1.1. ÚVOD - OSOBNÍ POHLED NA VZNIK SUPRAMOLEKULÁRNÍ CHEMIE

1. ZÁKLADNÍ POJMY Ivan Stibor Ústav organické chemie, VŠCHT, Praha, e-mail: [email protected] Obsah 1.1. Úvod – osobní pohled na vznik supramolekulární chemie 1.2. Historie doložitelná 1.3. Základní principy 1.4. Mezimolekulární interakce 1.5. R.MacKinnon a P.Agre: Iontové a vodní kanály – Nobelova cena za chemii 2003 1.6. Závěr 1.7. Literatura 1.1. ÚVOD - OSOBNÍ POHLED NA VZNIK SUPRAMOLEKULÁRNÍ CHEMIE Interpretací vzniku i existence supramolekulární chemie je mnoho a jsou, mírně řečeno, velmi různorodé. Nelze začít jinak než logicky bezchybnými definicemi obou „Nobelistů“ (D. J. Cram a J.-M.Lehn), první vytváří a důsledně dodržuje koncept „host-guest chemistry“ druhý stejně důsledně koncept „supramolecular chemistry“. K těmto dvěma výrazným osobnostem budiž po pravdě řečeno, že se s malou nadsázkou osobně setkali pouze na ceremonii udělování Nobelovy ceny. Jinak se oba velmi důsledně vyhýbali jakémukoliv přímému kontaktu včetně odborných setkaní všeho druhu. Jejich organizátoři dobře věděli, že „buď můžete mít Lehna, nebo Crama, toho prvního snadněji, neboť mu cestování méně vadí“. Jiného „Nobelistu“, Vlado Preloga - našeho (VŠCHT) slavného „alumni“ uctím vzpomínkou na jeho mimochodem pronesenou větu:„a Cram mi řekl, že na to nasadil 20 PhD studentů a postdoků, abych toho raději nechal“, která charakterizuje mnohdy velmi komplikované mezilidské vztahy těchto vědeckých velikánů. V.Prelog přesto zanechal nesmazatelnou stopu v oboru, byť pouze s jedním spolupracovníkem. Za všechny kritiky pojmu supramolekulární chemie jmenuji dva. Nejprve vždy noblesního Rudolfa Zahradníka, který mi v diskusi na zcela jiné téma přátelsky řekl: „jen ten váš nešťastný termín supramolekulární chemie“. Razantní kritiky nechť reprezentuje Carlo Floriani, pověstný tím, že na začátku své vždy vynikající přednášky těžce urazil pokud možno všechny své hostitele. Ten supramolekulární chemiky nazval přiléhavým „cartoon-makers“ a při žádné příležitosti si neodpustil zdůraznit, že ON je jiný, protože ON nedělá sloučeniny pro krásu jejich obrázku. ON si staví vysoké cíle, JEHO preparace se dělají s desítkami gramů „bez chromatografie“ a výtěžky v JEHO publikacích jsou preparativní, JEHO komplexy mají vždy doloženou strukturu (minimálně krystalografie) i funkci.... a měl pravdu. Má osobní náklonnost pro supramolekulární chemii prudce vzrostla v okamžiku, kdy naproti sedící J.-M.Lehn (JML), zde ve „staré budově“ ÚOCHB potvrdil Jiřímu Závadovi, že by o jednoho přestárlého postdoka z Prahy měl zájem a že je ochoten i počkat až ho „prokádrují“. Slovo dělá muže, přestože to čekání se protáhlo na 2,5 roku. Jednoho dne jsem ale po úspěšném absolvování celodenního testování, zda má „psyché“ vydrží roční nápor kapitalismu (a razantním zákroku ředitele ÚOCHB Martínka) mohl zavolat do Štrasburku a vykoktat, že mohu přijet zítra. Přijeď, zaznělo z telefonu, a tak se stalo, že jsem se v srpnu 1987 ocitl v laboratořích JML, kde v tu dobu na celé Univerzitě L.Pasteura byli přítomni pouze dva – JML (do práce nechodí pouze 25.12. dopoledne) a já. Důvod byl prostý: ve Francii jsou v srpnu „vacance“, což ví každý. Nicméně načasování bylo přesto bezchybné, neboť za šest neděl přišla zpráva ze Stockholmu, že JML má Nobelovu cenu. Následující měsíc prošla jeho 1

