Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Постановка задачи и обзор литературы 9
1.1 Проблема формирования хирально чистого биологического мира и различные подходы к её решению 9
1.2. Проблема формирования хирально чистого биологического мира. Модель Гольданского 19
1.3. Структурообразование в низкоконцентрированных растворах низкомолекулярных гелаторов. Важнейшие характеристики гелаторов. 25
1.4. Структурообразование в растворах трифторацетилированных аминоспиртов. Феноменология струн . 26
Глава 2. Материалы и методы 35
Глава 3. Основные результаты и их обсуждение 39
3.1. Нуклеации 39
3.2. Нанокапли и спиральная структура нуклеаций 42
3.3. Геликоидальная структура струны 48
3.4. Скорость роста струн 53
3.5. Суперспирализация как механизм реализации структурообразующего потенциала молекулярной хиральности 60
3.6. Экспериментальное определение диаметра и супрамолекулярной структуры элементарной струны 68
3.7. Термически активированные изгибные колебания элементарных струн 81
3.8. Хиральная катастрофа: критерий необходимой хиральной чистоты среды в модели Гольданского 90
3.9. Одновременное спонтанное формирование элементарных струн двух противоположных хиральностей в исходно рацемическом растворе 92
3.10. Спонтанное формирование элементарных струн в гетерохиральном растворе 96
Основные результаты и выводы 101
Список использованной литературы 103
- Проблема формирования хирально чистого биологического мира. Модель Гольданского
- Структурообразование в растворах трифторацетилированных аминоспиртов. Феноменология струн
- Геликоидальная структура струны
- Хиральная катастрофа: критерий необходимой хиральной чистоты среды в модели Гольданского
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Проблема гомохирального мира имеет фундаментальное естественно-научное значение. В живой природе, как показали В.А. Твердислов и Л.В. Яковенко [1], хиральная асимметрия сопряжена с ионной асимметрией клетки. При этом хорошо известно, что все важнейшие биомолекулы, начиная с аминокислот, сахаров, липидов, и их супрамолекулярные биологические сборки различной размерности, образуют соответствующие гомологические гомохиральные ряды: так, например, все ферменты левые, а РНК – правые и т.д.
Наиболее общие и систематические исследования проблемы
возникновения гомохиральных последовательностей или макромолекул – предшественников биомолекул предприняли В.И Гольданский, В.В. Кузьмин и В.А. Аветисов, а в настоящее время продолжает В.А. Аветисов [2,3]. Однако при исследовании сценариев формирования гомохирального мира, даже в исходно хирально поляризованной среде, авторы, в рамках использованной ими модели, получили огромный энтропийный барьер, препятствующий такому формированию, и пришли к сценарию, названному ими "хиральной катастрофой" (понятие, введенное В.И. Гольданским и сотрудниками [2,3], означающее наличие теоретически непреодолимого энтропийного барьера, противостоящего формированию длинных линейных гомохиральных молекул в не полностью гомохиральной среде). Несмотря на фундаментальность формальной математической логики, использующей формализм теории квазивидов, полученный результат не обобщается уже на кристаллы, для которых известен, начиная с опытов Пастера, эффект спонтанного расщепления энантиомеров при образовании конгломератов. Подобные пастеровскому расщеплению эффекты ставят под сомнение адекватность выбранной авторами физической модели; ещё большие сомнения возникают при сопоставлении вывода о хиральной катастрофе и имеющегося феномена гомохиральности биосферы Земли. Ясно, что, в силу огромной значимости этой задачи для молекулярной биологии, она требует ревизии, т.е. построения модели
гомохиральной предбиологической макромолекулы с учетом современных
представлений об особенностях хиральных взаимодействий при
структурообразовании [4]. С другой стороны, экспериментальные исследования
стадии de-novo по понятным причинам весьма сложны, не очевидны для
постановки задачи либо просто невозможны, поэтому физико-химическое
моделирование этой стадии можно рассматривать как отдельное актуальное
направление биофизики сложных систем и биофизической экологии.
Настоящая работа посвящена экспериментальному и теоретическому
моделированию процесса формирования гомохирального мира на
предбиологической стадии.
В качестве источника хиральности при моделировании рассматриваются молекулы трифторацетилированных аминоспиртов (ТФААС), содержащие хиральный домен с sp3-гибридизированым атомом углерода, который мог возникать в автокаталитической реакции Бутлерова синтеза сахаров. Все эксперименты и расчеты проводились на биомиметических системах «ТФААС-растворитель», для которых выполняется фундаментальная синергетическая закономерность смены знака хиральности иерархических фаз, которая, фактически, является единственным известным физическим инвариантом, связывающим неживую и живую материи [5]. Адекватный с этой точки зрения биомиметический характер используемых систем подробно исследован и обоснован в [4]. Следует отметить, что в таких системах уже при низких концентрациях формируются гели, состоящие из супрамолекулярных микроскопических струн, которые можно рассматривать как аналог макроскопической полимерной матрицы, состоящей из макромолекул.
