دانلود پایان نامه رشته شیمی - مولکول نگاری پلیمری سنتز و کاربرد آن در استخراج با فرمت ورد

فصل اول

مقدمه

1-1- تئوری قفل و کلید

مفهوم برهم کنش مولکولی بسیار قدیمی بوده و بوسیله مؤسسات یونانی و ایتالیایی استفاده شده است. در نیمه دوم قرن نوزدهم، ظهور نظریه‌های مدرن در مورد این برهم کنش‌ها از میان آزمایش‌های واندروالس در مطالعاتش پیرامون برهم کنش‌های مابین اتمها در حالت گازی آغاز شد و در سال 1894، فیشر نظریه مشهور «قفل و کلید»اش را در مورد‌روش برهم کنش سوبسترا با آنزیم ارائه‌کرد.

براساس نظریه فوق، عمل خاص یک آنزیم با یک سوبسترا تنها می‌تواند با استفاده از تشبیه قفل به آنزیم و کلید به سوبسترا توضیح داده شود. فقط وقتی که کلید (سوبسترا) اندازه قفل باشد در درون سوراخ قفل (مکان فعال آنزیم) جای می‌گیرد. کلیدهای کوچکتر، کلیدهای بزرگتر یا کلیدهایی با دندانه‌های نامشابه (مولکولهای سوبسترا با شکل و اندازه نادرست) در داخل قفل (آنزیم) جای نخواهند گرفت (1). شکل 1-2 بخوبی این موضوع را نشان می دهد.

در سیستم‌های زیستی، کمپلکس‌های مولکولی بواسطه‌ تعداد زیادی از برهم کنش‌های غیر کووالانسی از قبیل پیوندهای هیدروژنی و پیوندهای یونی تشکیل می‌شوند. اگر چه این برهم کنشها به تنهایی در مقایسه با پیوندهای کووالانسی ضعیف می‌باشند، لیکن تاثیر همزمان این پیوندها اغلب منجر به تشکیل کمپلکس‌های پایدار می‌شود. برهم کنش‌های پیچیده مابین انواع مولکولها، شناخت مولکولها و توانایی تقلید از پیوندهای طبیعی، دانشمندان را برای مدت زمان طولانی مشغول کرده است. این رویداد منجر به تشکیل رشته جدیدی با عنوان شیمی تقلید زیستی شده است. اصطلاح تقلید زیستی به وضعی گفته می‌شود که در آن فرایندهای شیمیایی از یک فرایند بیوشیمیایی تقلید می‌کنند، تا اینکه ساختارها و مکانیزم سیستمهای زیستی شناخته شوند. دانشمندان در تلاش هستند که این دانش را به فنون سنتزی تبدیل کنند. یکی از این فنون سنتزی که در دهه اخیر مورد توجه واقع شده است، فن مولکول نگاری می‌باشد (1،2).

 1-2- تاریخچه مولکول نگاری

در جهان به کرات اتفاق افتاده که یک پدیده موفقیت آمیز شروع ناامید کننده ای داشته است و عرصه علم هم از این امر استثناء نبوده و نیست. یکی از این مسائل علمی که شروع خوبی نداشته، روش مولکول نگاری می‌باشد.

برای اولین بار مولکول نگاری در سال 1930 میلادی بوسیله پولیاکف در بدست آوردن افزودنی های گوناگون در یک ماتریس سیلیکا مورد استفاده قرار گرفت. در دهه 1940 میلادی لینوس پائولینگ (3) فرض کرد فرایندی شبیه مولکول نگاری مسئول انتخاب پادتن ها برای آنتی ژنهای مربوط شان می باشند (شکل 1-3). پائولینگ برای توجیه توانایی شگفت‌انگیز سیستم ایمنی بدن انسان در تولید پادتن‌های بسیار متفاوت، فرضیه‌ای را ارائه داد. برطبق این فرضیه بدن انسان واحدهای ساختمانی سریع‌العملی را در اختیار دارد که به محض حضور مولکول غیر خودی در بدن، این واحدها، مولکول غیر خودی (مهاجم) را محاصره کرده و با گروههای عاملی مناسب خود با آن برهم کنش می‌دهند و سپس در همان وضعیت به هم متصل شده و یک قالب مولکولی را برای مولکول مهاجم به وجود می‌آورند. تئوری فوق توسط فرانک دیکی شاگرد پائولینگ، با انجام آزمایش هایی که جذب ویژه را برای چندین رنگ متفاوت در سیلیکا نشان می داد، تائید شد. امروزه مشخص شده است که پادتن ها بر اساس نظریه اختصاصی بودن پاسخ ایمنی تولید می شوند. بر اساس این نظریه، از برخورد هر یاخته با آنتی ژن مربوط، آن یاخته تکثیر می یابد و به مجموعه ای از یاخته های یکسان تبدیل می شود که فعالیت مشابهی را نشان می دهند، لذا نظریه تولید پادتن انعطاف پذیر در پاسخ به یک آنتی ژن اشتباه می باشد.

ولی همین فرضیه اساس یک روش جالب را در جداسازی بنیان نهاد که امروزه به نام روش مولکول نگاری معروف است.

در این قسمت به طور مختصر در باره تاریخچه روش های مختلف مولکول نگاری بحث خواهیم کرد.

 1-3- روش های مختلف مولکول نگاری

1-3-1- منقوش پذیری کووالانسی

Wulff و همکارش، سنتز اولین گونه منقوش پذیر کووالانسی را در سال 1997 گزارش (4) کرده اند (شکل 1-4). آنها گونه مزدوج کووالانسی P– وینیل بنزوبرونیک اسید با 4- نیتروفنیل –α–D مانوپیرانوسید  به نسبت 2:1 ( مولکول الگو) سنتز نموده و عمل کوپلیمریزاسیون این محصول، با متیل متااکریلات و اتیلن دی متااکریلات ( بعنوان اتصال دهنده های عرضی) صورت گرفت. بعد از پلیمریزاسیون، برونیک اسید استر موجود در پلیمر شکافته شده و 4 نیتروفنیل- α-D مانوپیرانوسید از پلیمر منتقل می شود. دقیقا همان طور که می خواستند، پلیمر حاصل قویاً و به طور گزینش پذیر با این قند پیوند می دهد . پیکر بندی دو گروه برونیک اسید در پلیمر موجود ثابت نگه داشته شده و ساختار مولکول الگو حفظ می شود. با روش مشابهی، Shea یک گونه مزدوج کتال بین گروه کربونیل مولکول الگو وگروه 1و3-دیول مونومر عاملی، سنتز نموده و این گونه مزدوج کووالانسی را برای مولکول نگاری به کار برد (5).

1-3-2- منقوش پذیری غیر کووالانسی

Mosbach و همکارانش نشان دادند که پیوند کووالانسی بین مونومر عاملی و مولکول الگو الزاماً برای مولکول نگاری لازم نیستند. حتی بر هم کنش های غیر کووالانسی بین آنها هم به مقدار کافی مفیدند (6و7). با مخلوط کردن گونه ها با همدیگر، اتصال غیر کووالانسی خیلی سریع تشکیل شده و مولکول نگاری به نحو مطلوبی انجام می شود. برای مثال، برهمکنش حاصل در تشکیل کمپلکس بین متااکریلیک اسید ( بعنوان مونومر عاملی ) با داروی تئوفیلین ( مولکول الگو) از نوع الکتروستاتیک و پیوند هیدروژنی می باشد ( شکل 1-5).

همین استراتژی برای مولکول نگاری دارو های مختلف، حشره کش ها و دیگر مواد شیمیایی که از نقطه نظر کاربردی مهم هستند، موفق بوده است. بسیاری از کارکنان آزمایشگاهی، زمانی که دیدند که روش ها آنقدر ساده هستند، شگفت زده شدند. آنها خیلی زود متقاعد شدند که این روش به طور خوشایندی برای گستره وسیعی از مولکولها به کار رود و شروع به استفاده از این روش در آزمایشگاههای نمودند.

