Диссертация (Суперспирализованные анизометрические фазы в системах биомиметиков и целлюлозе)

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИИНАУКИ ИНСТИТУТ ХИМИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ ИМ. Н.Н. СЕМЕНОВАРОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУКНа правах рукописиМИХАЛЕВА МАРИЯ ГЕННАДЬЕВНАСУПЕРСПИРАЛИЗОВАННЫЕ АНИЗОМЕТРИЧЕСКИЕ ФАЗЫ ВСИСТЕМАХ БИОМИМЕТИКОВ И ЦЕЛЛЮЛОЗЕ03.01.02 – биофизика, 03.01.08 – биоинженерияДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степеникандидата физико-математических наукНаучные руководители:доктор физико-математических наукСтовбун Сергей Витальевич,кандидат биологических наукЗленко Дмитрий ВладимировичМосква – 2017ОглавлениеВведение5Глава 1. Обзор литературы101.1 О хиральности и гомохиральности101.2 Синергетический принцип в биологических системах131.3 Отдельные биомиметические системы141.3.1 Основные структурные элементы151.3.2 Физические аспекты структурообразования211.4 Холестерин и эргостерол221.5 Целлюлоза241.5.1 Морфологическая организация целлюлозного волокна241.5.2 Целлюлоза для химической переработки261.5.3 Проблема организации лесных запасов РФ28Глава 2.

Материалы и методы322.1 Материалы322.1.1 Трифторацетилированные аминоспирты322.1.2 Целлюлоза322.1.3 Холестерин и эргостерол332.2 Методы352.2.1 Оптическое микроскопирование3522.2.2 Электронное микроскопирование352.2.3 Атомно-силовое микрокопирование352.2.4 Рентгенофазовый (РФА) анализ образцов целлюлозы362.2.5 Спектры комбинационного рассеяния (КР)362.2.6 Малоугловое синхротронное рассеяние372.2.7 Динамическая вязкость облагороженной целлюлозы382.2.8 Молекулярно-массовое распределение (ММР)382.2.9 Весовой метод определения содержания альфа-целлюлозы382.2.10 Определение содержания азота392.2.11 Облагораживание412.2.12 Расчёты молекулярной динамики (МД)412.2.13 Анализ конформационной подвижности по данным МД43Глава 3. Принципы организации хиральных фаз453.1 Суперпирализация и смена знака хиральности в биомиметиках463.2 Суперпирализация и смена знака хиральности в природныхсистемах523.3 Особенности специфического хирального взаимодействия молекул623.4 Возникновение анизометрических структур в модельных системахна примере холестерина и эргосетрола75Глава 4.

Химическая физика нитрования целлюлозы8534.1 Введение854.2 Супрамолекулярная структура целлюлозы884.3 Кинетика нитрования целлюлозы904.4 Физические оценки944.5 Реорганизация структуры нанофибрилл974.6 Взаимодействие фибрилл994.7 Оценка характерных времен нитрования1024.8 Малоугловое рассеяние синхротронного излучения1064.9 Модель нитрования целлюлозы1104.10 Реализация биофизической модели в инженерно-технологическойсхеме1124.10.1 Диспергирование1134.10.2 Облагораживание1144.10.3 Физико-химическая модификация целлюлозы1184.10.4 Обезвоживание и сушка1194.11 Биосинтез целлюлозы119Результаты и выводы122Список сокращений123Список литературы1254ВведениеСистемнойосновоймолекулярнойбиологииявляютсяхиральныесоединения (углеводы, аминокислоты и липиды).

Гомохиральность этихвеществ определяет стереоспецифичность межмолекулярных взаимодействий впроцессах преобразования вещества, энергии и информации. Этот важнейшийестественно-научный феномен выражает наиболее общий биофизическийформализм, известный в настоящее время не только для молекулярнойбиологии, но и для биологии в целом.Структурный каркас, составляющий основу любого живого организмасостоит из сильно вытянутых, анизометрических элементов, таких как,например, актиновые филаменты и микротрубочки в клетке, кости в организмечеловекаилистеблирастения.Всилухиральностибиомолекуланизометрические элементы в клетке имеют выраженную тенденцию кобразованию суперспиралей, как это имеет место в случае, например, актинаили коллагена, а во многих случаях наблюдается смена знака хиральных фаз[1]. Четким примером многоуровневой хиральной системы, составленной измножества анизометрических элементов, является клеточная стенка высшихрастений, в которой целлюлоза образует четыре структурных суперспиральныхуровня.Появление анизометрических структур является очевидно необходимымэтапом в становлении жизни, причем появление таких структур должно былопроизойти на самых ранних этапах эволюции.

