Кіріспе

Полимерлік конформация, онда барлық байланысқан кішібірліктер кездейсоқ бағытта орналасқан. Полимер химиясында, кездейсоқ орам – мономерлік кішібірліктердің көршілес бірліктермен байланысқан күйде кездейсоқ бағытта орналасуымен сипатталатын полимерлердің конформациясы. Бұл нақты бір пішін емес, макромолекулалар популяциясындағы барлық тізбектерге қатысты пішіндердің статистикалық таралуы. Конформацияның атауы, егер ешқандай нақты, тұрақтандыратын өзара әрекеттесулер болмаса, полимер тізбегінің барлық мүмкін конформацияларды кездейсоқ түрде "зерттеуі" идеясынан туындаған. Көптеген тармақталмаған, сызықтық гомополимерлер – ерітіндіде немесе олардың балқу температурасынан жоғары температурада – (шамамен) кездейсоқ орам түріне енеді.

Кездейсоқ жүріс моделі: Гаусс тізбегі

Тізбекті салыстырмалы түрде тығыз пішінде бүрудің сансыз көп әртүрлі жолдары бар, мысалы, көптеген бос кеңістігі бар жіп орамы сияқты, ал салыстырмалы түрде аздаған жолдары ғана оны созуға мүмкіндік береді. Егер әрбір конформация тең ықтималдыққа немесе статистикалық салмаққа ие болса, тізбектердің шар тәрізді болуы олардың созылуынан гөрі әлдеқайда мүмкін. Сондықтан, тізбектер жиынтығында олардың көпшілігі еркін түйіліп жатады. Бұл олардың кез келгенінің көп уақыт бойы сақталатын пішіні. Сызықтық полимерді N буыннан тұратын, әрқайсысы ұзындығы бар еркін біріктірілген тізбек деп қарастырайық, олар нөлдік көлемді алады, сондықтан тізбектің ешбір бөлігі басқасын кез келген жерден шығарып тастамайды. Мұндай тізбектер жиынтығындағы әрбір сегментті үш өлшемде кездейсоқ қозғалыс (немесе "кездейсоқ ұшу") жасайтын ансамбль деп қарастыруға болады, бұл тек әр сегменттің көршілеріне қосылуы керек деген шектеумен ғана шектеледі. Бұл – тізбектің математикалық моделі. Егер әрбір мүмкін тізбек конформациясының бірдей статистикалық салмағы бар деп есептесек, полимер тізбегінің популяциядағы ұштары арасындағы r қашықтығының P(r) ықтималдығы формуламен сипатталатын ерекше таралымға бағынатынын көрсетуге болады, мұнда – орташа мәні. Тізбектің ұштары арасындағы орташа (квадраттық орташа) қашықтық , N-нің квадрат түбіріне тең болып шығады. Басқаша айтқанда, орташа қашықтық N 0.5-ке пропорционалды.