 1-3-3- هیبریداسیون منقوش پذیری کووالانسی و منقوش پذیری غیر کووالانسی

این روش مزایای منقوش پذیری کووالانسی ( طبیعت روشن و واضح) و هم مزایای منقوش پذیری غیر کووالانسی ( پیوند سریع مولکول الگو ) را داراست (8). اتصال اولیه مولکول الگو با مونومر عاملی از نوع کووالانسی بوده ولی بعد از انتقال مولکول الگو از پلیمر، جذب مجدد مولکول الگو و اتصال آن با گروههای عاملی مونومر از طریق برهم کنش های غیر کووالانسی صورت می گیرد ( شکل 1-6). یکی از نقاط ضعف منقوش پذیری کووالانسی، اتصال آهسته اتصال و انتقال مولکول الگو از پلیمراست.

امروزه از روش مولکول نگاری به صورت گسترده برای قرار دادن مولکول های هدف در سایت های مورد نظر استفاده می شود.

فصل دوم

 اهمیت مولکولهای پذیرنده درعلم و تکنولوژی پیشرفته

2-1-مقدمه

ما می دانیم در گازها ومایعات (نه جامدات) بیشتر مولکولها به طور تصادفی حرکت می کنند. هیچ مولکولی با مولکول اطرافش ارتباطی نداشته و هر طور که می خواهد رفتار می کند. کمپلکس های بین مولکولی فقط از طریق برخوردهای تصادفی به وجود آمده و عمر این کمپلکس ها بسیار ناچیز است و همچنین غلظت آنها در مایعات (یا گازها) تقریبا برابر صفر است. به هر حال، بعضی از مولکولها (مولکولهای پذیرنده) دقیقا بین یک مولکول و مولکول دیگر تفاوت قائل می شوند. آنها به صورت گزینشی جفت مولکولی خود را از میان تعدادی مولکول موجود در سیستم انتخاب میکنند و یک کمپلکس غیرکووالانسی با این مولکول می سازند. این کمپلکس ها به اندازه کافی پایدار بوده و غلظت تعادلی آنها قابل توجه است. دراینجا تمام مولکولها به جز مولکول جفت کاملا کنارگذاشته میشوند، درست همان طور که ما به سادگی دوستمان را حتی در شلوغی ورودی ایستگاه پیدا می کنیم و با او به رستوران میرویم. درکمپلکس های غیر کووالانسی همانند واکنش های آنزیمی, واکنش با حضور کاتالیزور اتفاق می افتد. این قدرت تشخیص میان مولکولها تشخیص مولکولی نامیده می شود.

در علم وتکنولوژی امروزی، اهمیت پذیرنده ها و تشخیص مولکولی به سرعت رشد کرده است. این رشد اساسا به این خاطر است که یک مولکول در حال حاضر یک واحد عملگر بوده و فقط نقش خود را ایفا میکند. برای ایجاد سیستمهای رضایت بخش تحت این شرایط، باید تعدادی مولکول را در شرایطی از پیش تعیین شده کنار هم بگذاریم و اجازه دهیم هر کدام کار خودش را انجام دهد. البته در اینجا همه مولکولها باید بدانند که مولکولهای مجاور آنها چه هستند، چه خصوصیات فیزیکوشیمیایی دارند و هر کدام از این مولکولها در هر لحظه چه می کنند. اخیرا روش مولکول نگاری برای فراهم آوردن پذیرنده های چند کاره که موثر و اقتصادی هستند توسعه یافته است. به طور کلی حرکات مولکولی در یک ساختار پلیمری ساکن شده و به همین دلیل آنها به طرز مطلوبی تثبیت شده اند. این شیوه، منحصر به فرد و چالش برانگیز است و در حال حاضر پیش بینی حوزه کاربردهای آن مشکل است. در این فصل پیرامون پذیرنده های طبیعی و مصنوعی بحث خواهیم کرد.

