Взаимодействие ионов и хиральных соединений в модельных и биологических системах (1102463)
Текст из файла
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТим. М.В. ЛОМОНОСОВАФизический факультет_______________________________________________________________На правах рукописиЖаворонковс Александрс АлександровичВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИОНОВ И ХИРАЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙВ МОДЕЛЬНЫХ И БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХСпециальности: 03.00.02 – биофизика, 03.00.16 – экологияАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2008Работа выполнена на кафедре биофизики физического факультетаМосковского государственного университета имени М.В. ЛомоносоваНаучный руководитель:доктор физико-математических наук, профессорТвердислов Всеволод АлександровичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,старший научный сотрудникНечипуренко Юрий Дмитриевичкандидат биологических наук, доцентАсеев Виктор ВасильевичВедущая организация:Институт биохимической физикиим.
Н.М. Эмануэля РАНЗащита диссертации состоится «22» мая 2008 года в 17-00 часов на заседаниидиссертационного совета Д 501.002.11 при Московском государственномуниверситете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119992, ГСП-2, Москва,Воробьевы горы, МГУ им. М.В.Ломоносова, д.1, стр.2, физический факультет,аудитория 5-19.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физического факультетаМГУ им. М.В.ЛомоносоваАвтореферат разослан « 21 » апреля 2008г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 501.002.11доктор физико-математических наукГ.Б.
ХомутовОбщая характеристика работыАктуальность темы исследованияЖивые клетки характеризуются двумя универсальными свойствами:неравновесными асимметричными распределениями ионов и энантиомеровважнейшиххиральныхбиологическихсоединениймеждуклеткойивнеклеточной средой. Внутренняя среда клетки содержит ионы калия в болеевысокой концентрации, чем ионы натрия, тогда как наружная среда – наоборот.Нуклеиновые кислоты содержат исключительно D-изомеры остатков сахаров(дезоксирибозы и рибозы), пептидные цепи белков построены из L-изомероваминокислот,абиологическиемембранывключаютвсебятолькоL-фосфолипиды.
В неживой природе хиральные соединения представлены, какправило, энантиомерами в равных концентрациях. Указанную асимметриюраспределений ионов и энантиомеров хиральных веществ в биосфере принятоназывать ионной и хиральной асимметрией.В цикле работ, выполненных на кафедре биофизики физическогофакультета МГУ, экспериментально обоснована гипотеза о возникновенииасимметричных распределений ионов натрия и калия, магния и кальция, атакже энантиомеров аминокислот и углеводов между термодинамическинеравновесным тонким поверхностном слоем (ТПС) и объемной фазой морскойводы. Такие асимметричные распределения частиц между различнымиобластями(компартментами)системывызваныфракционированиемсоответствующих ионов и молекул.
Авторами упомянутых работ установлено,что ионы и энантиомеры хиральных веществ могут перераспределяться междуТПС и объемной фазой независимо друг от друга. Вместе с тем, имеется рядсвидетельств в пользу того, что ионная и хиральная специфичности в клеткахфункционально связаны. Так, например, в тех же работах теоретическипоказано, что ионная специфичность мембранных каналов однозначно связана сгомохиральностью аминокислотных остатков их полипептидных цепей. Внастоящее время известно, что при старении организма изменения ионного1гомеостаза происходят параллельно с накоплением аберрантных белков,содержащих D-изомеры аминокислотных остатков, и изменением уровнясвободных D-аминокислот в клетках.
Однако надежно не установленыкакие-либо взаимозависимости между этими процессами.Аминокислоты могут образовывать координационные соединения сионами металлов (Cr2+, Al3+ Pb2+, UO2+ и др.), которые при этом приобретаютсвойства катализаторов, например, полимеризации нуклеотидов и синтеза иреакций с восстановлением двойных связей C=O и C=N у различных малыхмолекул.
Из литературных данных следует, что в таких реакциях существеннонарушаются соотношения концентраций гомо- и гетерополимеров, L- иD-изомеров хиральных веществ, характерные для равновесных систем. Этосвидетельствует в пользу того, что в открытых системах физико-химическиепроцессы способны дискриминировать энантиомеры хиральных соединений.Поскольку энантиомеры по всем физико-химическим свойствам, кромеоптической активности, неразличимы, в указанных системах, по-видимому,существуют неучтенные факторы, приводящие к их хиральной селективности.До сих пор эти факторы не выявлены, поэтому необходимо накопление иобобщение экспериментальных данных о процессах, приводящих к хиральнойполяризации (появлению избытка одного из энантиомеров по сравнению сдругим) среды.Роли ионов переходных металлов в биологии посвящено огромноеколичество научных работ.
