Elementy chemii supramolekularnej - nowe spojrzenie na związek chemiczny

Strona 2

Spis treści:

1. Wstęp

2. Kompleksy gość-gospodarz

3. Maszyny molekularne

4. Rotaksany

5. Chromojonofory

6. Podsumowanie

7. Bibliografia

Elementy chemii supramolekularnej - nowe spojrzenie na związek chemiczny

Strona 3

WSTĘP

Od bardzo dawna naukowcy doszukują się istoty procesów zachodzących w

naturze

. Chcą je wykorzystywać dla swoich potrzeb – nie tylko naukowych ale

również  zastosować  je  z  pożytkiem  dla  zwykłych  ludzi.  Aby  jednak  było  to możliwe
trzeba  przejść  przez  fazę  obserwacji  po  której  nadchodzi  czas  na  opracowanie
wyników. Obecnie poświęca się bardzo dużo uwagi na badania skoncentrowane  na
procesach  zachodzących  na  wyższym  poziomie  organizacji  cząsteczek  –  na
poziomie  ponadmolekularnym.  Dziedzi

nę zajmującą się tymi zagadnieniami

nazywamy chemią supramolekularną.

‘Idea chemii supramolekularnej, realizowana w wielu ośrodkach naukowych od

końca lat sześćdziesiątych XX wieku, oparta jest na trzech koncepcjach
historycznych:
1. Koncepcji receptorów i substratów biologicznych, które nie wykazują reaktywności,
jeżeli nie są związane chemicznie, wprowadzonej przez P.Ehrlicha w 1906 roku;
2. Koncepcji rozpoznawania molekularnego, wprowadzonej przez E. Fischera
w roku 1894 jako „teorii klucza i zamka” podczas badań reakcji enzymatycznych
(„Obrazowo chciałbym powiedzieć, że enzym i glukozyd muszą sobie odpowiadać jak
zamek i klucz, ażeby było możliwe ich wzajemne, chemiczne oddziaływanie”);
3. Teorii budowy kompleksów koordynacyjnych A. Wernera, z 1893 roku, mówiącej o
konieczności występowania w wiązaniu selektywnego przyciągania.’

Dzięki współpracy naukowców z różnych dziedzin ma ona charakter

interdyscyplinarny. Wspólne działania ludzi o zupełnie innym sposobie prowadzenia
działalności  naukowej  skutkuje  tym,  że  chemia  supramolekulrana  ma  zastowanie
praktyczne.  Musimy  pamiętać,  że  chemia  fizyczna  umożliwia  badania  właściwości
substancji  dostarczonych  przez  syntetyków,  a  inżynieria  materiałowa  poszukuje  dla
nich zastosowania. Badania nad oddziaływaniami o supramolekularnym charakterze,
podobnymi do występujących w żywych organizmach takich jak: transport cząsteczek
przez  błony,  transport  ładunku  lub  energii,  wiązanie  substratów  do  receptorów
pozwalają  w  pełni  zrozumieć  procesy  zachodzące  w  przyrodzie  oraz  wskazują
kierunki do:
-

projektowania leków, wykazujących działanie selektywne, efektywne, szybkie i

przede wszystkim bezpieczne,
-

syntezy specyficznych receptorów o dużej selektywności, umożliwiających budowę

nowych narzędzi i opracowania nowych technik analitycznych pozwalających na
izolacje substancji oraz monitoring ich stężenia;
-

projektowania efektywnych i bardzo specyficznych katalizatorów, pozwalających

modernizować procesy technologiczne w kierunku ich optymalizacji ekonomicznej i
ekologicznej;
-

projektowania urządzeń molekularnych i molekularnych układów elektronicznych.