Также следует отметить, что анализ современных идей возникновения
гомохирального мира de novo [6] показывает, что данный биомиметический
подход их актуально дополняет. Экспериментально обнаруженная в работе на
биомиметической модели вариабельность сценариев формирования
гомохирального мира указывает, что его фактическое формирование и
окончательный выбор знака хиральности могли произойти как на предбиологической, так и на биологической стадии эволюции.
Цель работы. Цель настоящей работы – на примере биомиметической
системы «ТФААС-растворитель» показать возможность спонтанного
формирования гомохиральных молекулярных последовательностей
макроскопической длины (аналогов биомолекул, в соответствии
с определением в модели Гольданского [2,3]) при произвольной хиральной поляризации в системе. Для достижения указанной цели было необходимо решить следующие задачи:
-
экспериментально и теоретически исследовать физические механизмы спонтанного формирования (нуклеации) струн, реализации структурообразующего потенциала молекулярной хиральности и влияние растворителя на геликоидальную супрамолекулярную структуру струны;
-
показать, что элементарные супрамолекулярные струны в гомохиральных растворах ТФААС являются молекулярно тонкими и макроскопически длинными, т.е. представляют структурный аналог биомакромолекул;
-
установить основные сценарии спонтанного формирования в растворах ТФААС с произвольной хиральной поляризацией молекулярно тонких и макроскопически длинных гомохиральных элементарных струн. Научная новизна работы. Исследованы спонтанные нуклеации струн
в растворах ТФААС и сделано предположение о молекулярных механизмах и
внутренней молекулярной динамике нуклеации в эволюционных
предшественниках клетки. С помощью пробных частиц оценен размер субмикронной фракции в растворах ТФААС. Методом полноатомной молекулярной динамики обнаружена нуклеация с элементами геликоидальной (спиральной) симметрии. Экспериментально изучено влияние растворителя на геликоидальную структуру супрамолекулярных струн. Методом полноатомной молекулярной динамики исследованы особенности кооперативных процессов в различных растворителях. Теоретически описана кинетика формирования
суперспирализованной струны в режиме -сборки, хорошо согласующаяся
с экспериментом. Получены согласующиеся теоретическая и
экспериментальная оценки скорости формирования элементарной струны, что
допускает структурообразование до высыхания капель – предшественников
клетки в модели Твердислова [1]. Показано, что в иерархических
биомиметических системах «ТФААС-растворитель» суперспирализация
является механизмом реализации структурообразующего потенциала
молекулярной хиральности на всех уровнях их иерархии.
Экспериментально показано, что элементарная струна является
молекулярно тонкой. Теоретически показано, что ее термически
активированные изгибные колебания достаточны для обеспечения
суперспирализации.
Экспериментально установлены два сценария формирования
квазиодномерных гомохиральных последовательностей макроскопической длины на примере рацемической и гетерохиральной биомиметических систем ТФААС.
Практическая значимость работы. Полученные в работе результаты по формированию наноразмерных супрамолекулярных струн могут быть использованы при создании технологий получения взаимопроникающих нанорешеток, например, с полимерами, нанотрубками и наноцеллюлозой, при производстве пористых матриц, нанокомпозитов, гелей и аэрогелей технического назначения и для биомедицинских целей.
Методы исследования. Использовались оптическая (в т.ч. поляризационная и метод двойного интерференционного контраста, далее ДИК) и атомно-силовая микроскопия (далее ОМ и АСМ), рентгеновская дифрактография, ИК-спектроскопия (в т.ч. поляризационная), динамическое рассеяние света (ДРС, с применением пробных частиц), малоугловое рентгеновское рассеяние, а также численное моделирование методом полноатомной молекулярной динамики.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Экспериментально и теоретически исследованы спонтанные нуклеации струн в растворах ТФААС и сделано предположение о молекулярных механизмах и внутренней молекулярной динамике нуклеации в эволюционных предшественниках клетки. Методом полноатомной молекулярной динамики (МД) обнаружена нуклеация с элементами геликоидальной (спиральной) симметрии. С помощью пробных частиц методом ДРС оценен размер субмикронной фракции в растворах ТФААС.
