В супрамолекулярной химии , [1] хост-гость химия описаны комплексы , которые состоят из двух или более молекул или ионов , которые удерживаются вместе в уникальных структурных отношениях другими , чем у полных сил ковалентных связей . Химия хозяин-гость включает в себя идею молекулярного распознавания и взаимодействия посредством нековалентной связи . Нековалентное связывание имеет решающее значение для поддержания трехмерной структуры больших молекул, таких как белки, и участвует во многих биологических процессах, в которых большие молекулы специфически, но временно связываются друг с другом.
Хотя нековалентные взаимодействия можно грубо разделить на те, которые имеют более электростатический или дисперсионный вклад, существует несколько обычно упоминаемых типов нековалентных взаимодействий: ионная связь , водородная связь , силы Ван-дер-Ваальса и гидрофобные взаимодействия . [2]
Обзор
Химия "хозяин-гость" - это раздел супрамолекулярной химии, в котором молекула- хозяин образует химическое соединение с молекулой-гостем или ионом. Два компонента соединения удерживаются вместе нековалентными силами, чаще всего за счет водородных связей . Связывание между хозяином и гостем обычно очень специфично для двух рассматриваемых групп. Образование этих комплексов является центральным вопросом молекулярного распознавания .
Существует равновесие между несвязанным состоянием, в котором хозяин и гость отделены друг от друга, и связанным состоянием, в котором существует структурно определенный комплекс хозяин-гость:
- H = "хост", G = "гость", HG = "комплекс хост-гость"
Компонент «хозяин» можно рассматривать как большую молекулу, и он включает меньшую, «гостевую» молекулу. В биологических системах аналогичные термины хозяин и гость обычно называются ферментом и субстратом соответственно. [5]
Для разработки синтетических систем, выполняющих определенные функции и задачи, очень важно понимать термодинамику связывания между хостом и гостем. Химики сосредотачиваются на обмене энергией различных связывающих взаимодействий и пытаются разработать научные эксперименты для количественной оценки фундаментального происхождения этих нековалентных взаимодействий, используя различные методы, такие как ЯМР-спектроскопия, УФ / видимая спектроскопия и калориметрия изотермического титрования. [6] Количественный анализ значений констант связывания дает полезную термодинамическую информацию. [5]
Термодинамические принципы взаимодействия хозяин-гость
Термодинамические преимущества химии "хозяин-гость" основаны на идее, что общая свободная энергия Гиббса ниже из-за взаимодействия между молекулами хозяина и гостя. Химики всесторонне пытаются измерить энергетические и термодинамические свойства этих нековалентных взаимодействий, обнаруживаемых во всей супрамолекулярной химии; и тем самым надеемся получить дальнейшее представление о комбинаторном результате этих многих малых нековалентных сил, которые используются для создания общего воздействия на супрамолекулярную структуру.
Постоянная связь , можно определить выражением
где {HG} - термодинамическая активность комплекса в состоянии равновесия. {H} представляет активность хоста, а {G} активность гостя. Количество, а также - соответствующие концентрации и является частным от коэффициентов активности .
На практике константа равновесия обычно определяется в терминах концентраций.
Когда используется это определение, подразумевается, что коэффициент коэффициентов активности имеет числовое значение, равное единице. Тогда оказывается, что константа равновесия,имеет размерность 1 / концентрация, но это не может быть правдой, поскольку стандартная свободная энергия Гиббса изменяется,пропорциональна логарифму K .
Этот очевидный парадокс разрешается, когда измерение будет определено , что величина , обратная размерности фактор концентраций. Подразумевается, чтосчитается имеющим постоянное значение во всех соответствующих экспериментальных условиях. Тем не менее, общепринято добавлять размер, такой как миллимоль на литр или микромоль на литр, к значению K , которое было определено экспериментально.
Большой Значение указывает на то, что молекулы хозяина и гостя сильно взаимодействуют с образованием комплекса хозяин-гость.
Определение значений констант привязки
Простое сочетание хозяина и гостя
Когда молекулы хозяина и гостя объединяются, чтобы сформировать единый комплекс, равновесие представляется как
а константа равновесия K определяется как
где [X] обозначает концентрацию химического вещества X (предполагается, что все коэффициенты активности имеют числовые значения 1). Уравнения баланса массы в любой точке данных,
где а также представляют собой общие концентрации хозяина и гостя, могут быть сведены к одному квадратному уравнению, скажем, в [G] и, таким образом, могут быть решены аналитически для любого заданного значения K. Затем концентрации [H] и [HG] могут быть выведены .
Следующим шагом в расчете является вычисление значения, , величины, соответствующей наблюдаемой величине . Тогда сумма квадратов U по всем точкам данных np может быть определена как
и это может быть минимизировано в отношении значения константы стабильности, K, и такого параметра, как химический сдвиг вещества HG (данные ЯМР) или его молярной поглощающей способности (данные УФ / видимого света). Минимизацию можно выполнить в приложении для работы с электронными таблицами, таком как EXCEL, с помощью встроенной утилиты SOLVER.
Эту процедуру следует использовать только в том случае, если точно известно, что аддукт 1: 1 является единственным образующимся комплексом. Простая проверка справедливости этого утверждения состоит в том, что невязки,должен показывать случайное распределение ; в противном случае следует рассмотреть возможность образования второго вида, используя методы, описанные в следующем разделе.
Данные ядерного магнитного резонанса (ЯМР)
В спектрах ядерного магнитного резонанса (ЯМР) наблюдаемое значение химического сдвига δ , возникающее от данного атома, содержащегося в молекуле реагента и одном или нескольких комплексах этого реагента, будет средневзвешенным по концентрации всех сдвигов этих химических соединений. Предполагается, что химический обмен является быстрым по шкале времени ЯМР. в единицах мольных долей ,
- химический сдвиг i- го химического вещества, содержащего ядро и - концентрация / мольная доля ( c - концентрация / моль дм -3 ) этого вещества . Это выражение имеет ту же математическую форму, что и закон Бера . Значения химического сдвига могут быть получены для более чем одного ядра аналогичным способом, при котором поглощение может быть измерено на более чем одной длине волны. Типичными изотопами, которые могут использоваться в этом контексте, являются 1 H, 13 C и 31 P. Обычно при измерении значений химического сдвига 1 H используют дейтерированный растворитель .
Данные по абсорбции
Предполагается, что поглощение каждого вида пропорционально его концентрации в соответствии с законом Бера-Ламберта .
где λ - длина волны, - длина оптического пути кюветы, содержащей раствор соединений N ( хромофоров ),- молярное поглощение (также известное как коэффициент экстинкции) i- го химического вещества на длине волны λ, c i - его концентрация. Когда концентрации были рассчитаны, как указано выше, и оптическая плотность была измерена для образцов с различными концентрациями хозяина и гостя, закон Бера-Ламберта дает набор уравнений для данной длины волны, которые можно решить линейным методом наименьших квадратов. процесс для неизвестных значений коэффициента экстинкции на этой длине волны.
Данные флуоресценции
Обработка данных этого типа аналогична обработке данных оптической плотности. На самом деле уравнение, определяющее связь между интенсивностью флуоресценции и концентрацией видов, очень похоже.
где - интенсивность флуоресценции i-го вида при единичной концентрации.
Калориметрия
Тепло, выделяющееся при добавлении аликвоты раствора хозяина к раствору, содержащему гостя, представляет собой сумму вкладов каждой реакции.
где - измеренное значение изменения тепла (скорректированное с учетом всех вкладов постороннего тепла) в точке данных j ,количество тепла, поглощаемого или выделяемого при образовании 1 моля i- го продукта реакции и представляет собой фактическое изменение количества молей этого продукта в данной точке данных.рассчитывается путем решения уравнений баланса масс с заданными значениями констант равновесия. Если значения констант равновесия известны, стандартное изменение энтальпии можно рассчитать с помощью линейного метода наименьших квадратов, в противном случае необходимо использовать нелинейный метод подбора данных.
Калориметрия изотермического титрования обычно используется для определения значений как константы равновесия, так и соответствующей стандартной энтальпии реакции. Производители приборов ITC поставляют программное обеспечение, с помощью которого эти величины могут быть получены из значений экспериментальных данных.
Общая реакция комплексообразования
Для каждого равновесия с участием хозяина H и гостя G
константа равновесия, , определяется как
Значения свободных концентраций, а также получаются путем решения уравнений баланса масс с известными или оценочными значениями констант устойчивости.
Затем концентрации каждого комплексного вида можно также рассчитать как . Взаимосвязь между концентрацией вида и измеряемой величиной зависит от метода измерения, как указано в каждом разделе выше. Используя это соотношение, набор параметров, значения констант стабильности и значения свойств, таких как молярная поглощающая способность или заданные химические сдвиги, могут быть уточнены с помощью нелинейного процесса уточнения методом наименьших квадратов . Более подробное изложение теории см. В разделе Определение констант равновесия . Некоторые специализированные компьютерные программы перечислены в разделе «Реализации» .
Определение стандартных значений энтальпии и изменения энтропии
Рассмотрим, во-первых, систему, в которой раствор содержит определенные количества хозяина, H , и гостя, G , в равновесии с единичным комплексом HG .
Теперь предположим, что небольшое количество гостя добавлено к смеси хозяина и гостя в состоянии равновесия. Новое равновесие будет устанавливаться и некоторое количество тепла, Q будет эволюционировало. Когда это количество было измерено и скорректировано с учетом инструментальных факторов, оно связано с изменением количества сложного HG , присутствующего в растворе.
где Δ H ⊖ - стандартная энтальпия образования , то есть энтальпия образования 1 моля комплекса, HG и- изменение количества молей HG в растворе.
Если значение константы равновесия, , как известно, величина может быть рассчитан путем решения уравнений баланса массы до и после добавления (см. # Простое комплексообразование хозяин-гость выше). Затем, значение Д Н ⊖ может быть получено с использованием метода линейной наименьших квадратов фитинг с серией экспериментальных значений Q .
Если значение K неизвестно, необходимо выполнить нелинейное уточнение методом наименьших квадратов для получения двух параметров: а также . Когда данные получены с помощью калориметрии изотермического титрования, программное обеспечение, необходимое для расчетов, предоставляется производителем прибора.
Примечание: использование уравнения Ван'та Хоффа для расчета стандартного изменения энтальпии не рекомендуется, поскольку значение, полученное с помощью этого метода, вероятно, будет подвержено чрезмерной ошибке .