Elementy chemii supramolekularnej - nowe spojrzenie na związek chemiczny

Strona 4

KOMPLEKSY GOŚĆ-GOSPODARZ

(klucz-zamek) (host - guest complex)

Zazwyczaj gospodarzem

– receptorem molekularnym jest duża cząsteczka albo

agregat, zawierający w swojej strukturze  sporych rozmiarów  wnękę lub specyficzne
wgłębienia  na  powierzchni,  natomiast  gościem  może  być  jednoatomowy  kation,
prosty anion lub bardziej złożona cząsteczka. Utworzenie kompleksu gość gospodarz
wymaga  wzajemnej  komplementarno

ści cząsteczek go tworzących, tzn. osiągnięcia

odpowiedniego

stanu

energetycznego,

elektronowego,

geometrycznego

sferycznego. Jest to zasada nazywana powszechnie rozpoznawaniem molekularnym
(molecular recognition). Powstanie

supercząsteczki jest bardzo selektywne z powodu

rozpoznania

molekularnego, czyli informacji zawartych w cząsteczkach tworzących

kompleksy.

Pojęcie rozpoznawania molekularnego często używane jest jako synonim

selektywności.  Trzeba  pamiętać,  że  rozpoznawanie  molekularne  jest  procesem  o
wiele  bardziej  złożonym.  Rozpoznawanie  molekularne  traktuje  się  jako
konformacyjna  i  stereochemiczna

toposelektywność, co w odniesieniu do

kompleksów supramolekularnych oznacza, że gość i gospodarz muszą być
podwójnie

komplementarne:

zarówno

elektronowo-energetycznie

oraz

geometryczno-sterycznie poprzez dopasowanie grup funkcyjnych. Najbardziej
precyzyjn

e wydaje się sformułowanie podane przez J. Rebeka: „Efektywne

rozpoznawanie  molekularne  wymaga  powierzchni  o  wzajemnie  uzupełniających  się
rozmiarach,  kształtach  i  funkcjach”.  Można  powiedzieć,  że  rozpoznawanie
molekularne  jest  procesem  dynamicznym,  polega

jącym na stereochemicznej,

stereoelektronowej,

toposelektywnej,

geometrycznej

funkcjonalnej

komplementarności cząsteczek lub specyficznych miejsc aktywnych na nich
ulokowanych.

Kompleksy powstałe w wyniku takich oddziaływań nazywa się

kompleksami inkluzyjnymi z uwagi na to,

że cząsteczka wiążąca, poprzez

wytworzenie wiązań z substratem, niejako „więzi” go w swojej luce cząsteczkowej.
Nale

ży podkreślić, że podstawowym warunkiem powstania kompleksu inkluzyjnego

jest dopasowanie wielkości, kształtu oraz ładunku cząsteczki gościa do wielkości
oraz

kształtu

luk

cząsteczkowych

gospodarza

Elementy chemii supramolekularnej - nowe spojrzenie na związek chemiczny

Strona 5

MASZYNY MOLEKULARNE

Większość  białek  ma  określone  miejsce  w  komórce,  gdzie  może  pełnić  swoją
funkcję. Właśnie od wielu lat ludzie zastanawiali się w jaki sposób orientują się gdzie
są potrzebne, dokąd mają trafić, jakie jest ich zadanie. Naukowcom z Charité Berlin,
Uniwersytetu  w  Heidelbergu  i  Instytutu  Maxa  Plancka  w  Berlinie  udało  się
zobrazować  strukturę  „molekularnej  maszyny”  zaangażowanej  w  sortowanie  białek.
Dokonali

tego wykorzystując mikroskopię cryo-elektronową i analizę pojedynczych

cząstek.  Maszyna  ta  składa  się  z  pojedynczego  rybosomu  i  specjalnego  białka
rozpoznawczego, które łączy się z receptorem. Naukowcy udowodnili, że gdy te trzy
cząsteczki oddziałują ze sobą, pewne rejony w rybosomie otwierają się, co pozwala
na łączenie się rybosomu z kolejnym kompleksem. Kompleksem tym jest translokon,
który  jest  odpowiedzialny  za  przenoszenie  nowo  zsyntetyzowanych  białek  przez
membranę.  Poznanie  tej  struktury  pomoże  zrozumieć  jak  białka  sekrecyjne  i
membranowe ulegają ekspresji i jak są sortowane w komórce."

