Взаимодействие ионов и хиральных соединений в модельных и биологических системах

Жаворонковс, Александрс Александрович

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Взаимодействие ионов и хиральных соединений в модельных и биологических системах
ВАК РФ 03.00.02, Биофизика

Автореферат диссертации по теме "Взаимодействие ионов и хиральных соединений в модельных и биологических системах"

На правах рукописи

Жаворонковс Александре Александрович

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИОНОВ И ХИРАЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙ В МОДЕЛЬНЫХ И БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

Специальности 03 00 02 - биофизика, 03 00 16 - экология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Ои-э *--

Москва-2008

003168918

Работа выполнена на кафедре биофизики физического факультета Московского государственного университета имени М В Ломоносова

Научный руководитель

доктор физико-математических наук, профессор Твердислов Всеволод Александрович

Официальные оппоненты

доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник Нечипуренко Юрий Дмитриевич кандидат биологических наук, доцент Асеев Виктор Васильевич

Ведущая организация

Институт биохимической физики им H M Эмануэля РАН

Защита диссертации состоится «22» мая 2008 года в 17-00 часов на заседании диссертационного совета Д 501 002 11 при Московском государственном университете им MB Ломоносова по адресу 119992, ГСП-2, Москва, Воробьевы горы, МГУ им M В Ломоносова, д 1, стр 2, физический факультет, аудитория 5-19

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физического факультета МГУ им M В Ломоносова

Автореферат разослан « 21 » апреля 2008г

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 501 002 11 доктор физико-математических наук

Общая характеристика работы

Актуальность темы исследования

Живые клетки характеризуются двумя универсальными свойствами неравновесными асимметричными распределениями ионов и энантиомеров важнейших хиральных биологических соединений между клеткой и внеклеточной средой Внутренняя среда клетки содержит ионы калия в более высокой концентрации, чем ионы натрия, тогда как наружная среда - наоборот Нуклеиновые кислоты содержат исключительно Б-изомеры остатков Сахаров (дезоксирибозы и рибозы), пептидные цепи белков построены из Ь-изомеров аминокислот, а биологические мембраны включают в себя только Ь-фосфолипиды В неживой природе хиральные соединения представлены, как правило, энантиомерами в равных концентрациях Указанную асимметрию распределений ионов и энантиомеров хиральных веществ в биосфере принято называть ионной и хиральной асимметрией

В цикле работ, выполненных на кафедре биофизики физического факультета МГУ, экспериментально обоснована гипотеза о возникновении асимметричных распределений ионов натрия и калия, магния и кальция, а также энантиомеров аминокислот и углеводов между термодинамически неравновесным тонким поверхностном слоем (ТПС) и объемной фазой морской воды Такие асимметричные распределения частиц между различными областями (компартментами) системы вызваны фракционированием соответствующих ионов и молекул Авторами упомянутых работ установлено, что ионы и энантиомеры хиральных веществ могут перераспределяться между ТПС и объемной фазой независимо друг от друга Вместе с тем, имеется ряд свидетельств в пользу того, что ионная и хиральная специфичности в клетках функционально связаны Так, например, в тех же работах теоретически показано, что ионная специфичность мембранных каналов однозначно связана с гомохиральностью аминокислотных остатков их полипептидных цепей В настоящее время известно, что при старении организма изменения ионного

гомеостаза происходят параллельно с накоплением аберрантных белков, содержащих Б-изомеры аминокислотных остатков, и изменением уровня свободных Б-аминокислот в клетках Однако надежно не установлены какие-либо взаимозависимости между этими процессами

Аминокислоты могут образовывать координационные соединения с ионами металлов (Сг2+, А13+ РЬ2+, 1Ю2+ и др), которые при этом приобретают свойства катализаторов, например, полимеризации нуклеотидов и синтеза и реакций с восстановлением двойных связей С=0 и С=К у различных малых молекул Из литературных данных следует, что в таких реакциях существенно нарушаются соотношения концентраций гомо- и гетерополимеров, Ь- и Э-изомеров хиральных веществ, характерные для равновесных систем Это свидетельствует в пользу того, что в открытых системах физико-химические процессы способны дискриминировать энантиомеры хиральных соединений Поскольку энантиомеры по всем физико-химическим свойствам, кроме оптической активности, неразличимы, в указанных системах, по-видимому, существуют неучтенные факторы, приводящие к их хиральной селективности. До сих пор эти факторы не выявлены, поэтому необходимо накопление и обобщение экспериментальных данных о процессах, приводящих к хиральной поляризации (появлению избытка одного из энантиомеров по сравнению с другим) среды.

Роли ионов переходных металлов в биологии посвящено огромное количество научных работ Однако лишь недавно появились гипотезы и данные о их возможной непосредственной роли в регуляции важнейших клеточных процессов, таких, например, как взаимодействие белков с нуклеиновыми кислотами и регуляция экспрессии генов По гипотезе Г Б Хомутова, ионы железа могут непосредственно модулировать взаимодействие ДНК с такими белками, как хроматин При этом важнейшую роль в процессе регуляции играет изменение редокс-состояния иона В последние годы появились данные о том, что при изменении валентности иона может изменяться и хиральность его

комплекса с органическими лигандами В то же время, появились данные, что у некоторых факторов транскрипции, представляющих собой железо-серные белки, при связывании с ДНК сильно изменяется окислительно-восстановительный потенциал Таким образом, изменения валентностей ионов и их концентраций может непосредственно влиять на процессы с участием хиральных соединений и взаимодействия белков с нуклеиновыми кислотами Эти вопросы рассмотрены в настоящей работе на основании литературных данных

Проблемы молекулярной асимметрии непосредственно связаны с процессами в современной биосфере Некоторые вещества, не свойственные природным экосистемам, могут накапливаться в их различных частях и влиять на их устойчивость Так, например, для антропогенных загрязнений экосистем антиподами естественных стереоизомеров хиральных веществ механизмы биологической деградации обычно отсутствуют, что может приводить к их накоплению и переносу на значительные расстояния До сих пор не изучена проблема потребления О-аминокислот с пищей, в которой они образуются как при рацемизации при ее приготовлении, так и естественным путем или же при потреблении пищевых добавок Это - новые проблемы, без эффективного решения которых возможны экологические кризисы с непредсказуемыми последствиями

Цель работы

Целью настоящей работы было выявление и изучение физико-химических факторов, обусловливающих сопряженное возникновение ионной и хиральной асимметрий в природных и модельных системах, а также их функциональное взаимодействие в живых системах Задачи работы

1. Изучение эффектов фракционирования ионов и энантиомеров хиральных соединений на неравновесных границах раствор-воздух.

2. Исследование физико-химических эффектов взаимодействия ионов и энантиамеров фосфолипидов в ленгмюровских пленках

3 Исследование зависимости флотации хиральных соединений от ионного состава среды,

4 Теоретическое исследование эффектов рацемизации аминокислотных остатков на функциональные характеристики ионных каналов

5. Исследование и анализ эффектов рацемизации аминокислотных остатков в белках при старении

6 Анализ материалов относительно возможной роли ионов переходных металлов в трансформации хиральных соединений в биосфере Научная новизна работы

В настоящей работе впервые в едином рассмотрении выполнено теоретическое и экспериментальное исследование физико-химических факторов, обусловивших сопряженное возникновение фундаментальных асимметрий в живых системах - хиральной (аминокислоты, углеводы, липиды) и ионной

Экспериментально установлена непосредственная зависимость между фракционированием энантиомеров аминокислот и ионным составом среды при флотации с неионным детергентом

При изучении ленгмюровских монослоев экспериментально показано, что у различных стереоизомеров фосфолипидов зависимости физико-химических свойств от ионного состава различаются

В численных экспериментах продемонстрировано значительное изменение структуры и ионной специфичности мембранных каналов при замене Ь-аминокислотных остатков на Б-энантиомеры

С помощью анализа первичной структуры белков, выявлены определенные закономерности спонтанной рацемизации при старении Предложена гипотеза о возможной роли спонтанной рацемизации в свободнорадикальном механизме старения.

На основании собственных и литературных данных развиты представления о синергизме ионного, хирального и других видов загрязнений окружающей среды в концепции экологической безопасности.

Практическая ценность работы

Разработанные экспериментальные подходы и методики могут быть использованы для анализа фракционирования веществ в природных условиях при определении характеристик распространения антропогенных загрязнений Результаты работы могут найти практическое применение в следующих областях

• при разработке новых методов диагностики поверхности океана,

• при разработке методов разделения смесей веществ,

• при разработке новых методов очистки окружающей среды от антропогенных загрязнений,

• при разработке норм экологической безопасности с учетом перераспределения антропогенных хиральных загрязнений биосферы,

• при изучении механизмов воздействия различных физико-химических факторов на биологические системы, а также в молекулярной геронтологии,

• как материалы в курсах лекций по биофизике, биохимии, молекулярной биологии, фармакологии, экологии для студентов соответствующих специальностей

Основные положения, выносимые на защиту

1 В биологических и в модельных неравновесных нелинейных физико-химических системах асимметричные распределения ионов и энантиомеров хиральных соединений взаимосвязаны

2 При возрастных изменениях и некоторых патологических состояниях организма происходят коррелированные изменения ионного и хирального гомео стаза

Апробация работы и публикации

Результаты работы были доложены на Научной конференции «Ломоносов-2008», МГУ им М В Ломоносова, физический факультет, секция биофизики (Москва, 2008)

По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, из них в рецензируемых журналах по списку ВАК - 2, статьи в других журналах, изданиях и тематических сборниках - 1, в материалах конференций - 2

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, выводов и списка литературы Работа изложена на 111 страницах, содержит 35 рисунков и 9 таблиц, список литературы включает 116 библиографических ссылок

Основное содержание работы

Во введении сформулирована цель и задачи исследования, показана научная новизна и практическая значимость полученных результатов перечислены защищаемые положения

В первой главе представлен обзор работ, посвященных проблемам возникновения асимметричных распределений катионов и энантиомеров хиральных веществ между клетками и внеклеточной средой в ходе предбиологической эволюции, фракционирования ионов в ТПС, структуре воды, в частности, вблизи границ разделов фаз, роли гомохиральности ионных каналов, а также основным представлениям о механизмах старения

