مرکز دانلود خلاصه کتاب و جزوات دانشگاهی

 

فصل اول

مقدمه

 

1-1- تئوري قفل و كليد

مفهوم برهم كنش مولكولي بسيار قديمي بوده و بوسيله مؤسسات يوناني و ايتاليايي استفاده شده است. در نيمه دوم قرن نوزدهم، ظهور نظريه‌هاي مدرن در مورد اين برهم كنش‌ها از ميان آزمايش‌هاي واندروالس در مطالعاتش پيرامون برهم كنش‌هاي مابين اتمها در حالت گازي آغاز شد و در سال 1894، فيشر نظريه مشهور «قفل و كليد[1]»اش را در مورد‌روش برهم كنش سوبسترا با آنزيم ارائه‌كرد(شکل‌1-1).

 

شکل 1-1: شمايي ارائه شده از مفهوم قفل و کليد فيشر در کمپلکس آنزيم – سوبسترا

 

براساس نظريه فوق، عمل خاص يك آنزيم با يك سوبسترا تنها مي‌تواند با استفاده از تشبيه قفل به آنزيم و كليد به سوبسترا توضيح داده شود. فقط وقتي كه كليد (سوبسترا) اندازه قفل باشد در درون سوراخ قفل (مكان فعال[2] آنزيم) جاي مي‌گيرد. كليدهاي كوچكتر، كليدهاي بزرگتر يا كليدهايي با دندانه‌هاي نامشابه (مولكولهاي سوبسترا با شكل و اندازه نادرست) در داخل قفل (آنزيم) جاي نخواهند گرفت (1). شکل 1-2 بخوبي اين موضوع را نشان مي دهد.

 

شکل 1-2 : نظريه قفل و کليد

در سيستم‌هاي زيستي، كمپلكس‌هاي مولكولي بواسطه‌ تعداد زيادي از برهم كنش‌هاي غير كووالانسي از قبيل پيوندهاي هيدروژني و پيوندهاي يوني تشكيل مي‌شوند. اگر چه اين برهم كنشها به تنهايي در مقايسه با پيوندهاي كووالانسي ضعيف مي‌باشند، ليكن تاثير همزمان اين پيوندها اغلب منجر به تشكيل كمپلكس‌هاي پايدار مي‌شود. برهم كنش‌هاي پيچيده مابين انواع مولكولها، شناخت مولكولها و توانايي تقليد از پيوندهای طبيعي، دانشمندان را براي مدت زمان طولاني مشغول كرده است. اين رويداد منجر به تشكيل رشته جديدي با عنوان شيمي تقليد زيستي[3] شده است. اصطلاح تقليد زيستي به وضعي گفته مي‌شود كه در آن فرايندهاي شيميايي از يك فرايند بيوشيميايي تقليد مي‌كنند، تا اینکه ساختارها و مكانيزم سيستمهاي زيستي شناخته شوند. دانشمندان در تلاش هستند كه اين دانش را به فنون سنتزي تبديل كنند. يكي از اين فنون سنتزي كه در دهه اخير مورد توجه واقع شده است، فن مولكول نگاري[4] مي‌باشد (1،2).

 

 

 

1-2- تاريخچه مولكول نگاري

در جهان به كرات اتفاق افتاده كه يك پديده موفقيت آميز شروع نااميد كننده اي داشته است و عرصه علم هم از اين امر استثناء نبوده و نيست. يكي از اين مسائل علمي كه شروع خوبي نداشته، روش مولكول نگاري مي‌باشد.