Sortowanie białek jest podstawowym procesem w każdym organizmie, od bakterii do
ludzi. Szczególnie ważne w biosyntezie jest sortowanie białek sekrecyjnych i
membrano

wych, które musza znaleźć drogę do miejsca w którym spełnią swoją

funkcję, wewnątrz lub poza komórką. Białka sekrecyjne, to takie białka, które zostają
wydzielone  poza  komórkę,  np.:  przeciwciała.  Białka  membranowe  zostają
zakotwiczone  w  błonach  komórki,  np.:  receptory  sygnałowe.  Za  sortowanie  białek
odpowiedzialny jest jeden szczególny kompleks molekularny. W jego skład wchodzi
czynnik  SRP  (Signal  Recognition  Particle),  aktywny  rybosom,  który  jest
odpowiedzialny

syntezę

białka

oraz

odpowiedni

receptor.

Kluczowym elementem tej maszynerii jest sekwencja sygnałowa zlokalizowana na N-
terminalnym  końcu  białka,  które  podlega  sortowaniu.  Sekwencja  ta  odgrywa  w
komórce  podobną  rolę  jak  kod  pocztowy.  Czynnik  SRP  odczytuje  sekwencję
sygnalną  gdy  tylko  przyłączy  się  do  łańcucha  polipeptydowego  białka
syntetyzowanego  w  rybosomie.  SRP  jest  zbudowany  z  białka  oraz
drobnocząsteczkowego  kwasu  rybonukleinowego,  7SL  RNA.  Czynnik  ten  przyłącza
się  też  pośrednio  do  rybosomu.  Kompleks  kieruję  się  w  stronę  ER,  gdzie  SRP
rozpoz

naje odpowiedni receptor zakotwiczony w błonie. SRP i receptor kierują

kompleks  do  tak  zwanego  translokonu,  kompleksu  w  błonie  retikulum
endoplazmatycznego.  Receptor  SRP  jest  integralnym  białkiem  błonowym
zbudowanym  z  2  podjednostek,  z  których  jedna  ma  zdolności  GTP-azy  (uwalnia
energię  z  GTP).  Energia  ta  pozwala  na  dysocjację  SRP,  a  jednocześnie  umożliwia
związanie  się  peptydu  sygnałowego  z  kanałem  translokacyjnym  w  błonie
(translokon).  Translokon  jest  zbudowany  z  kilku  białek  przezbłonowych  tworzących
kan

ał, przez który zostaje przepchnięty łańcuch białkowy na drugą stronę błony

siateczki endoplazmatycznej. Po odłączeniu SRP od kompleksu, włącza się synteza
białka (zablokowana po przyłączeniu SRP), a powstające biało przechodzi na drugą

Elementy chemii supramolekularnej - nowe spojrzenie na związek chemiczny

Strona 6

stronę membrany. Ważnym zjawiskiem jest fakt, że rybosom nie może związać się z
translokonem  w  chwili  gdy  przyłączony  jest  do  niego  czynnik  SRP.  Rybosom
wymaga dodatkowego wsparcia ze strony receptora SRP aby mógł się przyłączyć do
kanału  translokacyjnego  w  chwili  oddysocjowania  SRP.  Teraz,  gdy  znana  jest
struktura  kompleksu,  możliwe  jest  zbadanie  interakcji  pomiędzy  receptorem  a
rybosomem i czynnikiem SRP. Będzie również możliwe zbadanie procesu odłączania
czynnika  SRP  od  rybosomu  i  uwalniania  miejsc  wiązania  translokonu.  Pełne
zrozumienie  procesu  sortowania  białek  pozwoli  na  dokładniejszą  analizę  ekspresji
białek membranowych i sekrecyjnych.

Badania nad takimi układami stanowią domenę zarówno chemii supramolekularnej
jak i nanotechnologii.

Rysunek 1 Rearanżacja czynnika SRP przyłączonego do rybosomu. Widoczne są miejsca wiązania translokonu na powierzchni rybosomu.

