WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

Грошева Валентина Ивановна ОСОБЕННОСТИ КОМПЛЕКСООБРАЗОВАНИЯ ТЕТРАЦИКЛИНА С ИОНАМИ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛОВ Специальность 03.00.02 Биофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 2006

Работа выполнена в Институте радиотехники и электроники РАН.

Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор Золин Владислав Фёдорович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Петрова Галина Петровна доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник Нечипуренко Юрий Дмитриевич

Ведущая организация: Центр фотохимии РАН

Защита состоится «19» октября 2006 г. в 17.00 ч. на заседании Специализированного Совета К 501.001.08 в Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу:

119992, ГСП-2, г.Москва, Ленинские горы, МГУ им. М.В.Ломоносова, физический факультет, аудитория № 519.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова.

Автореферат разослан «18» сентября 2006 г.

Ученый секретарь Специализированного Совета К 501.001.08 при МГУ им. М.В.Ломоносова, доктор физико-математических наук Г.Б.Хомутов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Исследование специфичности связывания ионов металлов с биоорганическими молекулами является актуальным направлением современной биофизики и ряда смежных наук. Комплексные соединения ионов металлов являются непосредственными участниками целого ряда процессов, протекающих в живых организмах. Они играют центральную роль в переносе кислорода и углекислого газа, участвуют в процессе электронного транспорта в хлоропластах и в митохондриях, в ферментативном катализе и во множестве других процессов. Присутствие катионов металлов в водной фазе влияет на физико-химические свойства, фазовое состояние биомембран и их компонент, сказывается на регуляции работы ферментов. Научное обоснование селективности связывания ионов металлов с биологическими молекулами важно для более глубокого понимания закономерностей организации живой материи, разгадки молекулярных механизмов процессов самосборки, самоорганизации и самовоспроизведения структур, характерных для разнообразных биосистем. С другой стороны, результаты исследования селективности связывания биоорганических молекул с ионами металлов в перспективе могли бы быть использованы для разработки чувствительных биосенсоров.

Особый научный и практический интерес представляет исследование молекулярных механизмов действия лекарственных препаратов.

Фармакологическая активность лекарственных препаратов определяется не только их химической структурой, но и состоянием функциональных групп, определяемым как взаимодействием молекул препарата с растворителем, так и друг с другом. При специфическом связывании этих молекул с клеткамимишенями, особую роль играет конформация молекул, которая может изменяться, например, при взаимодействии молекул препарата с двух и трёхзарядными ионами металлов. Одним из традиционных методов исследования конформации молекул является метод кругового дихроизма, который позволяет следить за кинетикой конформационных перестроек молекул в растворе (при наличии полос поглощения в видимой или ультрафиолетовой областях спектра).

Объект исследования Междисциплинарным объектом нашего исследования является молекула тетрациклина. С одной стороны – это биомолекула, оказывающая воздействие на биосинтез белка в бактериальных клетках, и поэтому представляющая интерес для биологов, медиков и фармацевтов. С другой – это достаточно стабильная мезомолекула, имеющая молекулярный размер, промежуточный между размерами малых органических молекул и макромолекул, и уникальное химическое строение, благодаря которому её можно использовать, например, в качестве биосенсора.

Предмет исследования Предметом исследования диссертационной работы является изучение особенностей взаимодействия тетрациклина с ионами лантанидов, приводящего к комплексообразованию. Интерес к комплексным соединениям тетрациклина с ионами редкоземельных металлов связан с тем обстоятельством, что эти катионы обладают сродством к кальцийсвязывающим центрам белков, мембран, протеолипидов, причём константы связывания с лантанидами намного выше, чем с кальцием. Это свойство редкоземельных катионов послужило основанием для разработки ныне широко применяемого на практике метода редкоземельного спектроскопического зондирования биомолекул, базирующегося на гипотезе эквивалентности мест связывания лантанидов и кальция. По изменениям спектральных характеристик комплексных соединений, активированных лантанидами, делаются соответствующие выводы о строении мест связывания с ионами кальция или магния. Ионы лантанидов, несмотря на то, что являются абиотичными, находят применение в медицине в качестве диагностических средств, благодаря своим уникальным оптическим и магнитным свойствам. Катионы европия успешно используются в качестве люминесцентных зондов, катионы гадолиния применяют при магнитно-резонансной томографии в качестве контрастных агентов. Изучается влияние катионов гадолиния на пролиферацию и подвижность некоторых опухолевых клеток. Таким образом, исследование комплексообразования тетрациклина с ионами редкоземельных элементов имеет важное научное и прикладное значение.

