kemijski seminar i - pmf naslovnica · najvećem postotku nalazili su se makrocikli s sedam...
TRANSCRIPT
Sveučilište u Zagrebu
PRIRODOSLOVNO-MATEMATIČKI FAKULTET
Kemijski odsjek
Poslijediplomski sveučilišni studij Kemije
Smjer: Organska kemija
Kemijski seminar I:
Autokataliza i samoreplicirajući supramolekularni sustavi
Tomislav Gregorić
U Zagrebu, srpanj 2017.
SADRŽAJ
1. UVOD ............................................................................................................................................... 3
2. SUPRAMOLEKULARNA KEMIJA ........................................................................................................ 3
3. SYSTEM CHEMISTRY ........................................................................................................................ 6
4. ZAKLJUČAK ....................................................................................................................................... 8
5. LITERATURA ..................................................................................................................................... 9
3
1. UVOD
U ovom seminarskom radu ukratko ću prezentirati svoju odabranu temu za kemijski seminar I
pod naslovom Autokataliza i samoreplicirajući supramolekularni sustavi. Ključne rijeći koje
se nalaze u odabranoj temi su supramolekularna kemija, kataliza, autokataliza.
2. SUPRAMOLEKULARNA KEMIJA
Da bi se nešto moglo reći o gore navedenoj temi naravno potrebno je krenuti od početka, a
početak je supramolekularna kemija. To je kemija koja se bavi sustavima iznad molekula
točnije nekovaletnim interakcijama između molekula. Možemo reći da supramolekularna
kemija, od sastavnih dijelova kao što su molekule uz pomoć nekovalentnih interakcija može
izgraditi kompleksne sustave na razini molekula jer molekule služe kao gradivni blokovi.
Veza između tih dviju molekula ili više molekula nije „fizička“ kao na primjer kod
kovalentne veze nego je povezana kao dva građevna bloka na temelju veze na „daljinu“.
Najčešće nekovalentne interakcije koje dolaze u kompleksnim sustavima su: elektrostatske
interakcije (ion-ion, ion-dipol, dipol-dipol), vodikove veze, π- π interakcije, van Der Walsove
interakcije, te veze su puno slabije od kovaletnih veza te na nijh možemo utjecati dodavanjem
energije (kao toplinska, elektična, mehanička i mnoge druge) u sustav1. Dodavanjem energije
na nekovaletne interacije najčešće djelujemo destruktivno također možemo reći da
nekovaletne inetracije su reverzibilne odnosno da oduzimanjem energije se mogu i vratiti. Još
jedno svojstvo nekovalentnih interacije je da finim dodavanjem enerije možemo različito
utjecati na stvaranje istih i tako ih dovesti u neka metastabilna stanja2.
Priroda je supramolekularnu kemiju davno diplomirala (enzimi, DNK, RNK…) do
znanstvenici su tek počeli krajem 1960-ih i početkom 1970-ih godina prošlog stoljeća
znanstvenici su se dosjetili povezati dvije molekule tako da je jedna molekula domaćin
(organska molekula), a druga molekula gost (ion) kao kod krunastih etera (slika 1) za što je
godine 1987. dodjeljena Nobelova nagrada za kemiju znanstvenicima Donald J. Cram, Jean-
Marie Lehn i Charles J. Pedersen. Krunsti eteri imaju mogučnosti zbog različite veličine
makrocikličkog prstena zarobiti ione kao što su Na+, K
+ i druge male molekule
3.
4
Slika 1. Primjeri krunastih etera
Naravno organski sintetičari su vidjeli mogući veliki potencijal ovih molekula za upotrebu te
su krenuli u sintezu i drugih derivata, a i novih drugačih koncepata kao kriptandi, rotaksani,
sferandi, kaliksareni i mnogi drugi. U primjeni ovi spojevi našli su svoje mjesto kao
katalizatori, kao sredstvo za otapanje soli u organskim otapalima4. Danas se radi na primjeni
na osjetljivim senzorima, u medicini kao ljekovi i za dostavu lijekova te biološkim
istraživanjima.
Dio supramolekularne kemije je i samo-organizacija molekula kao na primjer u gelu gdje
povezivanjem molekula dolazi do nakupljanja ili priblizavanja molekula jednu do druge zbog
svoje kompatibilnosti (npr. donor vodikove veze, aceptor vodikove veze) i ostavljajući
dovoljno prostora za zarobljavanjem molekula otapala i time tvoreći gel to jest gelske niti5.
