Получение и структурное исследование биологически активных систем на основе имидазолиевых ионных жидкостей

• Автор: Сейткалиева, Марина Максутовна
• Шифр специальности: 02.00.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2015
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 162 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Общие сведения об ионных жидкостях и областях их применения

1.1.1 Общие сведения об ионных жидкостях

1.1.2 Области применения ионных жидкостей

1.2 Ионные жидкости в качестве среды для биологических соединений

1.2.1 Специфичное поведение биологических молекул в ионных жидкостях

1.2.2 Природа взаимодействий ионных жидкостей с биологическими молекулами

1.3 Изучение природы взаимодействий ионных жидкостей с биомолекулами с помощью

различных теоретических и физико-химических методов. Спектроскопия ЯМР ионных жидкостей
1.3.1 Теоретические и физико-химические методы изучения природы взаимодействий
ионных жидкостей с биомолекулами
1.3.2 Спектроскопия ЯМР в ионных жидкостях
1.4 Использование ионных жидкостей для выделения биологических молекул
1.4.1 Существующие системы выделения на основе ионных жидкостей
1.4.2 Изучение механизмов распределения вещества в системах на основе ионных
жидкостей
1.5 Токсичность, экологическая безопасность и биоразлагаемость ионных жидкостей
1.5.1 Токсичность и экологическая безопасность ионных жидкостей
1.5.2 (Био)разложение ионных жидкостей
1.6 Использование ионных жидкостей в медицине
2. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
2.1 Изучение стабилизирующего/дестабилизирующего действия ионных жидкостей на
аминокислоты и пептиды
2.2 Разработка систем для экстракции пептидов из ионных жидкостей и изучение
механизма процесса
2.3 Исследование токсичности ионных жидкостей, синтез функционализированных
ионных жидкостей и определение их биологической активности
2.4 Синтез функционализированных фармацевтическими компонентами ионных
жидкостей и определение их биологической активности
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
3.1 Общие сведения

3.2 Экспериментальная часть для раздела 2.1 «Изучение
стабилизирующего/дестабилизирующего действия ИЖ на аминокислоты и пептиды»
3.3 Экспериментальная часть для раздела 2.2 «Разработка систем для экстракции пептидов из ионных жидкостей и изучение механизма процесса»
3.4 Экспериментальная часть для раздела 2.3 «Токсичность ИЖ, синтез функционализированных ИЖ и определение их биологической активности»
3.5 Экспериментальная часть для раздела 2.4 «Синтез функционализированных фармацевтическими компонентами ионных жидкостей и определение их биологической активности»
3.6 Исследование цитотоксического действия ионных жидкостей
ВЫВОДЫ
БЛАГОДАРНОСТЬ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ СОКРАЩЕНИЙ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
Ионные жидкости — вещества, обладающие уникальными свойствами, поэтому в последние десятилетия они широко применяются в различных областях исследований, в том числе биологических и биотехнологических процессах. Они служат не только в качестве высокоэффективной реакционной среды, позволяя проводить новые и совершенствуя известные процессы, но также являются важными медиаторами различных (био)химических реакций. Ионные жидкости показали способность растворять белки, углеводы, ферменты, ДНК и другие природные соединения и биомолекулы, которые в обычных растворителях растворяются плохо или быстро теряют свои свойства. При этом многие ионные жидкости увеличивают эффективность, активность и селективность ферментативных реакций, способствуют термической стабильности белков, позволяя в течение длительного времени сохранять их специфичные свойства. Взаимодействия между ионными жидкостями и биомолекулами в настоящее время всесторонне изучаются, однако связи между строением аминокислот, пептидов и белков и необычными свойствами, проявляемыми ими в таких системах, остаются неисследованной. Природа и последовательность аминокислот во многом отвечают за индивидуальные характеристики белковых молекул, поэтому исследование взаимодействий между ионными жидкостями и пептидами позволит получить важную информацию о стабильности белков, расширяя возвожности их применения в биотехнологии, химической и фармацевтической промышленности. Изучение биологических молекул в ионных жидкостях в отсутствие других растворителей является важной и одновременно сложной задачей, требующей соответствующих методологических подходов Среди множества различных физико-химических методов анализа спектроскопия ЯМР является высокоэффективным инструментом, позволяющим изучать подобные (сложные) системы на молекулярном уровне.
Важным этапом биотехнологических процессов является селективное выделение и очистка биомолекул. Из существующих в настоящее время процессов выделения наиболее часто применяют жидкостную экстракцию, которая обладает высокой производительностью, селективностью, возможностью совмещать выделение и очистку, обеспечивает высокий выход, чистоту и низкую стоимость. В качестве альтернативы летучим органическим растворителям для процессов выделения биомолекул с недавнего времени часто применяют ионные жидкости, обладающие превосходной растворяющей способностью, а также оказывающие активирующее/стабилизирующее воздействие. Немаловажным преимуществом является их низкое давление паров, невоспламеняемость, высокая термическая и химическая устойчивость. Для экстракции биомолекул могут использоваться как гидрофобные, так и гидрофильные ионные жидкости различной природы. Поэтому изучение природы взаимодействий между биомолекулами и ИЖ, влияния различных условий на распределение веществ между фазами в

Carvalho и коллеги зарегистрировали 13С HR-MAS ЯМР-спектры для системы С02/[ВМ1М] ацетатных и трифторацетатных ИЖ и показали, что СОг предпочтительно взаимодействует с раствором ИЖ за счет кислотно-основного взаимодействия между карбоксилатной группой аниона ИЖ и кислого атома углерода в молекуле СОг [209].
Также была показана возможность применения HR-MAS ЯМР-спектроскопии для изучения взаимодействий между белковыми молекулами и ИЖ/водными системами. Наблюдаемые изменения сдвигов протонов пептидов, растворенных в ИЖ, связывают с прямыми взаимодействиями между ИЖ и пептидами. Считается, что основными факторами, влияющими на силу, положение и тип таких взаимодействий, являются природа аминокислот в пептидной последовательности, а также пр1грода аннона и катиона ИЖ. Значительное смещение сигнала в слабое поле указывает на сильное взаимодействие между пептидной связью и анионом ИЖ и является следствием образования водородной связи между ними. С другой стороны, сдвиг в сторону сильного поля, наблюдаемый в присутствии заряженных и ароматических аминокислот (например, пролина), указывает на гидрофобные взаимодействия и стэкннг-эффект с участием имидазолневого кольца. Таким образом, было показано, что ИЖ вызывают структурные/конформационные изменения пептидной молекулы. Характер распределения химических сдвигов вдоль пептидной цепи показывает не только определенные участки, посредством которых пептиды взаимодействуют с ИЖ, но и тип взаимодействий. Различные химические сдвиги наблюдались также для цис- и транс-форм пептидов в ИЖ [208]. Кроме того, наличие взаимодействиий между ИЖ и молекулами пептидов были продемонстрированы с помощью экспериментов 2D ROESY [210].
Высокоразрешенные одно- и двумерные спектры были зарегистрированы для тетрапептидов вида Ala-Xaa-Pro-Phe (Хаа: Ala, Asp, Glu, Gly, Lys и Phe), растворенных в трех водных растворах алкилимидазолиевых ИЖ. Эксперименты показали сближение ИЖ с протонами пептидов, что указывает на прямые взаимодействия. Физико-химическая природа этих взаимодействий различна и зависит как от пептидной последовательности, так и от природы ИЖ. Так, было показано, что в случае [EMIMJfCFiCCh] между протонами пептидов и анионами ИЖ образуюся исключительно водородные связи, в то время как в случае [ММ1М][МегР04] обнаруживается более широкий спектр взаимодействий, включая гидрофобные и стэкинг имндазолиевого кольца. Анноны ИЖ оказывают меньшее влияние и воздействуют на структуру пептидов опосредованно. Кроме того, наблюдалась зависимость величин химического сдвига пептидов от концентрации ИЖ [210].
Таким образом, тщательная настройка параметров ЯМР-исследования и оптимальные экспериментальные условия позволяют регистрировать спектры в среде ИЖ. Все рутинные эксперименты, в том числе двумерные, могут быть выполнены с высокой производительностью