Степень разработанности научной проблемы Тетрациклин и его производные успешно применяются в медицинской практике в качестве лекарственных препаратов. Тетрациклин хорошо проникает сквозь клеточные мембраны бактерий, связывается с рибосомами, оказывая ингибирующий эффект на синтез бактериальных белков. Установлено, что он может взаимодействовать и с митохондриями бактериальных клеток. Максимум антибактериальной активности гидрохлорид тетрациклина проявляет при слабокислом значении рН, равном 5,5. Остается открытым вопрос – чем всётаки обусловлена селективность действия тетрациклина на клетки микроорганизмов, почему происходит увеличение проницаемости бактериальных мембран для тетрациклина по сравнению с мембранами клеток млекопитающих По этому поводу существует две точки зрения. Некоторые учёные считают, что проницаемость мембран для тетрациклина напрямую связана с изменением его заряда и конформационных свойств при комплексообразовании с ионами металлов (он становится электрически нейтральным и легче растворяется в липидах). Другие полагают, что перенос тетрациклина через мембраны осуществляется специальными белками-переносчиками. Так или иначе, фармакокинетические исследования плазмы крови показали, что 95% тетрациклина, не связанного с белками, находится в форме комплексных соединений кальция и магния. Поэтому выяснение особенностей комплексообразования тетрациклина с катионами металлов играет большую роль для дальнейшего понимания механизмов транспорта тетрациклина в живых организмах.

В литературе имеются сведения, полученные методами рентгеноструктурного анализа, кругового дихроизма и ЯМР, о том, что связывание тетрациклина с ионами металлов способно изменять конформационное состояние молекул тетрациклина. В результате рентгеноструктурных исследований были получены структурные данные (значения длин ковалентных и водородных связей, валентных и пространственных углов) для многих известных производных тетрациклина, широко применяемых в медицине. Это позволило рассчитать пространственную структуру антибиотика. Потенциометрическим методом было установлено, что константы диссоциации протонов гидрохлорида тетрациклина в водных растворах при 25оС составляют рКa1=3,33; рКa2=7,75; рКa3=9,68.

Однако, результаты спектральных исследований комплексных соединений тетрациклина с ионами металлов, полученные с помощью метода кругового дихроизма, противоречивы. Расхождения результатов связаны как с различиями условий проведения экспериментов (рН, ионная сила, концентрации реактивов, состав используемой щёлочи, вид аниона соли комплексообразующего катиона), так и с полным отсутствием информации о кинетических аспектах связывания тетрациклина с ионами металлов.

Кроме того, ряд исследований проводился при физиологически неприемлемых условиях (в диметилсульфоксиде, при крайне высоких рН и т.д).

Работ, посвящённых изучению комплексообразования тетрациклина с ионами редкоземельных элементов, крайне мало - они были сделаны методом ЯМР.

Методом кругового дихроизма таких исследований не проводилось.

Цель и задачи исследования Целью нашей работы является выяснение молекулярных механизмов связывания кальция и лантанидов тетрациклином при физиологически активных концентрациях тетрациклина (~ 10-4 M) и оптимальном значении рН~5,2.

Исходя из общей цели, в диссертации решались следующие задачи:

1. Выявление особенностей комплексообразования тетрациклина с рядом одно, двух и трёхзарядных ионов металлов в воде методом кругового дихроизма.

2. Проверка гипотезы об изоморфизме мест связывания кальция и лантанидов (на примере комплексных соединений тетрациклина с кальцием и самарием).

3. Изучение влияния фактора рН на процесс комплексообразования тетрациклина с кальцием и самарием в водных растворах.

4. Кинетическое исследование процесса комплексообразования самария с тетрациклином в водных растворах в изоэлектрической точке (при рН=5,2).

5. Исследование влияния одновалентных катионов на процесс комплексообразования тетрациклина с ионами самария.

6. Регистрация и анализ оптических и ПМР спектров комплексных соединений тетрациклина с ионами лантанидов (для выяснения строения мест связывания ионов металлов).

7. Конформационный анализ пространственной структуры молекул тетрациклина в комплексных соединениях с ионами металлов с помощью ЭВМ и сопоставление результатов расчетов с данными, полученными при исследованиях взаимодействия тетрациклина с ионами металлов методами КД и ЯМР спектроскопии.