-
Экспериментально, методом ОМ и АСМ изучено влияние растворителя на суперспирализацию струн. Методом полноатомной МД исследованы кооперативные процессы в различных растворителях. Теоретически описана кинетика формирования суперспирализованной струны в режиме -сборки, хорошо согласующаяся с экспериментом. Получены согласующиеся теоретическая и экспериментальная оценки скорости формирования элементарной струны – 1 см/c. Это означает “мгновенное” (за время 10-4 с) формирование анизометрических структур в каплях – предшественниках клетки согласно модели Твердислова [1], – по сравнению со временем их жизни (т.е. временем высыхания капли).
-
Показано, что в иерархических биомиметических системах «ТФААС-растворитель» суперспирализация является механизмом реализации структурообразующего потенциала молекулярной хиральности на всех иерархических уровнях. Так, экспериментально, с применением рассеяния синхротронного излучения, ОМ и АСМ, и теоретически показано, что структура растворов хиральных и ахирального ТФААС: а) идентична на масштабах ~1–10 нм; б) существенно отличается на масштабе от 0.1 мкм, возможно, от нескольких десятков нанометров, до 1 мкм, на котором также проявляется суперспирализация, т.е. спиральная закрутка более тонких (хиральных) струн при формировании струн следующего уровня иерархии. При этом, согласно известной формуле
Эйлера, обобщенной в настоящей работе на случай взаимного притяжения струн, прочность спирального соединения экспоненциально растет с его длиной, что обеспечивает устойчивость формирующихся суперспирализованных структур.
-
Методом ОМ, АСМ, рентгеновской дифракции и спектроскопии ИК-излучения, в т.ч. поляризованного, изучена структура элементарных струн и показано, что элементарная струна является молекулярно тонкой и макроскопически длинной гомохиральной супрамолекулярной структурной единицей. Изучена термически активируемая динамика элементарных струн.
-
Экспериментально – методом ОМ и рентгеновской дифракции обнаружены и изучены сценарии формирования квазиодномерных гомохиральных элементарных струн, являющихся аналогами гомохиральных (пред)биологических макромолекул (в соответствии с определением Гольданского [2,3]), в рацемической и гетерохиральных системах произвольной хиральной поляризации. Достоверность изложенного в диссертации материала обеспечивается
использованием широко апробированных методов и/или применением нескольких различных методик для подтверждения полученных результатов.
Апробация работы. По теме диссертации опубликовано 7 статей в реферируемых журналах. Результаты работы докладывались и обсуждались на российских и международных конференциях: MC 2013 (Регенсбург, Германия); Экспериментальная и теоретическая биофизика (Пущино, Россия, 2013); InterM 2013 (Анталья, Турция); XXV Симпозиум "Современная химическая физика" (Туапсе, Россия, 2013); Конференция молодых учёных ИХФ РАН (Поречье, Россия, 2014); Симпозиум Chirality (Прага, Чехия, 2014); XXVI Симпозиум "Современная химическая физика" (Туапсе, Россия, 2014); Ежегодная научная конференция отдела кинетики и катализа ИХФ РАН (Москва, Россия, 2015); XXII Международная конференция студентов,
аспирантов и молодых учёных "Ломоносов" (Москва, Россия, 2015); Конференция молодых учёных ИХФ РАН (Звенигород, Россия, 2015); XXVII Симпозиум "Современная химическая физика" (Туапсе, Россия, 2015); V Съезд биофизиков России (Ростов-на-Дону, Россия, 2015).
Личный вклад автора. Автором диссертации были получены все
экспериментальные результаты, за исключением ИК спектров, полученных
коллегами и интерпретированных автором; также автором проведен численный
анализ систем «ТФААС+растворитель», смоделированных методом
молекулярной динамики.
Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трёх глав, основных результатов и выводов, списка сокращений и обозначений и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 121 странице, содержит 49 рисунков и 14 таблиц.
Проблема формирования хирально чистого биологического мира. Модель Гольданского
Обрисуем некоторые важные достижения абиогенного синтеза различных органических веществ. Одними из первых успешных экспериментов в этой области являются опыты Миллера – Юри [58], в которых они наполняли смесью газов, имитирующей атмосферу древней Земли (CH4, NH3, H2S, CO2), замкнутую стеклянную установку, в которой также были размещены подогреваемая колба с водой, холодильник и электроды (разряд через которые имитировал молнии). После нескольких суток работы установки в воде были обнаружены органические молекулы – простейшие аминокислоты (глицин, аланин), сахара (глицеральдегид, гликолевый альдегид) и органические кислоты (уксусная, молочная). Впоследствии, впрочем, геохимические данные, касающиеся атмосферы древней Земли, были уточнены, и оказалось, что состав, для которого производился эксперимент, довольно далёк от уточнённого (CO2 – 98%, N2 – 1,5%; остальные 0,5% приходятся на другие газы, причём основную часть составляют SO2 и Ar).