Первоначальные этапы добиологической эволюции, видимо, были связаны с физическими и физико-химическими основами абиогенной самоорганизации Физические принципы имеют в данном случае более общий характер, нежели их конкретное химическое воплощение В настоящей работе на основании известных экспериментов и гипотез, а также собственных исследований, рассмотрены некоторые важнейшие физические аспекты возникновения предшественников живых клеток В частности, показано, что

процессы, происходящие на неравновесных границах разделов фаз, могли обеспечить необходимые условия для возникновения предшественников клеток, способных к дарвиновской эволюции

Неравновесные процессы на границе раздела фаз раствор-воздух играют ключевую роль в тепло- и массообмене между океаном и атмосферой Экспериментально установлено, что на поверхности океана обычно формируется поверхностный микрослой, характеризующийся пониженной температурой и повышенной соленостью воды. При этом соотношение концентраций ионов в поверхностном слое значительно отличается от соотношения концентраций ионов в объемной фазе ТПС относительно обогащен ионами калия и кальция

Коэффициент фракционирования ионов калия по отношению к ионам натрия в ТПС выражается следующим образом

а ..[*],[№>]> 7 [ЛЧ[А'

где [К]з, [Иа]5 - молярные концентрации ионов калия и натрия в ТПС, [К]ь,[№]ь - молярные концентрации ионов калия и натрия в объемной фазе раствора Значения а/в естественных условиях могут достигать примерно 10

Неравновесные процессы, сопровождающиеся перераспределением ионов, могут приводить к генерации токов в ТПС, т е процессы переноса ионов в ТПС могут быть электрогенными Экспериментально подтверждено, что в ТПС существует разность потенциалов в несколько милливольт, зависящая от ионного состава раствора (Караваева и др )

Существующие модели фракционирования ионов в ТПС не позволяют получить экспериментально наблюдаемые коэффициенты фракционирования. По-видимому, необходим учет вкладов многих дополнительных факторов, таких как зависимость растворимости солей от температуры, электрофорез, поверхностная адсорбция итп Изменение свойств самой воды вблизи поверхности и в зависимости от ионного состава раствора может играть

существенную роль в перераспределении ионов в ТПС (Pollack, 2001, Аксенов, 2004, Kimmel, 2005)

Неравновесный поверхностный слой водного раствора обладает еще одним удивительным свойством, экспериментально обнаруженным в лабораторных условиях аэрозольные капли, полученные из растворов рацемических смесей аминокислот, были обогащены L-энантиомером соответствующей аминокислоты по сравнению с ее D-энантиомером (Кузнецова и др, 1992). Преобладание одного из энантиомеров в смеси характеризуют

коэффициентом хиральной асимметрии (поляризации) г/= |д| (в

квадратных скобках - концентрации соответствующих энантиомеров). В экспериментах с растворами валина, лейцина и ппотамина были получены значения ц в диапазоне от 0 до 0,05, причем фракционирование энантиомеров зависело от степени неравновесности поверхностного слоя и исчезало в равновесных условиях Ошибки измерений в этих экспериментах были значительными, поэтому необходимо было разработать новые экспериментальные методики для измерений хиральной поляризации ТПС

Фактором отбора энантиомеров в поверхностном слое может быть влияние собственного электрического поля тонкого поверхностного слоя в совокупности с геомагнитным полем Земли, термокапиллярной и термогравитационной конвекцией на формирование ассоциатов молекул аминокислот, особенно в присутствии ионов переходных металлов Обнаруженное фракционирование энантиомеров невелико, но его вполне достаточно для реализации стартового эволюционного преимущества гомохиральности определенного типа при образовании полипептидов и полинуклеотидов

В клетках хиральная асимметрия непосредственным образом связана с ионной асимметрией Данная связь реализуется в белковых (полипептидных) ион-транспортирующих системах, в частности, в ионных каналах и ионных

насосах мембран Детали структур молекулярных комплексов ионных насосов плазматических мембран пока не установлены Ионные каналы обладают уникальной пространственной конфигурацией, обеспечивающей избирательную проницаемость для ионов, и в то же время для многих из них имеются полные структурные данные, что делает их удобными моделями для исследования связи структуры и их функций.

В последнем разделе главы рассмотрены основные положения различных теорий старения Практически все чрезвычайно разноплановые подходы к трактовке механизмов старения и на генетическом уровне, и на уровне клеточного метаболизма, транспортных, иммунных процессов и т д могут иметь прямое отношение к процессам возрастной или патологической рацемизации в биомолекулах Поскольку на клеточный биосинтез с участием прохиральных и хиральных молекул, как и на процессы их деградации, могут влиять ионы металлов, в частности, металлов с переменной валентностью, важно выяснить возможные механизмы взаимодействия ионов и хиральных соединений в этих процессах

Во второй главе диссертации приведены литературные данные и результаты собственных исследований зависимости характеристик физико-химических процессов с участием энантиомеров хиральных соединений от параметров среды, в частности от ее ионного состава

В первом разделе приведены результаты экспериментальных исследований изотерм сжатия монослоев фосфолипидов при различных соотношениях концентраций их энантиомеров и различных ионных составах водной субфазы

Из литературных данных известно, что в ряде случаев наблюдаются различия в изотермах монослоев чистых энантиомеров и их рацемических смесей, как правило, при переходе монослоя из газовой фазы в жидкую через промежуточное метастабильное состояние Из фазовых диаграмм ленгмюровских монослоев фосфолипидов следует, что спонтанное разделение

фаз в смеси энантиомеров происходит только при сильных электростатических взаимодействиях между головами молекул фосфолипидов Были получены также непосредственные экспериментальные данные о разделении фаз в монослое фосфолипида (миристоилаланина) после его сжатия до жидкого состояния Насколько известно автору, влияние катионов металлов на физико-химические свойства монослоев фосфолипидов с различной хиральной поляризацией до сих пор не исследовано

В работе были использованы 1,2-дипальмитоил-зп-глицеро-3-фосфохолин и 1,2-дипальмитоил-гас-глицеро-З-фосфохолин (молекулярная формула C/toHgoNOgP, молекулярный вес 734 1) производства "Sigma", чистота 99%; 1 Д-дипальмитоил-БП-пгацеро-З -фосфоэтаноламин и

1,2-дипальмитоил-гас-глицеро-З-фосфоэтаноламин (молекулярная формула C37H74NO8P, молекулярный вес 692 0) производства "Sigma", чистота 99%, КС1 и NaCl производства «Диаэм» категории ОСЧ; особо чистая вода, деионизированная системой очистки воды фирмы "Millipore" (рН 6,3, поверхностное натяжение 72,88 мН/м при 21°С), хлороформ стабилизированный (СНС13) производства «Химмед» категории «хч» В экспериментах были использованы растворы L-фосфатидилхолина и LD-фосфатидилхолина в хлороформе концентрацией 1мМ, приготовленные при комнатной температуре в качестве субфазы использовали водные растворы солей NaCl и КС1 с концентрациями 0,01 М, 0,1 М и 1,0 М

Для исследования монослоев была использована установка, состоящая из тефлоновой ванны Ленгмюра с размером 200x140х 5 (мм), датчика поверхностного давления - весов Вильгельми, неподвижного и сжимающего барьеров Управление установкой осуществлялось через персональный компьютер с помощью специальной программы

Для получения монослоя на чистую поверхность водной фазы наносили раствор исследуемого вещества в хлороформе Объем наносимого на поверхность раствора составлял 70 мкл Через 10 мин, необходимых для

испарения растворителя, монослой поджимался с помощью подвижного барьера со скоростью 7,2 А2/мин молекула В ходе сжатия монослоя происходила запись л-А-изотермы (при температуре 21 °С)

А Б В

Рис 1 Изотермы сжатия монослоя фосфатидилхолина на поверхности чистой воды (А) и 0,01 М растворов ЫаС1 (Б) и КС1 (В)

На рис 1 приведены типичные записи изотерм сжатия монослоев, полученных из рацемата и Ь-изомера фосфатидилхолина, при использовании в качестве субфазы чистой воды и разбавленных растворов №С1 и КС1 Даже в малых концентрациях катионы натрия и калия оказывают различное влияние на основные параметры изотерм В концентрированных растворах солей различия сохраняются (рис 2)

I «

- - ЬРС ш ЫаС1 1 М ео- — - Ь РС п КС] 1 М

А, г 51 2±0 7 А Рв и = 61 7±0 3тМ/т 60- А# 810 5 А Р^ = 61 5 а 7Шт

| гас- РС ■пыаа 1м — гас РС пШ1 М

А,* 59 &0 6А-Р. т 8 72Д±03 тЫ/сп А,«50 9Я4А Р„и = Б8 Эй) 6 т№т

10 » 30 40 » во Го элдагат'АтяЬсие

и 40 » во то ао эл рЯгопЛпмЛепЫе

Рис 2 Изотермы сжатия монослоев рацемата и Ь-фосфатидилхолина на поверхности 1,0 М растворов №С1 (А) и КС1 (Б)

Сходные результаты получены и на монослоях рацемата и Ь-кефалина В отличие от лецитина изотермы различных форм кефалина демонстрируют не

столько изменение плотности упаковки, сколько изменение структуры монослоя Присутствие в водной субфазе NaCl приводит к сглаживанию различий в фазовом состоянии монослоев Добавление КС1 в водную фазу вызывает расширение монослоев, незначительному понижению давления монослоя рацемата При этом особенности изотерм, полученных на чистой водной фазе, в целом сохраняются Увеличение концентрации КС1 до 0,1 М приводит к исчезновению фазового перехода на изотерме рацемата Дальнейшее повышение концентрации КС1 до 1 М приводит к большему разбросу значений давления и площади, чем в случае с NaCl, и к практически полному исчезновению различий между монослоями рацемата и L-кефалина на фоне их низкой стабильности

Второй раздел содержит результаты экспериментальных исследований влияния ионов натрия и калия на характеристики флотации энантиомеров лейцина в присутствии неионного детергента Triton Х-100

При наличии в растворе поверхностно-активного вещества (ПАВ), его молекулы адсорбируются на поверхности раствора, образуя монослой При барботировании образуется пена, захватывающая ТПС Поскольку монослой ПАВ на поверхности раствора не плотный, скорость испарения воды в его присутствии изменяется незначительно, можно было ожидать, что в пенах также будет происходить фракционирование ионов и стереоизомеров аминокислот Помимо захвата раствора из ТПС, барботаж может приводить к избирательной флотации растворенных веществ