Однако лишь недавно появились гипотезы и данныео их возможной непосредственной роли в регуляции важнейших клеточныхпроцессов, таких, например, как взаимодействие белков с нуклеиновымикислотами и регуляция экспрессии генов. По гипотезе Г.Б. Хомутова, ионыжелеза могут непосредственно модулировать взаимодействие ДНК с такимибелками, как хроматин. При этом важнейшую роль в процессе регуляции играетизменение редокс-состояния иона. В последние годы появились данные о том,что при изменении валентности иона может изменяться и хиральность его2комплекса с органическими лигандами.
В то же время, появились данные, что унекоторых факторов транскрипции, представляющих собой железо-серныебелки,присвязыванииокислительно-восстановительныйсДНКпотенциал.сильноТакимизменяетсяобразом,изменениявалентностей ионов и их концентраций может непосредственно влиять напроцессы с участием хиральных соединений и взаимодействия белков снуклеиновыми кислотами. Эти вопросы рассмотрены в настоящей работе наосновании литературных данных.Проблемымолекулярнойасимметриинепосредственносвязаныспроцессами в современной биосфере. Некоторые вещества, не свойственныеприродным экосистемам, могут накапливаться в их различных частях и влиятьна их устойчивость. Так, например, для антропогенных загрязнений экосистемантиподами естественных стереоизомеров хиральных веществ механизмыбиологической деградации обычно отсутствуют, что может приводить к ихнакоплению и переносу на значительные расстояния.
До сих пор не изученапроблема потребления D-аминокислот с пищей, в которой они образуются какпри рацемизации при ее приготовлении, так и естественным путем или же припотреблении пищевых добавок. Это – новые проблемы, без эффективногорешения которых возможны экологические кризисы с непредсказуемымипоследствиями.Цель работыЦельюнастоящейработыбыловыявлениеиизучениефизико-химических факторов, обусловливающих сопряженное возникновениеионной и хиральной асимметрий в природных и модельных системах, а такжеих функциональное взаимодействие в живых системах.Задачи работы1. Изучение эффектов фракционирования ионов и энантиомеровхиральных соединений на неравновесных границах раствор-воздух.32.
Исследование физико-химических эффектов взаимодействия ионов иэнантиамеров фосфолипидов в ленгмюровских плёнках.3. Исследование зависимости флотации хиральных соединений отионного состава среды.4. Теоретическое исследование эффектов рацемизации аминокислотныхостатков на функциональные характеристики ионных каналов.5. Исследование и анализ эффектов рацемизации аминокислотныхостатков в белках при старении.6. Анализ материалов относительно возможной роли ионов переходныхметаллов в трансформации хиральных соединений в биосфере.Научная новизна работыВ настоящей работе впервые в едином рассмотрении выполненотеоретическоефакторов,иэкспериментальноеобусловившихисследованиесопряженноефизико-химическихвозникновениефундаментальныхасимметрий в живых системах – хиральной (аминокислоты, углеводы, липиды)и ионной.Экспериментально установлена непосредственная зависимость междуфракционированием энантиомеров аминокислот и ионным составом среды прифлотации с неионным детергентом.При изучении ленгмюровских монослоев экспериментально показано,чтоуразличныхстереоизомеровфосфолипидовзависимостифизико-химических свойств от ионного состава различаются.Вчисленныхэкспериментахпродемонстрированозначительноеизменение структуры и ионной специфичности мембранных каналов призамене L-аминокислотных остатков на D-энантиомеры.СпомощьюопределенныеПредложенаанализазакономерностигипотезаопервичнойструктурыспонтаннойвозможнойролибелков,выявленырацемизациипристарении.спонтаннойрацемизациивсвободнорадикальном механизме старения.4Наоснованиисобственныхилитературныхданныхразвитыпредставления о синергизме ионного, хирального и других видов загрязненийокружающей среды в концепции экологической безопасности.Практическая ценность работыРазработанные экспериментальные подходы и методики могут бытьиспользованы для анализа фракционирования веществ в природных условияхпри определении характеристик распространения антропогенных загрязнений.Результаты работы могут найти практическое применение в следующихобластях:• при разработке новых методов диагностики поверхности океана;• при разработке методов разделения смесей веществ;• при разработке новых методов очистки окружающей среды отантропогенных загрязнений;• при разработке норм экологической безопасности с учетомперераспределенияантропогенныххиральныхзагрязненийвоздействияразличныхбиосферы;• приизучениимеханизмовфизико-химических факторов на биологические системы, а также вмолекулярной геронтологии;• как материалы в курсах лекций по биофизике, биохимии,молекулярной биологии, фармакологии, экологии для студентовсоответствующих специальностей.Основные положения, выносимые на защиту1.В биологических и в модельных неравновесных нелинейныхфизико-химическихсистемахасимметричныераспределенияионовиэнантиомеров хиральных соединений взаимосвязаны.2.При возрастных изменениях и некоторых патологических состоянияхорганизма происходят коррелированные изменения ионного и хиральногогомеостаза.5Апробация работы и публикацииРезультатыработыбылидоложенынаНаучнойконференции«Ломоносов- 2008», МГУ им.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