 2-2- پذیرنده های طبیعی

مولکولها و سلولهای زیادی در بدن ما وجود دارد و همه آنها به نحو بسیار منطقی با هم همکاری می کنند. بدون این همکاری و درک متقابل، ما زنده نمی مانیم. بنابراین تشخیص مولکولی برای وجود زندگی، حیاتی است. برای مثال، پذیرنده های روی سطح غشای سلولی، هورمونها را به هم پیوند میدهند و مسئول ارتباطات بین سلولی هستند. زمانی که پذیرنده ها، هورمونها را پیوند می دهند، ساختارشان تغییر میکند، پیام هورمون (برای مثال: کمبود گلوگز در بدن) از طریق این تغییر ساختاری به سلول منتقل می شود. حال که سلول می داند در آن لحظه بدن چه چیزی لازم دارد، عکس العمل زیستی مربوط را انجام داده تا به این نیاز به طور مناسب پاسخ دهد. در مثال بالا، گلیکوژن هیدرولیز شده وگلوکز برای بدن تامین می گردد. مهمترین عامل در این سیستمها این است که یک پذیرنده فقط و فقط یک هورمون مشخص را قبول میکند و هیچ برهم کنش خاصی با دیگر هورمونها ندارد. علاوه براین، برهم کنش هورمون-پذیرنده به شدت قوی است. بنابراین حتی مقدار کمی از هورمون هم می تواند اطلاعات را دقیقا به سلول هدف انتقال دهد، بدون آنکه ارتباط بین سلولها را قطع کند. به عبارت دیگر، اتصال اختصاصی پادتن برای پاسخ مصون بسیار مهم است. پروتئین ها در بدن ما مانند پلیس گشت می زنند تا مواد خارجی (آنتی ژنها )که وارد بدن میشوند را گرفته و به لیزوزوم (سلول اورگانیل) تحویل دهند تا در آنجا از بین برود تا بدن با موفقیت محافظت شود. همانطور که ما انتظار داریم، تمایز قائل شدن یک پادتن بین آنتی ژن هدف (و همچنین مواد خارجی و درونی بدن) باید کاملا مشخص باشد. از طرفی، آنزیمها هم خاصیت واکنش دهندگی زیادی از خود نشان می دهند، هر کدام از آنها منحصرا یک سوبسترای مشخص را انتخاب می کند و آن را به محصولی از پیش تعیین شده تبدیل می کند و همه ترکیبات دیگر سیستم دست نخورده باقی می مانند. آنزیم دیگر، سوبسترای خاص و ماموریت دیگری را انتخاب می کند. علاوه بر این فقط سوبسترای مشخص به صورت موثر به محصول مورد نظر تبدیل می شود، زیرا اسید آمینه های باقی مانده از آنزیم که از لحاظ کاتالیزوری فعال هستند و در مجاورت سایت های اتصال سوبسترا قرار گرفته، فقط برای این انتقال و متناسب با آن آماده شده اند. اطلاعات مفصل در مورد تشخیص مولکولی در طبیعت هم اکنون با بلور شناسی اشعه X و NMR مهیاست (1).

سایت های اتصال سوبسترا- آنزیم، شکافها یا بسته های غیر قطبی بوده که از باقیمانده تعدادی اسید آمینه تشکیل شده اند. گروههای عاملی فراوانی (OH ,NH2– ایمیدازول شاخه اصلی گروههای آمیدی و موارد دیگر ) وجود دارند که دقیقا برای واکنش با گروههای عاملی یک سوبسترای خاص در آنجا قرار گرفته اند. برای مثال یون آمونیوم یک آنزیم بر هم کنش کلمبی با یون کربوکسیلات با بار منفی، ازسوبسترای مخصوص انجام داده و یک پیوند هیدروژنی بین OH باقیمانده آنزیم و سوبسترا تشکیل می شود. تمام این برهم کنش ها به طور رضایت بخش و با هم، فقط برای سوبسترای خاص عمل میکنند و یک کمپلکس غیر کووالانسی پایدار را تشکیل می دهند.