Slika 2. Prikaz stvaranje gela grijanjem i hlađenjem
Pripremiti gel je najlakše hlađenjem iz vruče otopine molekula gelatora (oko 2 % m.m) u
odabranom otapalu naravno može se i pripremiti drugim metodama kao što je uz pomoć ultra-
-zvučnih valova, uz pomoć ultraljubičastog svijetla i mnoge druge naćine (slika 2). Ta
samoorganizacija ovisi o mnogim faktorima, a ponaviše o strukturi gelatora koji mora
ostvarivati takve nekovaletne interakcije između molekula koje su nužan preduvijet
5
približavanja odnosno organizacije u otapalu za stvaranje gel6. Prema otapalima razlikujemo
dvije vrste gelova, a to su hidrogelovi (otapalo: voda), organogelovi (otapalo: organska
otapala). Povezujući gel sa prethodim tvrdnjama od razaranju nekovaletnih interakcija,
zagrijavanjem gel prelazi u sol fazu odnosno otopinu gelatora u gelskom otapalu. Stanje gela
je vrlo interesantno stanje jer se nalazi između stanja krutine (kristala) i otopine pa možemo
reći da je to metastabilno stanje koje se lako može destabilizirati7. Važno je napomenuti da
unutara stanica u oragnizmu unutarstanična tekučina se nalazi u stanju gela i time poboljšava
metaboličke procese u stanici. Supramolekularna kemija se još uvijek smatra mladom
(nedovoljno istraženom) znanosti te njezina primjena će još uvijek ima bezbroj mogućnosti
(slika 3).
SUPRAMOLEKULARNA KEMIJA
Slika 3. Prikaz dva principa supramolekularne kemije
Također priroda je usavršila drugu navedenu ključnu riječ, a to je kataliza u smislu savršenih
katalizatora, enzima, te autokatalizu za sintezu nukleinskih kiselina. Definiciju katalize to jest
katalizatora već svi znadu, ali ne šteti ju ponoviti, je povećanje brzine reakcije uz pomoć
katalizatora koji se u reakciji ne troši. Za nakadno prezentirane radove možemo reći
spajanjem supramolekularne kemije i katalize dobijemo autokatalizu. U autokatalizi do
povećanja brzine reakcije dolazi zbog nastanka produkta u reakciji, a utječe na brzinu raznim
mehanizmima. Mehanizam autokatalize zbog nekovaletnih interakcija je čest u organskog
sintezi ponajviše u sintezi raznih derivata peptida i peptidomimetika. G. von Kiedrowski sa
suradnicima objavljuje rad se zbog povoljne orijentacije molekula i ostvarivanje vodikovih
veza dolazi do povečavanja brzine reakcije u sintezi prikazanih derivata8 (slika 4).
domaćin-gost samorganizacija
6
Slika 4. Autokataliza uz pomoć nekovaletnih interakcija
3. SYSTEM CHEMISTRY
Kao što sam i rekao priroda je ove pojmove usavršila i znanstvenici žele imitirati prirodu, a i
bolje ju razumjeti. Za znanstvenike je problem što priroda radi na kompleksnoj razini odnosno
ne može se gledati individualno svaku jedinicu posebno nego komplekse individue koje
međusobno stvaraju interakcije. Mlada grana kemije koja želi proučavati molekule na takvoj
kompleksnoj razini je eng. „System chemistry“ koja proučava molekulske interakcije i
karakteristike sustava koje proizlaze iz takvih interakcija9. System chemistry je usko
povezana sa istraživanjima podrijetlom života (eng. Origin of life) kako su iz malih molekula
su nastale složenije molekule kakve danas poznajemo u životnim procesima. Prvi rad koji ću
predstavit je rad izašao 2009. godine od znantvenika Gonena Ashkenasy i njegovih suradnika
(Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 6683 –6686), a bavi se autokatalizom malih peptida u
oligopeptid. Naime zamišljeni oligopeptid koji ostavaruje takve interacije između molekula da
može tvoriti β-naboranu ploču, motiv koji nalazimo u sekundarnoj strukturi proteina.
Znanstvenici su podijeli su oligopeptid na dva dijela tako da u rekcije između ta dva dijela
može tvoriti zamišljeni oligopeptid. Osnova rada je da su mjerili brzinu reakcije između
gradivnih blokova oligopeptida, a kontolna reakcija je bila reakcija između gradivnih blokova
oligopeptida bez dodatka oligopetida. Kada su u reakciju dodali oligopeptid dobili su
7
povečanje brzine reakcije zbog toga što je oliopeptid u mogućnosti stvarati nekovaletne
interakcije između molekula i na taj način dolazi do približavanja reaktanata (reaktanti imaju
dijelove strukture oligopeptida) i time se reakcija ubrzava (slika 5). S tim možemo zaključiti
da β-naborana ploča može replicirati sama sebe te možemo povući paralelu da prve molekule
odnosno peptidi su se mogli zbog autokatalize stvarati male segmente proteina koji su se
kasnije razvili u cijele proteine10
.
Slika 5. Ilustracijki prikaz autokatalize β-nabrane ploče
Jedan od zanimljivh radova iz područja supramolekularne autoreplikacije je rad Sijbren Otto-a
i njegovih suradnih (Science 327, 1502 (2010)), a radi se o molekuli koja se može reverzibilno
kovaletno povezivati u makrocikle različite veličine prstena (slika 6).
Slika 6. Mogući makrociklički produkti u prikazanoj rekaciji
Kontrolna reakcija je reakcija miješanja u puferu spoja 2 i nakon 15 dana potvrđene su
molekule sa tri i četri gradivna bloka u prstenu. Dok kod spoja 1 koji ima sposobnost
međusobno povezivati se β-naboranu ploču, zbog peptidnog bočnog lanca, u otopini u
najvećem postotku nalazili su se makrocikli s sedam molekula u prstenu i to tek nakon četri
dana miješanja, a kada se makne bilo kakvo miješanje distribucija je jednako kako kod
mješanja spoja 2 samo makrocikli sam tri i četri gradivan bloka. Provedeni su i drugi
eksperimenti koji istražuju utjecaj načina miješanja (trešnja, miješanje i utjecaj dodatka
8
produkta). Zbog razlika u mehanici miješanja reakcija i samoorganizacije molekula dobiveni
su različiti makrocikli različite distribucije i njihovo stvaranje tek započinje nakon nekoliko
dana što dokazuje da se makrocikli samorepliciraju nakon početnog stvaranja i promoviraju
svoje stvaranje. Također je primiječeno da makrocikli se slažu u obliku stupca koji kada
dosegne maksimalnu duljinu dolazi do njegovog cijepanja (slika 7)11
.
Slika 7. Ilustracijski prikaz samoreplikacije makrocikla
Spajajući autokatalizu, supramolekularne sustave sa kemiju sistema (eng. system chemistry)
važno je i spomenuti i autokatalitičke setove12
. Naime ako se želi proučavati postanak života
čak i ljudski metabolizam, također razvitak bolesti mora se uzeti u obzir složenost sustava
reakcija koje su međusobno povezane i imaju interakciju između sebe to jest komuniciraju
međusobno13
. Da bi se nešto prikazalo kao autokatalitički set mora se zadovoljiti određeni
uvjeti a to su: svaka reakcija u setu je katalizirana sa jednom od molekula te svaka molekula
može biti proizvedena iz hrane preko različiti reakcije u setu. Prvo ovakvo razmišljanje
predstavio je Stuart A. Kauffman dok danas razvijaju se algoritmi za detektiranje
autokatalitičkih setova u sve složenijim sustavima što teorijskim što stvarnim kao u ljudskom
organizmi te u postanku života14
.
4. ZAKLJUČAK
Možemo zaključiti da istraživanje samoreplikacije može nam dati važne inforamcije ili
zaključke o tome kako je naš život na zemlji nastao i što više možemo ta saznanja iskoristiti
za nove tehnologije koje će nam unaprijediti način života. Također iz prikazanih radova
autokataliza se temelji na nekovaletnim interacijama koje omogučuje da se molekule ili
gradivni blokovi približe ili bolje reći zbog komplemetarnosti agregiraju i time stvaraju nove
supramolekularne sustave. Ti možemo graditi različite motive gradivnih blokova samo ako
9
dobro dizajniramo gradivne blokove koristeći znanja iz elemetarne kemije, organske kemiji i
svih drugih grana prirodnih znanosti , a ponajviše potražiti inspiraciju u prirodi.
5. LITERATURA 1 J. W. Steed, J. L. Atwood, Supramolecular chemistry, p. 4-5, Wiley, 2000.
2 O.Gronwald, E. Snip i S. Shinkai, Curr. Opin. Colloid Interface Sci., 7 (2002) 148156
3 C.J. Pedersen, J. Am. Chem. Soc., 89 (1967) 7017–7036.
4 J.A. Joule i K. Mills, Heterocyclic Chemistry, Wiley-VCH, 5th Ed, 2010.
5 E. Busseron, Y. Ruff, E. Moulina i N. Giuseppone, Nanoscale, 5 (2013) 70987140
6 N. M. Sangeetha iU. Maitra, Chem. Soc. Rev.,34 (2005) 821836
7 Yury E. Shapiro, Prog. Polym. Sci. 36 (2011) 1184– 1253
8 A.Terfort i G. von Kiedrowski, Angew. Chem. int. Edn eng., 31 (1992), 654656.
9 G. Ashkenasy, T. M. Hermans, S. Otto i A. F. Taylord, Systems chemistry, Chem. Soc.
Rev., 2017, 46, 25432554.
10 B, Rubinov, N. Wagner, H. Rapaport i G. Ashkenasy, Angew. Chem. Int. Ed. 48 (2009)
66836686.
11 J. M. A. Carnall, C. A. Waudby, A. M. Belenguer, M. C. A. Stuart, J. J.-P. Peyralans i
S.Otto, Science, 327 (2010), 1502.
12 W. Hordijk, J. Hein i M. Steel, Entropy 12, (2010) 17331742.
13 W.Hordijk, BioScience, 63 (2011) 877881.
14 W.Hordijk, J. Theor. Biol. 224 (2004) 451-456.