Молекула-тыква

тыкваТыква, тыква, тыква. Желтая, яркая, заметная. Для чего могла быть необходима тыква тому монаху?.. Судя по тому, что ее разломали, внутри нее мог быть тайник. Но желтая тыква после праздника — такая заметная штука, что куда с ней ни пойди — везде на тебя обратят внимание…

Любовь Федорова.

Путешествие на север

Прогресс в биологии был бы невозмо­жен без ее взаимодействия с другими науками — химией, физикой, матема­тикой. Это рассказ о взаимодействии и взаимообогащении двух наук — био­логии и химии на примере изучения молекулы кукурбитурила.

Научный поиск и взаимодействие

Биология и химия долгое время шли каждая своим путем, но давней мечтой биологов было покорить химические процессы, а химиков — создать в ла­бораторных условиях живой организм. Сама по себе эта идея возникла еще в период алхимии и вплоть до XVI века была одной из главных целевых уста­новок. «Биологические идеалы» ранних этапов становления химического знания определили устойчивую традицию об­ращения химиков к проблемам биоло­гии, хотя в «посталхимический» период грань между живым и неживым веще­ством долго считалась непреодолимой.

Применительно к вопросу о взаимо­действии биологии и химии наиболь­ший интерес представляет органиче­ская химия. Природа подарила химикам прекрасные образцы для изучения и подражания — вещества растительно­го и животного происхождения. Так у химиков появился новый «биологиче­ский идеал», оказавший сильное вли­яние на развитие органической химии, особенно на первоначальном этапе ее становления. Укреплению связей между химией и биологией способствовало появление теории строения органиче­ских соединений А. М. Бутлерова. Руко­водствуясь этой теорией, химики смело вступили в соревнование с природой.

Низшим уровнем организации в био­логии считается молекулярный: клетки содержат внутриклеточные структуры, которые, в свою очередь, строятся из молекул. Детальное познание строе­ния и состава клетки, раскрывшее этот уровень перед биологами, сделало воз­можным их сотрудничество с химиками. Такие специфические свойства живого, как рост, размножение, подвижность, возбудимость, способность реагиро­вать на изменения внешней среды, связаны с определенными комплекса­ми химических превращений. Поэтому химии среди наук, изучающих жизнь, принадлежит основная роль. Химия вы­явила важнейшую роль хлорофилла как основы фотосинтеза, гемоглобина как основы процесса дыхания; установила химическую природу передачи нерв­ного импульса, определила структуру нуклеиновых кислот и т. д. Но самое главное — в основе биологических про­цессов, функций живого лежат химиче­ские механизмы. Все, что происходит в живом организме, может быть описано на языке химии, в виде конкретных хи­мических процессов.

Конечно, сводить явления жизни к химическим процессам было бы грубым упрощением. Химические процессы в живых системах обладают спецификой, хорошо заметной по сравнению с не­живыми. Об этом же говорят и другие науки, возникшие на стыке биологии, химии и физики, в первую очередь биохимия — наука об обмене веществ и химических процессов.

Сейчас для химии особенно важным становится применение биологических принципов, в которых сконцентрирова­ны самые блестящие достижения мил­лионов лет эволюции. Вторая важная задача — установление связи между строением вещества и его свойствами, в частности биологическим действием. Для этого используется множество современных методов, входящих в арсенал физики, органической химии, математики и биологии.

Кукурбитурил, молекула-контейнер

Оригинальное направление, о котором пойдет речь в этой статье, развивается в новосибирском Институте неорганиче­ской химии Сибирского отделения РАН. Оно относится к супрамолекулярной неорганической химии — этот раздел химии исследует наноструктуры, ко­торые состоят из молекул, соединенных нековалентно, — например, из крупных органических молекул и неорганических фрагментов (комплексов металлов).

История этой органической моле­кулы началась еще в 1905 году, когда ее получил немецкий ученый Роберт Беренд, смешав два вещества (гликолурил и формальдегид). Однако методы того времени не позволили правильно определить ее состав и структуру. Только в 1981 году трое американских химиков из Университета Иллинойса в Чикаго, повторили синтез Беренда, получили бесцветное кристаллическое вещество и установили его строение. Они же предложили название для молекулы — «кукурбитурил» (Cucurbituril), так как она по форме напоминает тыкву, по-латыни cucurbita (рис. 1). Можно представить ее похожей и на бочку, в плоскости дна и крышки которой находятся атомы кислорода карбонильных групп (их называют пор­талами, так как они образуют ворота, через которые молекулы меньшего размера могут входить во внутреннюю полость). Число мономеров, выстроен­ных кольцом, может быть различным, поэтому говорят о кукурбит[n]урилах; соответственно и диаметр «бочки» бу­дет большим или меньшим.

кукурбитурилы

 Кукурбитурилы внешне напоминают тыкву или бочку. Стенки «бочки» собраны из остатков гликолурила (=C4H2N4O2=), соединенных метиленовыми мостиками. Число мономеров может быть различным

Что положить в «бочонок»

Исследования биохимии кукурбит[n]урилов начались совсем недавно, по­этому соединения на их основе пока не получили широкого практического применения. Но очевидно, это дело ближайшего будущего, ведь моле­кула-тыква обладает замечательны­ми свойствами. Благодаря жесткой высокосимметричной структуре она сохраняет свою форму при внешних воздействиях. Размеры полости «бо­чонка» позволяют хранить в ней другие молекулы, в том числе биологически значимые. (Напомним, что крупную молекулу с полостью внутри, подобную кукурбитурилу, специалисты образно называют «хозяином», а более простые молекулы или ионы, способные поме­ститься в полости, — «гостями».) Ученых привлекает то, что тем самым создается уникальное микроокружение, напри­мер, для иона металла, повторяющее его окружение в природных системах. А значит, кукурбитурил, содержащий подобное включение, — перспективная модельная система при изучении транспорта ионов металлов в биоло­гических системах и активации малых молекул. Порталы способны образовы­вать дополнительные связи, за счет чего молекула может «подрасти в высоту» или прикрепиться к нужному ей месту. Наконец, эта молекула нетоксична для человеческого организма и обладает высокой устойчивостью к термической обработке и агрессивным средам, та­ким, как горячие концентрированные кислоты и щелочи.

Отсюда ясно, почему на кукурбитурилах сосредоточились интересы и хими­ков, и биологов. Уникальные свойства этих молекул наглядно показывают, как много пользы могут принести друг другу разные области знаний.

комплексы металлов

 Таблица

Гости, которые подходят по размерам полости: комплексы переходных и благородных металлов с полиаминовыми лигандами; еn — этилендиамин, dien — диэтилентриамин, cyclam (циклам) — 1,4,8,11-тетраазациклотетрадекан, cyclen (циклен) — 1,4,7,10-тетраазациклододекан

Биологи и химики выбирают для включения «гостей», которые подходили бы по размерам и имели бы полезные свойства. Удачными претендентами оказались комплексы переходных и благородных металлов с циклически­ми лигандами, такими как циклам —тетраазациклотетрадекан и его производные (см. таблицу). Подобные соединения широко применяются в медицине в качестве противовирусных препаратов, в радиофармацевтике для диагностики как рентгеноконтрастные вещества и в терапии. Например, ком­плекс кобальта(II) может связывать ди­кислород, комплекс кобальта(III) — ката­лизатор гидролиза аденозинтрифосфата и ДНК. Комплексы золота и платины с полидентатными аминами (цикламом, этилендиамином, диэтилентриамином и др.) обладают противоопухолевыми и цитотоксическими свойствами. Они бо­лее устойчивы в физиологических усло­виях, чем другие подобные соединения. На основе комплексов золота и платины с кукурбитурилом могут быть созданы фармацевтические препараты пролон­гированного действия, с постепенным высвобождением активного компонента лекарства из полости «хозяина», ко­торый выполняет функцию транспорта и хранения — способствует доставке «гостя» в нужное место, защищает от быстрого разложения в организме и снижает его токсичность. Другие воз­можные области применения комплек­сов золота и платины, заключенных в кукурбитурилы — катализ и селективное разделение. О том, что кукурбитурилы с включениями могут пригодиться для моделирования биохимических про­цессов, мы уже упоминали.

рутений с этилендиаминомКомплекс рутения с этилендиамином — бабочка в клетке

Но это еще не все. Соединения металлокомплексов и кукурбитурила могут быть использованы для конструирова­ния молекулярных и наноразмерных устройств: переключателей, сенсоров, молекулярных машин. Конечно, для этого потребуются модификации хи­мических, электрохимических, фото­химических и магнитных свойств гостя в полости молекулы.

золото с диэтилентриаминомКомплекс золота с диэтилентриамином — веер удобно расположился в шкатулке

Соединения, выбранные для помеще­ния внутрь кукурбитурила и представ­ленные в таблице, не только интересны с научной точки зрения и перспективны с практической, но и рисуют в вообра­жении зрителя яркие картинки. Кто-то видит в комплексе рутения с этилен­диамином бабочку (рис. 2), золота с диэтилентриамином — веер (рис. 3), а кобальта и никеля с цикленом — шляпку (рис. 4).

кобальт и никель с цикленомКомплекс кобальта и никеля с цикленом, как шляпка в коробке

Атомы железа, платины, меди, цинка, золота расположены в центре большой молекулы и сидят в кресле из циклама (рис. 5).

полиаминовый лиганд цикламаАтомы Fe, Pt, Cu, Zn, Au в центре молекулы-хозяина сидят в кресле из полиаминового лиганда циклама

Как упаковать

Как поместить одну молекулу в другую? Пришлось разработать специальные методики, чтобы процесс получения был не слишком сложен (рис. 6). Если используется прямой метод синтеза, ученые исходят из кукурбит[n]урилов и комплексов металлов с полиаминными лигандами. Такой метод работает для комплексов рутения и золота. В кри­сталлической структуре все полости большой молекулы заняты молекулами гостя. Соединение рутения с этилендиамином в кукурбитуриле напоминает бабочку в клетке (рис. 2), а золота с диэтилентриамином — веер в шкатулке (рис. 3).

соединения включенияСпециальные методики, разработанные для получения соединений включения

Но что делать, если комплекс вклю­чаемого металла слишком велик и не может пройти сквозь порталы нашей большой молекулы? Здесь мы приме­нили другой метод: комплекс металла взаимодействовал с лигандом, предва­рительно включенным в полость боль­шой молекулы. Этот метод оказался подходящим для следующих комплек­сов металлов: железа, платины, меди, цинка, золота. Чтобы атом металла мог с удобством разместиться в центре ку­курбитурила, там «поставили» кресло из полиаминового лиганда (рис. 4).

Молекулы кукурбитурила в кри­сталлической структуре образуют или укладку по паркетному типу, или каналы-«соты» (рис. 6). Такие соедине­ния привлекают все больше внимания, так как пористые кукурбитуриловые структуры могут быть использованы в реакциях сорбции газов и других малых органических молекул, а также в про­цессах разделения смесей.

молекулы кукурбитурилаМолекулы кукурбитурила в кристаллической структуре упаковываются таким образом, что образуется либо укладка по паркетному типу, либо каналы-«соты». (Включения, соответственно, — соединение с железом [M(cyclam)]n+ и соединение с золотом [M(dien)L]n+)

До сих пор мы не упомянули еще об одном важном свойстве наших со­единений: они растворимы в воде. Это не только повышает их шансы стать компонентами лекарственных препа­ратов, но и делает их перспективными с точки зрения изучения поведения в растворах. Водорастворимыми оказа­лись соединения никеля и кобальта с цикленом, которые были приготовлены по той же методике: комплекс металла взаимодействовал с лигандом, уже находящимся в полости большой мо­лекулы. Теперь и «шляпки» комплексов никеля и кобальта поместили в коро­бочки (рис. 5).

Как видим, сотрудничество между химией и биологией по-прежнему про­дуктивно. Переплетение методов обеих наук обоюдно обогащает их — это ясно даже на примере одной молекулы.

Кандидат химических наук Е. А. Коваленко

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Можно использовать следующие HTML-теги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>