов с заданными свойствами. Практически результаты данной работы могут быть применены в инкапсулировании лекарственных препаратов и биологически активных веществ.
1) На основании анализа результатов взаимодополняющих методов ИК- спектроскопии, диэлектрической спектроскопии и молекулярного докинга предложена модель взаимодейстий молекул желатина и к- каррагинана в узлах сетки геля.
2) Согласно данной модели, при низком значении массового соотношения к-каррагинана к желатину (Z < 0.1 г / г) формируются комплексы тройных спиралей желатина и неупорядоченных цепей к-каррагинана.
3) При высоком значении массового соотношения к-каррагинана к желатину (Z > 0.1 г / г) формируются комплексы преимущественно из тройных спиралей желатина и двойных спиралей к-каррагинана.
