Автореферат (Суперспирализованные анизометрические фазы в системах биомиметиков и целлюлозе), страница 3

Ксерогель раствора ТФААС-5; а – коммутирующие струны; б «левые» спиральные струны формируют «правую» суперспиральИсследованная биомиметическая модель показывает, что спиральныесоединения спонтанно формируются также на промежуточном супрамолекулярном уровне, отвечающем, в частности, внутри и межклеточнойкоммутации. Два типа представленных на рисунке 2 суперспирализованныхструн демонстрируют два типа конструкций – заплетающихся совместно илинаплетающихся навстречу струн различного происхождения. В обоихслучаях взаимодействующими спиральными структурами формируетсявыделенное направление – механическая степень свободы, необходимыйэлемент конструкции молекулярных машин [6]; первый случай лучшесоответствует работе ферментов с характерными типами движения вактивных центрах, подобным щипцам или ножницам, второй – вдвигающимся нитям в сократительном аппарате скелетных мышц [6,9].Динамика роста анизометрических структур клеток оценивалась поэкспериментальным и расчетным значениям скорости сборки струны.Полученные оценки скорости роста струн в модельных системах позволилиоценить характерное время структурообразования в клетке, котороесоставляет ~ 10-1c.

Это означает что, фаза структурообразования не являетсялимитирующей, а время формирования внутриклеточных структур согласноБлюменфельду определяется временем выбора клеткой функциональнойпрограммы [6].12Таким образом, моделирование базовых молекулярных процессовсамоорганизации на примере биомиметиков выявляет траекторию переходанеживых структур в живые системы, существенным элементом которыхслужит формирование внутримолекулярных и межмолекулярных хиральных(спиральных) структур.Моделирование парных взаимодействий молекул ТФААСРанее было показано, что системах ТФААС-растворитель наблюдаетсясамопроизвольное образование квазиодномерных суперспирализованныхсупрамолекулярных агрегатов, струн [3].

Морфология образующихся гелей иксерогелей разнообразна, в связи с чем была разработана качественнаяклассификация наблюдающихся структур, оформленная в виде атласа.Для выявления особенностей стереоспецифического взаимодействияхиральных молекул методами МД был смоделирован процесс образованиянанокапель в растворах гелеобразующих ТФААС, составляющих одну изфракций дисперсной фазы.

По результатам молекулярного моделированиянаноразмерной фракции дисперсной фазы, наблюдаемой в разбавленныхрастворах ТФААС, проведен анализ энергий взаимодействия молекул.ПолныепотенциальныеэнергиивзаимодействиямеждумолекуламиТФААС, нормированные на пару молекул, приведены в таблице.Показано, что основной вклад в энергию взаимодействия вносятдисперсионные силы (UW), составляющие ¾ полной энергии взаимодействияпары молекул (таблица). При антипараллельной ориентации дипольныхмоментов молекул ТФААС, энергия их дисперсионной связи возрастает, чтосвидетельствует о комплементарном взаимодействии молекул.

При этом вбольшей части наблюдаемых пар дипольные моменты ориентированы антиколлинеарно. Показано, что существует два типа пар молекул. В первомслучае хиральные тетраэдры молекул вложены друг в друга так, что атомводорода хирального тетраэдра одной молекулы обращен к его основанию(образованному тяжелыми атомами). Такие пары, при конденсации за счет13образования анизометрических стопок комплементарных молекул, способныкбесконечномуанизотропномуростуиявляютсязародышамисупрамолекулярных струн. Во втором случае тетраэдры соединяются своимиоснованиями.