При этом в период появленияанизометрических структур еще не существовало ферментов в их нынешнемвиде, так как еще не существовало живой клетки, необходимой для отбора иэволюции белков. Таким образом, появление анизометрических структур небылосвязаннос"целенаправленной"деятельностьюспециальныхбиологических систем, а явилось следствием особенностей строения техмолекул, которые в те времена были в природе.5Процессыспонтанногоструктурообразованиявбинарныхсмесяхнаблюдаются в двух случаях: либо для сильно анизометричных молекул, вкоторых выделенное направление задается неравенством размеров молекулы поразным осям, либо в растворах хиральных веществ. Механика процессаформирования анизометрических структур куда менее очевидна.Важным примером спонтанного структурообразования в растворехиральныхизодиаметрическихразбавленныхмолекулгомохиральныхявляетсярастворахобразованиегелейвN-трифторацетилированныхα-аминоспиртов (ТФААС) с небольшим объемом заместителей хиральногоатома, что позволило в чистом виде выявить эффекты хиральности.

Приостыванииэтихрастворовформируютсясильноанизометрическиесупрамолекулярные агрегаты, получившие название "струны" [2]. Струныпредставленынесколькимииерархическимиуровнями,начинаяотмолекулярно-тонких, последовательно скручивающихся в более толстыесуперспирализованные струны, которые видны под микроскопом. Более того,длятолстыхструнэкспериментальнобылобнаруженпроцессмакроскопического раскручивания, который лег в основу физико-химическоймодели процесса нитрования суперспирализованной целлюлозной матрицы.Дляописанияпроцессаформированиямолекулярнотонкой,элементарной струны ранее была сформулирована модель стопочноговзаимодействия [3], согласно которой в струне молекулы уложены так, чтотетраэдры, образованные заместителями хирального атома ("хиральныететраэдры"), вложены друг в друга.

При этом хиральность диктуетединственныйформированиюкомплементарныйанизометрическойспособукладки,структурычто(струны).иприводитЭтакмодельфеноменологически объясняет быстрый рост струны в длину и отсутствиероста в толщину, так как выгодным является только комплементарноевзаимодействие в стопке, которое невозможно на боковой поверхности такойстопки. В рамках представленной работы эта модель была существенноуточнена с помощью метода молекулярной динамики. Так, было прямо6показано, что молекулы ТФААС в растворе могут взаимодействоватьоснованиями хиральных тетраэдров, либо в соответствии со стопочноймоделью так, что они оказываются вложены друг в друга. Методоммолекулярнойдинамикибылиоцененыэнергиидисперсионноговзаимодействия в таких парах, что в дальнейшем позволило использоватьаналогичный подход для оценки энергии комплементарного взаимодействияглюкопиранозных колец целлюлозы.Особое место в ряду хиральных гелаторов занимают холестерин и егопроизводные (важнейшие компоненты биомембран).

Экспериментально былопоказано, что холестерин, агрегируя по мере испарения растворителя(метанола), формирует анизометрические структуры, которые не наблюдаютсяв случае эргостерола. Наблюдаемые различия, вероятно, отражают фундаментально разные роли холестерина и эргостерола в мембранах эукариот. В самомделе, тело гриба, в отличие от тела животных, представлено системойветвящихся нитей (гиф), не взаимодействующих друг с другом латерально, аживотные ткани представлены трехмерными сетками клеток, в которой укаждой клетке множество соседей.

Если предположить, что на ранних этапахэволюции в основе межклеточной коммуникации лежали холестериновые"пилли", то становится понятным, почему эволюция строения тела этих группэукариот пошла по столь различным путям. Молекулярно-динамическийподходпозволилвыявитьразличиявхарактерныхвременахвнутримолекулярных движений, что объясняет наблюдаемые различия вхарактере структурообразования.Наиболее крупномасштабным и сложно организованным хиральнымобъектом, рассмотренным в работе, безусловно является клеточная стенкавысших растений.

Теоретический анализ структуры целлюлозы, основанный напонимании принципов организации хиральных супеспирализованных структур,позволил предложить биофизическую модель процесса промышленногонитрования древесной целлюлозы. Понимание принципов супрамолекулярныхвзаимодействий в супеспирализованных структурах позволило выявить7лимитирующуюрольмакроскопическогопроцессараскручиваниясуперспирализованных целлюлозных фибрилл в кинетике ее нитрования.Поскольку фибриллы целлюлозы имеют суперспиральную структуру, силатренияотдельныхэлементоввнутрифибриллыделаетраскручиваниеединственным мыслимым механизмом, обеспечивающим доступ нитрующегоагента внутрь микрокристаллических областей.