Следующим хорошо известным примером является автокаталитическая реакция Бутлерова [59]. Она происходит при нагреве водного раствора CH2O (формальдегида) в присутствии ионов металлов (например, при добавлении Ca(OH)2 или Mg(OH)2) и приводит к образованию смеси различных сахаров (существенно быстрее – если также добавить "затравку" из гликольальдегида или глицеральдегида либо спровоцировать образование первого, освещая раствор ультрафиолетом). Смесь продуктов в реакции, описанной Бутлеровым, содержит как сахара, типичные для живых клеток, так и более сложные (с 7-9 углеродами и даже больше) и не является хирально чистой; однако, были обнаружены различные модификации реакции, устраняющие эти "недостатки" [60]. В частности, добавление растворимых силикатов (например, Na2SiO3) приводит к образованию комплексов с четырёх- и шести- углеродными сахарами, которые выпадают в осадок и выводят такие сахара из участия в реакции – это приводит в т.ч. к накоплению треозы, эритозы, маннозы, глюкозы (сахаров с парой соседних гидроксильных групп с одной стороны) [61]. Добавление гидроксиаппатита Ca3(PO4)2 Ca(OH)2 [62] или соли борной кислоты [63] приводит к избирательному осаждению рибозы. Что касается хиральности, отбору определённых энантиомеров могут способствовать алюмосиликаты, содержащиеся в глинах, [64] или комплекс пролина с ионом цинка [65] (комплекс с L-пролином даёт D-сахара), причём к такому эффекту приводит и наличие комплексов некоторых других аминокислот, но в случае пролина одновременно происходит и остановка реакции на стадии пяти- и шестиуглеродных сахаров. По-видимому, реакция Бутлерова в различных модификациях сейчас является главным претендентом на роль механизма, приведшего к гомохиральности (правильного энантиомерного состава) сахаров (например, рибозы) в некоторых функциональных компонентах живых систем (например, в составе рибонуклеотидов ДНК).
Одним из важнейших вопросов абиогенного синтеза является механизм синтеза белковых структур и, вероятно, предшествующий синтез гомохиральных аминокислот. Большинство аминокислот при выпаривании водного раствора ведут себя согласно сценарию "аннигиляции" по Гольданскому – вначале выпадают рацемические кристаллы, и раствор по мере этого процесса обогащается одним из энантиомеров, если в исходном образце был какой-то его избыток: так в работе [66] в растворе фенилаланина с исходным содержанием 52% (массовых) L-изомера за два цикла упаривания удалось повысить это значение до 90%. Кроме того, рибоза в составе нуклеозидов тоже хирально обогащается в результате рацемической кристаллизации [67]. Интересный результат был получен группой под руководством Видмы [68] для аспартата (аминокислоты, которая при упаривании, напротив, даёт гомохиральные кристаллы, проявляя пастеровское спонтанное расщепление): в результате нагрева раствора аспартата с небольшим ( 10%) избытком одного энантиомера в присутствии уксусной кислоты и салицилового альдегида до 100-130 С образовались чистые кристаллы одного энантиомера (салициловый альдегид в кислой среде при этом служит катализатором перехода L D). Другой механизм расщепления энантиомеров некоторых аминокислот – избирательная адсорбция на поверхности некоторых минералов, в т.ч. кальцита [64].
Другим важнейшим ("информационным") элементом биологической материи являются ДНК и РНК (или, быть может, аналогичные полимерные цепочки). Для их образования необходим синтез азотистого основания (которое ахирально), сахара (соответствующей хиральной конформации) и фосфата, а также сборка этих трёх компонент. Синтез аденина, гуанина, урацила и цитозина был предложен в [69,70] (из формамида на поверхности TiO2); кроме того, есть другие пути синтеза различных азотистых оснований (см., например, [71]). Что касается присоединения азотистого основания к рибозе, до публикации [72] не было известно реакции, приводящей к подобному результату для пиримидинов (Ц, У), а для пуринов были известны схемы синтеза с низкой эффективностью; синтез Сазерленда решил эту проблему и дал толчок новым исследованием в этом направлении. Смешивая фосфат и "предшественники" сахаров и нуклеотидов (цианоацетилен, цианамид, глицеральдегид, гликольальдегид), Сазерленд и соавторы получили активированные пиримидиновые нуклеотиды (циклические 2 ,3 урацил- и цитидинмонофосфаты) без ожидаемого (в силу количества реагентов и "возможных" реакций) разнообразия продуктов реакции. Такой результат явился следствием довольно сложной структуры реакции с несколькими промежуточными продуктами, в которой фосфат и некоторые промежуточные продукты являются катализаторами определённых ветвей реакции, при поддержании нужной кислотности фосфатом и другими особенностями. Для избавления от побочных продуктов и превращения части цитозина в урацил требуется ультрафиолетовое освещение системы. Следующим шагом стали работы Хейна [73,74], в которых было показано, что добавление аминокислоты (с избытком L-энантиомера всего лишь в 1%) в систему Сазерленда приводит к синтезу хирально чистых (D-)рибонуклеотидов.