Такие пары не способны к неограниченному росту и являютсяизометрическими зародышами изотропного осадка.Таблица. Парные энергии (кДж/моль) диполь-дипольного (UD), электростатического (UQ) и дисперсионного (UW) взаимодействия молекул.системачисломолекулТФААС –растворительТФААС – ТФААСUQUWUDUQUWТФААС-4/16.1±2.6 -2.68±1.14 -17.7±2.9 -0.98±0.43 -0.35±0.20 -68.7±5.1циклогексанТФААС-4/гептан21.1±4.1 -6.11±1.19 -19.4±2.4 -1.11±0.47 -0.30±0.19 -60.8±4.1ТФААС-5/9.6±2.3циклогексан-3.65±1.31 - 9.1±2.3 -1.18±0.89 -0.51±0.28 -62.8±3.9ТФААС-5/гептан13.3±3.6 -4.38±1.32 -11.6±2.6 -1.15±0.66 -0.45±0.24 -54.8±4.6ТФААС-8/гептан12.0±2.2 -4.01±1.15 -14.4±2.3 -1.01±0.65 -0.29±0.22 -70.7±4.6Отметим,взаимодействиячтовэнергияпарахмежмолекулярногоТФААСлинейнозависитдисперсионногоотчислапар,составляющих поверхность контакта между молекулами и мало зависит оттого, какие именно атомы участвуют во взаимодействии. Это позволяетпроводитьфизическиеоценкиэнергиивзаимодействиямолекул,основываясь на площади их контакта, что использовано при анализе энергиивзаимодействия глюкопиранозных колец в нанофибриллах целлюлозы.Структурообразование в ксерогелях холестерина и эргостеролаЭкспериментально показано, что ксерогели холестерина содержатанизометрические супрамолекулярные структуры, которых нет в ксерогеляхэргостерола (рисунок 3).14Методом МД исследовано конформационное поведение молекулхолестерина и эргостерола.

Показано, что различия во внутримолекулярнойподвижности молекул может объяснить наблюдающиеся экспериментальноразличия в структурообразовании. Из представленных ван-дер-ваальсовыхповерхностей молекул (рисунок 4) видно, что структурные различия неявляются очевидно визуально определяемым признаком (RMSD = 0.47 Å).АБРисунок 3. ОМ, ксерогель холестерина (а) состоит из анизометрическихструктур, а в ксерогеле эргостерола (б) такие структуры не наблюдаются.Методом МД оценены дипольные моменты молекул холестерина иэргостерола, которые составили 2.5 ± 0.3 и 2.4 ± 0.2 Д для эргостерола ихолестерина, соответственно. Видно, что рассчитанные величины дипольныхмоментов с учетом погрешности практически не отличаются друг от друга.Следовательно,дальнодействующеедиполь-дипольноевзаимодействиемолекул вряд ли могло привести к существенным различиям в характере ихагрегации и структурообразовании.Методом МД оценены спектры времен жизни основного состоянияхиральных доменов молекул.

Поскольку переход между основным (кресло)и возбужденным (твист) конформациями легко термически активируется изза малости потенциального барьера (~2–3 кДж) [8], такие переходынаблюдаются в модели. Несмотря на то, что молекула пребывает большуючасть времени в основном состоянии, она периодически выходит из него.15Поэтому график зависимости числа периодов непрерывного существованиямолекулы в основном состоянии, от длины этого периода можнорассматриватькаккинетикумономолекулярногораспадаосновногосостояния. Характерное время этого процесса и было использовано вкачестве оценки среднего времени жизни соответствующего фрагментамолекулы в основном состоянии.

Отметим, что были проанализированыконформационныепереходытолькодлятакиххиральныхдоменовхолестерина и эргостерола, которые могут формировать вложенные димерыи комплементарные стопки и далее супрамолекулярные струны, то есть дляего наиболее объемной кольцевой части.Рисунок 4.

