книги из ГПНТБ / Краббе П. Применение хироптических методов в химии

90 Глава 4

представителей тетрациклиновой группы антибиотиков [317—320].

Порфирины образуют важный класс природных со­ единений, в который входят хлорофилл, витамин В12 и родственные соединения. Тетрапиррольные ядра, находя­ щиеся в большинстве этих соединений, обусловливают

чески активных металлопорфиринов [576, 577] и хлоро­ филла [578]. Подробное изучение хлоринов, являющихся оптически активными 7,8-дигидропорфиринами, позволи­ ло установить эмпирическую корреляцию между строе­ нием молекул и их хироптическими свойствами [579]. Де ­

ких, как стеркобилин [582] и уробилин [583—586]. Иссле­ дование температурной зависимости К Д /-стеркобилина и d-уробилина показало, что конформация этих соедине­ ний изменяется с температурой. Конформациониые изме­ нения зависят от способности растворителя образовывать водородные связи. Спиральная конформация дипиррилметенового хромофора обращается при низких темпера­ турах в метанол-глицериновых растворах, тогда как в растворе хлороформа обращения не происходит [583— 586].

Другие важные особенности таких хромофоров — пе­ ренос заряда и спиральная конформация больших био­ молекул (полипептидов, полииуклеотидов, нуклеиновых кислот и т. д.) — рассмотрены в следующих главах.

Г Л А В А 5

Оптически активные полимеры

В начале этого столетия было обнаружено, что не­ которые природные вещества, как показано позднее, являющиеся высокополимерами, обладают оптической активностью. Однако отсутствие в то время удовлетвори­ тельных методов очистки сделало невозможным дальней­ шее изучение их оптических свойств. Поляриметрия при­ менялась тогда почти исключительно для структурного и стереохимического изучения небольших молекул.

В течение последних двадцати лет наблюдался про­ гресс не только в области техники измерения Д О В и К Д , но и в области очистки биополимеров. В связи с этим на исследование хироптических свойств природных полиме­ ров было обращено большое внимание. В настоящее время получено значительное число оптически активных синтетических высокополимеров и исследованы их опти­ ческие свойства.

5.1. ПРИРОДНЫЕ ПОЛИМЕРЫ

Спектроскопические методы, и особенно методы Д О В и К Д , несомненно играют в а ж н у ю роль в изучении био­ полимеров. Поскольку в настоящее время имеются моно­ графии и обзорные статьи по конформации белков, по нуклеопротеинам, рибосомам, вирусам, липопротеинам, мембранам и другим макромолекулам [17—21, 433, 563, 587, 594], в этой книге будут упомянуты только наиболее важные положения и некоторые результаты, полученные недавно.

Все природные биополимеры, образованные из угле­ водных или аминокислотных единиц, например полиса­ хариды, белки, полипептиды, полинуклеотиды и фермен­ ты (включая целлюлозу, декстран, желатину и т. д . ),

92 Глава 5

являются оптически активными [17—21]. Хироптические свойства зависят как от их первичной структуры (напри­ мер, от особенностей химического строения), так и от их вторичной структуры (например, спиральной пли неупо­ рядоченной конформации) . Методы Д О В и К Д занимают прочное место в химии белков, хотя информация о строе­ нии, которую они дают, сравнительно невелика. Таким образом, методы Д О В и К Д являются общепринятыми методами при изучении биомолекул, при контроле за их

Кроме того, хироптические методы используются с целью изучения влияния природы растворителя, степени соль­ ватации, изменения рН среды, температуры и т. д.

Открытие аномальной дисперсии а-спиральных поли­ пептидов показало существование конформацнонного вращения, обусловленного спиральной структурой [44, 45, 49—55, 587]. Известно, что нативные белки обладают го­ раздо меньшим отрицательным вращением, чем денату­ рированные белки. Это позволило предположить, что такие изменения во вращении связаны с потерей спираль­ ное™. Уравнение, в ы р а ж а ю щ е е свойства Д О В а-спи­ ральных полипептидов, было использовано в качестве основы для оценки содержания а-спиралей во многих ти­ пах синтетических полипептидов и белков. Рассмотре­ ние этой проблемы с теоретической точки зрения допу­ скает связывание экситонов и показывает, что сильные эффекты Коттона противоположных знаков (куплет) д о л ж н ы возникать в результате каждого сильного элек­ тронного перехода, такого, как я°—>я-переход при 190 нм. Подобные электронные переходы имеют парал ­ лельную и перпендикулярную поляризации относительно оси а-спирали [44, 45, 588, 589]. Позднее показано, что для неопределенно длинной спирали они вызывают появ­ ление другого куплета. Такой более точный подход с точ­ ки зрения экситонной теории позволяет предсказать че­ тыре полосы для каждого сильного поглощения. Д л я осспирали их появление ожидается при 185, 189 и 193 нм. Кроме того, как показано в разд. 4.1, для /г—^"'-пере­ хода пептидной связи оптическая активность ожидается около 216 нм [69, 70, 554—557]. Современные приборы не