Эксперименты проведены с использованием лейцина производства ICN (США), КС1 и NaCl производства «Реахим» категории «хч» Рацемические растворы L.D-лейцина с концентрацией 9 г/л готовили на растворах NaCl и КС1 с концентрацией 0,15 М В работе использовали дистиллированную воду В качестве ПАВ использовали Triton Х-100 производства фирмы Sigma в концентрации 7 мкл/мл

Разность концентраций энантиомеров лейцина в пене определяли поляриметрически с помощью поляриметра Р-1000 фирмы Kruess (Германия)

Угол вращения плоскости поляризации пропорционален разности концентраций т

ЬиБ изомеров а = [сс\^ /(!-£)), где Ь и £) - концентрации соответствующих т

стереоизомеров, где [яг]д - удельное вращение раствора при температуре Т и

длине волны поляризованного света X, / -длина кюветы (10 см) Было проведено 4 серии опытов в присутствии ионов натрия и 4 серии опытов в присутствии ионов калия В условиях, близких к равновесным (при разности температур между объемной фазой и воздухом до 1 °С), перераспределения ионов и энантиомеров аминокислоты между объемной фазой и поверхностным слоем не обнаружено

При разности температур 8°С хиральная поляризация была максимальной и составила 0,14±0,04 в присутствии ионов калия и 0,07±0,01 в присутствии ионов натрия Результаты экспериментов приведены на рис 3

□ 20-, 0 18-

я 0163 0 14-Я

в 012'

5 010.

а осе л

я 004

о.

* 000

ы-

■Л

2 4 6

ДТ, °С

Рис 3 Зависимость хиральной поляризации раствора, полученного пены, в зависимости от ионного состава при концентрации солей 1 М А - КаС, Б - КС]

В общем случае энтропия смешения N1 молекул первого вида и N2 молекул второго составляет = N

Г.. N.+N2 .. . М+М,4 ЛГ, 1п ';г 2 + И2 1п—1-1

У ' "г у

В ТПС концентрация Ь-изомеров превышает концентрацию Б-изомеров на величину (Ь-Б), следовательно, число избыточных: Ь-молекул в слое

7\Г] = к • 5 • ЫА • (Ь - £)) / М, где й=2 мкм - толщина исследованного слоя ТПС, 5 = 1м2, М - молярная масса аминокислоты (Млейцина= 131), Ыа — число Авагадро Из условия рацемичности исходного раствора следует, что = Ы2 Следовательно, перераспределение энантиомеров в ТПС раствора означает уменьшение энтропии на величину <55' = 2/г ^ (Ь-О) 1п2 /М

Наблюдаемым значениям т] соответствует уменьшение энтропии квадратного метра поверхностного слоя на величину порядка 10'5Дж/К. При постоянных температуре и давлении изменение свободной энергии системы при указанном перераспределении молекул энантиомеров равно ДО = Т5Б Поскольку характерные времена микроконвективных движений в поверхностном слое воды, которые могут разрушать образовавшуюся структуру, имеют порядок 1 с, такое упорядочение требует затрат энергии около Ю-2 Вт/м2 Отметим, что масштаб энергетических потоков в системе океан-атмосфера существенно превышает эту величину (средний суммарный поток тепла из океана в атмосферу 220 Вт/м2)

В следующем разделе главы приведены результаты экспериментального исследования скорости рацемизации энантиомеров аланина и зависимость ее от ионного состава среды В экспериментах были использованы две камеры с перемешиванием, одна объемом 15 мл, нагретая до 230 °С, и другая, большего объема, поддерживаемая при температуре 0 °С Давление в обеих камерах составляло около 24 МПа Раствор, содержащий либо хирально чистые энантиомеры аланина, либо его рацемат, проходил через отверстие диаметром 0,8 мм из горячей камеры в холодную со скоростью около 8 мл/мин Направление подачи раствора изменялось на противоположное через каждую минуту В начале каждого эксперимента (продолжительностью 2 часа) температура горячей камеры была комнатной, а через 20 мин она достигала стационарного значения 230 °С Изменение хиральной поляризации определяли в пробах, отбираемых из холодной камеры, стандартным методом с помощью ВЭЖХ с хиральными носителями Полученные результаты приведены на рис 4.

100

чв о4- ВС 80

« а 60

с к 40

1 20

X х

-о о

Ф О * ♦

■ ■ ■

• I-

о О

■ рацемат

О 20 40 60 80 100 120

Время, мин

• и

О й

* • •

1 ф * °

Т <•

0 001 0 01 01 1 0 10 100 Концентрация №С1, мМ

Рис 4 Зависимость хиральной поляризации раствора Ь- и Б-лейцина от времени в чистой воде (А) и от концентрации №С1 при фиксированном времени реакции 2 ч (Б) Экспериментальные условия приведены в тексте

Все исходные растворы аланина имели концентрацию 50 мМ и рН 5,7 при комнатной температуре В конце эксперимента рН растворов изменялся и становился 7,6 в случае Ь-аланина и 7,8 в случае Б-аланина В диапазоне значений рН 4-8 скорость рацемизации энантиомеров в пределах точности измерений от рН не зависела

Третья глава посвящена функциональной взаимосвязи между асимметричными распределениями ионов и энантиомеров хиральных соединений между клеткой и средой В первом разделе проведен анализ литературных данных об изменениях ионного и хиральнош гомеостаза клетки в процессе старения Старение и патологические состояния сопровождаются изменениями как метаболизма, так и ионного гомеостаза клетки Эти изменения могут быть, хотя бы частично, связаны с накоплением дефектов в генетическом аппарате клетки, а также ошибок в системе рециркуляции белков, приводящим к накоплению в клетке аберрантных белков, которые часто бывают токсичными

В составе белков наиболее нестабилен по отношению к рацемизации остаток аспарагина (НфЬэБ, 2001) При его спонтанном деаминирвании образуются четыре продукта Ь- и О-изомеры аспартата и изоаспартата Остаток

L-аспарагиновой кислоты также нестабилен и изомеризуется с образованием D-изомеров аспартата и изоаспартата, а также L-изоаспартата (Fujn, 1994) При окислительном стрессе неустойчивость аспарагина еще более возрастает (Ingrosso, 2000) В настоящей работе рассмотрены, в основном, данные, относящиеся к последствиям изомеризации аспарагина и аспартата

Анализ имеющихся данных позволяет придти к заключению, что дефектные белки, появляющихся в результате рацемизации аминокислотных остатков, могут приводить к ухудшению качества работы системы генетического контроля и появлению других аберрантных белков Некоторые аберрантные белки обладают токсическими свойствами, например, могут ингибировать протеосомальный путь деградации белков В результате продолжительность жизни белков в клетке возрастает, что приводит к увеличению вероятности спонтанной рацемизации аминокислотных остатков в их полипептидных цепях Существенно, что многие ферменты, например, каспазы (непосредственные участники апоптоза), гликозилазы (ликвидаторы последствий окислительного стресса), имеют в активном центре остатки аспарагина, изомеризация которого приводит к потере активности фермента

Существуют данные о том, что даже следы ионов металлов, попадающие в реакционную смесь из стекла, могут приводить к заметному ускорению рацемизации аспартата в растворе (van den Oetelaar, 1986) Комплексы аминокислот с ионами переходных металлов проявляют каталитические свойства при синтезе энантиомеров хиральных веществ из ахиральных предшественников. При этом, хиральность аминокислоты в составе катализатора влияет на хиральность образующегося продукта. Поскольку в клетках различного происхождения присутствуют свободные D-аминокислоты, появление в клетке ионов переходных металлов может приводить к формированию катализаторов, ускоряющих рацемизацию аминокислот Это имеет непосредственное отношение к проблемам загрязнения окружающей среды ионами тяжелых металлов

Таким образом, ионный состав клетки особенно по отношению к ионам переходных металлов, в значительной мере определяет интенсивность многих процессов, сопровождающих старение и возникновение патологических состояний, таких как рацемизация аминокислот, образование аберрантных белков и их конгломератов и т п. Эти же процессы влияют на ионный гомеостаз Во втором разделе третьей главы проведен анализ данных, имеющихся в литературе, с целью выявления зависимости скорости рацемизации аспартата в составе белков от их первичной, вторичной и третичной струюуры, а также в синтетических полипептидах Был проведен статистический анализ первичной и вторичной структуры 41 белка

Были рассчитаны частоты встречаемости каждой из 20 аминокислот в соседних с аспартатом (Asp) и аспарагином (Asn) позициях для трипептидов (X-D-X, X-N-X) и пентапептидов (X-X-D-X-X, X-X-N-X-X) (рис. 5), а также в аминокислотных последовательностях белков с учетом и без учета положения Asx во вторичной структуре белка

Согласно литературным данным, глицин в следующей за Asx позиции приводит к максимальной скорости рацемизации Немного увеличиваются частоты встречаемости и других аминокислот (гистидин, аланин), при соседстве с которыми скорость рацемизации Asx наибольшая, однако, результаты не однозначны Так, увеличиваются частоты встречаемости валина и глютаминовой кислоты, при соседстве с которыми скорость рацемизации Asx низкая, а частота встречаемости серина наоборот, уменьшается, хотя скорость рацемизации Asx в соседних с серином позициях сравнительно высокая Отметим, что выборка подверженных рацемизации белков невелика, и пока нельзя говорить о наличии или отсутствии корреляции между эффектом ускорения рацемизации Asx под влиянием соседних аминокислотных остатков

6,00 4,00 2,00 0,00 -2,00 -4,00 -6,00 -8,00 Т . Л

А1а Агд т "1 Азр СуБ «С С1П в1и Иу Н|Б Не ЙЙ 1-уБ Мй Рго Э^г ТЪг Тф Туг Мг\ у £Ш

5,00 4,00 3,00 2,00 1.00 0,00 -1,00 -2,00 -3,00 -4,00 -5,00

5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 -1,00 -2,00 -3,00 -4,00 -5,00 -6,00

Рис. 5. Гистограммы разности между частотой встречаемости аминокислот в соседних с

