Диссертация (Суперспирализованные анизометрические фазы в системах биомиметиков и целлюлозе), страница 12

Следовательно, точечный дипольный момент нанокапли будетопределять небольшая доля пар с коллинеарными диполями. Полагая, чтообразование таких пар — есть результат бимолекулярной реакции, получим,что число таких пар будет пропорционально квадрату числа молекул, адисперсия этой величины соответственно линейна по числу молекул в капле.Таким образом, линейный вид наблюдаемой в расчетах зависимостидипольного момента нанокапель от числа частиц прямо свидетельствует обобразовании комплементарных пар молекул с антиколлинеарными дипольнымимоментами.Рисунок 3.3.6. Зависимость точечного дипольного момента нанокапельТФАА-5 в гептане от их размера.

Зависимость имеет выраженныйлинейный характер, что свидетельствует об образовании молекуламиустойчивых комплементарных пар.74Проведенный анализ позволяет заключить, что в наноразмерной фракциидисперсной фазы ТФААС, наблюдаемой в разбавленных растворах, основнойвклад в энергию взаимодействия вносят дисперсионные силы (~14 кДж/моль),составляющие ¾ полной энергии взаимодействия пары молекул. Приантипараллельной ориентации дипольных моментов молекул ТФААС, энергияих дисперсионной связи возрастает более чем на kT, что свидетельствует окомплементарном взаимодействии молекул.

При этом в большей частинаблюдаемых пар дипольные моменты ориентированы антиколлинеарно.3.4 Возникновение анизометрических структур в модельных системах напримере холестерина и эргосетролаРезультаты, описанные в предыдущем разделе наглядно иллюстрируютпроцессы формирования анизометрических структур на стадии их зарождения.Однако, использованный ранее энергетический подход позволяет осветитьтолько один из факторов, влияющих на процессы комплементарного узнавания.Вторым и не менее важным фактором является молекулярная подвижностьвзаимодействующих молекул.

Анализу влияния этого фактора и посвященнастоящий раздел.Известно, что многие химически различные хиральные соединения принизких концентрациях ~ 10-3 – 10-2 М в растворах формируют гели [73-77], вкоторых могут наблюдаться супрамолекулярные анизометрические структуры,струны [74, 77].

С физической точки зрения такие конструкции могут служитьпрообразом или моделью структур, которые могли бы обеспечивать первичнуюкоммутацию клеток.Поскольку коммутация как таковая по определению начинается сконтакта между поверхностями клетки, то и физические различия, определяющие способность или неспособность к коммутации должны в первуюочередь затрагивать поверхность клеток. Последняя, в случае коммутирующихклеток, должна быть способна образовывать достаточно длинные и тонкиевыросты(анизометрическиеструктуры),подобныеужеупомянутым75бактериальным пиллям [70], но имеющие небелковую природу. Отметим, что вдобелковую эру такие образования должны были формироваться без участиябелковых молекул. Однако, в современном, высокоразвитом органическоммире наблюдать такую небелковую коммутацию достаточно сложно ввидутого, что белки в процессе эволюции приняли на себя исполнение практическивсех клеточных функций.Пример подобной коммутации описан в литературе.

Так клеткинекоторых раковых линий млекопитающих используют для коммутации ссоседями различные анизометрические структуры, в том числе мембранныенанотрубки [64]. При этом нами было показано, что рост анизометрическихструктур эффективнее диффузии при коммутации на больших (порядкамикрометра и более) расстояниях [65].Поиск первичных механизмов межклеточной коммутации следовало быначать со сравнения клеток активно коммутирующих между собой, таких какклетки животных, с клетками практически не нуждающимися в такой коммутации. В качестве примера последних хорошо подходят клетки грибов, практически не коммутирующие между собой в силу особой топологии их соматического тела (мицелия), представленного переплетением ветвящихся, нопрактическинесливающихся,апикальнонарастающихклеточныхнитей (гиф) [78].

Отметим, что в случае клетки гриба в качестве активнойповерхности клетки следует рассматривать скорее клеточную мембрану, а неинертную и не способную к заметным структурным перестройкам клеточнуюстенку.Известно, что плазматические мембраны животных клеток содержатхолестерин (ХЛ), в то время как в клеточных мембранах грибов присутствуетэргостерол (ЭЛ).Считается,чтостеролыявляютсямодификаторамиплазматических мембран. Они играют роль пластификатора и стабилизируюттекучесть бислоя в широком диапазоне температур [32].

В то же самое время,указанное различие в химическом строении плазматических мембран может76быть связанно со способностью клеток к коммутации и принципиальноразличной пространственной организацией тела животных и грибов.Полученные экспериментальные результаты указывают на существенныеразличия в свойствах ХЛ и ЭЛ. При исследовании ксерогелей низкоконцентрированных (10-2 М и менее) растворов ХЛ и ЭЛ было установлено, что прикомнатной температуре (Т = 23°С) наблюдается формирование супрамолекулярных анизометрических структур в ксерогелях ХЛ в метаноле (рисунок 3.4.1, А), в то время как в ксерогелях ЭЛ в метаноле такие структуры ненаблюдаются (рисунок 3.4.1, Б).

Супрамолекулярная природа данных структуропределяется тем, что при нагревании ксерогеля до 50°С происходит полное иобратимое плавление этих структур. Это свидетельствуют о том, что ХЛ потенциально способен выступать в качестве основы для коммутационных межклеточных тяжей, в то время как ЭЛ не подходит на эту роль.АБРисунок 3.4.1. Микрофотографии ксерогелей ХЛ и ЭЛ в метаноле. Штрих100 мкм. Ксерогель ХЛ (А) состоит из анизометрических структур, в товремя как в ксерогеле ЭЛ (Б) такие структуры не наблюдаются.Как видно из рисунка 3.4.2, несмотря на кажущиеся незначительныеразличия в молекулярной массе и структуре ХЛ и ЭЛ, существуют различия вспособностиобразованияимианизометрическихструктур.Хорошоизвестно [65], что такие анизометрические структурные элементы образуются77хиральными низкомолекулярными соединениями в процессах самосборки вразличных органических и водных средах.

Вполне вероятно, что данныймеханизм самосборки справедлив и в отношении ХЛ. Действительно, изпредставленных ван-дер-ваальсовых поверхностей молекул (рисунок 3.4.2),видно, что структурные различия не являются очевидно визуально определяемым признаком (RMSD = 0.47 Å). Во всяком случае, такие физикогеометрические признаки молекул как анизометрия и характерные размерыпрактически совпадают (рисунок 3.4.2).Рисунок. 3.4.2. Пространственные структуры молекул ХЛ (А) и ЭЛ (Б).Показаны ван-дер-ваальсовы поверхности. Хорошо видно, что пространственные структуры молекул очень похожи.Наблюдаемые особенности образования анизометрических структур вксерогелях ЭЛ (рисунок 3.4.1Б) и ХЛ (рисунок 3.4.1А) могут быть связаны сразличиями в ориентирующем диполь-дипольном взаимодействии.

Для оценкиэтого фактора методом молекулярной динамики [72] было смоделированоповедение этих соединений в метаноле на протяжении 1 мкс, и для всехконформаций каждой молекулы на протяжении этого времени были вычисленыдипольные моменты. Дипольный момент ЭЛ составил 2.5 ± 0.3 Д, дипольныймомент ХЛ равен 2.4 ± 0.2 Д [72]. Рассчитанные величины дипольныхмоментов с учётом погрешности практически не отличаются друг от друга.78Следовательно,дальнодействующеедиполь-дипольноевзаимодействиемолекул вряд ли могло привести к существенным различиям в характере ихагрегации и структурообразовании. В то же время ван-дер-ваальсовы силы,имеющие близкодействующий и, поэтому, поверхностный характер, очевидно,очень чувствительны к малым несоответствиям формы поверхностей контактирующих молекул.C учётом выше сказанного, можно сделать предположение о принципиальной роли внутримолекулярной подвижности, определяющей пространственное соответствие молекул, а значит и различия в характере структурообразования.

Для этого была рассмотрена конформационная динамика циклической части молекул. Молекула ЭЛ, по сравнению с молекулой ХЛ содержитдве дополнительные двойные связи, одна из которых локализована в В-кольцемолекулы (рисунок 3.4.3).Двойная связь в кольце B ХЛ существенным образом сказывается намногообразии доступных конформаций циклогексанового кольца, которое вэтом случае следует рассматривать как циклогексен. При этом sp2-атомыобразуют плоскость, в пределах которой располагаются четыре из шестиатомов углерода кольца.

Два оставшихся атома углерода оказываютсявыведеннымизапределыплоскости,чтосоответствуетконформации«полукресло» циклогексана. Соответственно, в такой системе возможенконформационный переход, в ходе которого вынесенные из плоскости кольцаатомы углерода меняются относительно неё своими положениями.Появление второй двойной связи (что соответствует 1,3-циклогексадиену) существенно не влияет на разнообразие конформаций, доступных длякольца В ЭЛ.

Так, несмотря на формальное расширение плоскости, задаваемойsp2-атомами, два из шести атомов углерода кольца остаются тетраэдрическимии не могут располагаться в плоскости. Таким образом, состояние циклогексадиенового кольца В в молекуле ЭЛ также описывается конформацией«полукресло», но напряжённой стерически. В этой системе также можно79ожидать обменные переходы sp3-атомов относительно плоскости кольца. Вэтом смысле состояние кольца В для ХЛ и ЭЛ является конформационноблизкими.Кольца А и С как молекулы ХЛ, так и ЭЛ (рисунок 3.4.3), в принципемогут принимать любую из четырёх возможных, характерных для циклогексанаконформаций [79]. При этом под основным состоянием подразумеваетсяконформация «кресло», выход из которой и отслеживался.