برای اولين بار مولکول نگاري در سال 1930 ميلادی بوسيله پولياکف[5] در بدست آوردن افزودني های گوناگون در يک ماتريس سيليکا مورد استفاده قرار گرفت. در دهه 1940 ميلادی لينوس پائولينگ (3) فرض کرد فرايندی شبيه مولکول نگاری مسئول انتخاب پادتن ها برای آنتي ژنهای مربوط شان مي باشند (شکل 1-3). پائولينگ براي توجيه توانايي شگفت‌انگيز سيستم ايمني بدن انسان در توليد پادتن‌هاي بسيار متفاوت، فرضيه‌اي را ارائه داد. برطبق اين فرضيه بدن انسان واحدهاي ساختماني سريع‌العملي را در اختيار دارد كه به محض حضور مولكول غير خودي در بدن، اين واحدها، مولكول غير خودي (مهاجم) را محاصره كرده و با گروههاي عاملي مناسب خود با آن برهم كنش مي‌دهند و سپس در همان وضعيت به هم متصل شده و يك قالب مولكولي را براي مولكول مهاجم به وجود مي‌آورند. تئوری فوق توسط فرانک ديکي[6] شاگرد پائولينگ، با انجام آزمايش هايي که جذب ويژه را برای چندين رنگ متفاوت در سيليکا نشان مي داد، تائيد شد. امروزه مشخص شده است که پادتن ها بر اساس نظريه اختصاصي بودن پاسخ ايمني توليد مي شوند. بر اساس اين نظريه، از برخورد هر ياخته با آنتي ژن مربوط، آن ياخته تکثير مي يابد و به مجموعه اي از ياخته هاي يکسان تبديل مي شود که فعاليت مشابهي را نشان مي دهند، لذا نظريه توليد پادتن انعطاف پذير در پاسخ به يک آنتي ژن اشتباه مي باشد.

 

شکل 1-3: تشکيل پادتن بر اساس نظريه پائولينگ A) تشکیل زنجير پلي پپتيد پادتن اطراف آنتي ژن B) زنجیر پلی پپتید پادتن شروع به لایه لایه شدن جهت تشکیل ساختار epitope می کند (c پادتن تشکیل می شود

ولي همين فرضيه اساس يك روش جالب را در جداسازي بنيان نهاد كه امروزه به نام روش مولكول نگاري معروف است.

در اين قسمت به طور مختصر در باره تاريخچه روش های مختلف مولکول نگاری بحث خواهيم کرد.

 

1-3- روش های مختلف مولکول نگاری

1-3-1- منقوش پذيري كووالانسي[7]

Wulff و همكارش، سنتز اولين گونه منقوش پذیر كووالانسي را در سال 1997 گزارش (4) كرده اند (شكل 1-4). آنها گونه مزدوج كووالانسي P- وينیل بنزوبرونيك اسيد با 4- نيتروفنيل -α-D مانوپيرانوسيد [8] به نسبت 2:1 ( مولكول الگو) سنتز نموده و عمل كوپليمريزاسيون اين محصول، با متيل متااكريلات و اتيلن دي متااكريلات ( بعنوان اتصال دهنده هاي عرضی) صورت گرفت. بعد از پليمريزاسيون، برونيك اسيد استر موجود در پليمر شكافته شده و 4 نيتروفنيل-α-D مانوپيرانوسيد ازپلیمر منتقل مي شود. دقيقا همان طور كه مي خواستند، پليمر حاصل قویاً و به طور گزينش پذير با اين قند پيوند مي دهد . پيكر بندي دو گروه برونيك اسيد در پليمر موجود ثابت نگه داشته شده و ساختار مولكول الگو حفظ مي شود. با روش مشابهی، Shea يك گونه مزدوج كتال بین گروه كربونيل مولکول الگو وگروه 1و3-ديول مونومر عاملي، سنتز نموده و اين گونه مزدوج كووالانسي را براي مولكول نگاري به كار برد (5).

شکل 1-4: منقوش پذيری کووالانسي مانوپيرانوسيد با استفاده از4- وينيل فنيل برونيک اسيد استر بعنوان مونومر عاملی

1-3-2- منقوش پذيري غير كووالانسي[9]

Mosbach و همكارانش نشان دادند كه پيوند كووالانسي بين مونومر عاملي و مولكول الگو الزاماً براي مولكول نگاري لازم نيستند. حتي بر هم كنش هاي غير كووالانسي بين آنها هم به مقدار كافي مفيدند (6و7). با مخلوط كردن گونه ها با همديگر، اتصال غير كووالانسي خيلي سريع تشكيل شده و مولكول نگاري به نحو مطلوبي انجام مي شود. براي مثال، برهمکنش حاصل در تشکیل کمپلکس بین متااكريليك اسيد ( بعنوان مونومر عاملي ) با داروی تئوفيلين ( مولكول الگو) از نوع الکتروستاتیک و پيوند هيدروژني می باشد ( شکل 1-5).