В общем, когда образуются m комплексов, тепло, выделяемое в k- й точке «титрования», является суммой вкладов, возникающих в результате изменения концентрации продукта реакции.
Есть 2m параметр определяется, стандартное изменение энтальпии и константа равновесия для образования каждого продукта реакции. Производители приборов ITC поставляют несколько специальных программных продуктов, с помощью которых можно рассчитывать несколько значений параметров. Компьютерные программы для общего случая, такие как HypΔH . Также доступны Affinimeter ITC .
Когда значения каждого стандартного изменения энтальпии и константы равновесия были определены, значение соответствующего стандартного изменения энтропии может быть получено из выражения
при данной температуре, Т .
Экспериментальные методы
Ядерный магнитный резонанс
Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) - один из самых мощных спектроскопических методов в аналитической химии. Это важный инструмент для изучения комплексов хозяин-гость, для выяснения структур различных комплексов, существующих в форме агрегатов, ионных пар или инкапсулированных систем. Как следует из названия, ЯМР идентифицирует различные ядра в молекулах (чаще всего протон ), измеряя их химический сдвиг . Связывающая активность двух молекул вызывает значительное изменение их электронного окружения. Это приводит к сдвигу сигналов в спектре ЯМР, и этот основной принцип используется для изучения явлений химии хозяин-гость. Движущими силами связывания хозяин-гость являются различные вторичные взаимодействия между молекулами, такие как водородные связи и взаимодействие пи-пи . Таким образом, ЯМР также служит важным методом для установления наличия этих взаимодействий в комплексе хозяин-гость. [7]
Предыдущие исследования ЯМР дали полезную информацию о связывании разных гостей с хозяевами. Fox et al. [8] рассчитали взаимодействия водородных связей между молекулами пиридина и дендримером поли (амидоамина (ПАМАМ)) на основе химического сдвига аминовой и амидной групп. В аналогичном исследовании Xu et al. [9] титровали карбоксилатный дендример G4 PAMAM (хозяин) с различными препаратами на основе амина (гости) и отслеживал химические сдвиги дендримера. В сочетании с методами 2D- NOESY ЯМР они смогли точно определить положение лекарств на дендримеры и влияние функциональности на аффинность связывания лекарств. Они нашли убедительные доказательства того, что молекулы катионного лекарства прикрепляются к поверхности анионных дендримеров за счет электростатических взаимодействий, тогда как анионное лекарство локализуется как в ядре, так и на поверхности дендримеры, и что сила этих взаимодействий зависит от значений pKa молекул.
В другом исследовании Sun et al. [9] изучали химию молекул трисбипиридил-виологена рутения с кукурбитурилом в зависимости от типа "хозяин-гость" . При мониторинге изменения химических сдвигов пиридиновых протонов на виологене они обнаружили, что режимы связывания для комплексов 1: 1 полностью различны для разных молекул кукурбитурила.
Важным фактором, который следует учитывать при анализе привязки между хостом и гостем, является время, необходимое для сбора данных, по сравнению со временем для события привязки. Во многих случаях события связывания происходят намного быстрее, чем шкала времени сбора данных, и в этом случае выходной сигнал представляет собой усредненный сигнал для отдельных молекул и комплекса. Шкала времени ЯМР составляет порядка миллисекунд, что в некоторых случаях, когда реакция связывания протекает быстро, ограничивает точность метода. [5]
Ультрафиолетовая видимая спектроскопия
Ультрафиолетовая спектроскопия в видимой области спектра - один из самых старых и быстрых методов изучения связывающей активности различных молекул. Поглощение УФ-света происходит в пикосекундах , поэтому можно наблюдать отдельные сигналы от видов. В то же время интенсивность поглощения напрямую коррелирует с концентрацией видов, что позволяет легко рассчитать константу ассоциации. [5] Чаще всего либо хозяин, либо гость прозрачны для УФ-света, в то время как другая молекула чувствительна к УФ-излучению. Таким образом, изменение концентрации чувствительных к УФ-излучению молекул отслеживается и выстраивается на прямой линии с использованием метода Бенези – Хильдебранда , из которого можно непосредственно рассчитать константу ассоциации.
Дополнительная информация о стехиометрии комплексов также получается, поскольку метод Бенези-Хильдербранда предполагает стехиометрию 1: 1 между хозяином и гостем. Данные будут давать прямую линию только в том случае, если образование комплекса также следует аналогичной стехиометрии 1: 1. Недавний пример аналогичного расчета был проведен Sun et al. [9], в котором они титровали молекулы трисбипиридил-виологена рутения кукурбит [7] урилами и построили график относительной абсорбции молекул кукурбита как функции его общей концентрации при определенная длина волны. Данные хорошо соответствовали модели связывания 1: 1 с константой связывания.
В качестве расширения можно подогнать данные к разным стехиометриям, чтобы понять кинетику событий связывания между хозяином и гостем. [10] использовали это следствие, чтобы немного изменить обычный график Бенези-Хильдербранда, чтобы получить порядок реакции комплексообразования между барийсодержащим краун-эфирным мостиковым хиральным гетеротринудерным комплексом салена Zn (II)(хозяин) с различными гостевыми имидазолами и метиловыми эфирами аминокислот, наряду с другими параметрами. Они титровали фиксированную концентрацию комплекса цинка с различными количествами имидазолов и метиловых эфиров, отслеживая изменения в поглощении полосы перехода пи-пи * при 368 нм. Данные соответствуют модели, в которой отношение гостя к хосту равно 2 в комплексе. Далее они провели эти эксперименты при различных температурах, что позволило им рассчитать различные термодинамические параметры, используя уравнение Ван 'т Гоффа .