Нағыз полимерлер

Нағыз полимер еркін буыны жоқ. C C бірлік байланысының тетраэдрлік бұрышы 109,5 градусқа тең. L мәні, мысалы, толық созылған полиэтилен немесе нейлон үшін анықталған, бірақ зигзаг тізбегінің салдарынан N x l-ден кіші. Дегенмен, көптеген тізбек байланыстары еркін айналады. Жоғарыдағы модельді жақсартуға болады. Ұзын, "тиімді" бірлік ұзындығын анықтауға болады, онда тізбек еркін буыны деп есептелуі мүмкін, сонымен қатар кішірек N мәнін пайдалануға болады, осылайша L = N x l шарты орындалады. Бұл да Гаусс таралуын береді. Алайда, нақты жағдайларды да дәл есептеуге болады. Еркін айналатын (еркін буыны жоқ) полиметиленнің (әрбір С С-ті кіші бірлік ретінде қарастыратын полиэтиленнің) шеттен шетке дейінгі орташа қашықтығы l еселенген 2N-нің квадрат түбіріне тең, бұл шамамен 1,4 есеге артады. Кездейсоқ жүріс есептеуіндегі нөлдік көлемнен айырмашылығы, барлық нақты полимерлердің сегменттері атомдарының ван дер Ваальс радиустары және байланыс айналымына кедергі келтіретін ірі топтардың болуына байланысты кеңістікті иеленеді. Бұл да есептеулерде ескерілуі мүмкін. Мұндай барлық факторлар шеттен шетке дейінгі орташа қашықтықты арттырады. Полимерленуі стохастикалық түрде жүзеге асырылатындықтан, синтетикалық полимерлердің кез келген нақты популяциясындағы тізбек ұзындығы статистикалық таралымды сақтайды. Бұл жағдайда N-ді орташа мән ретінде қабылдау керек. Сонымен қатар, көптеген полимерлер кездейсоқ тармақталады. Тіпті жергілікті шектеулерді ескерген жағдайда да, кездейсоқ жүріс моделі тізбектер арасындағы және тізбектің алыс бөліктері арасындағы стерикалық кедергілерді елемейді. Тізбек көбінесе берілген конформациядан жақын конформацияға кішкентай орын ауыстыру арқылы өте алмайды, себебі оның бір бөлігі басқа бөлігінен немесе көршісінен өтуі керек. Дегенмен, идеалды тізбек, кездейсоқ орама моделінің ерітіндідегі және аморфты күйдегі нақты полимерлердің пішіндері мен өлшемдерінің кем дегенде сапалық сипаттамасы болатынына үміттене аламыз, егер мономерлер арасындағы физикалық-химиялық өзара әрекеттесулер әлсіз болса. Бұл модель және Пол Флори 1974 жылы химия бойынша Нобель сыйлығын алған Флори-Хэггинс ерітінді теориясы тек идеалды, сұйылтылған ерітінділерге ғана қолданылады. Бірақ, (мысалы, нейтрондық дифракциялық зерттеулер) алынып тасталған көлемдік әсерлерді жоюға болады, сондықтан белгілі бір жағдайларда аморфты полимерлердегі тізбек өлшемдері шамамен идеалды, есептелген өлшемге ие. Құрт тәрізді тізбек моделімен спиральды полипептидтер, кевлар және қос спиральды ДНК сияқты қатаң полимерлерді қарастыруға болады. Тіпті әртүрлі ұзындықтағы мономерлері бар сополимерлер де, егер кіші бірліктерде ешқандай нақты өзара әрекеттесу болмаса, кездейсоқ орамалар түрінде таралады. Бұтақты полимерлердің бөліктері де кездейсоқ орамалар түрінде болуы мүмкін. Балқу температурасынан төмен термопластикалық полимерлердің көпшілігі (полиэтилен, нейлон және т.б.) аморфты аймақтарға ие, онда тізбектер кездейсоқ орамаларға жуықтап, кристалдық аймақтармен ауысып тұрады. Аморфты аймақтар серпімділікке, ал кристалдық аймақтар беріктікке және қатаңдыққа үлес қосады. Белгілер сияқты күрделі полимерлер, олардың тізбегіне әртүрлі өзара әрекеттесетін химиялық топтар қосылған, өздігінен жақсы анықталған құрылымдарға жиналады. Бірақ протеиндер мен екінші құрылымы жоқ полипептидтердің сегменттері көбінесе кездейсоқ орама конформациясын көрсетеді деп есептеледі, онда жалғыз тұрақты байланыс - пептидтік байланыс арқылы жанындағы аминқышқылдарының қалдықтарының бірігуі. Бұл шындықта емес, себебі ансамбль аминқышқылдарының жанама тізбектерінің өзара әрекеттесуіне байланысты энергиямен салмақталады, ал төмен энергиялы конформациялар жиі кездеседі. Сонымен қатар, тіпті аминқышқылдарының кездейсоқ тізбектері де кейбір сутекті байланыстар мен екінші құрылымды көрсетуге бейім. Осы себепті кейде "статистикалық орама" термині қолданылады. Кездейсоқ ораманың конформациялық энтропиясы белоктың бүктелуін тұрақтандырады және белоктың бүктелуіне қарсы тұратын негізгі еркін энергия үлесін білдіреді.

Спектроскопия

Кездейсоқ катушканың конформациясы спектроскопиялық әдістер арқылы анықталуы мүмкін. Планарлық амид байланыстарының орналасуы дөңгелек дихроизмде ерекше сигналға алып келеді. Ядролық магниттік резонанста (ЯМР) кездейсоқ катушка конформациясындағы аминқышқылдарының химиялық ығысуы жақсы белгілі. Осы белгілерден ауытқулар толық кездейсоқ катушка емес, қандай да бір екінші құрылымның болуын көрсетеді. Сонымен қатар, көп өлшемді ЯМР эксперименттерінде полипептидтердің кездейсоқ катушка конформациясында тұрақты, жергілікті емес аминқышқылдық өзара әрекеттесулердің жоқтығын көрсететін сигналдар бар. Сондай-ақ, кристаллографиялық эксперименттер нәтижесінде алынған бейнелерде кездейсоқ катушка сегменттері "электрондық тығыздық" немесе контрасттың төмендеуіне себеп болады. Кез келген полипептидтік тізбек үшін кездейсоқ оралған күйге жүйені денатурациялау арқылы қол жеткізуге болады. Дегенмен, ақуыздар тіпті денатурацияланғанда да ешқашан толық кездейсоқ катушка болып табылмайды деген дәлелдер бар (Шортл және Акерман).