Научная новизна работы 1. Обнаружено различие мест связывания ионов кальция и лантанидов молекулой тетрациклина в воде при рН=5,2 (в изоэлектрической точке) в комплексах состава 1:1.

2. В водных растворах при рН=5,2 связывание ионов металлов с молекулами тетрациклина происходит на А-хромофоре при участии трикарбонилметановой группировки.

Для доказательства этих выводов, существенных для выявления механизмов биологического действия антибиотиков ряда тетрациклина, использовались следующие экспериментальные результаты, полученные впервые методами КД, ЯМР и оптической спектроскопии:

1) обнаружены различия спектров кругового дихроизма комплексов тетрациклина с ионами скандия и тяжёлых металлов (стронция, кадмия, лантанидов) и с ионами лёгких металлов (магния, кальция, алюминия) в области длин волн ~380-420нм в комплексных соединениях состава 1:1 при рН=5,2 в воде;

2) получены кинетические кривые образования комплексных соединений тетрациклина с самарием в воде, свидетельствующие о зависимости кинетики комплексообразования при рН=5,2 от типа катиона щелочи (КОН, NaOH, LiOH);

3) продемонстрировано влияние ионной силы и рН на кинетику образования комплексных соединений тетрациклина с самарием в воде в области слабокислых рН (рК1<рН<рК2);

4) получены и проанализированы электронно-колебательные спектры люминесценции и возбуждения Eu3+ в комплексных соединениях тетрациклина с кальцием, стронцием, иттрием, лантаном, гадолинием, лютецием, активированных европием, которые свидетельствуют о низкой симметрии центров связывания катионов металлов.

Кроме того, произведён расчёт и анализ конформационных состояний тетрациклина на ЭВМ и предложены практические методы оценки чистоты препаратов тетрациклина и определения тяжёлых металлов в природных водоёмах при помощи метода кругового дихроизма.

Научно-практическая значимость исследования Результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы, важны, поскольку иллюстрируют фундаментальные механизмы образования комплексных соединений полидентатных лигандов в электролитах, содержащих многозарядные ионы металлов. Они могут найти применение в биофизике, координационной химии и медицинской биологии, позволяют приблизиться к пониманию механизмов действия тетрациклина на молекулярном уровне и стимулировать дальнейшие изыскания в этой области.

Исследована кинетика и выявлены физико-химические факторы, влияющие на процесс связывания тетрациклина с ионами лантанидов, проведён анализ конформаций тетрациклина в комплексных соединениях лантанидов на ЭВМ.

Кинетические исследования процесса комплексообразования показали, что при создании новых комплексонов важную роль играют сольватационные факторы:

рН, ионная сила, полярность растворителя. Открытый нами эффект замедления процесса комплексообразования тетрациклина с самарием при замене гидроксида калия на гидроксиды натрия или лития, возможно, является частным проявлением общей тенденции взаимодействия одновалентных катионов с хелатами биологических мезо- и макромолекул и многозарядных ионов металлов, и требует дальнейших исследований.

Результаты диссертационной работы имеют важное практическое значение. На их основе предложены спектральные экспресс-методы измерения содержания катионов тяжёлых металлов в природных водоёмах и определения чистоты препаратов антибиотиков тетрациклинового ряда, что делает эту работу интересной не только для биофизиков, но и для экологов, а также специалистов в области медицинской промышленности.

Результаты работы также представляют практический интерес для специалистов, разрабатывающих новые биосенсоры.

Защищаемые положения 1. Введение многозарядных ионов металлов в водные растворы гидрохлорида тетрациклина при рН= 5,2 сопровождается появлением в спектрах кругового дихроизма новой консервативной полосы КД в области длин волн ~370-420нм. Порядок чередования знаков КД компонентов консервативной полосы ~370-420нм зависит от типа катионов металлов, взаимодействующих с молекулой тетрациклина:

а) связывание ионов натрия, калия, цезия, а также цинка, железа, гадолиния не приводит к существенным изменениям величины эллиптичности в этой области спектра КД;

б) связывание ионов лёгких металлов: магния, алюминия, кальция сопровождается появлением новой консервативной полосы КД с отрицательным экстремумом при = 410 нм;

в) связывание ионов тяжёлых металлов (иттрия, стронция и лантанидов) приводит к появлению новой консервативной полосы КД с положительным экстремумом при = 415 нм.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»