аспарагином позициях в первичной структуре белков, в которых наблюдается рацемизация (А, В), во всех исследованных белках (Б, Г) и средней частотой встречаемости аминокислот для трипептидов Х-Б-Х (А, Б), пентапептидов Х-Х-Б-Х-Х (В, Г)

и частотой их встречаемости В то же время, частоты встречаемости аминокислот в соседних с Абх позициях зависят от положения Абх во вторичной структуре Анализ показывает, что наиболее подвержены рацемизации остатки Абх, находящиеся на открытых участках, изгибах, петлях, а располагающиеся в а-спиралях и Р-листах рацемизируются в меньшей степени

В белках, в которых наблюдается рацемизация, выделяются участки, где остатки гаютаминовой и аспарагиновой кислот пространственно сближены, и, таким образом, возникает локальный отрицательный заряд Возможно, что локальное электростатическое поле способствует переходу Ь-Аэр—>Р-Азр Кроме того, отрицательные заряды могут служить центрами связывания катионов, которые, в свою очередь, могут катализировать образование сукцинимида и, таким образом, весь процесс рацемизации После расширения выборки белков, подверженных рацемизации, и уточнения полученных нами данных их можно будет использовать для прогнозирования скорости рацемизации аспарагина и аспартата в различных белках и для диагностики возрастных патологий на ранних стадиях их развития

Третий раздел третьей главы посвящен компьютерному исследованию роли стереоизомеризации аминокислот в нарушении функций каналов плазматических мембран калиевого канала КсбА и водного канала аквапорина В работе использован метод расчета энергетических профилей ионов в мембранных каналах, основанный на разделении и независимом расчете энергий дальних и ближних взаимодействий В отличие от методов силовых полей этот поход позволяет получать адекватные профили потенциальной энергии ионов в каналах Расчеты дальних взаимодействий проводятся одним из методов силового поля, специально параметризованным для моделирования структуры биополимеров, а ближних взаимодействий - квантовохимическим методом Хоффмана в параметризации Вольфсберга-Гельмгольца При этом разделение

дальних и ближних взаимодействий было возможно, если расстояние от иона до атомов канала составляло около 5А

Таблица 1 Энергии дегидратации (АД,) и глубины потенциальных ям (Л£,) ионов в каналах Ь-КсбА и ЬБ-КсбА

Канал L-KcsA LD-KcsA

Катион Li+ Na+ К+ Li+ Na+ r

A#h, ккал/моль 121 97 79 121 97 79

АЕ„ ккал/моль 48 64 79 24 44 56

Результаты сравнительного анализа рассчитанных энергетических профилей ионов в природных гомохиральных (L-KcsA) и виртуальных гетерохиральных (LD-KcsA) каналах позволили количественно объяснить и сравнить их ионную избирательность При этом проникновение иона в канал количественно объясняется равенством глубины потенциальной ямы и энергии дегидратации соответствующего иона Результаты расчетов приведены в таблице 1

Аквапорин, обеспечивающий проникновение воды в клетку, состоит из четырех субъединиц, каждая из которых имеет индивидуальную водную пору Самая узкая часть поры имеет диаметр 2,8Ä, что примерно соответствует размерам молекулы воды Координаты атомов аквапорина были взяты из Банка белковых структур (Protein Data Bank, Brookhaven National Laboratory, USA)

Для определения влияния изомеризации аспарагина и аспартата на функциональные характеристики канала была построена модельная молекула аквапорина, в которой указанные аминокислотные остатки были заменены на их D-изомеры После снятия стерического напряжения в модельной молекуле путем минимизации ее потенциальной энергии в силовом поле AMBER была получена стабильная конформация канала (рис 6) Расчет показал, что наиболее узкая часть модельного аквапорина имеет диаметр 2,4 А На таком расстоянии не наблюдается перекрывание вандерваальсовых радиусов атомов молекулы воды и поры аквапорина (молекула воды не выталкивается обратно из поры канала)

Подобные результаты, полученные при полной рацемизации аквапорина, известны из литературы (Дмитриев, 2006). Таким образом, рацемизация остатков аспарагина и аспартата в аквалорине, привела бы к нарушению водного обмена клетки, что характерно для процесса старения.

Рис. 6. Субъединица трансмембранного канала аквапорина: А -нативный белок, В - модельный белок, рассчитанный при замене всех Ь-аспарагиновых аминокислот на их О-изомеры.

Последняя, четвертая, глава диссертации посвящена обсуждению двух важных проблем, тесно связанных с тематикой настоящей работы. Первая проблема состоит в том, что ионы переходных металлов могут существенно влиять на кинетику реакций с участием хиральных соединений, причем это влияние изменяется при изменении валентности иона и различно для разных стереоизомеров одного и того же соединения. Комплексы аминокислот с многовалентными ионами обладают каталитическими свойствами по отношению к реакциям с восстановлением двойных связей С=0 и С=Ы. Если в реакции участвует прохиральный реагент, хиральность продукта зависит от хиральности катализатора, но не однозначно: при изменении температуры с тем же катализатором можно получить продукт противоположной хиральности. Это открывает возможность параметрического разделения энантиомеров.

Ионы переменой валентности могут участвовать в переключении хиральности среды и при постоянной температуре При изменении окислительно-восстановительного (редокс) состояния иона металла, образующего координационное соединение с органическими лигандами, в определенных случаях может происходить изменение конформации лигандов и оптической активности соединения. Это явление послужило основой для запатентованного в США электронного хирального переключателя Нам представляется, что единичный акт переключения можно значительно усилить, поместив переключатель в хиральную жидкокристаллическую среду, в которой он может вызвать фазовый переход при изменении своего состояния

Ионы переходных металлов сами по себе или в комплексе с органическими соединениями часто являются катализаторами образования перекисных соединений. Полученные в настоящей работе данные и результаты анализа литературных данных могут стать основой для построения общей модели взаимодействия ионов и хиральных соединений в биологических системах

В последнем разделе четвертой главы кратко рассмотрены некоторые проблемы экологической безопасности, связанные с резко увеличившимся в последнее время потоком хиральных соединений антропогенного происхождения в биосферу Затронуты вопросы деградации не участвующих в метаболизме энантиомеров, последствиях действия таких соединения в малых и сверхмалых дозах при длительной экспозиции Фракционирование энантиомеров хиральных веществ и ионов тяжелых металлов в ТПС океана вследствие тепломассообмена между океаном и атмосферой приводит к глобальному перераспределению антропогенных загрязнений. Отсутствие мониторинга этих загрязнений может привести к неконтролируемым изменениям в биосфере - новому экологическому кризису

Основные результаты и выводы

1 Установлено, что в неравновесном тонком поверхностном слое (ТПС) раствора происходит сопряженное фракционирование ионов и энантиомеров хиральных веществ - аминокислот и углеводов Коэффициент фракционирования ионов калия по отношению к ионам натрия в ТПС достигает величины ctf~ 10, хиральная поляризация ТПС, оцененная по флотации энантиомеров лейцина с неионным детергентом Triton Х-100, при разности температур между воздухом и объемной фазой 8-9 °С составляет г| = 0,07 в присутствии ионов натрия и т) = 0,14 в присутствии ионов калия В равновесных условиях указанные эффекты не наблюдаются

2. Механические и термодинамические характеристики рацемических и гомохиральных фосфолипидных монослоев различны и зависят от ионного состава водной субфазы При увеличении концентрации солей NaCl и KCl до 1,0 М влияние хиральности на свойства монослоев лецитина и кефалина уменьшается, при этом в присутствии KCl, в отличие от NaCl, различия в свойствах монослоев рацемата и L-изомера кефалина исчезают полностью

3 Скорости рацемизации L- и D-энантиомеров аланина в проточном реакторе при разности температур 230 °С и давлении около 220 атм не совпадают и зависят от ионного состава среды В воде степень прохождения реакции рацемизации L- и D-аланина за 2 ч составила 100% и 80%, а при концентрации NaCl более 10"6 М - около 70% и 90%, соответственно Скорость рацемизации аспартата в нативных белках зависит от окружения, определяемого всеми уровнями структурной организации полипептидной цепи

4 Проведено моделирование полной и частичной замены аминокислотных остатков их энантиомерами в первичной структуре ионного канала KcsA и водного канала аквапорина В модели аквалорина минимальный диаметр поры уменьшается с 0,28 нм до 0,24 нм, в модели канала KcsA энергия связывания иона калия уменьшается с 79 ккал/моль, соответствующей энергии

дегидратации, до 56 ккал/моль, что приводит к утрате или существенному ухудшению функциональных характеристик каналов

5 Показано, что ионы переходных металлов могут являться важным синергетическим фактором хиральной безопасности биосферы

Результаты диссертационной работы изложены в следующих публикациях

1 Твердислов В А, Яковенко Л В , Жаворонков А А. Хиральность как проблема биохимической физики //Рос хим журнал (Журнал Рос хим об-ва им ДИ Менеделеева), т LI, №1,2007 - С 13-23

2 Твердислов В А, Жаворонков А А, Яковенко Л В Хиральная чистота биосферы и экологическая безопасность //Экология урбанизированных территорий,№1,2007 -С 6-11

3 Твердислов В А , Яковенко Л В , Дмитриев А В , Жаворонков А А , Твердислова И.Л Происхождение предшественников живой клетки. О двух фундаментальных асимметриях - ионной и хиральной//В сб Проблемы регуляции в биологических системах Биофизические аспекты/Под ред А Б Рубина - М -Ижевск НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», Институт компьютерных исследований, 2007 - 480 с

4 Поволоцкая И С , Жаворонков А А , Твердислов В А Локальная структура полипептидных цепей и рацемизация аспартата в белках //В сб материалов конференции «Ломоносов-2008», секция «Физика», Физический факультет МГУ им MB Ломоносова-М, 2008 - С 36-37

5 Малык А П, Жаворонков А А, Юрова ТВ. Влияние одновалентных катионов на физико-химические свойства хиральных систем пониженной размерности //В сб материалов конференции «Ломоносов-2008», секция «Физика», Физический факультет МГУ им М В Ломоносова - М, 2008 - С 37-38.

Подписано к печати ^^ О ^ Тираж $ О Заказ

Отпечатано в отделе оперативной печати физического факультета МГУ

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Жаворонковс, Александрс Александрович

Введение.

Глава 1. О двух фундаментальных биологических асимметриях — ионной и хиральной.

1.1. Физико-химические предпосылки возникновения предшественников живой клетки.

1.2. О сопряжении ионной и хиральной асимметрий в ион-транспортныхсистемах мембран.

1.3. Физиологические и молекулярные механизмы старения.

Глава 2. Исследование взаимодействия ионов и хиральных соединений в модельных системах.

2.1. Исследование изотерм сжатия монослоев хиральных фосфолипидов.

2.1.1. Принципы метода, материалы и постановка эксперимента.'.

2.1.2. Результаты экспериментов и обсуждение.

2.2. Фракционирование энантиомеров лейцина в неравновесном тонком поверхностном слое раствора при образовании пен.

2.3. Скорость рацемизации аминокислот и ее зависимость от ионного состава среды.

Глава 3. О функциональной взаимосвязи ионной и хиральной асимметрийбб

3.1. Изменения ионного и хирального гомеостаза при старении и в некоторых патологических состояниях.

3.2. Рацемизация аминокислотных остатков (аспартат) в белках.

3.2.1. Анализ первичной структуры белков с выраженной возрастной рацемизацией.

3.2.2. Перспективы прогнозирования поиска белков с рацемизующимися аминокислотами.

3.3. L/D-изомеризация ионных каналов мембран. Модельные расчеты избирательности.

3.3.1. Теоретическое исследование изменений ионной избирательности калиевого канала при частичной замене L-аминокислотных остатков на D-аналоги.

3.3.2. Изменение структуры аквапорина при замене всех L-аспарагиновых аминокислотных остатков на соответствующие D-энантиомеры.

Глава 4. Ионы переменной валентности, хиральные соединения и проблемы экологической безопасности.

4.1. Ионы металлов с переменной валентностью как хиральные переключатели и как фактор рацемизации.

4.2 Хиральная безопасность биосферы как биофизическая проблема96 Заключение.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Взаимодействие ионов и хиральных соединений в модельных и биологических системах"

Два направления; биофизики, касающиеся проблемы происхождения жизни на Земле и вопросов долгожительства, организмов,, тесным: образом переплелись; на молекулярном уровне при; изучении ионной регуляции в- клетках и физико-химических особенностей структуры и функций хиральных соединений [1-3].

Для всех живых клеток характерны неравномерные и неравновесные распределения^ неорганических веществ и энантиомеров г хиральных соединений между внутри- и внеклеточной? средами. Такие асимметричные распределения ионов и энантиомеров хиральных веществ принято называть ионной и хиральной асимметрией клеток. Эти две асимметрии универсальны для всех клеток, поэтому могут быть названы фундаментальными биологическими асимметриями.

Ионная? и хиральная асимметрии* характеризуются термодинамическим неравновесием и, по-видимому, общностью системного происхождения; в процессе: предбиологической эволюции. Ионная асимметрия.: является- первичной термодинамической основой'существования дискретных, клеточных,-форм жизни, с способных к эволюции и коммуникациям. Хиральная, молекулярная; асимметрия: определяет хиральную чистоту биосферы, минимизируя информационные генетические затраты на обеспечение стереоспецифичности биомолекул.

В цикле работ, выполненных на кафедре биофизики физического факультета МГУ, экспериментально обоснована гипотеза возникновения исходно неравновесных натрий/калиевой,- магний/кальциевой; а также хиральной для; аминокислот и углеводов асимметрий в термодинамически неравновесном тонком, поверхностном: слое (ТПС) морской воды [4-8]. Авторами установлено, что оба типа асимметрий могут формироваться в ТПС независимо. Вместе с тем, имеется; ряд свидетельств в пользу того, что ионная и хиральная специфичность в клетках функционально связаны. Так, например, в цитируемых работах теоретически показано, что ионная специфичность мембранных каналов однозначно связана с гомохиральностью аминокислотных остатков их полипептидных цепей.

Настоящая работа продолжает данное направление и ориентирована на экспериментальное обоснование гипотезы взаимозависимого фракционирования ионов и энантиомеров хиральных соединений в неравновесных гетерогенных структурах. Другим важным направлением работы является развитие молекулярных аспектов геронтологии, связанных с возрастной рацемизацией аминокислот в белках, зависящей, в свою очередь, от специфического взаимодействия с ионами металлов.

Известно, что ж Жизнь на Земле основана на соединениях углерода, и основные процессы ее протекают в водной среде. Вода - универсальный растворитель, обеспечивающий специфическое протекание многих химических и биохимических реакций. Углерод лучше других элементов подходит для формирования органических молекул, поскольку легко образует связи со многими другими атомами. К настоящему времени экспериментально показано, что практически все простейшие биологически важные органические соединения могли образоваться в естественных условиях на древней Земле в ходе природных физико-химических процессов. Биомакромолекулы — белки и нуклеиновые кислоты, а также углеводы и липиды - составляют основу современной жизни. Все они обладают свойством хиральности. К хиральным веществам относятся соединения, включающие асимметричный атом углерода с четырьмя различными заместителями, имеющими с ним ковалентные связи. Они образуют зеркальные изомеры - энантиомеры, обладающие оптической активностью - способностью вращать плоскость поляризации света (L - влево, D - вправо). В нуклеиновые кислоты включены исключительно D-изомеры остатков Сахаров (дезоксирибозы и рибозы), а пептидные цепи белков построены из L-изомеров аминокислот [8]. Кроме того; биологические мембраны включают в себя только L-фосфолипиды. Данное свойство биомакромолекул определяет зеркальную- асимметрию живой природы. Следует отметить, что, в отличие от Сахаров, аминокислот и фосфолипидов, другие хиральные компоненты клетки могут встречаться как в одной, так и в другой изомерной форме.

Биосфера, со свойственной- ей хиральной асимметрией, закрепившейся на генетическом уровне в ходе биологической эволюции, в. настоящее время сталкивается с мощным потоком хиральных соединений техногенного происхождения. Эффективное использование одних энантиомеров сопровождается токсическим и даже мутагенным действием их зеркальных антиподов [4, 31].

Зеркальные изомеры хиральных соединений — энантиомеры - аминокислот, Сахаров; фосфолипидов несимметричны по их содержанию в биосфере. Вместе с тем, для всех живых клеток характерно неравномерное и неравновесное распределение веществ и ионов между клеткой и окружающей средой. Среди этих распределений особое место занимают несимметричные распределения неорганических катионов - натрия и калия-, магния- и кальция. Ввиду общности характера этих диссимметрий (молекулярной - хиральной, клеточной — ионной), их следует считать двумя фундаментальными асимметриями в живых системах. Их всеобщность порождает вопрос об их возникновении: возникли ли они в ходе биологической эволюции, или их возникновение было предопределено физико-химическими факторами предбиологической. эволюции.

Одной из физических проблем возникновения живых систем является проблема возникновения информации: был ли выбор решений на важнейших стадиях предбиологической эволюции случайным или предопределенным. В первом случае информация создавалась в процессе эволюции, во втором -реализовалась информация, скрытая в неживой системе [9, 10]. Выявление факторов селективного преимущества и механизмов их действия в предбиологических системах на разных стадиях эволюции позволяет ответить на-этот вопрос [11].

Предлагавшиеся' ранее механизмы- возникновения асимметричных распределений ионов и энантиомеров аминокислот и Сахаров были основаны на свойствах равновесных гетерогенных термодинамических систем, в то время как живые клетки - существенно неравновесные системы. При «движении» от геохимических систем к биохимическим необходимо выяснить, какие именно системы обладали свойствами, достаточными для возникновения предшественников клеток. При движении «сверху» — какие свойства систем были необходимы для реализации того или иного пути эволюции пробионтов. Таким образом, могут быть получены необходимые и достаточные условия возникновения дискретных предшественников живых клеток и эволюционно затребованного завершения их жизненного цикла.

Проблемы молекулярной асимметрии важны не только в вопросах биогенеза, но непосредственно связаны с жизнью нынешней биосферы. Некоторые вещества, не свойственные природным экосистемам, могут накапливаться в их различных частях и влиять на их устойчивость. Так, например, для антропогенных загрязнений экосистем антиподами естественных стереоизомеров хиральных веществ механизмы биологической деградации обычно отсутствуют, что может приводить к их накоплению и* переносу на значительные расстояния. Это - новая проблема, без эффективного решения^ которой возможны экологические кризисы с непредсказуемыми последствиями.

Значительным достижением молекулярной биологии и геронтологии последних лет стало обнаружение следующей закономерности: по мере старения организмов и при определенных патологических состояниях происходит частичная рацемизация некоторых аминокислотных остатков в белках. Эволюционно обусловленная хиральная чистота биосферы составляет термодинамическую основу возрастной рацемизации хиральных соединений или развитие рацемизации при наличии патологий, сопровождающихся нарушением репарационных биохимических механизмов. В настоящий момент имеются-основания полагать, что возрастная рацемизация аминокислотных остатков в белках может быть непосредственно связана через окислительно-восстановительные процессы с участием металлов переменной валентности с процессами клеточного старения, вызываемыми активными формами кислорода и азота. Такого рода подходы к проблеме намечаются в настоящей работе.

Актуальность работы впервые в едином рассмотрении выполнено теоретическое и экспериментальное исследование физико-химических факторов, обусловивших сопряженное возникновение фундаментальных асимметрий в живых системах - хиральной (аминокислоты, углеводы, липиды) и ионной.

Область исследования: биофизические основы возникновения ионной и хиральной асимметрий в предбиологической эволюции, молекулярная геронтология как элемент экологии человека, экологическая безопасность.

Предмет исследования: неравновесные процессы сопряженного фракционирования ионов и хиральных соединений в природных, биологических и модельных системах, механизмы рацемизации биомолекул.

Методы исследования: экспериментальные физико-химические и биофизические методы, развитие теоретических моделей.

Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы было выявление и изучение физико-химических факторов, обусловивших сопряженное возникновение ионной и хиральной асимметрий в ходе предбиологической эволюции, а также их функциональное взаимодействие в живых системах. В ходе работы были поставлены^ следующие задачи: Изучение эффектов сопряженного фракционирования ионов и энантиомеров хиральных соединений на неравновесных границах раствор-воздух Исследование физико-химических эффектов взаимодействия ионов и энантиамеров фосфолипидов в ленгмюровских плёнках

Исследование зависимости флотации хиральных соединений от ионного состава среды

Исследование эффектов рацемизации на функциональные характеристики ионных каналов и NMDA рецепторов

Исследование возрастной рацемизации аминокислотных остатков в белках. Достоверность полученных результатов исследований и обоснованность, положений; выводов и рекомендаций подтверждается адекватностью использованных экспериментальных подходов и методик, соответствием следствий теоретических описаний наблюдаемым в экспериментах и естественных условиях явлениям и процессам.

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:

Впервые в едином рассмотрении выполнено экспериментальное исследование физико-химических факторов, обусловивших сопряженное возникновение двух фундаментальных асимметрий в живых системах — хиральной (аминокислоты, углеводы, липиды) и ионной — в ходе предбиологической эволюции.

В экспериментах, включавших исследование* ленгмюровских пленок, пен, ТПС методом генерации- второй- оптической гармоники, генерируемой при отражении лазерного излучения от границ разделов фаз, совместно с коллективом исследователей впервые установлена непосредственная зависимость фракционирования энантиомеров, а также физико-химических характеристик ТПС от содержания определенных ионов металлов. Общность механизмов и сопряжение процессов перераспределения ионов и энантиомеров хиральных веществ в тонком поверхностном слое раствора предопределили ионный, состав и хиральную поляризацию внутренней среды предшественников. . клеток, образовавшихся на границе раздела океан-атмосфера. у

В численных экспериментах продемонстрировано существенное изменение структуры и ионной специфичности мембранных каналов при замене L-аминокислотных остатков на D-энантиомеры.

С помощью анализа аминокислотных последовательностей в белках, подверженных возрастной- рацемизации, выявлены определенные закономерности, существенные для выяснения механизмов спонтанной рацемизации. Предложена гипотеза относительно связи элементов свободнорадикальной гипотезы старения и процессов возрастной рацемизации-аминокислотных остатков в белках.

Получили дальнейшее-развитие представления о-хиральной безопасности биосферы. Биосфера сталкивается с мощным потоком хиральных соединений, формируемым химической, перерабатывающей, фармацевтической, аграрной, пищевой промышленностью. ТПС морской воды с участием ионов металлов может специфическим образом концентрировать, фракционировать, трансформировать хиральные токсические поллютанты.

Практическая значимость работы. Результаты работы могут найти практическое применением следующих областях: при разработке новых методов диагностики.поверхности океана; при разработке методов разделения смесей веществ; при? разработке новых методов очистки; окружающей среды от антропогенных загрязнений; при разработке: норм экологической безопасности- с учетом перераспределения антропогенных хиральных загрязнений биосферы; при изучении^ механизмов- воздействия? различных физико-химических факторов на биологические системы, а также в.молекулярной геронтологии; как материалы, в курсах лекций по биофизике; биохимии, молекулярной? биологии, фармакологии, экологии для; студентов соответствующих специальностей;

Основные положения, выносимые на защиту::

В биологических системах ионная^ хиральная асимметрии: функционально связаны. Сходная взаимосвязь проявляется>В;неравновесных нелинейных .физико-химических системах. „•

Возрастные изменения и некоторые патологические состояния» организма коррелируют с изменениями ионного и хирального гомеостаза;

Апробация: работы. Результаты работы; были доложены-; на Научной конференции «Ломоносов- 2008», МГУ имени М.В.Ломоносова; физический, факультет, секция биофизики и медицинской физики (Москва; 2006).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения; 4-х глав; заключения,, выводов; списка цитируемой; литературы. Диссертация изложена; на 111 страницах, содержит 35 рисунков и 9 таблиц.

Заключение Диссертация по теме "Биофизика", Жаворонковс, Александрс Александрович

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. В неравновесном; тонком; поверхностном слое (ГНС) раствора наблюдается сопряженное фракционирование ионов и энантиомеров^ хиральных веществ. - аминокислот и углеводов. Коэффициент фракционирования ионов калия- по- отношению к ионам натрия в ТИС достигает величины cif~ 10, хиральная поляризация T1IC, оцененная? по флотации энантиомеров лейцина с неионным детергентом Triton Х-100, при разности температур между воздухом и объемной фазой 8-9 °С составляет г| = 0,07 в присутствии ионов натрия и г| = 0,14 в присутствии ионов калия. В; равновесных условиях указанные эффекты не наблюдаются.

2. Механические и термодинамические характеристики рацемических и гомохиральных: фосфолипидных монослоев различны и зависят от ионного состава водной субфазы. При увеличении концентрации солеи NaCl и КСГ до 1,0 М: влияние хиральности на свойства- монослоев лецитина и кефалина уменьшается, при этом в присутствии KG1, в- отличие от NaCl, различия в. свойствах монослоев рацемата и Ь-изомера:кефалина исчезают полностью.

3. Скорости рацемизации L- и D-энантиомеров аланина в проточном реакторе при разности температур 230 °С и давлении около 220 атм не совпадают и зависят от ионного5 состава среды. В воде степень прохождения реакции рацемизации L- и D-аланина за 2 ч составила 100% и 80%, а при концентрации NaCl более Ю^М - около 70% и 90%, соответственно. Скорость рацемизации аспартата в белках зависит от окружения, определяемого всеми уровнями структурной организации полипептидной цепи.

4. Проведено моделирование полной и частичной замены аминокислотных остатков их энантиомерами в первичной структуре ионного канала KcsA и водного канала аквапорина. В модели аквапорина минимальный диаметр поры уменьшается с 0,28 нм до 0,24 нм, в модели канала KcsA энергия связывания иона калия уменьшается с 79 ккал/моль, соответствующей энергии дегидратации, до 56 ккал/моль, что приводит к утрате или существенному ухудшению функциональных характеристик каналов.

5. Показано, что ионы переходных металлов могут являться важным синергетическим фактором хиральной безопасности биосферы.

Автор выражает глубокую признательность научному руководителю профессору В.А.Твердислову за интереснейшую тему диссертационной работы и внимательное отношение к ее выполнению, а также профессору Л.В.Яковенко, доценту Т.В.Юровой, выпускникам физического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова А.П.Малык и И.С.Поволоцкой за помощь в выполнении работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ"

Термодинамически неравновесный поверхностный микрослой мирового океана; изучению физико-химических свойств которого в значительной степени посвящена: настоящая? работа, является уникальным синергетическим объектом. Фракционирование ионов энантиомеров v вТПС целесообразно ^рассматривать с точки зрения» сопряжения потоков растворенных веществ; характеризующихся разной симметрией';

Bi результате: фазовых переходов;, как; правило; происходит изменение ■ симметрии; системы^ характеризующееся, параметром:: порядка; однако? в системах жидкость - жидкость и жидкость - пар симметрия не изменяется. В принципе,, и переход- молекул какого-либо вещества1 из жидкой фазы в газовую- не изменяет симметрии; их окружения: Вместе с: тем; когда- мы имеем» дело?с: границей раздела фаз, появляется ось, симметрии. Речь здесь идет о сравнении двух равновесных фаз;, тогда, как: водная- и воздушная, фаза при испарении не находятся в термодинамическом равновесии — происходит тепломассообмен, появляется; направление, вектор. Принципиальный, вопрос: линейна ли эта система или нелинейна, линейны ли сопрягающиеся в ТПС процессы или нелинейны.

JIapc Онсагер сформулировал общие соотношения в неравновесной термодинамике в линейной области вблизи состояния равновесия. В неравновесных термодинамических: системах,- в: которых имеются; градиенты-температуры, концентраций? компонентов; химических потенциалов и т.д., возникают необратимые: процессы, теплопроводности, диффузии,, химических реакций и т.д. При малых отклонениях системы от термодинамического равновесия- потоки линейно зависят от обобщенных термодинамических сил. Матрица кинетических коэффициентов в линейных законах симметрична: перекрестные влияния обобщенных термодинамических сил на потоки одинаковы.

Известен принцип симметрии Кюри - Пригожина: неравновесные процессы подразделяются на скалярные (химические реакции, структурная^ релаксация, j объемная вязкость), векторные (диффузия, теплопроводность, электрический ток), тензорные (вязкие сдвиговые течения, тепло- и электропроводность неоднородных сред). Тензор нулевого ранга - скаляр, тензор первого ранга -вектор, тензор второго ранга (тензор) - квадратная матрица, содержащая девять элементов при трехмерном^описании анизотропных сред.

В линейной области необратимые процессы не обязательно сопрягаются, но при наличии сопряжения скалярный (изотропный) процесс сопрягается со скалярным, векторный - с векторным. Изотропные системы обладают высшей степенью симметрии. Внешние воздействия, вызывающие различные явления- в макроскопической'системе, не* могут обладать более• высокой симметрией, чем порождаемый ими процесс. При сопряжении не может понижаться степень симметрии. Скалярный процесс не может породить векторный!

В" нелинейной области принцип неприменим: может произойти «потеря симметрии» или самопроизвольное возникновение пространственных структур в исходно однородной среде (например, при. сопряжении химической реакции и диффузии).

К настоящему моменту можно считать установленным, что неравновесный ТПС сопрягает нелинейным образом потоки энергии, вещества (испаряющейся воды), ионов и энантиомеров хиральных соединений. При этом ионы можно считать точечными в молекулярных масштабах или же центрально-симметричными объектами, а энантиомеры - объектами» с условно «правой» или «левой» спиральностью. Таким образом, в поверхностном слое сопрягаются потоки компонентов системы, имеющие разную симметрию, что возможно исключительно в нелинейных системах, существенно удаленных от состояния равновесия. Сложность этой диссипативной системы обусловлена также «участием» температурного градиента, конвективных процессов, электрического и магнитного полей и т.д. Иначе говоря, мы знаем физические факторы, на которых основано концентрирование, фракционирование и нелинейное I сопряжение потоков компонентов системы, но в настоящий момент не можем предложить количественную синергетическую модель системы.

