CC BY
73
УДК 612.8.015.32; 547.21.548.734
Л. М. Осадная1, С. Ю. Туманова1, Е. Н. Котельникова2, Н. В. Платонова2 СТРУКТУРА И СОСТАВ Н-ПАРАФИНОВ ГОЛОВНОГО МОЗГА КРЫС*
1 Санкт-Петербургский государственный университет, кафедра биохимии биолого-почвенного факультета,
2 Санкт-Петербургский государственный университет, кафедра кристаллографии геологического факультета
Введение. Одними из важнейших и самых распространенных представителей природных органических соединений являются углеводороды парафинового ряда. Они входят в число углеводородных компонентов нефтей, содержатся в углях, сланцах, смолах, восках, участвуют в жизнедеятельности растений и животных. В природе встречаются преимущественно н-парафины (нормальные, или цепочечные), на долю изопарафинов (разветвленных) и циклопарафинов (кольцевых) приходятся лишь первые проценты.
Как известно, нормальные (н-) парафины (или н-алканы) являются предельными, или насыщенными углеводородами, в которых содержание углерода и водорода соответствует формуле СпН2п+2. Как типичные молекулярные кристаллы они характеризуются геометрической обособленностью молекул, т. е. слабыми межмолекулярными и сильными внутримолекулярными связями [2]. Несмотря на относительную простоту молекулярного строения и достаточно продолжительную историю исследования, н-парафины (особенно природные) изучены недостаточно, что объясняется прежде всего особенностями их фазового и агрегатного состояний.
Н-парафины обнаруживают разнообразие полиморфных модификаций, которое обычно рассматривается в зависимости от длины молекулярной зигзагообразной цепочки (число п), симметрии (четность числа п) и температуры [2, 3, 11]. Как низкомолекулярные полимеры н-парафины являются удобными объектами для исследования полиморфизма и изоморфизма молекулярных цепочечных кристаллов.
Особый интерес н-парафины представляют как классические представители ротационных кристаллов, и это позволяет на их примере изучать особенности проявления в природе одного из наименее изученных фазовых состояний вещества — ротационнокристаллического состояния. Переход н-парафинов в ротационно-кристаллическое состояние связан с изменением формы теплового движения атомов и молекул за счет потери ими фиксированной ориентации в структуре: цепочечные молекулы приобретают возможность (например, при нагревании) совершать крутильно-вращательные тепловые движения вокруг своих осей, обеспечивая тем самым одно из важнейших свойств парафинов — их ярко выраженную пластичность [3, 5, 14, 15, 16, 20].
Н-парафины химически инертны, однако их молекулы легко смешиваются друг с другом в пределах одной кристаллической структуры, т. е. парафиновые молекулы с близкими номерами п изоморфно замещают друг друга [3, 5, 12, 17]. По этой причине
* Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант № 06-05-64733).
© Л. М. Осадчая, С. Ю. Туманова, Е. Н. Котельникова, Н. В. Платонова, 2009
природные парафиновые композиции, как правило, представляют собой поликомпонентные твердые растворы из гомологов разной длины и четности в ряду значений n = 17...37 или смеси таких твердых растворов [3, 4, 6, 7, 8, 18]. Чрезвычайно высокая изоморфная емкость н-парафинов затрудняет выделение индивидуальных гомологов в чистом виде и приводит к появлению в литературе противоречивых данных, касающихся структуры и физикохимических свойств н-парафинов.
Многолетние исследования изоморфных замещений парафиновых молекул в широких диапазонах гомологического состава и температуры с использованием синтетических образцов высокой степени гомологической чистоты (97-99 %), выполняющиеся на кафедре кристаллографии, позволили авторам работ [3, 5, 17, 20] выявить критерии изоморфной смесимости н-парафинов, важнейший из которых обусловлен их ротационной природой. Результаты изучения изоморфизма и полиморфизма синтетических н-парафинов легли в основу разрабатываемой этими авторами методики идентификации природных углеводородов парафинового ряда и позволили им интерпретировать термические деформации и полиморфные превращения сложных поликомпонентных парафиновых композиций в широком температурном интервале их существования в природе [3, 7, 8, 18]. Предложенная методика успешно зарекомендовала себя при диагностике многих техногенных и природных парафиновых углеводородов, в том числе парафиновых композиций, выделенных их головного мозга млекопитающего [4, 6].
Когда в 1977 г. в работе С. Касанье и соавторов [19] появились первые свидетельства наличия н-парафинов в составе миелиновых мембран мозга млекопитающего (кролика), возникла потребность расширить сведения о локализации и роли этих сугубо гидрофобных соединений в центральной нервной системе.
Нам удалось выделить из неомыляемой фракции липидов различных областей головного мозга другого млекопитающего — крысы — белые кристаллические осадки, диагностированные нами как н-парафины [4]. Позднее [6] н-парафины были выделены и из специализированных мембранных структур головного мозга крысы (миелин, синап-тосомы). В данной статье приводится характеристика состава, строения и поведения при нагревании н-парафинов (их разнообразных композиций), выделенных из разных отделов и из специализированных мембранных структур головного мозга млекопитающего (крысы), а также обсуждается роль этих сугубо гидрофобных соединений в центральной нервной системе.