همين استراتژي براي مولكول نگاري دارو هاي مختلف، حشره كش ها و ديگر مواد شيميايي كه از نقطه نظر كاربردي مهم هستند، موفق بوده است. بسياري از كاركنان آزمايشگاهي، زماني كه ديدند كه روش ها آنقدر ساده هستند، شگفت زده شدند. آنها خيلي زود متقاعد شدند كه اين روش به طور خوشايندي براي گستره وسيعي از مولكولها به كار رود و شروع به استفاده از اين روش در آزمايشگاههاي نمودند.

 

1-3-3- هيبریداسیون منقوش پذيري كووالانسي و منقوش پذيري غير كووالانسي[10]

این روش مزاياي منقوش پذيري كووالانسي ( طبيعت روشن و واضح) و هم مزاياي منقوش پذيري غير كووالانسي ( پيوند سريع مولكول الگو ) را داراست (8). اتصال اولیه مولكول الگو با مونومر عاملي از نوع كووالانسي بوده ولي بعد از انتقال مولكول الگو از پليمر، جذب مجدد مولكول الگو و اتصال آن با گروههاي عاملي مونومر از طريق برهم كنش هاي غير كووالانسي صورت مي گيرد ( شكل 1-6). يكي از نقاط ضعف منقوش پذيري كووالانسي، اتصال آهسته اتصال و انتقال مولكول الگو از پلیمراست.

امروزه از روش مولكول نگاري به صورت گسترده براي قرار دادن مولكول هاي هدف در سايت های مورد نظر استفاده مي شود.

 

[1]Lock and key

[2]Active site

[3]Biomimetic chemistry

[4] Molecular imprinted

[5] MV Polyakov

[6] Frank Dickey

[7] Coval

فصل نهم

چالش ها و پیشرفت های اخیر

 

9-1- مقدمه

از آن جا که مولکول نگاری، یک مفهوم جامع بوده و به آسانی سنتز می شود، استراتژی های فراوانی برای افزایش کاربرد آن مورد بررسی و پیشنهاد قرار گرفته است. اگر چه مفاهیم اساسی از قبل، شناسایی شده و پلیمرهای فراوانی در حال حاضر برای کارهای عملی، مورد استفاده قرار می گیرند، اما هنوز تکنیک مولکول نگاری به پیشرفت خود ادامه می دهد. همان طور که مولکول هدف، اندازة آن از مولکولهای ساده به مولکولهای پیچیده‌تر تغییر یافته، استراتژی ها و مفاهیم نیز ارتقاء یافته اند. در این فصل مثال های معمولی چالش های اخیر برای ارتقای این تکنولوژی، معرفی شده است.

 

9 -2- مولکول نگاری در آب

MIPاغلب با پادتن های طبیعی مقایسه می شود. با این حال، هنوز اختلاف نظرهای زیادی بین آنها وجود دارد. یکی از این اختلافات، حلالی است که در آن پذیرنده ها با مولکول‌های هدف برهم کنش می‌دهند. حلال مناسب برای پلیمر منقوش حلالهای آلی است در حالیکه برای پادتن‌ها از آب هم می‌توان استفاده کرد. امروزه علم شیمی به سمت سیستم های غیرآلی و دارای پایه آبی هدایت می شود (شیمی سبز).

با این وجود، گزارش ها در مورد تشکیل پلیمرهای منقوش در سیستم های آبی، هنوزناچیز است.

مشکلات اصلی که مانع از تشکیل پلیمر منقوش در آب می‌شوند عبارتند از:

1- پیوندهای هیدروژنی که بین مولکول الگو و مونومر عاملی ایجاد می‌شود، به راحتی در آب به خاطر رقابت با این حلال، از بین می روند (1).

2- اتصال دهنده‌های عرضی که به راحتی در آب حل می‌شوند ( برای مثال N , N– متیلن بیس آکریل آمید[1])، توانایی ایجاد شبکه پلیمری قویی را ندارند از این رو، به عنوان فاز ساکن HPLC نمی‌توان از آنها استفاده کرد.