В клетках понижение симметрии происходит в случае активного транспорта ионов в мембранах, осуществляемого ионными насосами за счет сопряжения скалярной химической энергодонорной реакции гидролиза АТФ и векторного энергоакцепторного переноса ионов. Здесь возможность сопряжения обусловлена пространственной упорядоченностью компонентов реакции, детерминированной конструкцией белковой» молекулярной машины, формирующей выделенные степени свободы. Возможен и обратный процесс - синтез АТФ за счет диссипации электрохимического градиента ионов.

Математическое моделирование эффектов спонтанной рацемизации аминокислотных остатков* в белковых молекулах ионных каналов однозначно свидетельствует о принципиальной роли гомохиральности в формировании их ионной специфичности. L/D-изомеризация' даже одного остатка аспарагиновой аминокислоты или аспартата драматическим образом уменьшает эволюционно обретенную ионную избирательность каналов (или регуляторных аллостерических центров), что напрямую свидетельствует о функциональной-взаимосвязи ионной и хиральной асимметрий в системах мембранного транспорта. На сегодняшний день не ясно, в какой мере биологический возраст клеток отражается на ионой асимметрии, и в какой мере этот процесс коррелирует со спонтанной рацемизацией аминокислот в ионных насосах и каналах.

Возрастная или возникающая при развитии патологий спонтанная-рацемизация аминокислотных остатков в (долгоживущих) белках, а также клеточные механизмы репарации, требуют специального изучения-' и с точки зрения выяснения их биофизических механизмов- и с точки зрения их биохимического обеспечения. Чрезвычайно важным представляется выяснить роль редокс-процессов с участием ионов металлов с переменной валентностью в процессах спонтанной рацемизации, что самым непосредственным образом может быть связно' со свободно-радикальными; гипотезами старения1 с участием активных, форм кислорода., и азота, а также с разработкой системы геропротекторов.

Таким образом, в настоящей;, работе: рассмотрены, два: аспекта взаимозависимого* существования двух фундаментальных биологических асимметрий:: их: сопряженное возникновение: и, как: предполагается;,, их., деградация-. Первый:процесс; самоорганизации происходит в нелинейной области свободной энергии систем,- существенно - удаленной: от положения: равновесия;, второй процесс угасания - в линейной области; близкой? к; конечному состоянию равновесия::.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата физико-математических наук, Жаворонковс, Александрс Александрович, Москва

1. Твердислов В.А., Яковенко Л.В., Жаворонков А.А. Хиральность как проблема биохимической физики.//Рос. хим. журнал (Журнал Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менеделеева), т. LI, №1, 2007. - 13-23.

2. Твердислов В.А., Жаворонков А.А., Яковенко Л.В. Хиральная чистота биосферы и экологическая безопасность.//Экология урбанизированных территорий, №1, 2007. - 6-11.

3. Кривдин Л.Б. Оптическая изомерия в биохимии. // Сорос, образ, журн. 2001, т. 7, №11, с. 32-38.

4. Блюменфельд Л.А. Решаемые и нерешаемые проблемы биологической физики. - М.: Едиториал УРСС, 2002. - 160 с.

5. Чернавский Д.С. Проблемы происхождения жизни и мышления с точки зрения современной физики. УФН. 2000, т. 170, №2, с. 157-183.

6. Гольданский В.И., Кузьмин В.В. Спонтанное нарушение зеркальной симметрии в природе и происхождение жизни. //Усп. физич. наук, 1989, т. 157, №1, с. 3-50.

7. Заварзин Г.А. Недарвиновская область эволюции. // Вестн. РАН. 2000, т. 70, №5, с. 403- 411.

8. Шноль Э. Физико-химические факторы биологической эволюции, "Наука", М., 1979, 262 с.

9. Происхождение предбиологических систем. Пер. с англ. Под ред. А.И. Опарина. // М.: Мир. 1966,462 с.

10. Яковенко Л.В., Твердислов В.А. Поверхность Мирового океана и физические механизмы предбиологической эволюции. // Биофизика. 2003, т. 48, №6, с. 1137-1146.

11. Шапиро Р. У истоков жизни*// В мире науки. 2007, №10, с. 22-29.

12. Заикин А.Н. Формирование, распространение и взаимодействие экситонов (автоволн- квазичастиц) в активной среде. Физическая мысль России. 1995, №1, с. 54 - 63.

13. Эбелинг В., Файстель Р. Хаос и космос: синергетика эволюции. - Москва-Ижевск: Институт компьютерных исследований; НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2005.-336 с.

14. Твердислов В.А., Кузнецова М.Р., Яковенко Л.В. Геофизические факторы возникновения асимметрии в предшественниках биологических систем. // Вестн. Моск. ун-та. Сер.З. Физика. Астрономия. 1992, т. 33, №5, с. 56-62.

15. Савенко B.C. Химия водного поверхностного микрослоя. // Л.: Гидрометеоиздат, 1990, 180 с.

16. Безбородое А.А., Еремеев В.Н. Физико-химические аспекты взаимодействия океана и атмосферы. //Киев: Наукова Думка, 1984, 192 с.

17. Donaldson D.J., Tervahattu Н., Tuck A.F., Vaida V. Organic aerosols and the origin of life: an hypothesis, //brig. Life Evol Biosph. 2004, v. 34, p. 57-67.

18. Toba Y. Drop production by bursting of air bubbles on the sea surface. // J. Meteorol. Soc. Japan. 1962, v. 40, p. 13-17.

19. Day J. A. Production of droplets and salt nuclei by bursting of air-bubble films. // Quart. J. Roy. Met. Soc, 1964, v.90, № 383, p. 72-78.

20. Гутина B.H., Кузьмин В.В.Теория молекулярной диссимметрии Л.Пастера, "Наука", М.. 1990,215 с.

21. Твердислов В.А., Кузнецова М.Р., Яковенко Л.В. Хиральная селективность неравновесной границы раздела фаз раствор/воздух. // Биофизика. 1992, т. 37, №2, с. 391-392.

22. Balakin A.V., Goncharov А.А., Koroteev N.I., Nazarov M.M., Shkurinov A.P., Boucher D., Masselin P. Chiral sensitive second harmonic generation enhanced by surface electromagnetic waves. //Nonlin. Opt. 2000, v. 23, p. 331-346.

23. Мищенко К.П., Полторацкий Г.М. Вопросы термодинамики и строения водных и неводных растворов электролитов. // М.: Химия, 1968. 352 с.

24. Самойлов О.Я. Структура водных растворов электролитов и гидратация ионов. // М.: Изд-во АН СССР, 1957, 182 с.

25. Fujii N., Saito Т. Homochirality and life. // Chem Rec. 2004, v.4, no. 5, p.267-278.

26. Oparin A.I. The Origin of Life on the Earth, Academic Press, Inc., New York, 1957. А.И.Опарин. Жизнь как форма движения материи, Изд. АН СССР, М., 1963,48 с.

27. Haldane J.B.S., In: S.Fox (Editor), The Origins of Prebiological Systems, Academic Press, N.Y., 1965 (Rationalist Ann., 3,1929).

28. Кеньон Д., Стейнман Г. Биохимическое предопределение, "Мир", М., 1972, 336 с.

29. Handbook of lipid research. The physical chemistry of lipids. From alkanes to phospholipids. Ed. D.M. Small. New York-London: Plenum Press. 1986, 672 p.

30. Bernal J.D., The Origin of Life, Weidenfeld and Nicolson, London, 345 pp., 1967.

31. Rutten M.G., The Origin of Life (by natural causes), Elsevier publishing company, Amsterdam, 1.ondon, New York, 1971.

32. Рабинович Г.Д., Гуревич Р.Я., Боброва Г.И. Термодиффузионное разделение жидких смесей, "Наука и техника", Минск, 1971,244с.

33. Dobson СМ., Ellison G.B., Tuck A.F., Vaida V. Atmospheric aerosols as prebiotic chemical reactors. // Proc. Nat. Acad. Sci. 2000, v. 97, p. 11864-11868.

34. Goldanskii V.I., Kuz'min V.V. Chirality and cold origin of life, Nature, v. 352,1991, p.114.

35. Аветисов B.A., Гольданский В.И. Физические аспекты нарушения зеркальной симметрии биоорганического мира, Успехи физич. наук. 1996, т. 166, №8, с. 873-891.

36. Tervahattu Н., Hartonen К., Kerminen V.-M., Kupiainen К., Aarnio P., Koskentalo Т., Tuck A.F., Vaida V. New evidence of an organic layer on marine aerosols. // J. Geophys. Res., 2002, v. 107, 10.1029/2000JD000282.

37. Канн К.Б. Капиллярная гидродинамика пен. // Новосибирск: «Наука» (Сиб. отд-ние), 1989.167 с.

38. Твердислов В.А., Тихонов А.Н., Яковенко Л.В. Физические механизмы функционирования биологических мембран Изд. МГУ, М., 1987, 189 с.

39. Fujii N. D-Amino acids in elderly tissues. // Biol. Pharm. Bull., 2005, v. 28, no. 9, p. 1585- 1589.

40. Doyle D.A., Morais C.J., Pfuetzer R.A., Kuo A., Gulbis J.M., Cohen S.L., Chait B.T., MacKinnon R. The structure of the potassium channel: molecular basis of K+ conduction and selectivity // Science. 1998. V. 280. P. 69-77.

41. Laio A., Torre V. Physical Origin of Selectivity in Ionic Channels of Biological Membrane // Biophys. J. 1999. V. 76. P. 129-148.

42. Eisenberg R.S. Channels as Enzymes // J. Memb. Biol. 1990. V. 115. P. 1-12.

43. Дмитриев A.B., Твердислов B.A. Сравнительный анализ методов расчета потенциала ионных каналов // Биофизика. 2004. Т. 49. 506-510.

44. Дмитриев А.В., Барышников В.Г., Марков И.В., Твердислов В.А. Об использовании приближенных силовых полей для расчета распределения электростатического' потенциала мембранных каналов // Журнал структурной химии. 2005. Т. 45. №5. 624-628.

45. Яковенко Л.В., Садов Д.В., Твердислов В.А. Принцип параметрического разделения компонентов жидких смесей в периодических полях. В сб.: Нелинейные явления в открытых системах, 59-66. (Гос. ИФТП, Москва 1995, ред. акад. Л.Н. Лупичев).

46. Твердислов В.А., Сидорова В.В. Хиральная безопасность биосферы как биофизическая проблема // Биофизика, 2004, Том 49, вып. 3, с. 529 - 538.