Структурообразование в растворах трифторацетилированных аминоспиртов. Феноменология струн
Курчатовского источника синхротронного излучения (СИ) (НИЦ «Курчатовский институт», Москва). Монохроматизация пучка СИ осуществлялась одним меридианально изогнутым кристаллом Si(111) с горизонтальной дисперсионной плоскостью, одновременно фокусирующим рентгеновский пучок в горизонтальной плоскости. Вертикальная фокусировка пучка осуществлялась цилиндрически изогнутым зеркалом из плавленого кварца, также выполняющим функцию подавления высших гармоник монохроматора. Фокус обоих оптических элементов попадал на плоскость двумерного детектора MAR CCD165. Использовалась длина волны 1.60 . Расстояние образец-детектор составляло 2440 мм. Исследуемый раствор помещался в тонкостенную проточную капиллярную ячейку из боросиликатного стекла (внешний диаметр 2 мм, толщина стенок 0.01 мм). После измерения на растворе ячейка тщательно промывалась чистым растворителем, после чего проводилось измерение кривой фонового рассеяния на ячейке, заполненной растворителем. Время экспозиции в каждом случае составляло 30 минут. Измерения проводились при комнатной температуре. Первичная обработка двумерных карт малоуглового рассеяния проводилась в программе Fit2D. Для калибровки шкалы векторов рассеяния использовался реперный образец бегената серебра.
Проводилась фурье-ИК-спектроскопия образцов гелей и ксерогелей ТФААС. Фурье-ИК-спектры записывались на спектрометре Tensor 27 (Bruker) в интервале 4000-650 см-1 с оптическим разрешением 4 см-1 (цифровое разрешение интерферограммы 1 см-1), обычно с аккумулированием и усреднением 64 сканов. Измерения проводились в режиме нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО), с использованием соответствующей приставки фирмы Pike Technology (США), оснащенной кристаллом НПВО из ZnSe на 10 отражений. Для обработки спектров использовали пакет ПО OPUS 6.072 (Bruker).
Изучался концентрационный порог образования струн. Для этого забирался объём 5 мкл раствора, нагретого до визульно гомогенного состояния, и наносился в виде капли на предметное стекло, и после испарения растворителя образовавшийся образец исследовался с помощью оптического микроскопа МИКМЕД-6. Определялась концентрация растворенного ТФААС (в гомохиральных и рацемических растворах) или концентрации обоих энантиомеров (в гетерохиральных растворах), ниже которых струн в сухом образце практически не было, а выше которых происходило их интенсивное образование. Проводилась порошковая дифрактография высушенных растворов ТФААС с использованием модернизированного рентгеновского дифрактометра ДРОН-3 (Россия) с медным антикатодом ( = 1,54 ) при напряжении 30 кВ и силе тока 20 мА (фильтр Ni). Исходный образец помещался в плоскую стеклянную кювету диаметром 10 мм и глубиной 1 мм, которая ставилась в режиме отражения под плоскопараллельный пучок рентгеновских лучей. Эксперимент проводился при комнатной температуре.
Проводилось исследование динамического рассеяния света с использованием пробных частиц: золотых наночастиц размером 10 нм и серебряных наночастиц размером 20 нм. Использовался анализатор размеров частиц Zetasizer SZ Nano (изготовитель – Malvern Instruments Ltd.) с длиной волны зондирующего излучения 633 нм. Исследуемые образцы нагревались в водяной бане до 70C, затем охлаждались до 20C погружением в воду, и после этого проводились измерения.
Производился расчет энергии связи пар одинаковых молекул ТФААС для ТФААС-1 – ТФААС-8. Вначале геометрия одиночной молекулы оптимизировалась полуэмпирическим квантово-химическим методом АМ1 (пакет программ HyperChem 8.0.8) [136], и рассчитывалась ее энергия. Затем рассматривалось сближение двух молекул. Их взаимное расположение и внутренняя геометрия также оптимизировались методом АМ1, и рассчитывалась энергия комплекса. Для определения энергии связи молекул, из энергии комплекса вычиталась удвоенная энергия молекулы.