اولین مشکل به ماهیت پیوندهای هیدروژنی آب مربوط می شود. آب، خودش هم دهنده و هم گیرنده هیدروژن می باشد و پیوندهای هیدروژنی با الگو ها و مولکول های دیگر تشکیل می دهد.

چون مولکول های حلال، به مقدار زیادی وجود دارند، این مولکولها پیوند های هیدروژنی بین مولکول الگو و مونومر عاملی را از بین می‌برند. در این مورد، خواننده امکان دارد تعجب کند که چرا پادتن‌های طبیعی، آنزیم ها و DNA می‌توانند مولکول‌های هدف را دقیقاً از طریق ساختار پیوند هیدروژنی، حتی در آب، شناسایی کنند.

پاسخ این موضوع به طبیعت پلیمر برای تشکیل پیوند هیدروژنی بستگی دارد. در مولکول‌نگاری، مونومر و مولکول الگو نمی‌توانند در آب با هم بر هم کنش دهند. مشکل دوم برای کاربردهای عملی، مشکلی اساسی است. عامل اتصال دهنده عرضی اصلاح[2] شده در آب، خیلی موفقیت آمیز نیست. افزایش مولکول آروماتیک، این مشکل را برطرف کرده اما همزمان حلالیت را در آب کاهش می‌دهد. برای غلبه بر این مشکلات روش های جدید پیشنهاد شده است که در اینجا به برخی از آنها می پردازیم.

چند مثال:

9 -2-1- اثر آب گریزی روی بر هم کنش مونومرهای عاملی و مولکول الگو در آب

در اینجا واکنشهای آبگریز در مقابل پیوند هیدروژنی آب قرار دارند. با انتخاب مونومرهای عاملی مناسب، می توان با استفاده از واکنشهای آبگریز، این ترکیبات را برای تشکیل در آب مورد استفاده قرار داد. سیکلودکسترین ها[3] ( CyDs ) ( الیگمرهای حلقوی واحدهای گلوکز )، گزینه های مناسبی برای این هدف هستند: آن ها دارای حفره های غیر قطبی بوده (5 تا °A8 قطر داخلی و A°7 ارتفاع) و کمپلکس‌هایی با ترکیبات غیر قطبی، در آب تشکیل می دهند (2). با اضافه کردن چندین سیکلو دکسترین یک ترکیب آبگریز تشکیل شده که قادر است با مولکول هدف نیز بر هم کنش دهد.

مثال9-1: تهیه پلیمرهای CyD منقوش پذیر(شکل 9-1) (3)

مونومر وینیلی CyD توسط واکنش جایگزینی استر، – m نیتروفینل آکریلات با CyD–β یا CyD - α در آب سنتز می شود. پلیمرهای منقوش توسط یک کوپلیمریزاسیون رادیکالی در آب، تهیه می‌شوند. این عمل توسط مونومر وینیلی CyD با –N , N متیلن بیس آکریل آمید (MBAA) به عنوان اتصال دهنده عرضی در حضور الگوهای گوناگون انجام می شود: اکریلول[4]CyD (300 میکرومول) و الگو (150 میکرومول)، در 15 میلی لیتر از محلول بافر تریس (Tris)، حل می شوند. بعد از چند دقیقه به هم زدن، عمل پلیمریزاسیون با اضافه کردن MBAA ( 3 میلی مول) و پرسولفات پتاسیم (35 میلی گرم) تحت شرایط نیتروژن و در دمای 50 درجه سانتی گراد آغاز می‌شود. با پیشرفت فرآیند پلیمریزاسیون، محلول تیره می شود. بعد از 2 ساعت هم زدن، رسوب سفید حاصله، جمع آوری شده و با مقدار زیادی آب داغ و استون شستشو داده می شود.

 

[1]N , N – methyenbisacryl amide

[2]Modified

[3]Cyclodextrins

[4]Acryloyl

 

ent imprinting

[8]nitrophenyl-α-D-mannopyranoside

[9] Non-covalent imprinting

[10]Hybridization of covalent imprinting and non – covalent imprinting