Изотермическая калориметрия титрования
Спектроскопические методы дают информацию о константе связывания и свободная энергия Гиббса ,. Чтобы получить полный набор термодинамических параметров, таких как а также , потребуется анализ Ван 'т Гоффа с использованием уравнения Ван' т Гоффа . Однако недавнее развитие калориметрических методов позволяет измерять а также в одном эксперименте, что позволяет определить все термодинамические параметры с помощью уравнения:
при условии, что эксперимент проводится в изотермических условиях; отсюда и название изотермическая калориметрия. Процедура аналогична обычной процедуре титрования, в которой хозяина последовательно добавляют к гостю и измеряют поглощенное или выделяемое тепло по сравнению с холостым раствором. Общее выделенное тепло Q соответствует константе ассоциации, а также по уравнению:
Что можно упростить как
Где
- = Начальная молярная концентрация хозяина
- = Молярная концентрация гостя
- = объем сосуда
Вышеупомянутое уравнение может быть решено с помощью нелинейного регрессионного анализа для получения значения а также и впоследствии а также для этой конкретной реакции. [5] Преимущества калориметрии изотермического титрования перед другими широко используемыми методами, помимо предоставления полного набора термодинамических параметров, заключаются в том, что она является более общей и подходит для широкого круга молекул. Нет необходимости иметь соединения с хромофорами или функциональными группами в УФ-видимом диапазоне, чтобы контролировать процесс связывания, поскольку тепловой сигнал является универсальным свойством реакций связывания. В то же время отношение сигнал / шум довольно благоприятное, что позволяет более точно определять константы связывания даже в очень разбавленных условиях. [11] Недавним примером использования этого метода было изучение сродства связывания белковой мембраны, окружающей Escherichia coli, с липофильными катионами, используемыми в лекарствах в различных мембранно-миметических средах. Мотивация для вышеупомянутого исследования заключалась в том, что эти мембраны делают бактерии устойчивыми к большинству соединений на основе катиона четвертичного аммония , которые обладают антибактериальным действием. Таким образом, понимание явлений связывания позволит разработать эффективные антибиотики для E. coli . Исследователи поддерживали значительный избыток лиганда над белком, чтобы реакция связывания могла завершиться. Используя приведенные выше уравнения, исследователи приступили к расчету, , а также для каждого препарата в разных средах. Данные показали, что стехиометрия связывания препарата с мембраной составляла 1: 1 с микромолярным значением. Отрицательные значения, а также указали, что процесс был обусловлен энтальпией со значением 8–12 ккал / моль для каждого лекарства. [12]
Приложения
Рамановская спектроскопия
Рамановская спектроскопия - это спектроскопический метод, используемый для исследования молекул, которые проявляют эффект комбинационного рассеяния света, когда на них падает монохроматический свет. Основное требование для получения рамановского сигнала состоит в том, что падающий свет вызывает электронный переход в химическом веществе из его основного состояния в виртуальное энергетическое состояние, которое испускает фотон при возвращении в основное состояние. Разница в энергии между поглощенным и испускаемым фотоном уникальна для каждого химического вещества в зависимости от его электронного окружения. Следовательно, этот метод служит важным инструментом для изучения различных событий связывания, поскольку связывание между молекулами почти всегда приводит к изменению их электронного окружения. Однако то, что делает рамановскую спектроскопию уникальной техникой, заключается в том, что комбинационно-активными являются только переходы, которые сопровождаются изменением поляризации молекулы. Структурная информация, полученная из спектров комбинационного рассеяния, дает очень конкретную информацию об электронной конфигурации комплекса по сравнению с отдельными молекулами хозяина и гостя.
Рамановская спектроскопия в фазе раствора часто дает слабое сечение рассеяния. Таким образом, в последнее время были достигнуты успехи в усилении рамановских сигналов, такие как спектроскопия комбинационного рассеяния с усилением поверхности и резонансная спектроскопия комбинационного рассеяния . Такие методы служат дополнительной цели количественной оценки событий связывания анализируемого вещества с рецептором, давая более подробную картину феномена комплексообразования хозяин-гость там, где они действительно имеют место, то есть в растворах. В недавнем прорыве Flood et al. определили силу связывания тетратиафульвалена (TTF) и циклобис (паракват-п-фенилен) с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния [13], а также SERS . [14] Предыдущие работы в этой области были направлены на предоставление информации о связи и структуре полученного комплекса, а не на количественные измерения силы ассоциации. Исследователям пришлось использовать резонансную рамановскую спектроскопию, чтобы иметь возможность получать детектируемые сигналы от растворов с концентрацией всего 1 мМ. В частности, они коррелировали интенсивность полос комбинационного рассеяния с геометрией комплекса в фотовозбужденном состоянии. Подобно титрованию, основанному на ультрафиолетовой и видимой спектроскопии, они рассчитали константу связывания методом "рамановского титрования" и подогнали кривые связывания к моделям 1: 1, давая−5,7 ± 0,6 ккал / моль. В настоящее время это исследование служит основой для аналогичных исследований комплексов с переносом заряда в растворах.
