CC BY
6
УДК 544.72
Дегтярева В.А., Райтман О.А.
ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ФОСФОЛИПИДНЫЕ МОНОСЛОИ НА ОСНОВЕ РОРС И СПИРОСОЕДИНЕНИЙ
Дегтярева Вероника Андреевна - бакалавр 4-го года обучения кафедры общей и неорганической химии; e-mail: degtyareva.ver.2000@gmail.com
Райтман Олег Аркадьевич - кандидат химических наук, заведующий кафедрой физической химии; ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.
В данной работе рассмотрены физико-химические свойства монослоев l-ncmhMumom-2-omom-sn-ZKUviepo-3-фосфохолина (POPC), а также его бинарных смешанных монослоев со спиросоединениями. Внимание уделяется применению фотохромных соединений, в частности, спиропиранов и спирооксазинов, возможности использования их светового воздействия для контроля эффективности и селективности функционирования различных биологических структур.
Ключевые слова: монослои ленгмюра, спиросоединения, фосфолипид, смешанные монослои, фотохромизм, рорс.
PHOTOSENSITIVE PHOSPHOLIPID MONOLAYERS BASED ON POPC AND SPIROCOMPOUNDS
Degtyareva V.A., Raitman O.A.
Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation.
The article discusses the physicochemicalproperties of monolayers of 1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (POPC), as well as its binary mixed monolayers with spyrocompounds. Attention is paid to the use of photochromic compounds, more precisely spiropyrans and spirooxazines, namely the possibility of using light exposure to control the efficiency and selectivity of the functioning of various biological structures.
Keywords: langmuir monolayer, spirocompounds, phospholipids, photochromism, mixed monolayer, рорс.
Введение
Липиды - органические вещества биологической природы, нерастворимые в воде и растворимые в неполярных растворителях [1]. Они являются важными участниками процессов жизнедеятельности организма. К одной из основных групп сложных липидов относятся фосфолипиды [2]. За последнее время, молекулярные пленки этих биомолекул привлекают все больше и больше внимание из-за их активного применения ведущими исследователями в различных областях в качестве простых моделей биологических мембран [3]. Молекулярное моделирование предоставляет ценную
дополнительную информацию об ориентации и конформации молекулы [4], для этого используют ленгмюровские монослои, как модельные системы биологической мембраны [5].
Клеточная мембрана, в которой присутствуют ненасыщенные липиды в больших количествах, более жидкая. Появляется возможность встраивания молекул и дальнейшего управления проницаемостью мембран. Молекулярные переключатели - соединения или супрамолекулярные ассоциаты, обладающие свойствами бистабильности [6], то есть вещества, которые легко подвергаются фотоиндуцированной изомеризации между двумя термодинамически устойчивыми формами, которые существенно различаются своими физическо-химическим свойствам [7]. В темноте или под действием видимого света соединения превращаются в исходные [8]. На данный момент одними из наиболее изученных бистабильных соединений являются спирооксазины и спиропираны. Фотохромизм стал рассматриваться как
один из наиболее эффективных механизмов молекулярного переключения.
Исходя из сказанного, целью данной работы является исследование свойств мономолекулярных слоев на основе фосфолипида РОРС со спироциклическими соединениями в различных молярных соотношениях для изучения структурно-функциональных свойств и выявление основных физико-химических факторов для использования в управлении проницаемостью биологических мембран.
Экспериментальная часть.
Приготовлены растворы 1',3'-дигидро-1-гексадецил-3'3'-диметил-6-нитроспиро[2H-бензопиран-2,2'-(2Ц)индола]^Р-1) и 3,3-диметил-1-гексадецил-1,3 -дигидроспиро [индолин-2,3' -нафто[2,1 -b][1,4]оксазин]-9,-ола(SNO-16) с концентрацией 10-4 М, а также раствор РОРС с концентрацией 10-2 М. В качестве растворителя использовался хлороформ, стабилизированный 0,5% этанолом. При изучении свойств бинарных смесей исходные растворы были смешаны в необходимых соотношениях.