47. Твердислов В.А., Сидорова В.В., Яковенко Л.В. Хиральная асимметрия? биомолекул и экологическая безопасность. // Технологии живых систем. 2005, т. 2, №1-2, с. 69-74

48. Эйген М., Шустер П. Гиперцикл. Принципы самоорганизации макромолекул. - М.: Мир, 1982.-270 с.

49. Эйген М. Самоорганизация материи и эволюция биологических макромолекул. - М.: Мир, 1973.-214 с.

50. Кузькин Ф., Гольман A.M. Флотация ионов и молекул, М.: Недра, 1971

51. Ребиндер П.А. Поверхностные явления в дисперсных системах. // М.: Наука, 1978. - 386c.

52. Ritz-Timme S., Collins M. J. Racemization of aspartic acid in human proteins. // Ageing Research Reviews, 2002, v. 1, p 43-59.

53. Amici A., Levine R.L., Tsai L., Stadtmans E.R. Conversion of amino acid residues in proteins and amino acid homopolymers to carbonyl derivatives by metal-catalyzed oxidation reactions. // J. Biol. Chem., 1989, v. 264, No. 6, pp. 3341-3346.

54. Анисимов B.H. Молекулярные и физиологические механизмы старения. СПб.: Наука, 2003. 468 с.

55. Aswad D.W. Determination of D- and L-aspartate in amino acid mixtures by high-performance liquid chromatography after derivatization with a chiral adduct of o-phthaldialdehyde. -Analyt. Biochem., 1984, v. 137, p. 405^09.

56. Scolnik Y., Portnaya I., Cogan U., Tal S. et al. Subtle differences in structural transitions between poly-L- and poiy-D-amino acids of equal length in water. - Phys. Chem. Chem. Phys., 2006, v. 8, p. 333-339.

57. Tikhonov V.I., Volkov A.A. Separation of water into its ortho and»para isomers. - Science, 2002, v. 296, p. 2363.

58. Кабачник М.И., Морозов Л'.Л., Федин Э.И. Переходы порядок-беспорядок в растворах оптических антиподов и условия разделения рацематов при- кристаллизации. Квазихимическое рассмотрение. // ДАН СССР.Т976, т. 120, №5, с. 1135-1138.

59. Лобышев.В.И. Вода как сенсор слабых воздействий физической и химической природы. . - Рос. хим.ж. (Ж. Рос. зим. об-ва им. Д.И. Менделеева), 2007, т. 51, №1, с. 107-114.

60. Nandi N., Vollhardt D. Effect of molecular chirality on the morphology of biomimetic 1.anmuir monolayers. // Chem. Rev., 2003, v.103, p.4033^1075.

61. Nassoy P., Goldmann M. et al. Spontaneous chiral segregation in bidimensional ilms. // Phys.Rev.Let., 1995, v.75, no.3, p.457-461.

62. Stewart M. V., Arnett E.M. Chiral monolayers at the air-water interface. // In: Topics in stereochemistry. - N. Allinger, E.L. Eliel, and S.H. Wilen, eds. - Wiley, New York, vol. 13, p. 195-262.

63. Andelman D., de Gennes P.G. Chiral discrimination in a Langmuir monolayer. // С R. Acad. Sci., 1988; v. 307, p. 233.

64. McConnell H.M. Structures and transitions in lipid monolayers at the air-water interface. // Annu. Rev. Phys. Chem., 1991, vol. 42, p. 171-195.

65. Akamatsu S., Bouloussa О., To K., Rondelez F. Two-dimensional dendritic growth in 1.angmuir monolayers of dimyristoyl alanine. // Phys. Rev. A., 1992, v.46, p.4504.

66. Viswanathan R., Zasadzinski J.A., Schwartz D.K. Spontaneous chiral symmetry breaking by achiral molecules in a Langmuir-Blodgett film. //Nature. 1994, v. 368, p. 440-443.

67. Andelman D., Orland H. Chiral discrimination in solutions and in Langmuir monolayers. // J. Am. Chem. Soc, 1993, v. 115, p. 12322-12329.

68. McConnell H.M., Moy V.T. Shapes of finite two-dimensional lipid domains. // J. Phys. Chem., 1988, v. 92, p.4520-4525.

69. Weis R.M., McConnell H.M. Two-dimensional chiral crystals of phospholipids. // Nature, 1984, v. 310, p. 4 7 ^ 9 .

70. Weis R.J., McConnell H.M. Cholesterol stabilizes the crystal-liquid interface in phospholipid monolayers. / /J. Phys. Chem., 1985, v. 89, p.4453^1459.

71. Hipkiss A.R. On the «struggle between chemistry and biology during aging» - implications for DNA repair, apoptosis and proteolysis, and a novel route of intervention. - Biogerontology, 2001, v. 2, p. 173-178.

72. Fujii N, Momose Y., Harada K. Kinetic studies of racemization of asparatyl residues in model peptides of aA-crystallin. - Int. J. Peptide Protein Res., 1996, v. 48, p. 118-122.

73. Fujii N, Satoh K, Harada K., Ishibashi K. Simultaneous stereoinversion and isomerization at specific aspartic acid residues in aA-crystallin from human lens. - J . Biochem., 1994, v. 116, p. 663-669.

74. Ingrosso D., D'Angelo S, di Carlo E. et al. Increased methyl esterification of altered aspartyl residues in erythrocyte membrane proteins in response to oxidative stress. - Eur. J. Biochem., 2000, v. 267, p. 4397-4405.

75. Bruner S.D., Norman D.P.G., Verdine G.L. Structural basis for recognition and repair of the endogenous mutagen 8-oxoguanine in DNA. -Nature, 2000, v. 403, p. 859-866.

76. Hardeland U., Bentele M., Jiricny J., Schar P. Separating substrate recognition from base hydrolysis in human thymine DNA glycosylase by mutational analysis. - J. Biol. Chem., 2000, v. 275, p. 33449-33456.

77. Sarkadi L.S. Occurrence of D-amino acids in food. - In: Progress in biological chirality. G Palyi, C.Zucchi, L.Caglioti, eds. - 2004. -Elsevier Ltd. -429 pp. - P. 339-354.

78. Quan Z., Liu Y.M. Capillary electrophoretic separation of glutamate enantiomers in neural samples. - Electrophoresis. 2003, v. 24, No. 6, p. 1092-1096.

79. Kocak H., Oner P., Ozta B. Comparison of the activities of Na+,K+-ATPase in brains of rats at different ages. - Gerontology, 2002, v. 46, no. 5, p. 279-281.

80. Ленинджер А. Основы биохимии // в трех томах, Москва, «Мир», 1985.

81. Kuge К, Brack A, Fujii N. Conformation-dependent racemization of aspartyl residues in* peptides. // Chemistry. 2007;13(19):5617-21.

82. Canary J.W., Zahn S. Electron-driven chirality switches // US Patent Issued, April 1,2003. 99. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/Structure/CN3D/cn3d.shtml

83. Aidley D.J., Stanfield P.R: Ion Channels. Molecule in Action. Great Britain: Cambridge University Press, 1996. 300 p.

84. Kozono D., Yasui M., King L.S., Agre P. // J. Clin. Invest. 2002. V. 10. P. 109-115.

85. Cornell W.D., Cieplak P., Bayly C.I., Gould I.R., Merz K.M., Ferguson D.M., Spellmeyer D.C.,FoxT., Caldwell J.W.,KollmanP.A.// J. Am. Chem. Soc. 1995. V.117. P.5179-5197.

86. Дмитриев*А.В., ИсаевЛ.П., Твердислов B.A. // Журнал структурной химии. 2006. Т.47. №3. 100-120. 104.' Ashkroft F.V. Ion Channels and Disease. San Diego: Academic Press, 2000. 293 pp.

87. Navarro C.L., Cau P., Levy N. Molecular bases of progeroid syndromes. // Hum. Mol. Genet. 2006, v. 15, No. 2, p. R151-161.

88. Sawai H. Selection in the abiotic synthesis of RNA using metal ion catalyst and template. - In: Progress in biological chirality. - Eds.: GPalyi, C.Zucchi, GCaglioty - Elsevier (2004), pp. 221-235.

89. Narasimhan S., Swamalakshmi S., Balakumar R., Velmathi S. Novel chiral switching ligands for enantioselective asymmetric reductions of prochiral ketones - Molecules, 2001, v. 6, p. 988-995.

90. Narasimhan S., Velmathi S. Effect of microwaves in the chiral switching asymmetric Michael reaction. - Molecules, 2003, v. 8, p. 256-262.

91. Kroner D., Klaumunzer B. Laser-operated chiral molecular switch: quantum simulations for the controlled transformation between achiral and chiral atropisomers. - Phys. Chem. Chem. Phys., 2007, v. 9, p. 5009-5017.

92. Bharathi, Rao K.S.J., Stein R. First evidence on induced topological changes in supercoiled DNAby an aluminium D-aspartate complex. - J. Biol. Inorg. Chem., 2003, v. 8, p. 823-830.

93. Zelikovich L., Libman J., Shanzer A. Molecular redox switches based on chemical triggering of iron translocation in triple-stranded helical complexes. - Nature, 2002, v. 374, p. 790-792.

94. Griffin СV., Kimber R.W.L. Racemization of amino acids in agricultural soils: an age effect? //AustJ. Soil Res., 1988, v. 26, p. 531-536. l •-

95. Безопасность России. Правовые, социально-экономические и научно-технические аспекты. Экологическая диагностика. Под ред. В.В. Клюева. // М.: МГФ Знание, Машиностроение, 2000.

96. Безопасность России. Правовые, социально-экономические и научно-технические аспекты. Экологическая безопасность, устойчивое развитие и природоохранные проблемы. Под ред. В.В.Клюева. // М.: МГФ Знание, 1999.

97. Экология, охрана природы, экологическая безопасность. Под ред. А.Т.Никитина, А.Степанова. // М.: Изд. МНЭПУ. 2000, 648 с.

Информация о работе

Жаворонковс, Александрс Александрович
кандидата физико-математических наук
Москва, 2008
ВАК 03.00.02

Диссертация

Взаимодействие ионов и хиральных соединений в модельных и биологических системах - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы