Взаимодействие ионов и хиральных соединений в модельных и биологических системах (1102463), страница 2
Текст из файла (страница 2)
М.В.Ломоносова, физический факультет, секциябиофизики (Москва, 2008).По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, из них врецензируемых журналах по списку ВАК – 2, статьи в других журналах,изданиях и тематических сборниках – 1, в материалах конференций – 2.Структура и объем работыДиссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения,выводов и списка литературы. Работа изложена на 111 страницах, содержит 35рисунков и 9 таблиц, список литературы включает 116 библиографическихссылок.Основное содержание работыВо введении сформулирована цель и задачи исследования, показананаучнаяновизнаипрактическаязначимостьполученныхрезультатов.перечислены защищаемые положения.В первой главе представлен обзор работ, посвященных проблемамвозникновения асимметричных распределений катионов и энантиомеровхиральных веществ между клетками и внеклеточной средой в ходепредбиологической эволюции, фракционирования ионов в ТПС, структуре воды,в частности, вблизи границ разделов фаз, роли гомохиральности ионныхканалов, а также основным представлениям о механизмах старения.Первоначальные этапы добиологической эволюции, видимо, былисвязанысфизическимиифизико-химическимиосновамиабиогеннойсамоорганизации.
Физические принципы имеют в данном случае более общийхарактер, нежели их конкретное химическое воплощение. В настоящей работена основании известных экспериментов и гипотез, а также собственныхисследований,рассмотренынекоторыеважнейшиефизическиеаспектывозникновения предшественников живых клеток. В частности, показано, что6процессы, происходящие на неравновесных границах разделов фаз, моглиобеспечить необходимые условия для возникновения предшественников клеток,способных к дарвиновской эволюции.Неравновесные процессы на границе раздела фаз раствор-воздух играютключевую роль в тепло- и массообмене между океаном и атмосферой.Экспериментальноустановлено,чтонаповерхностиокеанаобычноформируется поверхностный микрослой, характеризующийся пониженнойтемпературой и повышенной соленостью воды.
При этом соотношениеконцентраций ионов в поверхностном слое значительно отличается отсоотношения концентраций ионов в объемной фазе: ТПС относительнообогащен ионами калия и кальция.Коэффициент фракционирования ионов калия по отношению к ионамнатрия в ТПС выражается следующим образом:αf =[ K ]s [ Na]b,[ Na]s [ K ]bгде [K]S, [Na]S – молярные концентрации ионов калия и натрия в ТПС,[K]b,[Na]b – молярные концентрации ионов калия и натрия в объемной фазераствора.
Значения αf в естественных условиях могут достигать примерно 10.Неравновесныепроцессы,сопровождающиесяперераспределениемионов, могут приводить к генерации токов в ТПС, т.е. процессы переноса ионовв ТПС могут быть электрогенными. Экспериментально подтверждено, что вТПС существует разность потенциалов в несколько милливольт, зависящая отионного состава раствора (Караваева и др.).Существующие модели фракционирования ионов в ТПС не позволяютполучить экспериментально наблюдаемые коэффициенты фракционирования.По-видимому, необходим учет вкладов многих дополнительных факторов,таких как зависимость растворимости солей от температуры, электрофорез,поверхностная адсорбция и т.п.
Изменение свойств самой воды вблизиповерхности и в зависимости от ионного состава раствора может играть7существенную роль в перераспределении ионов в ТПС (Pollack, 2001; Аксенов,2004; Kimmel, 2005).Неравновесный поверхностный слой водного раствора обладает ещеоднимудивительнымсвойством,экспериментальнообнаруженнымвлабораторных условиях: аэрозольные капли, полученные из раствороврацемическихсмесейаминокислот,былиобогащеныL-энантиомеромсоответствующей аминокислоты по сравнению с ее D-энантиомером (Кузнецоваи др, 1992). Преобладание одного из энантиомеров в смеси характеризуюткоэффициентомхиральнойасимметрии(поляризации)η=[ L] − [ D][ L] + [ D](вквадратных скобках – концентрации соответствующих энантиомеров).
Вэкспериментах с растворами валина, лейцина и глютамина были полученызначения η в диапазоне от 0 до 0,05, причем фракционирование энантиомеровзависело от степени неравновесности поверхностного слоя и исчезало вравновесных условиях. Ошибки измерений в этих экспериментах былизначительными,поэтомунеобходимобылоразработатьновыеэкспериментальные методики для измерений хиральной поляризации ТПС.Фактором отбора энантиомеров в поверхностном слое может бытьвлияние собственного электрического поля тонкого поверхностного слоя всовокупностисгеомагнитнымполемЗемли,термокапиллярнойитермогравитационной конвекцией на формирование ассоциатов молекуламинокислот,особенновприсутствииионовпереходныхметаллов.Обнаруженное фракционирование энантиомеров невелико, но его вполнедостаточнодляреализациистартовогоэволюционногопреимуществагомохиральности определенного типа при образовании полипептидов иполинуклеотидов.В клетках хиральная асимметрия непосредственным образом связана сионной асимметрией.