Проводился расчет методом молекулярной динамики (МД) структуры органических растворителей, а также супрамолекулярной структуры растворов ТФААС. Использовался пакет GROMACS 4.5.5 [137,138] в сочетании с силовым полем OPLS-AA [139]. В качестве уравнений движения были использованы уравнения стохастической динамики в форме Ланжевена, с заданным трением и тепловым шумом [137], шаг интегрирования составлял 0.5 фс. Для термостатирования системы был использован комбинированный термостат (модифицированный термостат Берендсена) [137]. Для расчетов дальнодействующих электростатических взаимодействий был использован метод PME [140,141] со стандартным набором параметров (шаг сетки – 1.2 , порядок полиномов интерполяции – 4). Для расчёта дисперсионных сил и списков соседних атомов использовали радиус обрезания 1.25 нм. Все расчеты проведены в периодических граничных условиях, при 300 K и постоянном изотропном давлении в 1 или 10 атм. Квантовохимические (КХ) расчеты были проведены при помощи пакета FireFly [50], основанном на исходном коде GAMESS US, в базисе 6311 + методом DFT (функционал B3LYP5). Расчет суммарного электростатического потенциала вокруг молекул также был проведен при помощи пакета FireFly. Значения парциальных зарядов были скорректированы согласно аппроксимации квантовохимического электростатического потенциала молекул точечными зарядами (RESP [143]).
Геликоидальная структура струны
Сопоставим полученные величины с характерным значением прочности на разрыв кристаллов и кристаллических волокон: 1010 дин/см2: 5 109 дин/см2 [156]. Из этого сопоставления видно, что в жидкости с вязкостью воды даже уединенная молекулярно тонкая струна способна транспортировать крупную клетку со скоростью v 1 см/с и более, а в жидкости с вязкостью глицерина – со скоростью v 10-100 мкм/с. Более толстые струны, состоящие из большого количества молекулярно тонких струн, тем более являются эффективными силовыми инструментами, способными транспортировать не только отдельные клетки, но и их комплексы. Отметим: приведенная оценка существенно обобщает аналогичную, но более узкую оценку, приведенную в [5].
Таким образом, спиральный характер объединения более тонких струн в более толстые (то есть суперспирализация) обеспечивает, в соответствии с соотношениями (3.5.2), (3.5.3), высокую прочность соединения тонких струн, недостижимую без суперспирализации. По-видимому, именно данный механизм обеспечивает стабилизацию суперспирализованных струн и сам факт формирования устойчивых микроскопических струн в растворах хиральных соединений. Этому соответствует отмеченная выше минимальная длина суперспирализованных струн, сформированных из 4–5 и более витков составляющих их более тонких струн, что обеспечивает значительный угол взаимной закрутки более тонких струн и, в соответствии с соотношениями (3.5.2), (3.5.3), высокую прочность их объединения. В этом состоит отличие растворов хиральных ТФААС от растворов ахиральных аналогов, где отсутствие спирального мотива не дает возможности спирального объединения наблюдающихся там молекулярно тонких анизометрических элементов.
В результате, обнаруживаемые в ахиральных растворах при рассеянии синхротронного излучения анизометрические структуры оказываются нестабильными, и дальнейшая конденсация растворенного вещества происходит в изометрические образования [95,101,105], в результате чего гели формируются в ахиральных растворах при концентрации, по крайней мере на один – два порядка большей, чем в гомохиральных.