позволяют полностью разрешить эти полосы, особенно ниже 190 нм. Усовершенствованная теория предлагает более сложные уравнения, чем первоначальное уравне­ ние Моффита, однако последнее удовлетворительно опи­ сывает хпроптическое поведение а-спирали, что подтвер­ ждается поляриметрическими измерениями [17—21]. При изучении К Д поли-ь-глутаминовой кислоты [554—557] было обнаружено, что а-спираль обладает сложной кри­ вой с эффектом Коттона при 220 нм, отвечающим п-*л*- переходу амидного хромофора, и при 200 нм, обуслов­ ленным it —*я*-переходом (разд. 4.1). Такое наблюдение

жен проявляться в виде двойной полосы вследствие на­ личия этого хромофора в спиральной структуре. Когда

а-спирали, позволяет легко измерять хиральность в бел­ ках.

нает спектр р-спирали. Если считать, что белок пред­ ставляет собой смесь а-спирали и неупорядоченной фор­ мы, то эллиптичность при 220 нм будет соответствовать количеству а-спирали, составляющему 14% [592].

Конформационное изучение нуклеопротеинов пред­ ставляет большие трудности, чем изучение простых

белков, так как сама нуклеиновая кислота является оп­ тически активной [594, 601—604]. Оптическая активность нуклеиновых кислот возникает из-за диссимметрии боль­ шого числа пентозных остатков и упорядоченной конфор­ мации полинуклеотидноп цепи. Несмотря на сложность хироптических свойств нуклеиновых кислот, они позво­ ляют различить простые и сложные спирали и показы­ вают, что рН и температура являются важными факто­ рами, влияющими на конформацию.

Изучены хироптические свойства, обусловленные ак­ тивными днсульфидными хромофорами (разд. 2.21), а т а к ж е К Д некоторых специфичных белков, таких, как миоглобин, гемоглобин, инсулин, рибонуклеаза, сыворо­ точный альбумин и лизоцим [433, 563, 587, 593, 594]. Кроме того, хироптические методы использованы для того, чтобы получить данные о структуре нуклеогистонов, о стабилизации рибонуклеиновых кислот природ­ ными или синтетическими полиоснованиями, а т а к ж е о действии мочевины и додецилсульфата натрия на струк­ туру яичного альбумина. Недавние исследования пока­ зывают, что в глобулярных белках эффекты Коттона часто имеют значительную величину и наблюдаются вблизи УФ-полос поглощения тирозина и триптофана. Исследование оптической активности триптофана, тиро­ зина и производных фенилаланина, в частности, в связи с изучением рибонуклеазы показало наличие значитель­ ного эффекта Коттона, обусловленного полосой погло­ щения шести тирозиновых остатков. Сделана попытка систематического анализа этих эффектов [595]. Р я д про­ стых производных, исследованных в растворителях, за­ мерзающих при температуре жидкого азота, обнаружи ­ вают тонкую структуру как УФ-, так и КД-полос, что делает возможным анализ их колебательной структуры. Фенольный хромофор имеет два перехода в близкой уль­ трафиолетовой области. Исследованы соответствующие колебательные прогрессии, одна сильная и одна слабая . И х положение очень чувствительно к природе раствори­ теля, и поэтому следовало ожидать, что в рибонуклеазе, которая имеет три защищенных и три незащищенных ти­ розиновых звена, будут прогрессии, возникающие из обоих типов звеньев, если оба они обладают повышен-

ной оптической активностью. При низкой температуре, когда появляется тонкая структура, можно различить полосы, представляющие первые члены трех прогрессий, две из внутренних и одну из внешних, искаженных рас­ творителем остатков. Кроме того, очевиден большой дисульфидный вклад в длинноволновой области. Таким об­ разом, принципиально можно отличить не только тиро­

нием в окружении индивидуальных ароматических остат­ ков в глобулярных белках [595].

Оптические свойства поли - l - тирозина существенно

методов при исследовании изменений в строении моле­ кулы. Белки, содержащие сопряженные системы, напри­ мер гем, обладают сложным эффектом Коттона в об­ ласти поглощения простетических групп. Описаны эф ­ фекты Коттона цитохрома С 3 из трех родственных суль- фат-восстаиавливающих бактерий [596]. Несмотря на

Коттона, свидетельствующие о том, что, несмотря на зна­ чительные различия в аминокислотном составе, эти три белка довольно сходны в части, окружающей гем. При кислотной денатурации происходит резкое уменьшение эффектов Коттона, что можно использовать для преци­ зионного исследования процесса денатурации.

