Использование супрамолекулярных систем в биологических процессах

Множество синтетических супрамолекулярных систем было создано в рамках биомиметического подхода, т.е. путём подражания (mimic) структуре или функции более сложных биологических объектов. Биомиметический подход – заимствование у природы идей и реализация их в виде материалов, процессов, технологий. Искусственные абиотические (небиологические) молекулы и реакции называют моделями.

Среди исследований, связанных с задачами биохимического анализа и развитием биомиметического подхода, можно выделить следующие основные направления.

– Разработка методов определения аминов, карбоновых кислот, аминокислот и пептидов.

- Разработка флуоресцентных меток, других типов маркеров для ДНК.

- Искусственные каталитические системы.

- Создание аналогов гема.

- Разработка модельных систем для изучения мембранного транспорта.

Ионофоры. Примером природных рецепторов являются ионофоры – антибиотики, способные образовывать комплексы с катионами металлов и транспортировать их через клеточные мембраны. Большинство ионофоров синтезируется микроорганизмами. Ионофоры широко применяются для повышения проницаемости мембран по отношению к определённым ионам в исследованиях на синтетических бислоях, клеточных органеллах, интактных клетках. Существуют два класса ионофоров: подвижные переносчики ионов и каналообразующие ионофоры.

Для того, чтобы молекула облегчала перенос ионов через гидрофобную мембрану (выполняла функцию ионофора), она должна обладать способностью образовывать комплекс с переносимым ионом (свойство, которое характеризует слабые кислоты и основания), растворяться в неполярной мембранной фазе (по крайней мере, в комплексе с ионом) и обеспечивать подвижность ионов в мембране. Другим общим свойством ионофоров является их способность определённым образом изменять конформацию при образовании комплекса с ионом. Циклические ионофоры так изменяют свою конформацию, что внутри молекул образуются полярные полости за счёт переориентации лигандных полярных групп, а снаружи оказываются неполярные углеводородные группы. В результате такой перестройки комплекс с ионом становится гидрофобным, растворимым в неполярной среде.

На рис. 1. показана структура валиномицина – циклического комплексона, состоящего из 12 фрагментов амино- и оксикислот. Антибиотик валиномицин стабилизирован за счёт водородных связей между амидной и карбонильной группами соседних амидных остатков. Валиномицин проявляет уникальную способность к связыванию катионов калия. Он способен селективно выбирать и координировать калий в смеси, содержащей другие катионы щелочных металлов. Связывание катиона происходит при образовании координационных связей между катионом и карбонильными атомами фрагментов оксикислоты. Комплекс является гидрофобным, что способствует лёгкому переносу катионов через природные или искусственные мембраны

Рис. 1. Структура валиномицина и его комплекса с катионом К⁺

В чём причина высокой селективности валиномицина по отношению к калию? Исследования, проведенные с помощью рентгеноструктурного анализа, показали, что в валиномицине водородные связи между протоном амидной группы и карбонильным атомом кислорода фрагмента оксокислоты придают жёсткость структуре, фиксируют определённый размер полости, который становится подходящим только для одного размера катиона металла – калия.

С использованием комплексного метода исследования, включающего ЯМР-, ИК-спектроскопии и рентгеноструктурный анализ, было установлено, что природа растворителя сильно влияет на форму валиномицина. Так, в неполярных растворителях (таких как октан, четырёххлористый углерод) форма валиномицина овальна, а в полярных растворителях становится похожей на пропеллер. Объясняется это тем, что овальность (т.е. жёсткость) структуре придают водородные связи, а в полярных растворителях при сольватации карбонильных и амидных групп происходит их разрушение.

Энниатины представляют собой циклические гексадепсипептиды, т.е. 18-членные макроциклы, обладающие меньшей селективнстью по отношению к катионам металлов. Энниатин, также как и другой тип антибитотиков - боверицин, выделяют из различных культур. Важным структурным их отличием от валиномицина является то, что в энниатинах невозможно образование внутримолекулярных водородных связей, следовательно, скелет этих соединений является гибким. Это влечёт за собой снижение селективности комплексообразования. Энниатины также не способны переносить катионы через мембрану. Видимо, катион металла в них недостаточно экранирован гидрофобными остатками. Исключением из этого факта являются комплексы энниатинов типа «сэндвич» с катионами металлов большого размера. На примере боверицинапоказано (рис. 2), что он может образовывать прочные комплексы с катионом бария «сэндвичевой» структуры, в этом комплексе катион капсулирован органическими фрагментами молекулы и может легко переноситься через мембраны. Поскольку в образовании комплекса «сэндвич» участвует и анион, как это установлено на примере пикрат-аниона (рис. 2), то очевидно, что ионофорная способность боверицина зависит от природы аниона.

Рис. 2. Структура боверицина (а) и его комплекса с катионом Ba²⁺(б)

Таким образом, различие в антибиотиках проявляется в следующем: валиномицин обладает высокой селетивностью по отношению к катионам, а боверицин обладает высокой специфичностью по отношению к анионам. Антибиотики демонстрируют также различные типы связывания солей металлов. Валиномицин образует прочный инклюзивный комплекс, а боверицин капсулирует катион через образование «сэндвичевого» комплекса.