Сотрудничество
Кооперативность определяется как когда лиганд связывается с рецептором с более чем одним сайтом связывания, и лиганд вызывает уменьшение или увеличение сродства к входящим лигандам. Если происходит увеличение связывания последующих лигандов, это считается положительной кооперативностью. Если наблюдается уменьшение связывания, то это отрицательная кооперативность. Примерами положительной и отрицательной кооперативности являются рецепторы гемоглобина и аспартата соответственно. [15]
В последние годы изучались термодинамические свойства кооперативности, чтобы определить математические параметры, которые различают положительную или отрицательную кооперативность. Традиционное уравнение свободной энергии Гиббса гласит:. Однако, чтобы количественно оценить кооперативность в системе хозяин-гость, необходимо учитывать энергию связи. Схема справа показывает связывание A, связывание B, положительное кооперативное связывание A – B и, наконец, отрицательное кооперативное связывание A – B. Следовательно, альтернативной формой уравнения свободной энергии Гиббса было бы
где:
- = свободная энергия связи A
- = свободная энергия связи B
- = свободная энергия связи для A и B, связанных
- = сумма свободных энергий связи
Считается, что если больше чем сумма а также , это позитивно кооперативно. Еслименьше, то отрицательно кооперативен. [16] Химия "хозяин-гость" не ограничивается взаимодействием рецепторов и рецепторов. Это также демонстрируется в системах ионного спаривания. В последние годы такие взаимодействия изучаются в водной среде с использованием синтетических металлоорганических хозяев и органических гостевых молекул. Например, поликатионный рецептор, содержащий медь (хозяин), координируется с такими молекулами, как тетракарбоксилаты, трикарбаллат, аспартат и ацетат (гости). Это исследование показывает, что энтропия, а не энтальпия определяет энергию связи системы, приводящую к отрицательной кооперативности. Большое изменение энтропии происходит из-за смещения молекул растворителя, окружающих лиганд и рецептор. Когда несколько ацетатов связываются с рецептором, он выделяет в окружающую среду больше молекул воды, чем тетракарбоксилат. Это привело к уменьшению свободной энергии, что означает отрицательное взаимодействие системы. [17] В аналогичном исследовании с использованием гуанидиния и Cu (II) и поликарбоксилатных гостей было продемонстрировано, что положительное взаимодействие в значительной степени определяется энтальпией. [18] В дополнение к термодинамическим исследованиям, химия хозяин-гость также имеет биологические приложения.
Сверхпроводимость
При низких температурах и высоких давлениях висмут обнаруживает структуру «хозяин-гость». Это неожиданно приводит к сверхпроводимости с сильной связью. [19]
Биологическое приложение
Дендримеры в системах доставки лекарств являются примером различных взаимодействий хозяин-гость. Взаимодействие между хозяином и гостем, дендримером и лекарством соответственно может быть гидрофобным или ковалентным. Гидрофобное взаимодействие между хозяином и гостем считается «инкапсулированным», а ковалентное взаимодействие - конъюгированным. Показано, что использование дендримеров в медицине улучшает доставку лекарств за счет увеличения растворимости и биодоступности лекарства. В сочетании дендримеры могут увеличивать клеточное поглощение и способность к нацеливанию, а также снижать лекарственную устойчивость. [20]
Растворимость различных НПВП увеличивается, когда они инкапсулируются в дендримеры ПАМАМ. [21] Это исследование показывает, что повышение растворимости НПВП происходит из-за электростатических взаимодействий между поверхностными аминогруппами в ПАМАМ и карбоксильными группами, обнаруженными в НПВП. Повышению растворимости способствуют гидрофобные взаимодействия между ароматическими группами в лекарствах и внутренними полостями дендримера. [22] Когда лекарство заключено в дендример, его физические и физиологические свойства остаются неизменными, включая неспецифичность и токсичность. Однако, когда дендример и лекарство ковалентно связаны друг с другом, его можно использовать для нацеливания на определенные ткани и контролируемых скоростей высвобождения. [23] Ковалентное конъюгация нескольких лекарств на поверхности дендримеров может создать проблему нерастворимости. [23] [24]
Этот принцип также изучается для применения в лечении рака. Несколько групп инкапсулировали противораковые препараты, такие как камптотецин , метотрексат и доксорубицин . Результаты этих исследований показали, что дендримеры обладают повышенной растворимостью в воде, замедленной скоростью высвобождения и, возможно, контролируют цитотоксичность лекарств. [20] Цисплатин был конъюгирован с дендримерами PAMAM, что дало те же фармакологические результаты, что и перечисленные выше, но конъюгация также помогла накоплению цисплатина в солидных опухолях при внутривенном введении. [25]
Зондирование
Традиционно к химическому зондированию подходили с помощью системы, которая содержит ковалентно связанный индикатор с рецептором через линкер. Как только аналит связывается, индикатор меняет цвет или флуоресцирует. Этот метод называется подходом индикатор-спейсер-рецептор (ISR). [26] В отличие от ISR, анализ смещения индикатора (IDA) использует нековалентное взаимодействие между рецептором (хозяином), индикатором и аналитом (гостем). Подобно ISR, IDA также использует колориметрические (C-IDA) и флуоресцентные (F-IDA) индикаторы. В анализе IDA рецептор инкубируется с индикатором. Когда аналит добавляется в смесь, индикатор попадает в окружающую среду. Как только индикатор высвобождается, он либо меняет цвет (C-IDA), либо флуоресцирует (F-IDA). [27]
IDA предлагает несколько преимуществ по сравнению с традиционным методом химического зондирования ISR. Во-первых, не требуется, чтобы индикатор был ковалентно связан с рецептором. Во-вторых, поскольку ковалентной связи нет, с одним и тем же рецептором можно использовать разные индикаторы. Наконец, среды, в которых можно использовать анализ, разнообразны. [28]
Методы химического зондирования, такие как C-IDA, имеют биологические последствия. Например, протамин представляет собой коагулянт, который обычно вводят после сердечно-легочной хирургии, который противодействует антикоагулянтной активности гепина. Для количественного определения протамина в образцах плазмы используется колориметрический анализ замещения. Лазурь Краска синего цвета, когда она не связана, но когда она связана с херапином, она имеет фиолетовый цвет. Связь между Azure A и гепарином слабая и обратимая. Это позволяет протамину вытеснять лазурь А. Когда краситель высвобождается, он приобретает пурпурный цвет. Степень вытеснения красителя пропорциональна количеству протамина в плазме. [29]
F-МАР была использована Kwalczykowski и сотрудников , чтобы следить за деятельностью геликазы в Е. coli . В этом исследовании они использовали тиазоловый оранжевый в качестве индикатора. Хеликаза раскручивает дцДНК с образованием оцДНК. Интенсивность флуоресценции тиазольного оранжевого имеет большее сродство к дцДНК, чем оцДНК, и интенсивность его флуоресценции увеличивается, когда он связан с дцДНК, чем когда он не связан. [30] [31]
Конформационное переключение
Кристаллическое твердое вещество традиционно рассматривается в качестве статического объекта , где движения его атомных компонентов ограничиваются его колебательного равновесия. Как видно по превращению графита в алмаз, превращение твердого тела в твердое может происходить под физическим или химическим давлением. Недавно было предложено, чтобы переход от одного кристаллического устройства к другому происходил кооперативным образом. [32] [33] Большинство этих исследований было сосредоточено на изучении органического или металлоорганического каркаса. [34] [35] В дополнение к исследованиям макромолекулярной кристаллической трансформации, существуют также исследования монокристаллических молекул, которые могут изменять свою конформацию в присутствии органических растворителей. Было показано, что металлоорганический комплекс трансформируется в различные ориентации в зависимости от того, подвергается ли он воздействию паров растворителя или нет. [36]
Экологические приложения
Хост-гостевые системы использовались для удаления опасных материалов из окружающей среды. Они могут быть разных размеров и форм, чтобы улавливать различные химические вещества. Одним из применений является способность п-трет-бутикаликс [4] арена улавливать ион цезия. Цезий-137 радиоактивен, и его необходимо эффективно удалять из ядерных отходов. Химия хозяин-гость также использовалась для удаления канцерогенных ароматических аминов и их N-нитрозопроизводных из воды. Эти отходы используются во многих промышленных процессах и содержатся в различных продуктах, таких как пестициды, лекарства и косметика. [37] [38]
Рекомендации
- ^ Стид, Джонатан В .; Этвуд, Джерри Л. (2009). Супрамолекулярная химия (2-е изд.). Вайли. п. 1002. ISBN. 978-0-470-51234-0.
- ^ Lodish, H .; Берк, А .; Кайзер, К. (2008). Молекулярная клеточная биология . ISBN 978-0-7167-7601-7.
- ^ Фриман, Уэйд А. (1984). «Структуры аддуктов п- ксилилендиаммония хлорида и гидросульфата кальция кавитанда« кукурбитурил », C 36 H 36 N 24 O 12 ». Acta Crystallographica Б . 40 (4): 382–387. DOI : 10.1107 / S0108768184002354 .
- ^ Вальдес, Карлос; Толедо, Летисия М .; Шпиц, Урс; Ребек, Юлий (1996). «Структура и селективность малых димерных инкапсулирующих сборок». Chem. Евро. Дж . 2 (8): 989–991. DOI : 10.1002 / chem.19960020814 .
- ^ а б в г д Анслин, Эрик В .; Догерти, Деннис А. (2005). Современная физико-органическая химия . Макмиллан. ISBN 978-1-891389-31-3.
- ^ Piñeiro, Á .; Банки, X .; Pérez-Casas, S .; Товар, Э .; García, A .; Вилла, А .; Amigo, A .; Марк, AE; Костас, М. (2007). «О характеристике комплексов хозяин-гость: поверхностное натяжение, калориметрия и молекулярная динамика циклодекстринов с неионным поверхностно-активным веществом». Журнал физической химии B . 111 (17): 4383–92. DOI : 10.1021 / jp0688815 . PMID 17428087 .
- ^ Ху, Дж; Cheng, Y; Ву, Q; Чжао, L; Сюй, Т. (2009). «Химия хозяина-гостя комплексов дендример-лекарство. 2. Влияние молекулярных свойств гостей и поверхностных функций дендримеров». Журнал физической химии B . 113 (31): 10650–10659. DOI : 10.1021 / jp9047055 . PMID 19603764 .