Можно предположить, что именно резкое повышение прочности соединения анизометрических (квазиодномерных) структур при спиральном характере их соединения, следующее из соотношений (3.5.2), (3.5.3), послужило причиной (или одной из причин) широкого распространения спирального соединения в биологических системах, начиная от молекулярного Рис. 3.5.3. ИОМ Leica DMI 600. Диаметр оптического поля 10 мкм. Ксерогель масштаба (двойные спирали ДНК, раствора ТФААС-5 в ЦГ, исходная F-актина и миозина, тройная спираль концентрация 2 мг/мл. коллагена [157]), до макроскопического масштаба (лианы и другие вьющиеся растения). При этом на супрамолекулярном масштабе обнаруживается тенденция спонтанно формирующегося спирального объединения струн. Это демонстрирует полученное при микроскопировании ксерогеля изображение, приведенное на
Видно, что одна из двух струн в составе струны, росшей снизу слева, переплелась с почти горизонтальной струной, пересекающей все оптическое поле. Этот результат является существенным, поскольку представляет простейшую модель коммутации различных биологических клеток с помощью сформированных ими цитонем [98,109]. 3.6. Экспериментальное определение диаметра и супрамолекулярной структуры элементарной струны
Выше (см. раздел 1.4) были описаны основные известные ранее характеристики элементарных струн и поставлен вопрос об оценке их диаметра и получении информации об их супрамолекулярной структуре. Этим темам посвящен настоящий раздел. Исследование производилось методом Фурье ИК-спектроскопии. Как можно видеть из Табл. 1.4.1, все исследованные ТФААС весьма близки с позиций их первичной молекулярной структуры. Все ТФААС содержат в своей структуре полярные группы CF3C(O)NН- и –СН2-ОН, а отличия сводятся к разной геометрии и ковалентному устройству сравнительно малополярного углеводородного скелета. ТФААС-5, -6 и -8 представляют собой гомологический ряд, отличающийся лишь длиной боковой углеводородной цепи, соединенной с хиральным центром молекулы ТФААС, в ТФААС-3, -4 эта цепь ветвится. Несмотря на сравнительно простую молекулярную структуру данных ТФААС, сведения об однозначном установлении молекулярной структуры этих (или аналогичных) ТФААС с помощью, например, колебательной спектроскопии (ИК- и СКР), рентгеноструктурного анализа (с определением параметров элементарной кристаллической решетки для монокристалла), твердофазного ЯМР или расчетными методами ab initio с оптимизацией геометрии и расчетами полного колебательного спектра в литературе отсутствуют, что обусловлено, вероятно, сравнительной новизной этих материалов. В еще большей степени это замечание справедливо в отношении установления экспериментальными методами супрамолекулярной структуры струн ТФААС. По этой причине, в данной работе была предпринята попытка с помощью ИК-спектроскопии, во-первых, изучить особенности молекулярной структуры названных ТФААС и, во-вторых, исследовать влияние ряда органических растворителей, в которых растворенные ТФААС воспроизводимо образуют струны, на их супрамолекулярную структуру. По этой же причине, при интерпретации записанных ИК-спектров ТФААС были использованы таблицы групповых частот колебаний и отнесения колебательных мод, приводимые в литературе в связи с исследованиями совершенно других соединений, содержащих, однако, в своем составе те же молекулярные фрагменты, что и ТФААС.
Методом фурье-ИК-спектроскопии исследовали гели и ксерогели струн, полученные в результате самосборки из растворов гомохиральных ТФААС-5(S), ТФААС-6(R), ТФААС-8(S), и ТФААС-4(SS), имеющего два хиральных центра. В качестве растворителей использовали четыреххлористый углерод, циклогексан, гептан и изопропанол (чистота растворителей 99.9%).
При записи ИК-спектров гетерофазных образцов в кюветах возможны искажения спектров из-за непредсказуемых потерь на рассеяние и отражение, поскольку пучок зондирующего ИК-излучения взаимодействует с частицами образца, по своим размерам сопоставимым или превышающим длину волны зондирующего излучения ( 2–20 мкм в средней ИК-области). Чтобы предотвратить подобные искажения, фурье-ИК-спектры записывали в режиме нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО). Порцию «влажного» геля ТФААС объемом 50–100 мкл наносили пипеткой на поверхность кристалла НПВО, более или менее равномерно распределяли по всей рабочей поверхности кристалла и затем записывали серию спектров по мере испарения растворителя до полного исчезновения вклада растворителя в результирующий спектр.
Хиральная катастрофа: критерий необходимой хиральной чистоты среды в модели Гольданского
Отметим также: в сопоставляемых на рис. 3.9.1 образцах имеется небольшой (в пределах нескольких сотых ангстрем, в отдельных случаях в одну десятую ангстрема) сдвиг в величинах межплоскостных расстояний; это также следует связать со спецификой исследуемых квазиодномерных элементов практически макроскопической длины (струн), состояние которых чрезвычайно чувствительно к макроскопическим условиям формирования, в частности, к скорости формирования образцов, зависящей от размера испарявшихся капель раствора, а также к различию в случайных деформациях струн в образцах, способному привести, в случае квазиодномерных структурных элементов, к заметному изменению межплоскостных расстояний. При этом изменение межплоскостных расстояний в пределах 0.1 (что наблюдается на приведенных дифрактограммах), во-первых, не выводит деформации кристалла из зоны упругих линейных деформаций, и, во-вторых, для струн диаметром в 1–2 нм (то есть элементарных струн), соответствует амплитудам их термически активированных колебаний, продольных, крутильных и изгибных, наиболее значительные из которых – изгибные (этот вопрос подробно освещен в (см. раздел 3.7 настоящей диссертации).