Пространственные структуры молекул холестерина (а) иэргостерола (б). Показаны ван-дер-ваальсовы поверхности.Полученные из расчётов молекулярной динамики средние временажизни в основном состоянии оказались равны для колец А в холестерине иэргостероле – 77 и 83 пс; колец D – 4 и 8 пс; для колец С – 71 и 13 пс,соответственно. Время жизни кольца С ядра молекулы холестерина восновном состоянии существенно превышает аналогичный показатель вмолекуле эргостерола, а также сопоставимо с временем вращательнойкорреляции молекулы как целого:t=Vη= 100 псkT16Это дает общее объяснение наблюдаемым различиям, так какобразование комплементарных пар возможно только в случае, если времяжизнивосновномсостояниисопоставимоилибольшевременивращательной релаксации молекулы.Обнаруженные различия в структуре холестерина и эргостеролапозволяют предположить функциональное различие между холестерином иэргостеролом: холестерин потенциально способен образовывать анизометрические структуры и обеспечивать коммутацию клеток животных, в то времякак клетки грибов были изначально лишены такой способности.

Указанноеразличие, возможно, объясняет отсутствие у представителей царства грибынастоящих тканей и специфическую топологию тела грибов, представленного мицелием. Последний можно рассматривать как решетку Бете, вотличиеоткомпактныхинамногоболеетесносвязанныхтелмногоклеточных животных.Все полученные на биомиметиках результаты главы 3 были положеныв основу физико-химической модели нитрования целлюлозы.Вчетвертойглавеописанабиофизическаямодельпроцессанитрования целлюлозы, построенная с учетом ее иерархической структуры,представленной как минимум, четырьмя хиральными уровнями.Механизм нитрованияПервыйхиральныйиерархическийуровень–этоуровеньмакромолекул, длиной от 10 000 остатков в хвойной, до 15 000 в хлопковойи 36 000 в льняной целлюлозе.

Цепочки уложены в виде 21-спиралей,которыеменяютсяна52-спираливпроцессенитрования [10].Макромолекулы собраны в кристаллические нанофибриллы – второйхиральный уровень, толщиной от 3–5 нм в древесной, до 5 – 6 нм в льнянойи 7 – 9 нм в хлопковой целлюлозе [10]. Например хвойная нанофибриллаимеетромбическоеилипрямоугольноесечениеисостоитиз24целлюлозных цепочек. Внутри нанофибрилл нет воды, лигнина и17гемицеллюлоз.

Нанофибриллы обладают спиральной симметрией, шагспирали составляет ~100 нм [10]. Третий иерархический уровень образуютсклеенные при помощи гемицеллюлоз и лигнина нанофибриллы –микрофибриллы. Толщина микрофибрилл ~30 – 40 нм и они также собраныв пучки. Микрофибриллы обладают спиральной симметрией и образуютклеточную стенку растения – четвертый хиральный уровень. Установлено,что целлюлоза сохраняет морфологию исходного растительного сырья нетолько в процессе делигнификации, но и при нитровании (рисунок 5).Рисунок 5. ЭМ, морфология хвойной целлюлозы послеоблагораживания (А) и нитрования (Б)Экспериментальная кинетика нитрования хвойной целлюлозы имеетРисунок 5.

ЭМ, морфология хвойной целлюлозы после облагораживания (А) идве стадии, быстрая, на которой степень замещения (СЗ) за 2 – 3 миннитрования (Б).достигает ~12.5 %, и медленная, на которой оставшиеся 0.5 – 1.0% азота"добираются"за25 – 30 мин (рисунок 6А).Двуэкспоненциальнаяаппроксимация кинетики дает характерные времена ~0.5 и ~10 мин. Приположительных температурах начальный участок кинетики нитрованияимеет выраженный линейный характер, а с ее уменьшением вся криваяприобретает линейный характер (рисунок 6Б).Такой вид кинетики отвечает нулевому порядку реакции и реализуетсяесли размеры и параметры зоны реакции не меняются со временем.

Этоможно объяснить эффективным нитрованием только в зоне раскручиванияэлементарных микрофибрилл. Энергия активации процесса нитрования18составляет EA ~ 46 кДж/моль и предэкспоненциальным множителем K0 ~4.5·105 с-1, что свидетельствует о кооперативности процесса. Посколькуреакция нитрования низкомолекулярных веществ является практическибезактивационной [11], полученная величина EA характеризует энергиювзаимодействия целлюлозных цепочек.