Методика эксперимента. Междисциплинарный подход, успешно зарекомендовавший себя ранее [4, 6], позволил применить к изучению н-парафинов сочетание нейрохимических и кристаллохиминеских методов.
Н-парафины были выделены после субклеточного фракционирования из специализированных мембранных структур головного мозга, при этом определялись специфические биохимические параметры этих структур [9]. Процедура выделения н-парафинов из неомыляемой фракции липидов головного мозга и процедура очистки н-парафинов подробно описаны в другой нашей статье [4]. Специализированные мембраны мозга (миелин, синаптосомы) выделялись с помощью дифференциального центрифугирования в градиенте сахарозы [9] с последующей экстракцией липидов по М. Кейтсу [1] и их омылением, экстракцией парафинов и их очисткой [4]. Хроматин из полушарий головного мозга был выделен по методу, предложенному в работе [13].
Приемы идентификации поликомпонентных парафиновых композиций включают в себя совместное использование методов рентгенографии, хроматографии и терморентгенографии. Диагностика таких композиций стала возможной после изучения кристаллохимии
индивидуальных нормальных парафиновых гомологов, а также их синтетических смесей известного молекулярного состава в широких интервалах температуры [3, 5, 11, 14, 15, 16, 17, 20].
Рентгенография позволяет определить изоморфную или механическую природу смеси, номер (n) преимущественного гомолога твердого раствора и номера n преимущественных гомологов твердых растворов как компонентов механической смеси, фазовое состояние и полиморфную модификацию твердого раствора, а также характер упаковки молекул в его структуре. Рентгенографическое исследование при комнатной температуре осуществлялось на дифрактометре ДРОН-2.0; излучение CuKa и CoKa. Номер преимущественного гомолога определялся безэталонным способом — по расстоянию Д20 между двумя первыми рефлексами типа 00/ [3, 11].
Хроматография позволяет установить гомологический состав смеси и характер распределения гомологов по числу атомов углерода (число n), содержащихся в парафиновых молекулах. Хроматографический анализ проводился на хромато-масс-спектрометре фирмы Hewlett Packard HP5972 с хроматографом HP5890 (аналитики Л. К. Густалева и Ю. П. Сев-рюков, Институт токсикологии и Институт прикладной химии, Санкт-Петербург). В качестве испарителя применялся гелий, разогретый до температуры 250 °С.
Терморентгенография использовалась для изучения термических деформаций и полиморфных превращений поликомпонентных парафиновых композиций разного гомологического состава и строения. Эксперименты осуществлялись на дифрактометре ДРОН-3.0, оснащенном высокотемпературной приставкой КРВ-1100, в атмосфере воздуха; излучение CuKa. Температура измерялась ртутным термометром, подведенным к образцу через верхнее отверстие камеры. Рентгенограммы снимались от комнатной температуры до плавления вещества с шагом по температуре — десятые доли градуса. Расчет параметров элементарной ячейки проводился при всех температурах исследования методом наименьших квадратов с использованием программы UnitCell.
Гомологический состав. Важнейшими характеристиками природных, в том числе биогенных, парафиновых углеводородов являются их гомологический состав и характер распределения гомологов по числу атомов углерода (числу n), содержащихся в их молекулах. К настоящему времени изучены композиции н-парафинов, выделенные из ствола, мозжечка, коры, подкорки, нейроглии, митохондрий, синаптосом, миелина, хроматина полушарий.
Н-парафины разных областей головного мозга. Особенности состава этих парафинов можно видеть на примере показанных на рис. 1 хроматограмм парафиновых композиций, выделенных из мозжечка (а), из ствола и мозжечка (б), из подкорки (в) и из хроматина полушарий головного мозга (г). Рассмотрим общие и индивидуальные особенности их гомологического состава.
1. Судя по хроматограммам, парафиновые композиции отличаются друг от друга по набору и количеству нормальных гомологов в зависимости от места извлечения парафиновой композиции из головного мозга. В каждую из композиций входит от 10 до 17 разных гомологов в диапазоне значений n = 19...34. Содержание примесей (изопарафины, циклопарафины, холестерин, сквален и др.) варьирует от образца к образцу в широких пределах от 7,9 до 26,7 %.
2. В составе н-парафинов головного мозга в среднем (по всем образцам) содержится примерно равное количество четных (50,5 %) и нечетных (49,5 %) гомологов.
3. Во всех случаях наблюдается асимметричное распределение гомологов по числу атомов углерода. Как правило, количество и содержание сравнительно длинноцепочечных
отн. ед., % 100
С19 С2о С21 С22 С23
С25
11
С27 С,,
отн. ед., % 100
50
СС
21 22
С23 С24 С25 С-
отн. ед., %
100 ■ С 24
■ С ^23
50 " С22
■ С„ С” 1.
отн. ед., %
100
75 ■
50 С1
С1
3
400
С25 С26 Ст
Л
С
^29
I С30Сз1
ШШ
Сз2^
600 800 1000 1200 1400 8саи
10:28 15:42 20:56 25:10 31:24 36:38 мкс
Рис. 1. Хроматограммы н-парафинов, извлеченных из мозжечка (а), из ствола и мозжечка (б), из подкорки (в) и из хроматина полушарий (г) головного мозга крысы Затушеванными треугольниками отмечены пики примесных фаз: холестерина, сквалена, фталатов и др.
гомологов (справа от максимума распределения) превышает количество и содержание сравнительно короткоцепочечных гомологов (слева от максимума распределения).
Н-парафины специализированных мембран головного мозга. Изучен гомологический состав н-парафинов, входящих в состав миелина и синаптосом. По данным хроматографии содержание нормальных парафинов в образцах, выделенных из миелина и синаптосом, составляет 82,1 и 77,6 %, а содержание примеси — 17,9 и 22,4 % соответственно. Примесями являются изопарафины, циклопарафины, холестерин и сквален.
С
а
С
б
в
С
28
г
С
21
Рис. 2. Хроматограмма н-парафинов, извлеченных из миелина головного мозга крысы Обозначения те же, что и на рис. 1.
Парафиновые композиции содержат в своем составе большой набор четных и нечетных нормальных гомологов в диапазоне значений п от 19 до 33 номера. В случае миелина, преимущественным гомологом является гомолог с п = 26 (15,08 %); относительные суммарные содержания более коротких (п = 19...25) и более длинных (п = 27...36) молекул составили 35,0 и 32,1 % соответственно. В случае синаптосом, преимущественными гомологами являются гомологи с п = 27 (10,63 %) и 28 (10,08 %); относительные суммарные содержания более коротких (п = 21...26) и более длинных (п = 29...33) молекул составили 30,4 и 26,4 % соответственно. В целом парафиновые композиции миелина и синаптосом близки друг другу по гомологическому составу. Это же можно сказать и о характере распределения гомологов по числу атомов углерода, содержащихся в их молекулах. В обоих случаях доля относительно более коротких молекул несколько превышает долю относительно более длинных молекул. Таким образом, распределение гомологов в составах этих парафиновых композиций имеет слабо выраженный асимметричный характер. Это можно видеть на рис. 2, где в качестве примера показана хроматограмма образца н-парафина, выделенного из миелина.
Строение парафиновых композиций. Изученные парафиновые композиции головного мозга представляют собой поликомпонентные твердые растворы (изоморфные смеси) или смеси твердых растворов (механические смеси) из гомологов разной длины (число п) и строения (четность числа п) в диапазоне значений п = 15...35.
Парафины разных областей головного мозга. Большинство изученных парафиновых композиций, выделенных из разных областей головного мозга, существует при комнатной температуре в кристаллическом состоянии, о чем свидетельствует положение рефлексов 110 и 200 их ромбической ячейки. Исключение составляет образец, выделенный из хроматина. В составе этого образца преобладают сравнительно короткоцепочечные гомологи, и поэтому он уже при комнатной температуре существует в низкотемпературном
7Q3 А ротационно-кристаллическом состоянии
(rot. 1). В качестве примеров на рис. 3 показаны фрагменты дифрактограмм (диагностическая область рефлексов 00l) пяти парафиновых композиций, выделенных из мозжечка (а), полушарий (б), ствола и мозжечка (в), подкорки(г) и из хроматина полушарий (д). Видно, что по положению и количеству рефлексов типа QQl все приведенные на рис. 3 дифракто-граммы отличаются друг от друга, и это означает, что каждую изученную область мозга характеризует своя парафиновая композиция.
Мозжечок (рис. 3, а). Парафиновая композиция представляет собой ромбический твердый раствор — кратная серия четырех рефлексов QQl. Формально номер преимущественного гомолога определяется как очень большой — n = 52. Отсутствие в составе этого образца длинноцепочечных гомологов с n > 34 и преимущественное содержание в нем гомолога с n = 26 (см. хроматограмму на рис. 1, а), а также характер распределения интенсивности рефлексов типа QQl (четвертый пик интенсивнее третьего) позволяют считать, что данный твердый раствор характеризуется четырехслойной сверх-периодической ромбической ячейкой, т. е. сверхпериодом вдоль оси с (26 х 2 = 52).
Полушария (рис. 3, б). Дифракционная картина этого образца представлена шестью рефлексами QQl, кратность между которыми вполне удовлетворительно выполняется. Отсюда следует, что данная парафиновая композиция также представляет собой ромбический твердый раствор. Ряд фактов: то, что положение всей совокупности рефлексов соответствует гомологу с n = 75 или 76, что пики 99,6, 33,3 и 16,7 А (существенно интенсивнее пиков 49,3, 24,6 и 19,7 А) и что положение третьего (33,3 А) и шестого (16,7 А) рефлексов соответствует гомологу с n = 25, позволяет предположить для структуры этого твердого раствора шестислойную сверхпериодическую ромбическую ячейку (25 х 3 = 75).
1
20с
Рис. 3. Фрагменты дифрактограмм в области рефлексов 001 парафиновых композиций, выделенных из мозжечка (а), полушарий (б), ствола и мозжечка (в), подкорки (г) и хроматина полушарий (д) головного мозга крысы
1QQ
Ствол и мозжечок (рис. 3, в). Образец представляет собой механическую смесь из двух твердых растворов, поскольку из четырех рефлексов 001 одна пара пиков (34,9 и 17,4 А) — интенсивных и острых — соответствует гомологу с п = 26, а другая пара пиков (47,5 и 23,9 А) — слабых и размытых — соответствует гомологу с п = 34. На хроматограмме этого образца (см. рис. 1, б) можно видеть «отстоящий» от основного распределения пик, соответствующий гомологу с п = 34.
Подкорка (рис. 3, г). На дифрактограмме присутствуют только два интенсивных и широких максимума 00/. Их положение соответствует гомологу с п = 34, однако доля этого гомолога в составе парафиновой композиции ничтожно мала (~0,9 %) — в слегка асимметричном распределении гомологов преимущественным является гомолог с п = 26 (—16,6 %) (см. рис. 1, в). Несоответствие данных хроматографии и рентгенографии в этом случае не удается преодолеть за счет удвоения, утроения и т. д. подъячейки, состоящей из двух слоев. Несоответствие оказывается преодолимым, если допустить, что реализуется еще один тип сверхпериодической упаковки—ромбическая упаковка двух молекулярных блоков, каждый из которых содержит нечетное количество молекулярных слоев (в данном случае пять слоев). Подробно сверх-периодическая упаковка такого типа рассматривалась ранее [3, 18] в связи с обсуждением особенностей строения поликомпонентных композиций озокеритов и церезинов.
Хроматин полушарий (рис. 3, д). Эта парафиновая композиция представляет собой ромбический твердый раствор, в состав которого входят сравнительно короткоцепочечные гомологи в диапазоне значений п = 17...26, что следует из данных хроматографии (см. рис. 1, г). Этим объясняется тот факт, что данный твердый раствор уже при комнатной температуре существует в низкотемпературном ротационно-кристаллическом состоянии, о чем свидетельствует соответствующее положение на дифрактограмме рефлексов 110 и 200, отсутствие рефлексов кк/ и ослабление интенсивности рефлексов 00/. Переход твердого раствора из низкотемпературного ротационно-кристаллического состояния в кристаллическое происходит при температуре —7,5 °С.
Парафины специализированных мембран головного мозга. По данным рентгенографии парафиновые композиции, выделенные из миелина и синаптосом, представляют собой поликомпонентные ромбические твердые растворы и существуют при комнатной температуре в кристаллическом состоянии (ромбическая фаза ОГсгуа). На рентгенограмме каждого из образцов присутствуют рефлексы 110, 200 и три кратных рефлекса типа 00/. На рис. 4 показаны фрагменты дифрактограмм н-парафинов, выделенных из миелина (а) и синаптосом (б), в области проявления рефлексов типа 00/. Видно очевидное сходство между дифракционными картинами этих н-парафинов. Однако максимумы 00/ н-парафина, выделенного из синаптосом, несколько смещены в область малых углов скольжения 20 относительно соответствующих максимумов н-парафина, выделенного из миелина. В случае миелина
40,7 А
",------------Т-----------I------------I-------------1------------1------------1------------г
8 7 6 5 4 3 2 1
2®СоКа
Рис. 4. Фрагменты дифрактограмм в области рефлексов 00/ парафиновых композиций, выделенных из миелина (а) и синаптосом (б) головного мозга крысы
углы скольжения 20CoKa этих максимумов имеют значения 2,52, 5,Q6 и 7,66°, а в случае синаптосом — 2,42, 4,96 и 7,4Q°. Небольшие различия в дифракционных данных этих н-парафинов находятся в соответствии с различиями в их гомологическом составе, в том числе с различиями в номерах их преимущественных гомологов. Номера преимущественных гомологов парафиновой композиции, выделенной из синаптосом (n = 27 и 28), на 1-2 единицы больше номера преимущественного гомолога парафиновой композиции, выделенной из миелина (n = 26).
Как и в случае парафиновой композиции подкорки (см. рис. 1, в и 3, г), данные хроматографии не согласуются с данными рентгенографии в отношении определения номеров n преимущественных гомологов этих парафиновых композиций. По данным рентгенографии преимущественными гомологами поликомпонентного твердого раствора парафиновой композиции миелина должны быть гомологи с n = 3Q и 31, однако по данным хроматографии реальное содержание этих гомологов в твердом растворе весьма незначительно и составляет 2,8 и 2,1 % соответственно (см. рис. 2). Такое же несоответствие наблюдается и в случае твердого раствора парафиновой композиции синаптосом. По данным рентгенографии преимущественными гомологами являются гомологи с n = 31 и 32, однако по данным хроматографии их содержание достаточно мало — 5,Q и 2,4 %, т. е. оно существенно меньше, чем содержание истинных преимущественных гомологов.
На наш взгляд, причина расхождения данных хроматографии и рентгенографии кроется в особенностях упаковки молекулярных слоев в структуре этих и многих других поликомпонентных парафиновых композиций [3, 8, 18]. Очевидно, что молекулы в структуре твердого раствора стремятся сгруппироваться таким образом, чтобы упаковаться максимально плотно. Плотная упаковка молекул с минимальным количеством выступов (дефектов) на поверхности слоя может быть достигнута, например, в результате укладки молекул разной длины в упаковку из большего количества элементарных слоев, толщина которых соответствует межплоскостному расстоянию dm1, А. В случае другого количества нечетных слоев, ромбичность таких сверхпериодических ячеек может быть достигнута за счет комбинации из двух блоков, каждый из которых включает одинаковое число нечетных слоев.
Таким образом, стремление молекул разной длины упаковаться как можно более плотно приводит к эффекту сверхпериодичности, при этом в каждом конкретном случае предпочтительный вариант упаковки молекул определяется прежде всего характером распределения гомологов по числу атомов углерода.
На рис. 5 схематически показаны примеры теоретических моделей разных сверхпериодических упаковок молекул в структуре поликомпонентного твердого раствора н-парафинов [3, 8, 18]. Модели соответствуют разным типам распределения гомологов и, соответственно, структурам с разными ромбическими ячейками. Справедливость теоретических моделей подтвердили результаты экспериментального моделирования более десяти парафиновых композиций с симметричным, асимметричным и бимодальным распределением гомологов [8, Ш, 21]. Моделирование осуществлялось путем приготовления смесей, имитирующих гомологический состав и характер распределения гомологов в разных природных парафиновых композициях. После совместного плавления парафиновых компонентов смеси расплав охлаждался в муфеле в контролируемых температурных условиях. Хроматография позволила контролировать соответствие гомологического состава полученных сплавов составам исходных смесей, а рентгенография — изучать особенности строения парафиновых композиций.
В случае симметричного распределения гомологов (например, нефтяные парафины, минерал эвенкит) твердые растворы характеризуются «обычной» (двухслойной) ромбической ячейкой, а в случае асимметричного распределения гомологов (большинство
360 А
Рис. 5. Схематическое изображение упаковки молекул н-парафинов в двух слоях (а), в четырех слоях (б) и в блоках из трех (в) и пяти (г) слоев [3]
биогенных парафинов) — сверхпериодической (трехслойной, четырехслойной, пятислойной и др.) ромбической ячейкой. В случае бимодального или полимодального распределения гомологов (озокериты, некоторые биогенные парафины) парафиновая композиция представляет собой механическую смесь из двух-трех поликомпонентных твердых растворов, один из которых часто характеризуется сверхпериодической, а другой (или другие) — обычными ромбическими ячейками. В частности, в результате экспериментального моделирования были синтезированы минерал эвенкит — пример симметричного распределения 10 гомологов (п = 19...28) и структуры с обычной (двухслойной) ромбической ячейкой [10] и парафиновая композиция пчелиного воска — пример асимметричного распределения 6 нечетных гомологов (п = 23...33) и структуры со сверхпериодической (четырехслойной) ячейкой [8].
Обе парафиновые композиции, выделенные из специализированных мембран головного мозга, — парафиновые композиции миелина (преимущественный гомолог
а
в
с n = 26) и синаптосом (преимущественные гомологи с n = 27 и 28) — характеризует слегка асимметричное распределение гомологов, в котором короткоцепочечные гомологи преобладают над длинноцепочечными. Соответственно однотипным оказалось и строение их поликомпонентных твердых растворов. По всей видимости, оно характеризуется семислойной упаковкой молекул в структуре ромбического твердого раствора.
В парафиновой композиции миелина, выделенного из мозжечка, преимущественным гомологом является гомолог с n = 26. При этом распределение четных и нечетных гомологов имеет явно выраженный асимметричный характер из-за преобладания (на этот раз) длинноцепочечных гомологов над короткоцепочечными. Структура такого поликом-понентного твердого раствора также характеризуется сверхпериодической ромбической ячейкой, но в этом случае ячейка является четырехслойной (включает четыре молекулярных слоя), т. е. имеет сверхпериод за счет попарной упаковки (26 х 2 = 52) его «элементарных подъячеек». Такой подъячейкой является двухслойная ромбическая ячейка, ее параметр соответствует преимущественному гомологу с n = 26.
Парафиновой композиции миелина, выделенного из подкорки мозга (преобладающий гомолог n = 25), присуща ромбическая ячейка, состоящая из шести молекулярных слоев, т. е. она также характеризуется сверхпериодом вдоль оси с (25 х 3 = 75).
Обращает на себя внимание тот факт, что в случае парафиновых композиций головного мозга крысы н-парафин C26H54 очень часто выступает в качестве одного из преимущественных гомологов, на базе которого формируется сверхпериодическая структура. Обратим также внимание на то, что н-парафин C26H54, так же, как и н-парафин C28H58, относится к числу наиболее «изменчивых» н-парафинов, поскольку уже при комнатной температуре он может существовать в различных (триклинной, моноклинной, ромбической) кристаллических модификациях. Причины полиморфного разнообразия этих четных н-парафинов подробно обсуждаются в работе [11].
Термические фазовые превращения. Методом терморентгенографии (шаг по температуре — десятые доли градуса) изучены термические деформации и полиморфные превращения двух образцов парафиновых композиций, выделенных из миелина и хроматина. При нагревании образцов проявилась особенность, характерная для термического поведения большинства поликомпонентных твердых растворов н-парафинов биологического, геологического и технологического происхождения [3, 5, 6, 8, 18]. Речь идет о многоступенчатом распаде твердого раствора вследствие его полиморфного превращения из кристаллического состояния в низкотемпературное ротационно-кристаллическое состояние.
Как уже говорилось, каждое из установленных к настоящему времени твердых фазовых состояний н-парафинов характеризуется своей формой теплового движения цепочечных молекул вокруг своих осей. Кристаллическое состояние cryst (ромбическая Orcryst, моноклиннаяMcryst и триклинная Tccryst фазы) характеризуется крутильными колебаниями молекул относительно эквивалентных (фиксированных) положений равновесия; низкотемпературное ротационно-кристаллическое состояние rot.1 (ромбическая Orrot1, моноклинная Mrot1 и триклинная Tcrot l фазы) — хаотически-крутильными колебаниями молекул относительно определенных, меняющихся во времени положений равновесия; промежуточное ротационно-кристаллическое состояние rot. 1+2 (ромбическая фаза Orrot1+2) комбинаций хаотически-крутильных колебаний одних молекул и вращения других в пределах одной структуры; высокотемпературное ротационно-кристаллическое состояние rot.2 (гексагональная фаза Hrot2) — свободным вращением молекул вокруг своих осей [3, 5, 11, 14, 15, 16, 20]. Поликомпонентным твердым растворам н-парафинов присущи ромбическая
кристаллическая модификация Orcryst, а также ромбическая Orrol1, ромбическая Orrot1+2 и гексагональная Hrotl ротационно-кристаллические модификации [3, 4, 6, 7, 8, 10, 12, 18, 21].
Рассмотрим основные черты термических фазовых превращений поликомпонент-ного твердого раствора н-парафинов на примере образца, выделенного из миелина. В интервале температур 30-43 °С наблюдается многоступенчатый распад твердого раствора вследствие его поэтапного полиморфного превращения из кристаллического состояния (ромбическая фаза Orcrys) в низкотемпературное ротационно-кристаллическое состояние (ромбическая фаза Orrot1). На начальной стадии этого процесса в самостоятельную фазу Orrot l выделяются наиболее короткоцепочечные (легкие) молекулы. По мере увеличения температуры все большее количество молекул и все более длинноцепочечные (тяжелые) молекулы приобретают способность совершать хаотически-крутильные колебания вокруг своих осей и переходить в эту низкотемпературную ротационно-кристаллическую фазу Orrot1. В то же время (в том же температурном интервале) у более короткоцепочечных молекул продолжает изменяться форма их теплового колебательно-вращательного движения, и это проявляется в последовательных переходах все новых и новых порций вещества сначала в промежуточное ротационно-кристаллическое состояние (ромбическая фаза Orrol i+2), потом в высокотемпературное ротационно-кристаллическое состояние (гексагональная фаза Hrot2), а затем и в жидкое состояние (L). Таким образом, в некотором температурном интервале разные молекулярные компоненты распавшегося твердого раствора (разные порции вещества) могут одновременно находиться в двух, трех и более разных фазовых состояниях. Полностью вещество плавится при температуре около 44,5 °С. Этой температуре приблизительно соответствует верхняя предельная температурная граница, ограничивающая жизнедеятельность крысы. Аналогичное поведение при нагревании было установлено и у поликомпонентного твердого раствора образца, выделенного из хроматина. Плавление вещества наступает при 43,9 °С, т. е. при температуре, весьма близкой температуре плавления вещества парафиновой композиции миелина.
Необходимо иметь в виду, что гомологический состав и фазовое состояние н-парафинов в миелине и синаптосомах может варьировать в широких пределах. На это указывают данные хроматографии и рентгенографии, полученные нами для двух других образцов н-парафинов, выделенных из миелина и синаптосом [6]. Обе парафиновые композиции характеризуются асимметричным распределением четных и нечетных гомологов по числу атомов углерода в молекуле, при этом в обоих случаях максимум распределения (преимущественные гомологи с n = 19, 20 и 21) несколько смещен в сторону меньших номеров гомологов. В распределении гомологов этих композиций участвуют сравнительно короткоцепочечные гомологи — гомологи в интервале значений n = 15...26. Это обстоятельство позволяет объяснить факт существования обеих композиций в низкотемпературной ромбической ротационно-кристаллической фазе Orrot1 уже при комнатной температуре.
Роль н-парафинов в функционировании мембран мозга. Результаты кристаллохимического изучения свидетельствуют, что мембраны различной функциональной специализации (миелин и синаптосомы) различаются не только по набору гомологов, но и по типу своей кристаллической структуры. Кристаллические структуры смесей парафинов исследованных мембран могут характеризоваться индивидуальным состоянием электронных оболочек и многообразным характером взаимодействия с прилегающими молекулами билипидного матрикса. Можно также утверждать, что температурная полиморфная пластичность н-парафинов делает их многообразные взаимодействия необычайно лабильными и тем самым позволяет поддерживать стохастичность мембран — этих нелинейных, динамичных, хаотических систем мозга так, что даже незначительные вариации
в гомологическом составе становятся определяющими для способа упаковки молекул разной длины и четности в кристаллической структуре поликомпонентного твердого раствора.
Разнообразие установленных сверхпериодических упаковок молекул н-парафинов свидетельствует, что эти высокогидрофобные молекулы по своим физическим свойствам достаточно пластичны, чтобы быть неотъемлемыми компонентами высокоспециализированных мембран мозга.
Многообразие фазовых состояний н-парафинов, несомненно, проявляется во всем своем великолепии в специализированных биологических мембранах, где термотропные переходы осуществляются в интервале АТ« O,2-l,O °С и где, в свою очередь, синергетическое воздействие множественных факторов (pH, ионная сила, липид-белковое окружение) порождает разнообразные кратковременные коротко-, длиннорадиусные взаимодействия молекул, носящие специфический характер. Нормальные парафины как ротационные кристаллы, обладающие исключительно высокими пластическими свойствами, вносят весомый вклад в полифункциональность мембран, и это априорно позволяет отнести сугубо гидрофобные молекулы н-парафинов к полифункциональным и классическим мембранотропным молекулам.
Факт присутствия н-парафинов в специализированных мембранах головного мозга млекопитающих поднимает ряд проблем, связанных прежде всего с выяснением важнейшего вопроса — какую роль выполняют н-парафины в функционировании мембран мозга. Наличие в мембране длинноцепочечных гидрофобных углеводородов должно сказаться на структуре и стабильности бислоя мембраны. Высокогидрофобные молекулы н-парафинов способны усиливать гидрофобные межмолекулярные взаимодействия в би-липидном матриксе, поскольку данный тип взаимодействия относится к фундаментальному типу взаимодействия в мембранах. Длина многоуглеродных цепочечных молекул достаточна для того, чтобы н-парафины могли насквозь пронизать билипидный матрикс и таким образом выполнить роль структурных стабилизаторов. Представляется, что такая роль особо значима в случае многослойных мембран миелина.
В биологических мембранах н-парафины могут находиться как в кристаллическом состоянии, так и в одном или нескольких ротационно-кристаллических состояниях. Различные фазовые состояния и полиморфные превращения н-парафинов должны оказывать влияние на функционирование мембран. Как правило, температура фазовых переходов парафиновых композиций, состоящих из различных по длине углеводородных цепочечных молекул, намного ниже температуры переходов других углеродсодержащих компонентов мембран. Поэтому н-парафины могут выполнять также роль инициаторов структурных перестроек в мембранах. Напомним, что переход н-парафинов из одного фазового состояния в другое обусловлен изменением формы колебательно-вращательного теплового движения молекул вокруг своих осей. Вероятно по этой причине, перестройки в мембранах являются резкими и высококооперативными.
Молекулы н-парафинов не содержат полярные группы. Вследствие этого, н-парафины должны создавать в физиологических условиях небислойные конструкции. При этом специфические особенности межфазных границ между компонентами мембран могут обусловить создание необходимых градиентов для передачи энергии и проницаемости. Отсюда можно предположить, что н-парафины выполняют также роль сегрегационных стражей, отделяющих в мембране домены из компонентов разной степени гидрофобности.
Многообразие фазовых состояний н-парафинов поддерживает анизотропность мембраны, а различные тепловые молекулярные движения — ротационные
(колебательно-вращательные движения вокруг оси молекулярной цепочки) и конформаци-онные (сегментные движения СН2-групп одной или нескольких частей молекулы) — содействуют процессу транс-гош изомеризации, а значит и внедрению в мембрану агентов самой разной природы.
Особо следует отметить тот факт, что н-парафины содержат самые углеродбогатые молекулы среди соединений мембран. Соответственно, прежде всего н-парафины обеспечивают углеродную элементную базу головного мозга. Это, а также многообразие твердых фазовых состояний н-парафинов, позволяет считать, что различные поликомпонентные парафиновые композиции составляют незаменимую часть хаотических процессоров мозга.
Перечисление предполагаемых многообразных функций н-парафинов в мембранах мозга, вряд ли можно считать полным, а описание этих функций — доказанным. Тем не менее уже сейчас есть основания полагать, что н-парафины обладают мощными регуляторными свойствами, меняющими режим работы липид-белковых мембранных комплексов. Можно надеяться, что результаты всестороннего целенаправленного изучения ротационных кристаллов н-парафинов и их биохимических и биофизических свойств станут со временем важнейшей частью мембранологии.
Литература
1. Кейтс М. Техника липидологии. М., 1975.
2. Китайгородский А. И. Молекулярные кристаллы. М., 1971.
3. Котельникова Е. Н., Филатов С. К. Кристаллохимия парафинов // СПб. Журнал «Нева», 2002.
4. Котельникова Е. Н., Осадчая Л. М., Романова В. В., Туманова С. Ю., Филатов С. К. Парафины мозга: выделение и рентгенографическая диагностика // Вестн. С.-Петерб. ун-та. Сер. 3. Вып. 3 (№ 17). 1997. С. 73-80.
5. Котельникова Е. Н., Филатов С. К., Филиппова И. В. Кристаллохимия ротационных веществ (на примере парафинов) // Записки ВМО. 1997. № 4. С. 7-29.
6. Котельникова Е. Н., Осадчая Л. М., Туманова С. Ю., Платонова Н. В., Филатов С. К. Изучение парафинов специализированных мембран мозга // Успехи функциональной нейрохимии / Под ред. А. В. Арутюняна. СПб., 2003. С. 207-213.
7. Котельникова Е. Н., Филатов С. К., Чуканов Н. В. Эвенкит: симметрия, химический состав, идентификация и поведение при нагревании // Записки ВМО. 2004. № 3. С. 80-92.
8. Котельникова Е. Н., Платонова Н. В., Филатов С. К. Диагностика и термические фазовые превращения биогенных парафинов // Записки РМО. 2007. № 1. С. 124-141.
9. Осадчая Л. М. Выделение субклеточных фракций из мозга крыс // Методы биохимических исследований (липидный и энергетический обмен): Учебное пособие / Под ред. М. И. Прохоровой. Л., 1983. С. 35-42.
10. Платонова Н. В., Котельникова Е. Н. Синтез органического минерала эвенкита // Записки РМО. 2006. № 4. С. 87-92.
11. ПлатоноваН. В., КотельниковаЕ. Н., Филатов С. К. Полиморфизм длинноцепочечных четных н-парафинов // Записки ВМО. 2006. № 3. С. 101-122.
12. Платонова Н. В., КотельниковаЕ. Н., Филатов С. К. Изоморфные соотношения в бинарных системах моноклинных парафинов // Записки РМО. 2007. Спец. вып. С. 283-293.
13. Прияткина Т. Н., Зарембская О. В., Иванова Е. М., Степанов М. Г., Пантелеева Н. С. Сократительные белки в составе растворимого и остаточного хроматина печени и тимуса // Биохимия. 1983. Т. 48. № 11. С. 1763-1773.
14. Филатов С. К., Котельникова Е. Н., Чаженгина С. Ю. Новый фазовый переход I рода и новые полиморфные модификации парафинов // Докл. РАН. 1993. Т. 330. № 5. С. 605-608.
15. Филатов С. К., Котельникова Е. Н., Филиппова И. В. Новый смешанный тип ротационнокристаллического состояния вещества на примере парафинов // Кристаллография. 1997. Т. 42. № 4. С. 665-669.
16. Филиппова И. В., Котельникова Е. Н., Чаженгина С. Ю., Филатов С. К. Типы ротационнокристаллического состояния твердых растворов парафинов // Журн. структ. химии. 1998. Т. 39. № 3. С. 380-394.
17. Чаженгина С. Ю., Котельникова Е. Н., Филатов С. К. Твердые растворы нормальных парафинов // Журн. структ. химии. 1996. Т. 37. № 5. 929-938.
18. Чаженгина С. Ю., КотельниковаЕ. Н., Филатов С. К. Озокериты: состав, строение, поведение при нагревании // Записки РМО. 2004. № 5. С. 26-40.
19. Cassagne C., DarrietD., Bourre J. M. Evidence of alkane synthesis by the sciatic nerve of the rabbit // FEBS Lett. 1977. Vol. 82. N 1. P. 51-54.
20. Chazhengina S. Yu., Kotelnikova E. N., Filippova I. V., Filatov S. K. Phase transitions of n-alkanes as rotator crystals // J. Mol. Struct. 2003. Vol. 647. P. 243-257.
21. Kotelnikova E. N., Platonova N. V., Li A. V Simulating the compositions and structures of n-paraffin and blends of n-fatty acid // Industrial Crystallization. Magdeburg; Germany. 2008. P. 184-191.