- ^ Санто, М; Фокс, М. (1999). «Взаимодействие водородных связей между дендримерами Starburst и несколькими молекулами, представляющими биологический интерес». Журнал физической органической химии . 12 (4): 293–307. DOI : 10.1002 / (SICI) 1099-1395 (199904) 12: 4 <293 :: AID-POC88> 3.0.CO; 2-Q .
- ^ а б в Солнце, S; Zhang, R; Андерссон, S; Пан, Дж; Zou, D; Окермарк, Бьёрн; Солнце, Licheng (2007). «Хозяин-гость химии и управляемый светом молекулярный замок Ru (bpy) 3-виологена с кукурбит [7-8] урилами». Журнал физической химии B . 111 (47): 13357–13363. DOI : 10.1021 / jp074582j . PMID 17960929 .
- ^ Чжу; и другие. (1989). «Спектроскопия, ЯМР и DFT исследования молекулярного распознавания хирального гетеротриноядерного комплекса салена Zn (II) с мостиковым краун-эфиром». Spectrochimica Acta Часть A: Молекулярная и биомолекулярная спектроскопия . 62 (4–5): 886–895. Bibcode : 2005AcSpA..62..886G . DOI : 10.1016 / j.saa.2005.03.021 . PMID 15897004 .
- ^ Брандтс; и другие. (1989). «Быстрые измерения констант связывания и теплоты связывания с использованием нового калориметра для титрования». Аналитическая биохимия . 179 (1): 131–137. DOI : 10.1016 / 0003-2697 (89) 90213-3 . PMID 2757186 .
- ^ Сикора, К; Тернер, Р. (2005). «Исследование связывания лиганда с белком множественной лекарственной устойчивости EmrE с помощью изотермической калориметрии титрования» . Биофизический журнал . 88 (1): 475–482. Bibcode : 2005BpJ .... 88..475S . DOI : 10.1529 / biophysj.104.049247 . PMC 1305024 . PMID 15501941 .
- ^ Witlicki, Эдвард H .; и другие. (2009). «Определение силы связывания комплекса хозяин-гость с помощью резонансного комбинационного рассеяния света». Журнал физической химии . 113 (34): 9450–9457. Bibcode : 2009JPCA..113.9450W . DOI : 10.1021 / jp905202x . PMID 19645430 .
- ^ Witlicki, Эдвард H .; и другие. (2010). «Включение резонансного SERRS с использованием связи хромофор-плазмон, созданной комплексообразованием хост-гость на плазмонном наномассиве». Журнал Американского химического общества . 132 (17): 6099–6107. DOI : 10.1021 / ja910155b . PMID 20387841 .
- ^ Кошланд, Д. (1996). «Структурная основа отрицательной кооперативности: рецепторы и ферменты». Текущее мнение в структурной биологии . 6 (6): 757–761. DOI : 10.1016 / S0959-440X (96) 80004-2 . PMID 8994875 .
- ^ Дженкс, WP (1981). «Об атрибуции и аддитивности энергий связи» . Труды Национальной академии наук США . 78 (7): 4046–4050. Полномочный код : 1981PNAS ... 78.4046J . DOI : 10.1073 / pnas.78.7.4046 . PMC 319722 . PMID 16593049 .
- ^ Добжанская, Л; Lloyd, G; Esterhuysen, C; Барбур, L (2003). "Исследования термодинамического происхождения отрицательной кооперативности в распознавании ионных пар молекул". Журнал Американского химического общества . 125 (36): 10963–10970. DOI : 10.1021 / ja030265o . PMID 12952478 .
- ^ Hughes, A .; Анслин, Э (2007). «Катионный хозяин, демонстрирующий положительную кооперативность в воде» . Труды Национальной академии наук США . 104 (16): 6538–6543. Bibcode : 2007PNAS..104.6538H . DOI : 10.1073 / pnas.0609144104 . PMC 1871821 . PMID 17420472 .
- ^ Браун, Филипп; Семенюк Константин; Ван, Диандиан; Монсеррат, Бартомеу; Пикард, Крис Дж .; Гроше, Ф. Мальте (1 апреля 2018 г.). «Сверхпроводимость сильной связи в квазипериодической структуре хозяин – гость» . Наука продвигается . 4 (4): eaao4793. DOI : 10.1126 / sciadv.aao4793 . ISSN 2375-2548 . PMC 5898833 . PMID 29662950 .
- ^ а б Cheng, Y .; Wang, J .; Rao, T .; Он, X .; Сюй, Т. (2008). «Фармацевтическое применение дендримеров: перспективные наноносители для открытия лекарств». Границы биологических наук . 13 (13): 1447–1471. DOI : 10.2741 / 2774 . PMID 17981642 .
- ^ Cheng, Y .; Сюй, Т. (2005). «Дендримеры как потенциальные переносчики лекарств. Часть I. Солюбилизация нестероидных противовоспалительных лекарств в присутствии дендримеров полиамидоаминов». Европейский журнал медицинской химии . 40 (11): 1188–1192. DOI : 10.1016 / j.ejmech.2005.06.010 . PMID 16153746 .
- ^ Cheng, Y .; Сюй, Т; Фу, Р. (2005). «Дендримеры полиамидоаминов, используемые в качестве усилителей растворимости кетопрофена». Европейский журнал медицинской химии . 40 (12): 1390–1393. DOI : 10.1016 / j.ejmech.2005.08.002 . PMID 16226353 .