Опубликованы работы, посвященные исследованию Д О В и К Д различных мембран и мембранных систем [597, 598]. Из-за макроскопической природы этих образо­ ваний интерпретация спектров оказалась затруднитель­ ной. Изучение эффектов дифференциального рассеива­ ния поляризованных по кругу вправо и влево лучей света показало, что их можно в принципе объяснить искажен­

96 Глава 5

из данных по изучению КД мембран. Например, было обнаружено, что пептидные эффекты Коттона и, следо­ вательно, конформация белка не изменяются при обработке фосфолипазой, приводящей к выделению боль­ шей части фосфолипида [599]. Кроме того, ферментация сопровождается появлением ряда резонансных полос в

нии мембран происходит разложение белковой струк­ туры, сопровождающееся изменением в КД. Это вызы­

лос метилена жирных кислот липидных цепей, которые, очевидно, остаются в основном неизменными. Таким об­ разом, оказывается, что распад белков и липидов — это независимые и разные процессы. Следовательно, можно сделать вывод, что белки непосредственно связаны лишь с небольшой частью фосфолнпидов, которые не разру­ шаются фосфолипазой и распределяются в липидном двухслойном матрнксе [599].

Методы Д О В и К Д использованы т а к ж е для изуче­ ния полос поглощения с переносом заряда, обусловлен­ ных внутри- и межмолекулярными электронодонорноэлектроноакцепторными комплексами в хиральыых мо­ лекулах [600].

Добавление оптически неактивных красителей к спи­ ральным полипептидам приводит к появлению эффектов

модействием молекулы красителя с макромолекулярной спиралью [17, 19—21] и исчезают при разрушении спи­ ральной структуры в результате изменения рН [605—613]. Такие индуцированные эффекты Коттона наблюдают в системах: Д Н К — акридиноранж, Р Н К — профлавин, Д Н К — а м и н о а к р и д и н , амилоза с различными красите­ лями [607—613].

Появилось интересное сообщение, описывающее эф­ фект Коттона оптически неактивного ароматического амина, добавленного к Р Н К или Д Н К [614]. Молекула

корр е л я ц ия между знаком эффектов Коттона и спираль­ ной конформацией поли-а-олефинов [632—640]. Интерес­ ные, но не совсем понятные оптические явления наблю­ дались в случае полиакрилатов, полилактидов и др. Д л я таких соединений были отмечены аномалии на кривых Д О В , тогда как в случае низкомолекулярных эфнров и лактонов такие аномалии отсутствуют.

Так как оптическая активность пропорциональна со­ д е р ж а н и ю асимметрического мономера, то при анализе сополимеров из оптически неактивных и активных моно­ меров можно определить соотношение реакционной спо­ собности мономеров [641—643]. Как и в случае биополи­ меров, по хироптическим свойствам оптически активных синтетических полимеров можно определить их скорости изомеризации, рацемизации и денатурации.

С помощью Д О В и К Д можно исследовать механизм действия комплексных катализаторов при условии, что они содержат асимметрические группы [644]. Этими ме­ тодами т а к ж е можно исследовать стереохимическнй ме­ ханизм роста цепи [645—647]. Недавно описан факт изме­ нения знака вращения оптически активного полипропиленоксида в различных растворителях. Обсуждение этого явления с точки зрения диэлектрической теории раство­ ров приводит к выводу, что в таких случаях форма кри­ вых Д О В полимеров не может быть связана с их кон­ формацией [648]. Так как высокостереорегулярные поли­ меры получаются сравнительно редко, одной из главных задач при изучении синтетических полимеров является определение их химического строения. И только тогда, когда структурные вопросы разрешены, для изучения стереохимии можно использовать оптические методы. Синтетические высокополимеры остаются, однако, об­

ства помогут выяснить конформационные вопросы, на ко­ торые нелегко ответить с помощью других физических методов.

Г Л А В А 6

Комплексы металлов

Большинство оптически активных соединений являют­ ся органическими соединениями. Однако оптическая активность не является характерной чертой диссиметрических веществ, содержащих углерод, серу, азот или фос­ фор. Эффект Коттона наблюдается т а к ж е для молекул, обладающих более высокой степенью симметрии [21]. На ­ пример, тр«с-[диокситетрамминкобальт(1П)]-кобальт(1П)- гексанитрат является оптически активным. Бидентатный лиганд 53, обозначенный в виде А—А, образует октаэдрический комплекс 54. Символами А обозначены груп­ пы ОН, образующие шесть мостиков между центральным и тремя координированными атомами Со [21].

6+

н о

органических молекул комплексы металлов обычно не­ обходимо расщеплять на энантиомеры, так как природ­ ные оптически активные комплексы (такие, как в хлоро- 4 Г