Elementy chemii supramolekularnej - nowe spojrzenie na związek chemiczny

Strona 7

Rotaksany

W  świecie  makroskopowym  urządzenia  z  których  korzystamy  na  co  dzień  używają
energii  świetlnej  bądź  elektrycznej  do  przechowywania,  przekazywania  czy  też
odbierania  informacji.  Znanych

jest obecnie wiele grup związków, które mogą

przekazywać elektrony bądź fotony, generować elektrony lub fotony po uprzednim
pobudzeniu

pomocą

metod

chemicznych,

elektrochemicznych

lub

fotochemicznych.  Dlatego  oczekuje  się,  że  procesy  zachodzące  w  cząsteczkach,
będą  znajdować  coraz  więcej  zastosowań  w  projektowaniu  i  budowaniu
nowoczesnych  urządzeń  elektronicznych.  Większość  badań  nad  systemami
molekularnymi  zdolnymi

do pełnienia funkcji podobnych do tych, które wykonują

urządzenia świata makroskopowego, dotyczy fotoindukowanego transferu ładunku
bądź elektronów w układach supramolekularnych.

Nazwa rotaksany pochodzi od łacińskich słów  rota  (koło) i axis (oś,  nić).  Związki te
składają  się  z  dwóch  dużych  ugrupowań,  znajdujących  się  po  bokach  cząsteczki
(stoperów),  połączonych  ze  sobą  kowalencyjnie  za  pomocą  łańcucha  alifatycznego
bądź peptydowego, tworząc oś cząsteczki. Dodatkowo, pomiędzy dwoma stoperami
znajduje  się  pierścień  makrocykliczny,  niepołączony  za  pomocą  wiązań
kowalencyjnych  z  osią  (rysunek  2).  Wiele  rotaksanów  posiada  dodatkowo
ugrupowania  donorowo

– akceptorowe wbudowane w nić łączącą stopery, które

dzięki możliwości tworzenia wiązań z makrocyklicznym pierścieniem mogą
powodować zmianę konformacji całego układu supramolekularnego. Po wzbudzeniu
cząsteczki, makrocykl przesuwa się od jednej grupy donorowej do następnej, po
przejściu w stan podstawowy, pierścień powraca do swej oryginalnej pozycji (rys 2).
P

roces zmiany konformacji układu wywołany ruchem układu cyklicznego może być

indukowany za pomocą zewnętrznego bodźca i jest właściwością, która posłużyć ma
do zaprojektowania

urządzeń, których działanie będzie podobne do tych ze świata

makroskopowego.

Rysunek 2 Schemat rotaksanu, oraz mechanizm ich działania.

Elementy chemii supramolekularnej - nowe spojrzenie na związek chemiczny

Strona 8

CHROMOJONOFORY

Zmiana pasm absorpcji w zakresie UV-Vis, indukowana kompleksowaniem

jonów

metali stanowi podstawę do projektowania i budowy wysoce czułych sensorów
optyc

znych. Związki chromojonoforowe można podzielić na dwa rodzaje, w

zależności od ładunku pojawiającego się po skompleksowaniu jonu metalu: obojętne
(bez

ładunku) i anionowe.

Chromofory obojętne z hipsochromowym i batochromowym przesunięciem pasma
absorpcyjnego. Element chromoforowy mo

żna w wyraźny sposób podzielić na część

donorow

ą i akceptorową, których usytuowanie względem wnęki makrocyklicznej

decyduje o hipsochromowym lub batochromowym przesuni

ęciu w widmie

absorpcyjnym jon

ów kompleksowych względem wolnych ligandów.