- ^ а б Cheng, Y .; Сюй, Z; Ma, M .; Сюй, Т. (2007). «Дендримеры как носители лекарств: применение в различных путях введения лекарств». Журнал фармацевтических наук . 97 (1): 123–143. DOI : 10.1002 / jps.21079 . PMID 17721949 .
- ^ Д'Эмануэль, А; Аттвуд, Д. (2005). «Дендример – лекарственные взаимодействия». Расширенные обзоры доставки лекарств . 57 (15): 2147–2162. DOI : 10.1016 / j.addr.2005.09.012 . PMID 16310283 .
- ^ Малик, Н .; Evagorou, E .; Дункан, Р. (1999). «Дендример-платинат: новый подход к химиотерапии рака». Противораковые препараты . 10 (8): 767–776. DOI : 10.1097 / 00001813-199909000-00010 . PMID 10573209 .
- ^ de Silva, AP; МакКоган, Б. МакКинни, BOF; Кверол, М. (2003). «Новые оптические молекулярные устройства из старой координационной химии». Сделки Дальтона . 10 (10): 1902–1913. DOI : 10.1039 / b212447p .
- ^ Анслин, Э. (2007). «Супрамолекулярная аналитическая химия». Журнал органической химии . 72 (3): 687–699. DOI : 10.1021 / jo0617971 . PMID 17253783 .
- ^ Nguyen, B .; Анслин, Э. (2006). «Индикаторно-вытесняющие тесты». Coor. Chem. Rev. 250 (23–24): 3118–3127. DOI : 10.1016 / j.ccr.2006.04.009 .
- ^ Ян, В .; Fu, Y .; Teng, C .; Ma, S .; Шанберге, Дж. (1994). «Метод количественного определения протамина в плазме» (PDF) . Исследование тромбоза . 74 (4): 427–434. DOI : 10.1016 / 0049-3848 (94) 90158-9 . ЛВП : 2027,42 / 31577 . PMID 7521974 .
- ^ Eggleston, A .; Rahim, N .; Ковальчиковски, S; Ma, S .; Шанберге, Дж. (1996). «Метод количественного определения протамина в плазме» . Исследования нуклеиновых кислот . 24 (7): 1179–1186. DOI : 10.1093 / NAR / 24.7.1179 . PMC 145774 . PMID 8614617 .
- ^ Бьянкарди, Алессандро; Тарита, Бивер; Альберто, Марини; Бенедетта, Меннуччи; Фернандо, Секко (2011). «Тиазоловый оранжевый (ТО) в качестве датчика переключения света: комбинированное квантово-механическое и спектроскопическое исследование». Физическая химия Химическая физика . 13 (27): 12595–12602. DOI : 10.1039 / C1CP20812H . PMID 21660321 .
- ^ Этвуд, Дж; Barbour, L; Джерга, А; Шоттель, Л. (2002). «Гостевой транспорт в непористом органическом твердом теле через динамическую ван-дер-ваальсовую кооперативность». Наука . 298 (5595): 1000–1002. Bibcode : 2002Sci ... 298.1000A . DOI : 10.1126 / science.1077591 . PMID 12411698 . S2CID 17584598 .
- ^ Китагава, S; Уэмура, К. (2005). «Динамические пористые свойства координационных полимеров, вдохновленные водородными связями». Обзоры химического общества . 34 (2): 109–119. DOI : 10.1039 / b313997m . PMID 15672175 .
- ^ Соццани, П; Бракко, S; Коммоти, А; Ферретти, Р. Симонутти, Р. (2005). «Хранение метана и диоксида углерода в пористом кристалле Ван-дер-Ваальса». Angewandte Chemie . 44 (12): 1816–1820. DOI : 10.1002 / anie.200461704 . PMID 15662674 .
- ^ Уэмура, К; Китагава, S; Фукуи, К; Сайто, К. (2004). «Устройство для динамического пористого каркаса: совместная адсорбция гостя на основе квадратных решеток, соединенных амидно-амидными водородными связями». Варенье. Chem. Soc. 126 (12): 3817–3828. DOI : 10.1021 / ja039914m . PMID 15038736 .
- ^ Добжанская, Л; Lloyd, G; Esterhuysen, C; Барбур, Л. (2006). «Индуцированное гостем конформационное переключение в монокристалле». Angewandte Chemie . 45 (35): 5856–5859. DOI : 10.1002 / anie.200602057 . PMID 16871642 .
- ^ Эрик Хьюз; Джейсон Джордан; Терри Галлион (2001). «Структурная характеристика системы [Cs (п-трет-бутилкаликс [4] арен -H) (MeCN)] гость – хозяин с помощью 13C-133Cs REDOR ЯМР». Журнал физической химии B . 105 (25): 5887–5891. DOI : 10.1021 / jp004559x .
- ^ Серкан Эрдемир; Муфит Бахадир; Мустафа Йылмаз (2009). «Извлечение канцерогенных ароматических аминов из водного раствора с использованием производных каликс [n] арена в качестве носителей». Журнал опасных материалов . 168 (2–3): 1170–1176. DOI : 10.1016 / j.jhazmat.2009.02.150 . PMID 19345489 .