Для получения монослоев применяли установку Kibron (Inc. Oy. Malminkaari 23 A, 00700 Helsinki, Finland), состоящую из тефлоновой ванны Ленгмюра, весов Вильгельми, двух подвижных барьера. Фотохромные характеристики спиросоединений исследовали при возбуждении монослоев с помощью ультрафиолетовой лампы, а также лазерного источника света AvaLight-DHc «Avantes» (Нидерланды). Источник света размещали непосредственно над монослоем. Электронные спектры и спектры флуоресценции монослоев на жидкой подложке регистрировали с помощью
оптоволоконных спектрофотометра АvaSpес-2048х64 (Нидерланды).
Обсуждение результатов.
РОРС имеет цис-двойную связь в одной из алкильных цепей. Наличие данного фактора нарушает движение другой алкильной цепи, значит, силы Ван-дер-Ваальса межмолекулярного взаимодействия уменьшаются, и за счет этого текучесть монослоя увеличивается. Вещество образует пленки так называемого жидкого типа (рис. 1). Сжатие вызывает усиление отталкивания между молекулами, что приводит к постепенному поочередному изменению ориентации плоскостей относительно поверхности субфазы.
Для чистого спиропирана, как показано на рисунке 2, выяснено, что в темноте монослой не образуется, это объясняется тем, что наличие нитрогруппы, которая является сильным электроноакцептором, делает соединение полностью гидрофобным, поэтому связь с молекулами воды отсутствует. Но при облучении разрывается связь Cspiгo-O, дальнейшая перегруппировка циклической структуры
способствует образованию изомерной полярной мероцианиновой формы, в которой появляющийся фенолятный атом кислорода располагает сильными
донорными свойствами, и становится возможным образование мономолекулярного слоя (см.рис.З(а)). Спектр флуоресценции (рис.З(в)) показывает, что при сжатии слоя концентрация молекул, приходящаяся на единицу площади, увеличивается, и интенсивность поглощения растет.
В закрытой форме соединение SNO-16 также не обладает флуоресценцией в видимом диапазоне. Облучение спирооксазина ультрафиолетовым светом приводит к образованию мероцианиновой формы.
100 150 200 250 300 350 400 450 500
Рисунок 1. Изотерма сжатия чистого фосфолипида РОРС.
7Ю 750 вя а»
А, Ад2йпо1 тгйвгй.пт
Рисунок 2. а) изотермы сжатия SP1 в темноте и при облучении; б) спектр поглощения спиропирана при сжатии
без действия УФ; в) при сжатии с воздействием света.
Рисунок 3. а) изотермы сжатия SNO16 в темноте сжатии без действия УФ; в)
В отличие от спиропирана, спирооксазин образует монослой в темноте (рис. 3(а)), так как в молекуле присутствует электронодонорная гидроксильная группа, увеличивающая полярность молекулы увеличивается. Анализ изотерм сжатия показывает, что площадь, занимаемая одной молекулой облученного SNO-16, больше, чем для необлученного фотохрома, так как раскрытая форма более объемная. Спектральные исследования показали (рис. 3(в)), что в процессе двумерного сжатия происходит
и при облучении; б) спектр поглощения спирооксазина при при сжатии облученной формы.
постепенный рост поглощения, так как увеличивается концентрация вещества.
Далее рассмотрены п-А изотермы для смешанных монослоев. Кривые, представленные на рисунке 4(а), постепенно смещаются по оси абсцисс в сторону больших площадей, приходящихся на одну молекулу, при увеличении концентрации липида в смеси. Отметим, что без УФ характерным для пленок, полученных на основе смеси компонентов при разном молярном отношении, является наличие двух участков. Состояние монослоя при низких п
50-
40-
30
20
10-
0-
А, А*2/то!
определяется смесью веществ, а при высоких п молекулы спиропирана вытесняются из монослоя в гидрофобную часть липида. При облучении характер изотерм сжатия изменяется, наблюдается уменьшение эластичности слоя, резкий рост поверхностного давления. Молекулярный монослой приобретает более плотную упаковку в сравнении с необлученной
формой. Фотохромный эффект наблюдается в пленках (см.рис.4(б,в)), лежащих на водной поверхности. Смешанные монослои в видимой области или же в темноте не проявляют никакой активности, но после облучения появляется полоса поглощения, у которой по мере сжатия интенсивность растет, согласно закону Бугера-Ламберта-Бера.
Рисунок 4. а) Изотермы сжатия индивидуальных Рисунок 5. а) Изотермы сжатия индивидуальных
веществ и их смесей при молярных соотношениях SP-l веществ SNO-16 и РОРС и их смесей в молярных
к РОРС 1:1 и 1:3 при ультрафиолетовом облучении и соотношениях 1:1 и 1:3 при ультрафиолетовом
без. Спектры поглощения смешанных монослоев в облучении и без. Спектры поглощения смесей в
молярном соотношении SP-1 .РОРС б) 1:1, в) 1:3. молярном соотношении ШО-16:РОРС а) 1:1, б) 1:3.
Для случая спирооксазина с фосфолипидом поведение мономолекулярных слоев на свободной поверхности представлено на рисунке 5. Физико-химические и спектральные свойства (рис.5(б,в)) схожи со спиропириновыми смесями. Но изотермы однородны, что предполагает регулярное распределение веществ в монослоях. Эластичность их при добавлении спиросоединения уменьшается. Облучение смеси компонентов приводит к более резкому росту поверхностного давления, SNO-16 оказывает конденсирующее действие на монослои.
Заключение.
Впервые сформированы мономолекулярные слои, содержащие в своем составе смеси спиросоединений с фосфохолином, и проведено их сравнительное изучение. Такие пленки проявляют способность подвергаться обратимым фотохимическим
превращениям. Функционализация
спироциклическими фотохромами позволяет с помощью света контролировать проницаемость искусственных мембран, придавать этим структурам дополнительные физические свойства. При облучении плотность молекулярной упаковки увеличивается, такие организации имеют важное фундаментальное и прикладное значение. Приобретенные разнообразные физико-химическими свойства монослоев открывают перспективы к использованию спироциклических соединений в качестве молекулярных переключателей для управления проницаемостью мембран.
Список литературы.
1. Тейлор Д., Грин Н., Стаут У. Биология: В 3-х т. Т.1: Пер. с англ./Под ред. Р. Сопера - 3-е изд., - М.: Мир, 2004. - 454 с.
2. Qiao L. et al. Oxidative Degradation of the Monolayer of 1-Palmitoyl-2-Oleoyl-sn-Glycero-3-Phosphocholine (POPC) in Low-Level Ozone // J. Phys. Chem. B. - 2015. - Vol. 119, № 44. - 14188-14199 p.
3. Moehwald H., Brezesinski G. From Langmuir Monolayers to Multilayer Films // Langmuir. - 2016. -Vol. 32, № 41. - 10445-10458 p.
4. Калинина М. А. Субстрат-индуцированная самоорганизация в монослоях Ленгмюра и пленках Ленгмюра-Блоджетт: автореферат дис. ... доктора химических наук: 02.00.04, 02.00.11 / Калинина Мария Александровна; [Место защиты: Ин-т физ. химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН]. - Москва, 2013. - 48 с.
5. Yun H. et al. Physicochemical properties of phosphatidylcholine (PC) monolayers with different alkyl chains, at the air/water interface // Bull. Korean Chem. Soc. - 2003. - Vol. 24, № 3. - 377-383 p.
6. Минкин В. И. Фотоконтролируемые молекулярные переключатели на основе бистабильных спироциклических органических и координационных соединений // Успехи Химии. -2013. - 82, № 1. - 1-26 с.
7. Frolova L.A. et al. Design of rewritable and readonly non-volatile optical memory elements using photochromic spiropyran-based salts as light-sensitive materials // J. Mater. Chem. C. Royal Society of Chemistry. - 2015. - Vol. 3, № 44. - 11675-11680 p.
8. Barachevsky V.A. Negative photochromism in organic systems // Rev. J. Chem. -2017. - Vol. 7, № 3. -334-371 p.