Поскольку дифрактограммы ксерогелей гомохирального раствора и истинного рацемата существенно отличаются (см. следующий раздел), эквивалентность решеток в исследованных образцах означает, что ксерогель рацемического раствора ТФААС-6 в CCl4 кристаллизовался в структуры с гомохиральной решеткой. В свою очередь, это означает, что при конденсации произошло разделение изомеров, так что в ксерогеле сформировались гомохиральные элементарные молекулярно тонкие струны двух противоположных хиральностей, имеющие одинаковую кристаллическую решетку (отличающуюся только знаком хиральности).
Разделение изомеров по хиральности подтверждается и самим фактом существования струн в ксерогеле рацемического раствора. Действительно, при аннигиляции антиподов образуются ахиральные комплексы, а все множество проведенных нами экспериментов подтверждает, что образование струн в ахиральных растворах не происходит (см. раздел 1.4 настоящей диссертации). Полученный результат не позволяет установить, состоят ли микроскопируемые струны диаметра 1 мкм из элементарных молекулярно тонких струн одной хиральности (своей для каждой микроскопической струны) или из гомохиральных элементарных струн обеих хиральностей. Однако даже если в состав микроскопической струны входят элементарные струны-антиподы, они связаны относительно слабо, в сравнении с энергией связи молекул ТФААС в элементарной струне, поскольку не образуют регулярную структуру кристаллического типа, наличие которой привело бы к отличию дифрактограмм ксерогелей рацемического и гомохирального растворов. Относительно слабая связь элементарных струн в микроскопической струне подтверждается также распадом (расплетением) микроскопической струны на элементарные, что подтверждается «эффектом памяти» (см. раздел 1.4 настоящей диссертации).
Оценка длины элементарной струны по «эффекту памяти» и из геометрических соображений ( 0.1-1 см) приведены в разделе 3.6. Таким образом, в исходно рацемическом растворе произошло разделение изомеров и одновременное формирование гомохиральных элементарных струн противоположной хиральности, длина которых, как и в случае струн в гетерохиральном растворе, составляет, по меньшей мере, 106 молекулярных диаметров. Если воспользоваться соотношением (1.2.11), связывающим число звеньев гомохиральной линейной макромолекулы, сформировавшейся в рацемической среде, и энергию энантоселективности W, то формальное значение W в рассматриваемой системе, даже при минимальном N 106, составит W 14kT. Это демонстрирует, что энергия энантоселективности, необходимая для формирования гомохиральных макромолекул в рацемической среде, может быть получена в отсутствие специфических биологических ферментов, в системе, содержащей только малоатомные, практически изометрические хиральные молекулы ТФААС.
Проведенный эксперимент является прямым продолжением классических экспериментов Пастера по спонтанному разделению энантиомеров [8]. Однако он демонстрирует спонтанное формирование не просто гомохиральных изометрических кристалликов двух хиральностей, но спонтанное формирование гомохиральных, молекулярно тонких, макроскопически длинных структурных элементов (элементарных струн) двух хиральностей в рацемическом растворе, то есть прямое экспериментальное преодоление хиральной катастрофы, как она описана в модели Гольданского. В рамках этого сценария, в рацемической системе формируются две подсистемы с макроскопической хиральностью противоположных знаков. Дальнейший случайный выбор одной из хиральностей как фактически закрепившейся в системе, и тем самым формирование хирально чистого предбиологического (биологического) мира, может произойти в ходе конкуренции, в процессе спонтанного нарушения четности. Возможные механизмы такого процесса описаны в [2,3,55,56,85-89].
Ранее [127] было установлено, что струны формируются в некоторых гетерохиральных растворах ТФААС. На примере гетерохирального раствора ТФААС-5 в гептане была исследована зависимость порога образования струн от концентраций обоих энантиомеров. Было выявлено, что интенсивное образование струн происходит, когда концентрации левого энантиомера CL и правого энантиомера CD удовлетворяют условию: CL-CD C (3.10.1) где С = 0.05 мг/мл, что с хорошей точностью соответствует порогу образования струн в гомохиральном растворе (в указанных экспериментах концентрация левых энантиомеров всегда была больше, чем концентрация правых). Данная закономерность была прослежена вплоть до суммарной концентрации двух энантиомеров в 4 мг/мл. Формирование струн в описанном эксперименте наблюдалось как при сильной, так и при слабой хиральной поляризации раствора , вплоть до = 0.02.