Самоорганизация полимеров - Реферат

Известно, что многие макромолекулы, содержащие атомные группы различной химической природы, способны самопроизвольно образовывать сложные трехмерные ансамбли. Это явление называется самоорганизация. В живом мире примеров подобной самоорганизации не перечесть, это и вирусы, и рибосомы, и белковые волокна, и мембраны, и ферментные комплексы. В повседневной практике мы часто сталкиваем с явлением самоорганизации молекул, например когда имеем дело с водными растворами моющих средств. Поскольку две части с резко различающейся растворимостью химически связаны между собой, возникающий между ними "конфликт интересов" может быть разрешен путем объединения нескольких молекул в мицеллярный агрегат, внешняя оболочка которого состоит из контактирующих с водой полярных групп, а внутренняя область (ядро) заполнена неполярными группами и практически не содержит воды .Поскольку группы А и В входят в состав одной и той же молекулы и именно характер их взаимодействия диктует в конечном итоге специфику поведения системы, соответствующие молекулы иногда называют молекулами с тандемным взаимодействием. Поскольку в рассмотренных полимерах каждое звено обладает зарядом (такие макромолекулы называют сильно заряженными), кулоновские взаимодействия приводят к отталкиванию одноименно заряженных звеньев. При низких PH их звенья не заряжены, однако при добавлении щелочи (NAOH) цепи приобретают заряд, величину которого легко регулировать концентрацией NAOH. Тем самым можно плавно переходить от слабо заряженных к сильно заряженным полиэлектролитам и, следовательно, менять баланс сил притяжения и отталкивания между группами А и В типов. В статистических сополимерах (г) звенья двух типов расположены в цепи хаотически, именно они составляют основу промышленного производства сополимеров.Так, одинаковые белковые молекулы, взаимодействуя между собой за счет слабых сил, образуют геометрически регулярные структуры (спирали, кольца, гексагональные формы), которые упаковываются в плоские слои или трубки. Похожим образом можно реконструировать in vitro вирус табачной мозаики, просто смешав в растворе вирусные белок и РНК: сначала возникают белковые структуры в виде двойных колец, а затем они “нанизываются” на молекулу РНК. Более того, спиральные конформации этих макромолекул фиксируются уже на молекулярном уровне; две молекулы, как правило, образуют совместную двойную спираль. Для таких плоских пар их контакты друг с другом при укладке в стопку (стэкинг) оказываются энергетически более выгодными, чем их контакты с растворителем - водой, между лежащими друг над другом основаниями возникает так называемое (стэкинг) взаимодействие. Поэтому две взаимно комплементарные молекулы ДНК (у которых основанию А в одной цепи соответствует Т в другой, а основанию Г соответствует Ц) образуют регулярную двойную спираль, в которой основания связаны водородными связями в пары, пары уложены в стопку, а сахаро-фосфатные остовы двумя винтовыми линиями обвивают стопку.

Содержание

Введение

1 Самоорганизация.

1.1. Самоорганизация синтетических полимеров.

1.2. Самоорганизация в живой природе.

1.

Известно, что многие макромолекулы, содержащие атомные группы различной химической природы, способны самопроизвольно образовывать сложные трехмерные ансамбли. Это явление называется самоорганизация. В живом мире примеров подобной самоорганизации не перечесть, это и вирусы, и рибосомы, и белковые волокна, и мембраны, и ферментные комплексы. Все они не синтезируются целиком, а собираются из макромолекулярных субъединиц. Известно также, что многие синтетические полимеры тоже способны организовывать сложные структуры. Эти структуры представляют огромный практический интерес. В настоящее время процессы самоорганизации интенсивно изучаются. Огромную роль в этом играют методы компьютерного моделирования.

В повседневной практике мы часто сталкиваем с явлением самоорганизации молекул, например когда имеем дело с водными растворами моющих средств. Обычные мыла способны образовывать в водном окружении агрегаты или кластеры различной формы. Простейшим агрегатом является мицелла - устойчивая группа из нескольких десятков молекул, например н-октаноата калия. Это соединение представляет собой типичную амфифильную молекулу (от греч. амфи, означающего "с двух сторон", и фило - "любящий"). В ее состав входит углеводородный "хвост" CH3(CH2 )7-, лишь незначительно растворимый в воде, и полярная "голова" которая обладает прекрасной растворимостью. Поскольку две части с резко различающейся растворимостью химически связаны между собой, возникающий между ними "конфликт интересов" может быть разрешен путем объединения нескольких молекул в мицеллярный агрегат, внешняя оболочка которого состоит из контактирующих с водой полярных групп, а внутренняя область (ядро) заполнена неполярными группами и практически не содержит воды . Таким образом, каждая из частей амфифила попадает в благоприятное окружение. При подходящих концентрациях и температурах процесс молекулярной сборки протекает самопроизвольно, а формировавшаяся супрамолекулярная структура термодинамически стабильна.

Мыла - это лишь частный пример гораздо более широкого класса веществ, способных к самоорганизации. Особое место в этом ряду занимают различные типы ассоциирующих полимерных макромолекул, устроенных подобно обычным амфифилам и поэтому проявляющие сходное поведение. Однако формы самоорганизации полимеров могут быть гораздо более разнообразными. Варьируя химическое строение синтезируемых макромолекул, природу и распределение функциональных групп, удается гибко управлять процессом молекулярной сборки, добиваясь получения сложных регулярных наноструктур с уникальными свойствами.

Целью данной работы является обзор проблем, связанных с явлением самоорганизации полимеров, а также методов исследования процессов самоорганизации. В частности остановимся на компьютерном моделировании.