научная статья по теме БИНАРНАЯ КАТАЛИТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА НА ОСНОВЕ СМЕШАННЫХ МОНОСЛОЕВ ФОСФОЛИПИДА И ДИФИЛЬНОГО БИС-(ZN2+-ЦИКЛЕНА) Химия

Текст научной статьи на тему «БИНАРНАЯ КАТАЛИТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА НА ОСНОВЕ СМЕШАННЫХ МОНОСЛОЕВ ФОСФОЛИПИДА И ДИФИЛЬНОГО БИС-(ZN2+-ЦИКЛЕНА)»

УДК 544.72.05

БИНАРНАЯ КАТАЛИТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА НА ОСНОВЕ СМЕШАННЫХ МОНОСЛОЕВ ФОСФОЛИПИДА И ДИФИЛЬНОГО БИС-^П2+-ЦИКЛЕНА)

© 2014 г. А. И. Жамойтина*, Y. Sauerwein**, B. König**1, В. В. Арсланов*, М. А. Калинина*1

*Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН

119071 Москва, Ленинский проспект, 31 **Institut für Organische Chemie, Universität Regensburg, D-93040 Germany Поступила в редакцию 12.05.2013 г.

Изучены свойства смешанных монослоев Ленгмюра синтетического дифильного рецептора — алки-лированного бис-циклического цинкового комплекса 1,4,7,10-тетраазациклододекана и липида — дистеароилфосфатидилхолина. С помощью оптоволоконной спектроскопии поглощения/отражения впервые изучена кинетика гидролиза модельного субстрата, бис-(п-нитрофенил)фосфата, в индивидуальных и смешанных монослоях дифильного рецептора. Установлено, что гидролиз органического фосфата в таких планарных системах протекает по двухстадийному механизму, включающему адсорбцию субстрата на монослое с нулевым порядком реакции относительно адсорбата и реакцию гидролитического распада субстрата псевдовторого порядка. В отличие от аналогичной реакции в объеме молекулярных и коллоидных растворов, при взаимодействии с монослоем модельный субстрат распадается полностью до нитрофенола и фосфат-аниона, при этом дифильный рецептор принимает непосредственное участие в реакции, образуя прочный комплекс с конечным продуктом гидролиза (фосфат-анионом). Увеличение сродства рецептора к фосфат-аниону, предположительно, обусловлено влиянием границы фаз на прочность координационных связей в ин-термедиате и комплексе рецептор—конечный продукт. Иммобилизация рецептора в липидной матрице приводит к увеличению скорости распада субстрата в монослое почти на порядок. Предложен механизм влияния липидной матрицы на каталитические свойства дифильного металлокомплекса.

DOI: 10.7868/S0023291214010194

ВВЕДЕНИЕ

Создание эффективных биомиметических систем на основе различных синтетических рецепторов представляет собой одно из важнейших и наиболее быстро развивающихся направлений супрамолекулярной химии, тесно связанное с потребностями медицины и фармацевтической промышленности [1—4]. Интеграция рецепторов в биосовместимые носители, такие как мицеллы, везикулы и липосомы, открывает перспективы создания новых наноразмерных систем доставки лекарств, каталитических систем для препаративного синтеза и анализа, сенсорных систем для физиологических жидкостей. Создание коллоидных биомиметических систем на основе синтетических рецепторных центров, в свою очередь, требует изучения взаимодействий и взаимного влияния матричных и функциональных компонентов на активность и стабильность системы в целом [5, 6].

Среди множества синтетических супрамолеку-лярных систем, предназначенных для моделиро-

1 Авторы для переписки: М.А. Калинина, kalinina@phyche. ac.ru; B. König, Bur khard.Koenig@chemie.uni-regensburg.de.

вания биохимических процессов, особое место занимают биомиметики гидролиза пирофосфат-ных соединений (ДНК, РНК, АТФ и др.) — одного из ключевых метаболических процессов в живой клетке [7, 8]. В большинстве работ, посвященных этой тематике, используется каталитическая активность сложных органических комплексов лан-танидов [9, 10] и переходных металлов [11, 12], структура и состав которых имитируют активные центры металлоферментов, участвующих в гидролизе пирофосфатов в биосистемах. Среди синтетических катализаторов гидролиза пирофосфат-ных связей в растворе наиболее эффективными являются бис-циклические цинковые комплексы макроциклического тетраамина (циклена) [13]. Высокая каталитическая активность этих соединений обусловлена низкими значениями р^а иона Zn2+ в макроциклическом комплексе, который приобретает свойства кислоты Льюиса в отношении соответствующих оснований [14].

Модификация этих соединений путем прививки алкильных заместителей позволяет создавать активные дифильные функциональные центры, совместимые с липидными матрицами коллоидных носителей [15]. Кенигом с сотр. на

nh nh

zn2+

nh n

o

(a)

n

n

Т

hn (б)

nh nh

2+

n

;n nh

c10h

18H37

o

C17H37 ^

C17H37\^0

o

n

аналогичных коллоидных систем для достижения максимальной эффективности, но и для понимания фундаментальных закономерностей поведения сложных супрамолекулярных систем и протекающих в них реакций.

Возможность исследования взаимодействий дифильных компонентов в упорядоченной системе предоставляет метод монослоев Ленгмюра [17—20]. Этот метод позволяет создавать монослои заданного состава с требуемой предорганизацией компонентов и обеспечивает прецизионное управление расстоянием между молекулами и их ориентацией на поверхности водных растворов.

Цель данной работы заключается в исследовании влияния иммобилизации дифильного метал-локомплекса Zn2БЦ в индивидуальных и смешанных с ДСФХ монослоях Ленгмюра на его каталитические свойства в реакции гидролиза БНФФ.

Рис. 1. Структурные формулы Zn2БЦ (а) и ДСФХ (б).

примере реакции гидролиза модельного соединения, бис-(я-нитрофенил)фосфата (БНФФ), была изучена каталитическая активность алкилиро-ванного бис-циклического цинкового комплекса 1,4,7,10-тетраазациклододекана ^п2БЦ) в истинном, мицеллярном и везикулярном растворах [16]. За протеканием реакции следили по увеличению интенсивности поглощения одного из продуктов гидролиза, нитрофенолята, в области 400 нм. Было показано, что каталитическая активность Zn2БЦ значительно возрастает уже в ми-целлярном растворе (по сравнению с молекулярным раствором неалкилированного аналога), а наибольшая эффективность каталитического гидролиза с участием Zn2БЦ достигается в везикулярной системе на основе дистеароилфосфатидилхо-лина (ДСФХ). Тем не менее, следует отметить, что при гидролизе БНФФ в коллоидных системах процесс достигал насыщения относительно продукта реакции (нитрофенилфосфата) задолго до полного превращения БНФФ [16].

Авторы предположили, что природа наблюдаемого эффекта увеличения каталитической активности Zn2БЦ может быть связана как с резким изменением полярности среды на межфазной границе, влияющей на такие характеристики как сольватация активных групп и сила координационных связей [16], так и с влиянием на активность Zn2БЦ матричного липида, формирующего везикулу. В настоящий момент не существует методов, которые позволили бы прямо подтвердить или опровергнуть справедливость этого предположения для смешанной везикулярной системы. В то же время, ответ на этот вопрос важен не только с точки зрения рационального выбора состава

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В работе использовали цинковый комплекс диперхлората 4,6-бис-(1,4,7,10-тетраазациклодо-декан-1-ил)-[1,3,5-триазин-2-ил]-октадециламина ^п2БЦ) (рис. 1а), синтезированный по известной методике [21], а также ДСФХ (рис. 1б), БНФФ и натриевую соль 4-(2-гидроксиэтил)-1-пиперазинэтансульфоновой кислоты (HEPES) (все реактивы от Sigma).

Для формирования монослоев готовили растворы комплекса Zn2БЦ и ДСФХ с концентрацией 0.085 ммоль/л в хлороформе марки "ос. ч.". Мольная доля Zn2БЦ в смешанном растворе с ДСФХ составляла 2.5, 5, 7.5 или 10%. Монослои формировали непосредственно после приготовления индивидуальных и смешанных растворов.

В качестве субфазы использовали 25 мМ водный раствор натриевой соли HEPES (pH 7.4 ± 0.05) и раствор БНФФ в HEPES-буфере с концентрацией 10 мМ. Для приготовления растворов использовали воду (16 МОм/см), деионизованную на установке "Водолей" (НПП Химэлектроника).

Изотермы сжатия монослоев (зависимости поверхностного давления П от площади на молекулу A) получали с помощью установки для исследования монослоев Ленгмюра KSV Minitrough™ (Финляндия) и тефлоновой ванны с площадью поверхности 10.5 см2. Измерения П проводили методом Вильгельми, используя пластинки из фильтровальной бумаги размером 20 мм х 15 мм. Непосредственно перед проведением эксперимента тефлоновую ванну последовательно промывали ацетоном, хлороформом и дистиллированной водой. Полиацеталевые (DelrinTM) барьеры протирали этиловым спиртом и промывали дистиллированной водой. Пластинки Вильгельми обрабатывали хлороформом и дистиллированной

водой. Растворы Zn2БЦ, ДСФХ и их смесей наносили на субфазу с помощью автоматической микропипетки каплями по 5 мкл в шахматном порядке для достижения равномерного распределения вещества по поверхности. Монослои выдерживали 20 мин до полного испарения растворителя и затем сжимали со скоростью 5 мм/мин. Все эксперименты проводили при температуре 30 ± 1°С.

Раствор БНФФ в HEPES-буфере вводили в субфазу после формирования монослоя в таком объеме, чтобы конечная концентрация БНФФ составляла 1 мМ, одновременно отбирая такой же объем субфазы для сохранения постоянного уровня жидкости в ванне.

Кинетику гидролиза БНФФ изучали с помощью оптоволоконного ЦУ-та спектрометра Ауа$рес-2048 (Нидерланды), регистрируя изменения во времени интенсивности полос поглощения в спектре монослоя при фиксированном П = = 20 мН/м. Спектры записывали каждые 10 с после введения БНФФ в субфазу. Константу гидролиза рассчитывали из кинетических кривых изменения интенсивности поглощения в области 290 нм, соответствующего убыванию субстрата в системе.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Исследование каталитической активности монослоя Zn:^БЦ

Изотермы сжатия монослоев Zn2БЦ, сформированных на поверхности HEPES-буфера и раствора БНФФ в этом буфере с концентрацией 1 мМ, представлены на рис. 2. Видно, что изотерма сжатия монослоя Zn2БЦ, сформированного на поверхности раствора БНФФ, смещена в сторону больших площадей относительно изотермы, полученной для монослоя на поверхности HEPES-буфера. Расширение монослоя указывает на взаимодействие дифильного рецептора (металлокомплекса) с органическим фосфатом, присутствующим в субфазе.

Этот результат согласуется со спектральными данными о поведении монослоя Zn2БЦ в присутствии БНФФ в субфазе. В спектре поглощения монослоя Zn2БЦ, не содержащем характеристических полос в области 250—750 нм, после введения БНФФ в субфазу появляется интенсивная полоса с максимумом поглощения около 290 нм (рис. 3а, кривая 1), который совпадает с мак

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком