Особенности комплексообразования тетрациклина с ионами редкоземельных металлов (1104328)
Текст из файла
На правах рукописиГрошева Валентина ИвановнаОСОБЕННОСТИ КОМПЛЕКСООБРАЗОВАНИЯТЕТРАЦИКЛИНАС ИОНАМИ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛОВСпециальность 03.00.02БиофизикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква - 2006Работа выполнена в Институте радиотехники и электроники РАН.Научный руководитель:доктор физико-математических наук,профессор Золин Владислав ФёдоровичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,профессор Петрова Галина Петровнадоктор физико-математических наук,старший научный сотрудникНечипуренко Юрий ДмитриевичВедущая организация:Центр фотохимии РАНЗащита состоится «19» октября 2006 г.
в 17.00 ч. на заседанииСпециализированного Совета К 501.001.08 в Московском государственномуниверситете им. М.В. Ломоносова по адресу:119992, ГСП-2, г.Москва, Ленинские горы, МГУ им. М.В.Ломоносова,физический факультет, аудитория № 519.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультетаМГУ им. М.В.Ломоносова.Автореферат разослан«18» сентября 2006 г.Ученый секретарьСпециализированного Совета К 501.001.08при МГУ им. М.В.Ломоносова,доктор физико-математических наукГ.Б.ХомутовОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темыИсследованиеспецифичностибиоорганическимимолекуламисвязыванияявляетсяионовактуальнымметалловснаправлениемсовременной биофизики и ряда смежных наук.
Комплексные соединения ионовметаллов являются непосредственными участниками целого ряда процессов,протекающих в живых организмах. Они играют центральную роль в переносекислорода и углекислого газа, участвуют в процессе электронного транспортав хлоропластах и в митохондриях, в ферментативном катализе и во множестведругих процессов. Присутствие катионов металлов в водной фазе влияет нафизико-химические свойства, фазовое состояние биомембран и их компонент,сказываетсянарегуляцииработыферментов.Научноеобоснованиеселективности связывания ионов металлов с биологическими молекуламиважно для более глубокого понимания закономерностей организации живойматерии,разгадкисамоорганизациимолекулярныхимеханизмовсамовоспроизведенияпроцессовструктур,самосборки,характерныхдляразнообразных биосистем. С другой стороны, результаты исследованияселективности связывания биоорганических молекул с ионами металлов вперспективе могли бы быть использованы для разработки чувствительныхбиосенсоров.Особый научный и практический интерес представляет исследованиемолекулярных механизмов действияФармакологическаялекарственныхпрепаратов.активность лекарственных препаратов определяется нетолько их химической структурой, но и состоянием функциональных групп,определяемым как взаимодействием молекул препарата с растворителем, так идруг с другом.
При специфическом связывании этих молекул с клеткамимишенями, особую роль играет конформация молекул, которая можетизменяться, например,привзаимодействии молекул препарата с двух итрёхзарядными ионами металлов.Одним из традиционных методовисследования конформации молекул является метод кругового дихроизма,1которыйпозволяет следить за кинетикой конформационных перестроекмолекул в растворе (при наличии полос поглощения в видимой илиультрафиолетовой областях спектра).Объект исследованияМеждисциплинарнымобъектомнашегоисследованияявляетсямолекула тетрациклина.
С одной стороны – это биомолекула, оказывающаявоздействие на биосинтез белка в бактериальных клетках, и поэтомупредставляющая интерес для биологов, медиков и фармацевтов. С другой –это достаточно стабильная мезомолекула, имеющая молекулярный размер,промежуточныймеждуразмерамималыхорганическихмолекулимакромолекул, и уникальное химическое строение, благодаря которому еёможно использовать, например, в качестве биосенсора.Предмет исследованияПредметом исследования диссертационной работы является изучениеособенностейвзаимодействиятетрациклинасионамилантанидов,приводящего к комплексообразованию.
Интерес к комплексным соединениямтетрациклинасобстоятельством,ионамичтоэтиредкоземельныхкатионыметалловобладаютсвязансродствомкстемкальций-связывающим центрам белков, мембран, протеолипидов, причём константысвязывания с лантанидами намного выше, чем с кальцием. Это свойстворедкоземельных катионов послужило основанием для разработки ныне широкоприменяемого на практике метода редкоземельногоспектроскопическогозондирования биомолекул, базирующегося на гипотезе эквивалентности местсвязывания лантанидов и кальция. По изменениям спектральных характеристиккомплексныхсоединений,активированныхлантанидами,делаютсясоответствующие выводы о строении мест связывания с ионами кальция илимагния.Ионы лантанидов, несмотря на то, что являются абиотичными,находят применение в медицине в качестве диагностических средств, благодарясвоим уникальным оптическим и магнитным свойствам.
Катионы европия2успешно используются в качестве люминесцентных зондов, катионы гадолинияприменяют при магнитно-резонансной томографии в качестве контрастныхагентов. Изучается влияние катионов гадолиния на пролиферацию иподвижность некоторых опухолевых клеток. Таким образом, исследованиекомплексообразования тетрациклина с ионами редкоземельных элементовимеет важное научное и прикладное значение.Степень разработанности научной проблемыТетрациклин и его производные успешно применяются в медицинскойпрактике в качестве лекарственных препаратов. Тетрациклин хорошо проникаетсквозь клеточные мембраны бактерий, связывается с рибосомами, оказываяингибирующий эффект на синтез бактериальных белков. Установлено, что онможет взаимодействовать и с митохондриями бактериальных клеток.
Максимумантибактериальнойактивностигидрохлоридтетрациклинапроявляетприслабокислом значении рН, равном 5,5. Остается открытым вопрос – чем всётакиобусловленамикроорганизмов,селективностьпочемудействияпроисходиттетрациклинаувеличениенаклеткипроницаемостибактериальных мембран для тетрациклина по сравнению с мембранами клетокмлекопитающих?По этому поводу существует две точки зрения. Некоторыеучёные считают, что проницаемость мембран для тетрациклина напрямую связанас изменением его заряда и конформационных свойств при комплексообразованиис ионами металлов (он становится электрически нейтральным и легчерастворяется в липидах).
Другие полагают, что перенос тетрациклина черезмембраны осуществляется специальными белками-переносчиками. Так или иначе,фармакокинетическиеисследованияплазмыкровипоказали,что95%тетрациклина, не связанного с белками, находится в форме комплексныхсоединенийкальцияимагния.Поэтомувыяснениеособенностейкомплексообразования тетрациклина с катионами металлов играет большую рольдля дальнейшего понимания механизмов транспорта тетрациклина в живыхорганизмах.3Влитературеимеютсярентгеноструктурного анализа,связываниететрациклинаконформационноессостояниесведения,полученныеметодамикругового дихроизма и ЯМР, о том, чтоионамиметалловспособномолекултетрациклина.Визменятьрезультатерентгеноструктурных исследований были получены структурные данные(значениядлинковалентныхиводородныхсвязей,валентныхипространственных углов) для многих известных производных тетрациклина,широко применяемых в медицине.
Это позволило рассчитать пространственнуюструктуру антибиотика. Потенциометрическим методом было установлено, чтоконстанты диссоциациипротонов гидрохлорида тетрациклина в водныхрастворах при 25оС составляют рКa1=3,33; рКa2=7,75; рКa3=9,68.Однако, результаты спектральных исследований комплексных соединенийтетрациклина с ионами металлов, полученные с помощью метода круговогодихроизма, противоречивы. Расхождения результатов связаны как с различиямиусловий проведения экспериментов (рН, ионная сила, концентрации реактивов,состав используемой щёлочи, вид аниона соли комплексообразующего катиона),так и с полным отсутствием информации о кинетических аспектах связываниятетрациклина с ионами металлов.Крометого,рядисследованийпроводилсяприфизиологическинеприемлемых условиях (в диметилсульфоксиде, при крайне высоких рН и т.д).Работ, посвящённых изучению комплексообразования тетрациклина с ионамиредкоземельных элементов, крайне мало - они были сделаны методом ЯМР.Методом кругового дихроизма таких исследований не проводилось.Цель и задачи исследованияЦелью нашей работы является выяснение молекулярных механизмовсвязывания кальция илантанидовтетрациклином при физиологическиактивных концентрациях тетрациклина (~ 10-4 M) и оптимальном значениирН~5,2.Исходя из общей цели, в диссертации решались следующие задачи:41.Выявление особенностей комплексообразования тетрациклина с рядомодно, двух и трёхзарядных ионов металлов в воде методом круговогодихроизма.2.Проверка гипотезы об изоморфизме мест связывания кальция илантанидов (на примерекомплексных соединений тетрациклина скальцием и самарием).3.Изучениевлиянияфактора рН напроцесс комплексообразованиятетрациклина с кальцием и самарием в водных растворах.4.Кинетическое исследование процесса комплексообразования самария стетрациклином в водных растворах в изоэлектрической точке (прирН=5,2).5.Исследованиевлиянияодновалентныхкатионовнапроцесскомплексообразования тетрациклина с ионами самария.6.Регистрация и анализоптических и ПМР спектров комплексныхсоединений тетрациклина с ионами лантанидов (для выяснения строениямест связывания ионов металлов).7.Конформационныйанализпространственнойструктурымолекултетрациклина в комплексных соединениях с ионами металлов с помощьюЭВМ и сопоставление результатов расчетов с данными, полученными приисследованияхвзаимодействиятетрациклинасионамиметалловметодами КД и ЯМР спектроскопии.Научная новизна работы1.Обнаружено различие мест связывания ионов кальция и лантанидовмолекулой тетрациклина в воде при рН=5,2 (в изоэлектрической точке) вкомплексах состава 1:1.2.В водных растворах при рН=5,2 связывание ионов металлов смолекулами тетрациклина происходит на А-хромофоре при участиитрикарбонилметановой группировки.Для доказательства этих выводов, существенных для выявлениямеханизмов биологического действия антибиотиков ряда тетрациклина,5использовалисьследующиеэкспериментальныерезультаты,полученныевпервые методами КД, ЯМР и оптической спектроскопии:1)обнаружены различия спектров кругового дихроизма комплексовтетрациклина с ионами скандия и тяжёлых металлов (стронция,кадмия, лантанидов) и с ионами лёгких металлов (магния, кальция,алюминия) в области длин волн λ~380-420нм в комплексныхсоединениях состава 1:1 при рН=5,2 в воде;2)полученыкинетическиекривыеобразованиякомплексныхсоединений тетрациклина с самарием в воде, свидетельствующие озависимости кинетики комплексообразования при рН=5,2 от типакатиона щелочи (КОН, NaOH, LiOH);3)продемонстрировановлияние ионной силы и рН на кинетикуобразования комплексных соединений тетрациклина с самарием вводе в области слабокислых рН (рК1<рН<рК2);4)получены и проанализированы электронно-колебательные спектрылюминесценции и возбуждения Eu3+ в комплексных соединенияхтетрациклинагадолинием,скальцием, стронцием, иттрием, лантаном,лютецием,активированныхевропием,которыесвидетельствуют о низкой симметрии центров связывания катионовметаллов.Кроме того, произведён расчёт и анализ конформационных состоянийтетрациклина на ЭВМ и предложены практические методы оценки чистотыпрепаратов тетрациклина и определения тяжёлых металлов в природныхводоёмах при помощи метода кругового дихроизма.Научно-практическая значимость исследованияРезультаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы,важны, поскольку иллюстрируют фундаментальные механизмы образованиякомплексныхсоединенийполидентатныхлигандоввэлектролитах,содержащих многозарядные ионы металлов.
Они могут найти применение вбиофизике,координационной химии и медицинской биологии, позволяют6приблизитьсякпониманиюмеханизмовдействиятетрациклинанамолекулярном уровне и стимулировать дальнейшие изыскания в этой области.Исследована кинетика и выявлены физико-химические факторы, влияющие напроцесс связывания тетрациклина с ионами лантанидов, проведён анализконформаций тетрациклина в комплексных соединениях лантанидов на ЭВМ.Кинетические исследования процесса комплексообразования показали, что присоздании новых комплексонов важную роль играют сольватационные факторы:рН,ионная сила, полярность растворителя.Открытый нами эффектзамедления процесса комплексообразования тетрациклина с самарием призамене гидроксида калия на гидроксиды натрия или лития, возможно, являетсячастным проявлением общей тенденции взаимодействия одновалентныхкатионов с хелатами биологических мезо- и макромолекул и многозарядныхионов металлов, и требует дальнейших исследований.Результаты диссертационной работы имеют важное практическоезначение.
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}
