Біологія і хімія: перспектива наукового пошуку, або Супрамолекулярна хімія вивчає кукурбітуріл

1. Науковий пошук і взаємодія
2. Про молекулі кукурбітуріле

Стаття на конкурс «біо / мовляв / текст»: Прогрес в біології був би неможливий без її активної взаємодії з іншими науками. При вирішенні біологічних проблем тісно переплітаються ідеї та методи біології, хімії, фізики, математики та інших областей знання. Для хімії особливо важливе встановлення зв'язку між будовою речовини і його властивостями, зокрема, біологічною дією. Це розповідь про взаємодію і взаємозбагачення двох наук - біології та хімії - на прикладі вивчення молекули кукурбітуріла і про її властивості, стане в нагоді для біологічних цілей.

Науковий пошук і взаємодія

З давніх-давен людини займають питання: з чого він зроблений, чому живі істоти народжуються і вмирають, думають і відчувають, з чого складаються земля, повітря, вода і вогонь, як цим всім можна керувати, і як це все пов'язано між собою? У міру «дорослішання» людства стали з'являтися різні науки, займаючись якими, люди намагаються відповісти на їхні запитання. Так з'явилися і стали сучасний вид біологія, хімія, фізика та інші галузі наукового знання.

Як особлива галузь знання біологія виділилася з природних наук в XIX столітті, коли вчені виявили, що живі організми володіють деякими загальними для всіх характеристиками. Термін «біологія» був введений незалежно кількома авторами: Фрідріхом Бурдаха в 1800 році, Готтфілдом Рейнхолд Тревіранус і Жаном Батистом Ламарком в 1802 році. Більшість біологічних наук є дисциплінами з вузькою спеціалізацією. Області всередині біології поділяються залежно від досліджуваних об'єктів, масштабів дослідження і застосовуваних методів: так, наприклад, біохімія вивчає хімічні основи життя, молекулярна біологія - складні взаємодії між біологічними молекулами, а зоологія та ботаніка - тваринний і рослинний світ. Прогрес в біології був би неможливий без її активної взаємодії з іншими науками. Завдяки розвитку біохімії були відкриті ферменти, і почалася грандіозна робота по опису всіх процесів метаболізму. Наступне за ці відкриття просторової структури молекули ДНК Уотсоном і Криком дало потужний поштовх для розвитку молекулярної біології.

Біологія і хімія довгий час йшли кожна своїм власним шляхом, хоча давньою мрією біологів було «підкорити» хімічні процеси, а хіміків - створити в лабораторних умовах живий організм. Сама по собі ця ідея виникла ще в період алхімії і аж до XVI століття була однією з головних цільових установок. Проте, «біологічні ідеали» ранніх етапів становлення хімічного знання визначили сталу традицію звернення хіміків до проблем біології, хоча тоді ж склалися уявлення про непереборну кордоні між живим і неживим. Що стосується питання про взаємодію біології та хімії найбільший інтерес представляє органічна хімія. Природа надала хімікам нові методи прекрасні зразки свого творіння - речовини рослинного і тваринного походження - для наслідування і відтворення в хімічних лабораторіях. Так для хіміків виник «біологічний ідеал», що зробив великий вплив на розвиток органічної хімії, особливо на перших етапах її становлення. Різке зміцнення взаємозв'язку хімії з біологією відбулося в результаті створення А.М. Бутлеровим теорії хімічної будови органічних сполук. Керовані цією теорією, хіміки-органіки вступили в змагання зі своєю «суперницею» - природою.

Самий «фундаментальний» рівень організації в біології - молекулярний, оскільки клітини і внутрішньоклітинні структури будуються з молекул. Розуміння будови атомів і молекул і детальне пізнання пристрою клітини відкрило перед біологами і хіміками можливість спільної роботи над хімічною будовою клітини і біохімічними процесами в живих тканинах, які зумовлюють біологічні функції.

Виходить, що такі специфічні властивості живого, як зростання, розмноження, рухливість, збудливість і здатність реагувати на зміни зовнішнього середовища пов'язані з комплексом хімічних перетворень, що протікають в живій клітині. Тому хімія відіграє особливу роль серед наук, що вивчають життя. Саме хімією виявлена ​​найважливіша роль хлорофілу як хімічної основи фотосинтезу, гемоглобіну як основи процесу дихання, встановлена ​​хімічна природа передачі нервового збудження, визначена структура нуклеїнових кислот і т.д. Головна думка полягає в тому, що в основі всіх біологічних процесів лежить саме хімія.

Зараз для хімії особливо важливим стає застосування біологічних принципів, в яких сконцентрований досвід багатьох мільйонів років еволюції, «відточувати» хімічні структури, максимально пристосовані для вирішення тих чи інших біологічних задач. Для цього використовується безліч сучасних методів, що входять в арсенал фізики, органічної хімії, математики і біології.

У світі створено безліч наукових центрів, провідних дослідження в галузі фізико-хімічної біології. Країнами-лідерами в цій галузі є США, Великобританія, Франція, Німеччина, Швеція, Данія, Росія та інші. У нашій країні наукові центри розташовані в Москві і Підмосков'ї (Пущино, Обнінськ, Черноголовка), Санкт-Петербурзі, Новосибірську, Красноярську, Владивостоці та інших містах ...

Про молекулі кукурбітуріле

Оригінальна напрямок розвивається в Новосибірському Інституті неорганічної хімії Сибірського відділення РАН. Це Супрамолекулярна неорганічна хімія, що вивчає самосборку молекулярних структур з «будівельних блоків»: органічних молекул (в цій статті ми поговоримо про кукурбітуріле) і неорганічних фрагментів (комплексів металів). Дослідження біохімії кукурбіт [n] урілов були розпочаті зовсім недавно, тому з'єднання на їх основі поки не отримали широкого практичного використання. Однак в супрамолекулярної хімії вже були вироблені спеціальні терміни для спрощення описів складних процесів: наприклад, «господар» - це велика органічна молекула з порожниною в центрі, а «гість» - простіша молекула або іон, здатна проникати в цю порожнину.

Малюнок 1. Кукурбітуріли за зовнішнім виглядом нагадують бочку

Молекула кукурбітуріла викликає жвавий інтерес і біологів, і хіміків, наочно демонструючи, наскільки взаємовигідно різні області знання можуть доповнити один одного. Історія цієї речовини почалася ще в 1905 році, коли німецький вчений Беренд змішав два речовини і отримав цю молекулу, але методи хімічного аналізу того часу не дозволили правильно визначити її склад і структуру [1] . Тільки в 1981 році Мок і Фріман повторили синтез Беренда і отримали безбарвна кристалічна речовина, будова якого на цей раз вдалося встановити [2] . його назвали кукурбітуріл (Cucurbituril), так як молекула за формою нагадує гарбуз (сімейство Cucurbitaceae ) Або бочку (рис. 1), в дні і кришці якої знаходяться атоми кисню карбонільних груп, що утворюють кільцеві портали. Ця молекула володіє чудовими властивостями: будучи жорсткої і «порожній» всередині, вона може вміщати інші молекули, в тому числі - грають важливі ролі в біологічних процесах. Зокрема, кукурбітуріл із задоволенням пускає всередину іони металів, створюючи той же хімічне оточення, що зустрічається у них в природі (іншими словами, координує ці іони). Тому молекули- «барила» можливо використовувати при вивченні транспорту іонів металів в біологічних системах і активації малих молекул. Кукурбітуріл нетоксичний для людського організму і має високу стійкість до термічної обробки і агресивних середовищ.

Біологи і хіміки вибирають таких «гостей», які мали б корисні властивості і підходили б за розмірами. Вдалі претенденти - комплекси перехідних і благородних металів з циклічними лігандами, наприклад, ціклáм і його похідні. Такі речовини широко застосовуються в медицині як противірусних препаратів, в радиофармацевтики - для діагностики як рентгеноконтрастні речовини і в терапії - в ролі каталізаторів реакцій. Комплекси кобальту з циклічним лігандом цікленом і його похідними відомі з 1960-х років; однак і в даний час вони викликають жвавий інтерес дослідників. Такі комплекси мають здатність до зв'язування дікіслорода O2 (використовується комплекс кобальту-II) і є каталізаторами гідролізу аденозинтрифосфату і ДНК (використовується комплекс кобальту-III). Комплекси золота і платини з полідентатними амінами ( цикламен , етилендіаміном , діетілентріамін та ін.) мають протипухлинними і цитотоксичними властивостями. На відміну від інших подібних з'єднань, вони досить стійкі в фізіологічних умовах. Можлива область застосування комплексів золота і платини з кукурбітурілом - створення фармацевтичних препаратів пролонгованої дії, коли активний компонент ліки поступово вивільняється з порожнини макроциклічного «господаря», а також для каталізу і селективного розділення сумішей хімічних речовин.

З'єднання, вибрані для приміщення всередину кукурбітуріла (див. Таблицю), не тільки володіють перерахованими вище властивостями, але і малюють в уяві глядача барвисті образи. Так, наприклад, хтось може побачити в комплексі рутенію з етилендіаміном метелика (рис. 2 а), золота з діетілентріамін - віяло (рис. 2 б), кобальту і нікелю з цікленом - капелюшок (рис. 2 в), а атоми заліза, платини, міді, цинку і золота «сидять» на кріслі з поліамінового лиганда цикламен (рис. 2 г).

Малюнок 2. В уяві хіміків. а - Комплекс рутенію з етилендіаміном подібний метелику в клітці. б - Комплекс золота з діетілентріамін - як віяло, зручно розташувався в скриньці. в - Комплекс кобальту і нікелю з цікленом - як капелюшок в коробці. г - Атоми Fe, Pt, Cu, Zn, Au розташовані в центрі молекули- «господаря» і «сидять» на кріслі з поліамінового лиганда цикламен.

Чому ж так важливо поміщати одні молекули всередину інших? Справа вся в тому, що такі сполуки можуть використовуватися для моделювання різноманітних біохімічних процесів, таких як:

1. селективна взаємодія металлоферментов-субстрат;
2. створення фармацевтичних препаратів пролонгованої дії на основі біологічно активного з'єднання металу, який міститься в порожнину молекули, яка зберігає комплекс «гостя» від швидкого розкладання, знижує його токсичність для організму, а також виконує транспортну функцію.

Властивості згаданих вище сполук справді унікальні. З'єднання металлокомплексов і кукурбітуріла можуть бути використані для створення молекулярних і нанорозмірних пристроїв: перемикачів, сенсорів і молекулярних машин за рахунок модифікації хімічних, електрохімічних, фотохімічних і магнітних властивостей «гостя» в порожнині молекули.

Але що ж потрібно зробити, щоб одна молекула зайшла в іншу? Для цього довелося розробити спеціальні методи отримання таких комплексів (рис. 3). У разі прямого методу синтезу вчені виходять з кукурбіт [n] урілов і комплексів металів з ПОЛІАМІНИ лигандами. Цей метод працює для комплексів рутенію і золота. З'єднання рутенію з етилендіаміном в кукурбітуріле нагадує метелика в клітці (рис. 2 а), а золота з діетілентріамін - віяло, зручно розташований в скриньці (рис. 2 б).

Малюнок 3. Спеціальні методики, розроблені для отримання сполук включення.

А якщо комплекс включається металу досить великий і не може пройти крізь портали нашої молекули? Був застосований інший метод, що полягає у взаємодії комплексу металу з попередньо включеною в порожнину великий молекули лигандом (рис. 3). Цей метод виявився підходящим для наступних комплексів металів: заліза, платини, міді, цинку, золота. Тут атоми металу розташовані в центрі кукурбітуріла і «сидять» на кріслі з поліамінового лиганда (рис. 2 в). Молекули кукурбітуріла в кристалічній структурі упаковуються таким чином, що утворюється або «паркет», або канали «стільники» (рис. 4). Такі сполуки привертають все більшу увагу, тому що утворюються пористі структури можуть бути використані в реакціях сорбції газів і інших малих органічних молекул, а також в процесах розділення сумішей.

Малюнок 4. Молекули кукурбітуріла в кристалічній структурі упаковуються таким чином, що утворюється або укладання по «паркетній» типу (зліва), або утворюються канали «стільники» (праворуч)

Наші з'єднання володіють важливою властивістю: вони розчиняються у воді. Саме це робить їх перспективними з точки зору вивчення поведінки в розчинах, а також доставки нерозчинних молекул в потрібну точку організму. З'єднання нікелю і кобальту з цікленом були приготовлені за тією ж методикою, що полягає у взаємодії комплексу металу з попередньо включеною в порожнину великий молекули лигандом. Тут комплекси нікелю і кобальту подібні капелюшку в коробочці (рис. 2 в).

Біологія і хімія нерозривно пов'язані один з одним, і їх зв'язок визначає значну частину наукового прогресу. Переплетення методів обох наук обопільно збагачує їх. Навіть на прикладі однієї молекули стає очевидним, що науковий прорив неможливий без співпраці різних дисциплін.

1. Behrend R., Meyer E., Rusche F. (1905). Molecular encapsulation. Liebigs Ann. Chem. 339, 1;
2. WA Freeman, WL Mock, NY Shih. (1981). Cucurbituril . J. Am. Chem. Soc. . 103, 7367-7368;
3. Коваленко Е.А., Митькина Т.В., Герасько О.А., Наумов Д.Ю., Самсоненко Д.Г., Федін В.П. (2010). З'єднання включення комплексів благородних металів з поліамінового лигандами в кукурбіт [8] уріл. «Изв. АН, сер. хім. ». 11, 2019-2027;
4. Коваленко Е.А., Митькина Т.В., Герасько О.А., Самсоненко Д.Г., Наумов Д.Ю., Федін В.П. (2011). Синтез і кристалічна структура сполук включення в кукурбіт [8] уріл комплексів заліза (II), кобальту (III) і нікелю (II) з цикламени та цікленом. «Координаційна хімія». 37, 163-168;
5. Коваленко Е.А., Майнич Д.А., Герасько О.А., Наумов Д.Ю., Федін В.П. (2011). З'єднання включення комплексів міді (II) і цинку (II) з цикламени в кукурбіт [8] уріл: синтез і будова. «Изв. АН, сер. хім. ». 5, 168-175;
6. Смисли «життя» ;
7. Життя в епоху синтетичного життя ;
8. Формування мембранного потенціалу спокою ;
9. Чирков Ю. (2010). молекулярні контейнери . «Наука і життя». 7;
10. Невідомі пептиди: «тіньова» система біорегуляції .