Данная связь реализуется в белковых (полипептидных)ион-транспортирующих системах, в частности, в ионных каналах и ионных8насосах мембран. Детали структур молекулярных комплексов ионных насосовплазматических мембран пока не установлены. Ионные каналы обладаютуникальнойпространственнойконфигурацией,обеспечивающейизбирательную проницаемость для ионов, и в то же время для многих из нихимеются полные структурные данные, что делает их удобными моделями дляисследования связи структуры и их функций.В последнем разделе главы рассмотрены основные положения различныхтеорий старения.
Практически все чрезвычайно разноплановые подходы ктрактовке механизмов старения и на генетическом уровне, и на уровнеклеточного метаболизма, транспортных, иммунных процессов и т.д. могутиметь прямое отношение к процессам возрастной или патологическойрацемизации в биомолекулах. Поскольку на клеточный биосинтез с участиемпрохиральных и хиральных молекул, как и на процессы их деградации, могутвлиять ионы металлов, в частности, металлов с переменной валентностью,важно выяснить возможные механизмы взаимодействия ионов и хиральныхсоединений в этих процессах.Во второй главе диссертации приведены литературные данные ирезультатысобственныхисследованийзависимостихарактеристикфизико-химических процессов с участием энантиомеров хиральных соединенийот параметров среды, в частности от ее ионного состава.Впервомразделеприведенырезультатыэкспериментальныхисследований изотерм сжатия монослоев фосфолипидов при различныхсоотношениях концентраций их энантиомеров и различных ионных составахводной субфазы.Из литературных данных известно, что в ряде случаев наблюдаютсяразличия в изотермах монослоев чистых энантиомеров и их рацемическихсмесей, как правило, при переходе монослоя из газовой фазы в жидкую черезпромежуточноеметастабильноесостояние.Изфазовыхдиаграммленгмюровских монослоев фосфолипидов следует, что спонтанное разделение9фаз в смеси энантиомеров происходит только при сильных электростатическихвзаимодействиях между головами молекул фосфолипидов.
Были полученытакже непосредственные экспериментальные данные о разделении фаз вмонослое фосфолипида (миристоилаланина) после его сжатия до жидкогосостояния. Насколько известно автору, влияние катионов металлов нафизико-химические свойства монослоев фосфолипидов с различной хиральнойполяризацией до сих пор не исследовано.В работе были использованы 1,2-дипальмитоил-sn-глицеро-3-фосфохолини1,2-дипальмитоил-rac-глицеро-3-фосфохолин(молекулярнаяформулаC40H80NO8P, молекулярный вес 734.1) производства “Sigma”, чистота 99%;1,2-дипальмитоил-sn-глицеро-3-фосфоэтаноламини1,2-дипальмитоил-rac-глицеро-3-фосфоэтаноламин(молекулярнаяформулаC37H74NO8P, молекулярный вес 692.0) производства “Sigma”, чистота 99%; KClиNaClпроизводства«Диаэм»категорииОСЧ;особочистаявода,деионизированная системой очистки воды фирмы “Millipore” (рН 6,3,поверхностноенатяжение72,88мН/мпри21ºС);хлороформстабилизированный (CHCl3) производства «Химмед» категории «хч».
ВэкспериментахбылииспользованырастворыL-фосфатидилхолинаиLD-фосфатидилхолина в хлороформе концентрацией 1мМ, приготовленные прикомнатной температуре в качестве субфазы использовали водные растворысолей NaCl и KCl с концентрациями 0,01 М, 0,1 М и 1,0 М.Для исследования монослоев была использована установка, состоящая изтефлоновойванныЛенгмюрасразмером200×140×5(мм),датчикаповерхностного давления – весов Вильгельми, неподвижного и сжимающегобарьеров.Управлениеустановкойосуществлялосьчерезперсональныйкомпьютер с помощью специальной программы.Для получения монослоя на чистую поверхность водной фазы наносилираствор исследуемого вещества в хлороформе.
Объем наносимого наповерхность раствора составлял 70 мкл. Через 10 мин, необходимых для10испарения растворителя, монослой поджимался с помощью подвижногобарьера со скоростью 7,2 Å2/мин·молекула. В ходе сжатия монослояпроисходила запись π–А-изотермы (при температуре 21 ºС).АБВРис. 1. Изотермы сжатия монослоя фосфатидилхолина на поверхности чистой воды (А) и0,01 М растворов NaCl (Б) и KCl (В).На рис. 1 приведены типичные записи изотерм сжатия монослоев,полученных из рацемата и L-изомера фосфатидилхолина, при использовании вкачестве субфазы чистой воды и разбавленных растворов NaCl и KCl.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
