Взаимодействие ионов и хиральных соединений в модельных и биологических системах (1102463), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Даже вмалых концентрациях катионы натрия и калия оказывают различное влияние наосновные параметры изотерм. В концентрированных растворах солей различиясохраняются (рис. 2).АБРис. 2. Изотермы сжатия монослоев рацемата и L-фосфатидилхолина на поверхности 1,0 Мрастворов NaCl (А) и KCl (Б).Сходные результаты получены и на монослоях рацемата и L-кефалина.
Вотличие от лецитина изотермы различных форм кефалина демонстрируют не11столько изменение плотности упаковки, сколько изменение структуры монослоя.Присутствие в водной субфазе NaCl приводит к сглаживанию различий вфазовом состоянии монослоев. Добавление KCl в водную фазу вызываетрасширение монослоев, незначительному понижению давления монослоярацемата. При этом особенности изотерм, полученных на чистой водной фазе, вцелом сохраняются. Увеличение концентрации KCl до 0,1 М приводит кисчезновениюфазовогопереходанаизотермерацемата.Дальнейшееповышение концентрации KCl до 1 М приводит к большему разбросу значенийдавления и площади, чем в случае c NaCl, и к практически полномуисчезновению различий между монослоями рацемата и L-кефалина на фоне ихнизкой стабильности.Второй раздел содержит результаты экспериментальных исследованийвлияния ионов натрия и калия на характеристики флотации энантиомеровлейцина в присутствии неионного детергента Triton X-100.При наличии в растворе поверхностно-активного вещества (ПАВ), егомолекулы адсорбируются на поверхности раствора, образуя монослой.
Прибарботировании образуется пена, захватывающая ТПС. Поскольку монослойПАВ на поверхности раствора не плотный, скорость испарения воды в егоприсутствии изменяется незначительно, можно было ожидать, что в пенахтакжебудетпроисходитьфракционированиеионовистереоизомероваминокислот. Помимо захвата раствора из ТПС, барботаж может приводить кизбирательной флотации растворенных веществ.Эксперименты проведены с использованием лейцина производства ICN(США), KCl и NaCl производства «Реахим» категории «хч». Рацемическиерастворы L,D-лейцина с концентрацией 9 г/л готовили на растворах NaCl и KClс концентрацией 0,15 М.
В работе использовали дистиллированную воду. Вкачестве ПАВ использовали Triton X-100 производства фирмы Sigma вконцентрации 7 мкл/мл.12Разность концентраций энантиомеров лейцина в пене определялиполяриметрически с помощью поляриметра P-1000 фирмы Kruess (Германия).Угол вращения плоскости поляризации пропорционален разности концентрацийTL и D изомеров: α = [α ]λ l ( L − D) , где L и D – концентрации соответствующихTстереоизомеров, где [α ]λ – удельное вращение раствора при температуре T идлине волны поляризованного света λ, l – длина кюветы (10 см).
Былопроведено 4 серии опытов в присутствии ионов натрия и 4 серии опытов вприсутствии ионов калия. В условиях, близких к равновесным (при разноститемператур между объемной фазой и воздухом до 1 ºС), перераспределенияионов и энантиомеров аминокислоты между объемной фазой и поверхностнымслоем не обнаружено.При разности температур 8ºС хиральная поляризация была максимальнойи составила 0,14±0,04 в присутствии ионов калия и 0,07±0,01 в присутствииионов натрия. Результаты экспериментов приведены на рис. 3.АБРис. 3. Зависимость хиральной поляризации раствора, полученного пены, в зависимости отионного состава при концентрации солей 1 М: А – NaC, Б – KCl.В общем случае энтропия смешения N1 молекул первого вида и N2⎛N + N2N + N2 ⎞+ N 2 ln 1молекул второго составляет δ S = N ⎜ N1 ln 1⎟.N1N2 ⎠⎝13В ТПС концентрация L-изомеров превышает концентрацию D-изомеровна величину (L-D), следовательно, число избыточных L-молекул в слое:N1 = h ⋅ s ⋅ N A ⋅ ( L − D) / M , где h=2 мкм – толщина исследованного слоя ТПС, s =1м2, М – молярная масса аминокислоты (Млейцина= 131), NA – число Авагадро.
Изусловия рацемичности исходного раствора следует, что N1 = N2. Следовательно,перераспределение энантиомеров в ТПС раствора означает уменьшениеэнтропии на величину: δ S = 2h ⋅ s ⋅ N A ⋅ ( L − D) ⋅ ln 2 / M .Наблюдаемымзначениямηсоответствуетуменьшениеэнтропииквадратного метра поверхностного слоя на величину порядка 10-5Дж/К. Припостоянных температуре и давлении изменение свободной энергии системы приуказанном перераспределении молекул энантиомеров равноПосколькухарактерныевременамикроконвективныхΔG = T δ S .движенийвповерхностном слое воды, которые могут разрушать образовавшуюся структуру,имеют порядок 1 с, такое упорядочение требует затрат энергии около 10–2 Вт/м2.Отметим, что масштаб энергетических потоков в системе океан-атмосферасущественно превышает эту величину (средний суммарный поток тепла изокеана в атмосферу 220 Вт/м2).В следующем разделе главы приведены результаты экспериментальногоисследования скорости рацемизации энантиомеров аланина и зависимость ее отионного состава среды.
В экспериментах были использованы две камеры сперемешиванием, одна объемом 15 мл, нагретая до 230 ºС, и другая, большегообъема, поддерживаемая при температуре 0 ºС. Давление в обеих камерахсоставляло около 24 МПа. Раствор, содержащий либо хирально чистыеэнантиомеры аланина, либо его рацемат, проходил через отверстие диаметром0,8 мм из горячей камеры в холодную со скоростью около 8 мл/мин.Направление подачи раствора изменялось на противоположное через каждуюминуту. В начале каждого эксперимента (продолжительностью 2 часа)температура горячей камеры была комнатной, а через 20 мин она достигаластационарного значения 230 ºС. Изменение хиральной поляризации определяли14в пробах, отбираемых из холодной камеры, стандартным методом с помощьюВЭЖХ с хиральными носителями.
Полученные результаты приведены на рис. 4.АБРис. 4. Зависимость хиральной поляризации раствора L- и D-лейцина от времени в чистойводе (А) и от концентрации NaCl при фиксированном времени реакции 2 ч. (Б).Экспериментальные условия приведены в тексте.Все исходные растворы аланина имели концентрацию 50 мМ и рН 5,7 прикомнатной температуре. В конце эксперимента рН растворов изменялся истановился 7,6 в случае L-аланина и 7,8 в случае D-аланина. В диапазонезначений рН 4–8 скорость рацемизации энантиомеров в пределах точностиизмерений от рН не зависела.Третьяглаваасимметричнымипосвященараспределениямифункциональнойионовивзаимосвязиэнантиомеровмеждухиральныхсоединений между клеткой и средой.
В первом разделе проведен анализлитературных данных об изменениях ионного и хирального гомеостаза клетки впроцессе старения. Старение и патологические состояния сопровождаютсяизменениями как метаболизма, так и ионного гомеостаза клетки. Эти изменениямогут быть, хотя бы частично, связаны с накоплением дефектов в генетическомаппарате клетки, а также ошибок в системе рециркуляции белков, приводящимк накоплению в клетке аберрантных белков, которые часто бывают токсичными.15В составе белков наиболее нестабилен по отношению к рацемизацииостаток аспарагина (Hipkiss, 2001).
При его спонтанном деаминирванииобразуются четыре продукта: L- и D-изомеры аспартата и изоаспартата. ОстатокL-аспарагиновой кислоты также нестабилен и изомеризуется с образованиемD-изомеров аспартата и изоаспартата, а также L-изоаспартата (Fujii, 1994). Приокислительном стрессе неустойчивость аспарагина еще более возрастает(Ingrosso, 2000).
В настоящей работе рассмотрены, в основном, данные,относящиеся к последствиям изомеризации аспарагина и аспартата.Анализ имеющихся данных позволяет придти к заключению, чтодефектные белки, появляющихся в результате рацемизации аминокислотныхостатков,могутприводитькухудшениюкачестваработысистемыгенетического контроля и появлению других аберрантных белков. Некоторыеаберрантные белки обладают токсическими свойствами, например, могутингибировать протеосомальный путь деградации белков. В результатепродолжительность жизни белков в клетке возрастает, что приводит кувеличению вероятности спонтанной рацемизации аминокислотных остатков вих полипептидных цепях.
Существенно, что многие ферменты, например,каспазы (непосредственные участники апоптоза), гликозилазы (ликвидаторыпоследствий окислительного стресса), имеют в активном центре остаткиаспарагина, изомеризация которого приводит к потере активности фермента.Существуют данные о том, что даже следы ионов металлов, попадающиев реакционную смесь из стекла, могут приводить к заметному ускорениюрацемизации аспартата в растворе (van den Oetelaar, 1986). Комплексыаминокислот с ионами переходных металлов проявляют каталитическиесвойства при синтезе энантиомеров хиральных веществ из ахиральныхпредшественников.Приэтом,хиральностьаминокислотывсоставекатализатора влияет на хиральность образующегося продукта. Поскольку вклетках различного происхождения присутствуют свободные D-аминокислоты,появление в клетке ионов переходных металлов может приводить к16формированию катализаторов, ускоряющих рацемизацию аминокислот.
Этоимеет непосредственное отношение к проблемам загрязнения окружающейсреды ионами тяжелых металлов.Таким образом, ионный состав клетки особенно по отношению к ионампереходных металлов, в значительной мере определяет интенсивность многихпроцессов, сопровождающих старение и возникновение патологическихсостояний, таких как рацемизация аминокислот, образование аберрантныхбелков и их конгломератов и т.п. Эти же процессы влияют на ионный гомеостаз.Во втором разделе третьей главы проведен анализ данных, имеющихся влитературе, с целью выявления зависимости скорости рацемизации аспартата всоставе белков от их первичной, вторичной и третичной структуры, а также всинтетических полипептидах. Был проведен статистический анализ первичнойи вторичной структуры 41 белка.Были рассчитаны частоты встречаемости каждой из 20 аминокислот всоседних с аспартатом (Asp) и аспарагином (Asn) позициях для трипептидов(X-D-X, X-N-X) и пентапептидов (X-X-D-X-X, X-X-N-X-X) (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