Chromojonofory protonowe

Chromojonofory  anionowe  zbudowane  są  z  dysocjujących  grup  protonowych
ulokowanych  najczęściej  w  części  chromoforowej  Można  je  podzielić  na  dwie
podgrupy:  monoprotonowe

– wydzielające w wyniku dysocjacji jeden proton, oraz

diprotonowe

– wydzielające w wyniku dysocjacji dwa protony. Interakcja z jonami

metali powoduje zmiany we właściwościach optycznych całego jonu kompleksowego,
co z powodzeniem wykorzystano w ekstrakcyjnych metodach fotochemicznych.
Jeżeli chromojonor anionowy powstaje w wyniku oddysocjowania jednego protonu, to
w wyniku skoordynowania jonu

metalu z pierwszej grupy układu okresowego

pierwiastków  powstaje  obojętny  jon  kompleksowy,  który  zazwyczaj  można
ekstrahować  do  warstwy  organicznej.  W  przypadku  chromoforów  dwuprotonowych,
istnieje  możliwość  wyekstrahowania  kationów  dwudodatnich.  Chromojonofory,  w
których grupa nitrowa cząsteczki pikryloaminy jest podstawiona grupą cyjanową lub
trifluorometylową  wykazują  silne  oddziaływania  z  jonami  litu.  Chromojonofory  te
wykorzystano  w  fotometrii  ekstrakcyjnej,

w której roztwory zmieniają barwę od

pomarańczowej (wolny ligand) do czerwonej (jon kompleksowy).

Elementy chemii supramolekularnej - nowe spojrzenie na związek chemiczny

Strona 9

8. PODSUMOWANIE

Jak

widzimy otrzymanie przez Pedersena, Cram’a i Lehna Nobla w 1987 roku za

syntezę,  ustalenie  właściwości  oraz  zastosowanie  związków  makrocyklicznych,
specyficznie  oddziałujących  z  kationami,  anionami  lub  neutralnymi  molekułami  było
wielkim  przełomem.  Laureaci  wyjaśnili  mechanizm  oddziaływania  tych  związków  z
jonami  i  obojętnymi  molekułami  w  roztworach.  Selektywne  tworzenie  kompleksów
typu:

gość gospodarz (klucz-zamek) (host - guest complex); kanapkowego (sandwich

complex); klatkowego (cage complex) oraz klatratowego (cryptato-cavitate clathrate
complex) to podstawy dzisiejszej chemii supramolekularnej

Pozwoliło to na

otrzymanie  wielu  związków  o  właściwościach  zbliżonych  do  enzymów,  a  także  na
zrozumienie  procesów  opartych  na  oddziaływaniach  substratu  z  receptorem.  Był  to
punkt zwrotny w rozwoju chemii organicznej, biologii, biochemii i medycyny.
Trudno jest oddać istotę chemii supramolekularnej w tak krótkiej pracy. Starałam się
opisać pokrótce 3 zagadnienia, które są w moim odczuciu kluczowe.

Chemia XXI wieku to chemia supramolekularna. Przewiduje się, że znajdzie ona
zastosowanie w następujących obszarach nauki:
-

w generacji, przetwarzaniu i detekcji sygnałów molekularnych;

w urządzeniach molekularnych tłumaczących rozpoznanie molekularne na sygnały

np. elektryczne;
-

w konwersji światła poprzez transfer energii w urządzeniach A-Et-E (absorpcja-

transfer energii-emisja);
-

w molekularnych przewodnikach elektryczności;

w molekularnych urządzeniach jonowych do transportu jonów;

w programowanych systemach molekularnych do odczytywania błędów i ich

naprawy (error fiolter drivce);
-

w chemionioce nauce o układach funkcjonalnych;

- w systemach zdolnych do repliki na podstawie samoorganizacji.

Elementy chemii supramolekularnej - nowe spojrzenie na związek chemiczny

Strona 10

Bibliografia:

‘Wybrane aspekty chemii supramolekularnej.’ Praca zbiorowa pod red.
Grzegorza Schroedera,

BETAGRAF, Poznań 2009

‘Materiały supramolekularne’ Praca zbiorowa pod red. Grzegorza Schroedera,
BETAGRAF, Poznań 2008

‘Maszyny molekularne’, G. Schroeder, J. Wyrwał, BETAGRAF, Poznań 2004

‘Kompleksy typu gość-gospodarz’, G.Schroeder, BETAGRAF, Poznań 2003

5. Strony internetowe:

http://www.biotechnolog.pl/

Science, May 5, 2006