laboratořemi celá plejáda supramolekulárních celebrit (vedle novinářů, televizních reportérů a mnoha chemických „hochštaplerů“) a ukázalo se, že se sklenkou “Vin d´Alsace“ v ruce lze navázat cenné známosti. Vzhledem k této celkem slušné znalosti osob, které udávaly tón při vzniku supramolekulární chemie, dovolím si nabídnout vlastní interpretaci vzniku tohoto oboru. Supramolekulární chemie vznikla, protože pro její vznik nastaly vhodné podmínky. Strukturní analýza (a zvláště NMR techniky) dovolila nahlédnout do struktury řady zajímavých funkčních sloučenin – například ionoforů. V téže době Charles Pedersen, typický syntetik-šťoura (kterého málo zajímá produkt vzniklý ve výtěžku přes 90 %, ale celou svoji erudici napře na oněch 0,4 % krystalů, které vznikly také), nabídl po téměř pětiletém firemním výzkumu (když u firmy DuPont patrně již zjistili, že tento objev lidstvo nespasí) krystalicky průhlednou strukturu crownetherů i jejich komplexů. Koncepci, že do malé díry se vejde malý kulatý ion a do velké zase velký, pochopí každé malé dítě, bez ohledu na to, že to v naprosté většině případů tak není. O OH OTHP

+

Cl

Cl O

O

O

1. NaOH, nBuOH

OTHP THPO

2. H+ , H2O

OH

O O

O Na+

OH

O

O O 0,4 % krystaly

Schéma 1.1. Pedersenova nechtěná syntéza prvního crownetheru Cramovy i Lehnovy ligandy, komplexující kationty z výsledků Pedersena nepochybně vycházejí. Dnes po létech lze říci, že se původní naděje vkládané do této nové skupiny látek naprosto nesplnily. Neexistuje žádná „velká aplikace“ crownetherů (včetně těch chirálních), kryptandů, sferandů a karcerandů. Tyto a jiné sloučeniny, které představovaly hlavní předmět studia supramolekulárních chemiků, však přinesly to nejpodstatnější – definici a popis obecných principů, které řídí vznik a vlastnosti supermolekul – molekulárních komplexů všech typů. Jednoduchost studovaných sloučenin umožnila tyto zákonitosti nejen definovat, ale i experimentem potvrdit či vyvrátit. To je hlavní zásluha supramolekulární chemie. Nevadí, že naše představy jsou mnohdy naivní a nesprávné, nevadí, že stále žasneme nad dokonalostí přírodou užívaného „molekulárního designu“. Za to, co bylo již uděláno, si supramolekulární chemie zaslouží svoji existenci, přestože je její definice čím dál tím obtížnější. Všichni se ale shodují, že jde o disciplinu mezioborovou. Proto, o co je obtížnější definice supramolekulární chemie, o to jednodušší je definovat nároky na supramolekulárního chemika. Nezbytně by měl být zběhlý v chemii anorganické, organické i fyzikální, nejméně na úrovni renomovaných „Advanced“ učebnic. Měl by mít praktické zkušenosti se syntetickou chemií a schopnost vynalézavě využívat všechny metodiky instrumentální analytické chemie. Upřímně, není mnoho lidí v tomto oboru (včetně autora této kapitoly), kteří by uvedené nároky splňovali – ale existují.

2

1.2. HISTORIE DOLOŽITELNÁ V tomto okamžiku považuji za vhodné probrat a komentovat jednotlivé historicky doložitelné body, které formovaly vznik a vývoj supramolekulární chemie. 1810 – Sir Humphrey Davy – objev hydrátu chloru 1823 – Michael Faraday – vzorec hydrátu chloru 1841 – C. Schafhäutl – interkaláty grafitu 1891 – Villiers a Hebd – cyklodextrin a jeho inkluzní sloučeniny Všechny shora uvedené příklady spadají typicky mezi molekulární komplexy. Tato pozorování však předběhla dobu – nebyly k disposici prostředky, které by dovolovaly strukturně i funkčně popsat tyto zajímavé sloučeniny. 1893 – Alfred Werner – koordinační chemie Nepochybně zcela ojedinělý intelektuální výkon, který zobecnil zákonitosti vzniku koordinačních sloučenin včetně jejich optické aktivity. Dodnes nese koordinační chemie odkaz svého objevitele – soustřeďuje se především na centrální ion(ty) kovu a málo se zabývá povahou a strukturou obvykle organických ligandů okolo. 1894 – Emil Fischer – koncepce zámku a klíče (lock and key) 1906 – Paul Ehrlich – zavádí pojem receptor Dva pohledy z „jiné strany“ – zavádí se pojem receptor jako výsledek poznání, že „bez vazby není účinek“, dále se zavádí princip geometrické (velikost a tvar) komplementarity. Tím byl položen základ molekulárního rozpoznání. 1937 – K.L.Wolf – termín „Űbermolekűle“ (např. dimer kyseliny octové) 1948 – H.M.Powell – zavádí termín klathrát jako sloučeninu, kde jedna komponenta je obsažena ve struktuře druhé komponenty. 1953 – Watson a Crick – struktura DNA Poznání struktury DNA má dodnes zásadní vliv – jde o vysoce organizovanou a funkční supramolekulární strukturu, navíc polymerní, složenou z velmi omezeného množství stavebních jednotek. Není lepší příklad na funkci a význam vodíkových vazeb. 1956 – D.Crowfoot Hodgkin – krystalová struktura vitaminu B12 Vedle nepochybného významu poznání struktury fyziologicky významného komplexu se ukázalo, že krystalovou strukturu lze vyřešit i u velmi komplikované sloučeniny. Krystalografické metody se tak stanou významnou a mnohdy nenahraditelnou metodikou při poznávání struktury a funkce složitých supramolekulárních biomolekul. 1961 – N.F.Curtis – první makrocyklická Schiffova báze 1967 – C. Pedersen – crownethery 1968 – Park a Simmonds – katapinandy, ligandy pro anionty 1969 – J.-M.Lehn – syntéza prvního kryptandu 1969 – J.L.Atwood – kapalné klathráty alkylaluminiových solí 1973 – D.J.Cram –„Host-Guest Chemistry“, sferandy testující koncept předorganizace 1978 – J.-M.Lehn – zavádí termín supramolekulární chemie jako chemie nadmolekulárních struktur a mezimolekulárních vazeb 1979 – Gokel a Okahara – zavádí lariat ethery, jako podskupinu crownetherů 1981 – Vögtle a Weber - podandy a jejich nomenklatura 1987 – Cram, Lehn, Pedersen – Nobelova cena 1996 – Atwood, Davies, MacNicol, Vögtle – Comprehensive Supramolecular Chemistry – representativní dílo, charakterizující stav oboru. Druhé vydání se připravuje. 2003 – P.Agre a R.MacKinnon – Nobelova cena – struktura a funkce vodních i iontových buněčných kanálů

3

1.3. ZÁKLADNÍ PRINCIPY Ze základních principů supramolekulární chemie se zmíním pouze o těch nejdůležitějších. Dříve, než tak učiním, je třeba po pravdě přiznat, že zvláště první princip – chelátový efekt – pochází z hlubokého chemického dávnověku. Je spojen s koordinační chemií, která má velmi dlouhou historii a tradičně „patří“ do anorganické chemie. Považuji za nezbytné o této vědní disciplině něco říci a využívám k tomu text z pera člověka nejpovolanějšího (F. Jursík: Anorganická chemie kovů, skripta VŠCHT, 2002, kapitola 3). 1.3.1. O koordinační chemii a jejím vztahu k chemii supramolekulární. Interakce Lewisových kyselin a bází je obecným principem vysvětlujícím donor-akceptorové vazby v chemii nekovů i kovů. V té druhé oblasti, a zvláště u přechodných kovů, je tak typická, že sklon atomů těchto prvků k přijetí elektronové dvojice jde tak daleko, že kationty přechodných kovů jsou ve vodném roztoku i pevné fázi obsaženy v podobě koordinačních sloučenin – aquakomplexů. Tak například v hydratovaném síranu železnatém FeSO4. .6H2O je přítomen kation železa ve formě hexaaquaželeznatého kationtu s koordinovanými molekulami vody. 2 H2O H2O 2

Fe

6 H2O

Fe

H2O

H2O H2O

H2O

Schéma 1.2. Snadná tvorba koordinačních sloučenin kationtů přechodných kovů Koordinačních sloučenin je známo právě díky shora uvedené vlastnosti velmi mnoho a mají často výrazné zabarvení, které závisí na centrálním atomu (Lewisově kyselině) i ligandech, (Lewisových bázích) které ho obklopují. Termín ligand tak má v tomto oboru tradiční a velmi dobře „zabydlené“ místo, z čehož vzniká řada nedorozumění při používání tohoto termínu v jiných oborech (supramolekulární chemie, biochemie, bioorganická chemie). Vznik velkého množství často výrazně barevných a stálých sloučenin vyvolal snahu o nalezení teorie, která by tato experimentální pozorování vysvětlovala. Nejprve vznikla tak zvaná katenační teorie, inspirovaná katenačními schopnostmi atomu uhlíku. Ta nebyla schopna podat uspokojivý výklad o prostorové stavbě koordinačních sloučenin a zcela selhala při posuzování povahy isomerie. Zásadní obrat přinesl až Alfred Werner, který ve svých 27 letech vypracoval dodnes platnou koordinační teorii – psal se rok 1893. Tato teorie je výjimečná i svým vznikem, který její autor popisuje takto: „ve dvě hodiny ráno přišla inspirace jako blesk, vstal a začal jsem a v pět hodin odpoledne téhož dne byla jeho teorie v hlavních rysech hotova“. Werner pochopil, že konečný důkaz o správnosti své teorie nalezne ve studiu stereochemie koordinačních sloučenin. Byl také první, kdo vytušil, že isomerie není vázána pouze na uhlíkový atom. Uvědomme si, že to bylo pouze 19 let od první zprávy o tetraedrickém uspořádání vazeb okolo atomu uhlíku (J.H.van´t Hoff – 22 let). Principy Wernerovy teorie koordinačních sloučenin lze shrnout do tří bodů: 1. Většina prvků vytváří dva typy vazeb: hlavní (jejich počet odpovídá oxidačnímu číslu) a vedlejší (jejich počet odpovídá koordinačnímu číslu). 2. Každý prvek se snaží nasytit oba typy vazeb. 3. Vedlejší vazby jsou určitým způsobem orientovány v prostoru.

4

Dnešní koordinační chemie je velmi dobře propracovaná a zabývá se jak centrálními atomy, tak ligandy i jejich vzájemnou interakcí. Cílem je samozřejmě porozumět a předpovědět strukturu a funkci koordinačních sloučenin. Pokud jde o ligandy – koordinační chemie akceptovala pojem „chelát“ pro sloučeniny s vícevaznými ligandy, velmi často jsou studovány i mimořádně důležité můstkové ligandy – které jsou v oboru supramolekulární chemie stále spíše výjimkou. Jednou z charakteristických vlastností koordinačních sloučenin, která nemá co do rozsahu v chemii obdoby, je isomerie mnoha typů, které se mohou v komplexech uplatňovat jednotlivě, případně i v kombinacích. Tuto skutečnost by každý supramolekulární chemik měl mít neustále na paměti, protože není jediného důvodu, proč by v supramolekulárních komplexech neměly existovat stejné typy isomerie jako v komplexech koordinačních. U koordinačních sloučenin lze doložit tyto typy isomerie: geometrická, optická, ionizační, hydrátová, koordinační a vazebná. Budeme je dále ilustrovat na příkladech konkrétních sloučenin. - geometrická NO2 Cl

NH3

Br Pd N

NH3

Br

Pd

NH3

N

Cl

NH3

trans

cis

Rh

NO2 NH3

NH3

NO2

NO2

NO2

mer

Rh

NH3 NO2

NH3

fac

Obr. 1.1. Geometrická isomerie koordinačních sloučenin - optická NH3

NH3 NH3

Cl

Cl

Cl

Cl

Pt

Pt

NO2

NH3 NO2

NO2

NO2

Obr. 1.2. Optická isomerie koordinačních sloučenin - ionizační

(její vysvětlení následujícími vzorci nevyžaduje komentář) [Co(NH3)5Br] SO4 [Co(NH3)5SO4]Br

- hydrátová

(jde o zvláštní případ shora uvedené) Cr3Cl . 6 H2O = [Cr(H2O)4Cl2]Cl.2H2O ve vodném roztoku [Cr(H2O)5Cl]Cl2.H2O

- koordinační Její podstata vychází z možnosti měnit rozdělení ligandů mezi dva centrální atomy – týká se sloučenin s komplexním kationtem i aniontem a také vícejaderných komplexů, například: [Co(NH3)6] [Cr(CN)6] a [Cr(NH3)6] [Co(CN)6] nebo (v tomto případě často nazývaná „polohová“)

5

NH3 NH3

H O

Co

NH3

NH3

NH3 Cl

NH3

Cl

NH3

Co O

NH3

H

O

Co

Cl NH3

Co

H

polohové

NH3

O NH3

NH3

H

Cl

Obr. 1.3. Koordinační isomerie koordinačních sloučenin - vazebná - (její vysvětlení následujícími vzorci nevyžaduje komentář) 2

2 (NH3)5 Co

N

(NH3)5 Co

O

O

N O

O

Obr. 1.4. Vazebná isomerie koordinačních sloučenin Obecně lze jistě říci, že čím složitější strukturu mají ligandy a centrální atom (zde myslíme na vícejaderné komplexy), tím větší spektrum isomerie musíme pro každý komplex uvažovat. Nástin vazeb v koordinačních sloučeninách Již od okamžiku, kdy bylo zřejmé, že jednoduché sloučeniny přechodných kovů mají dostatek kapacity pro přijetí elektronových párů od donorových atomů a tím k tvorbě koordinačních sloučenin, bylo vynakládáno mimořádné úsilí směřující k vysvětlení samé podstaty vazby kov ligand. Pokrok přinesla až Lewisova teorie kyselin a bází a zejména poznatky kvantové chemie. Na jejich podkladě bylo vypracováno několik modelů vazby kov ligand, které se svou podstatou neliší (a také nemohou lišit) od těch, které byly vypracovány pro tak zvané kovalentní sloučeniny. Důvod je prostý. Vazby kov ligand, i když jsou donor-akceptorového původu, mají až na výjimky také kovalentní povahu. Podstata je tedy shodná, poměry doprovázející donor-akceptorovou interakci jsou ale složitější. Zásluhu na tom má elektronová struktura přechodných kovů s částečně zaplněnými orbitaly d a f. A tak vazbu kovligand popisují tři teorie (teorie valenčních vazeb, krystalového pole a molekulových orbitalů). Jejich výklad lze nalézt v citovaném skriptu i v kterékoliv učebnici anorganické chemie. Můžeme doufat, že s rozvojem výpočetních metod (hardware i software) se dočkáme situace, kdy vazby všech typů v konkrétních sloučeninách budou „pojednatelné“ těmito metodami, což postaví všechny typy chemie (zde jmenuji zvláště anorganickou, koordinační, organickou, organokovou, supramolekulární) na společný základ. To je ale hudba budoucnosti a my se nyní vrátíme zpět k principům supramolekulární chemie. 1.3.2. Chelátový a makrocyklický efekt Chelátový a makrocyklický efekt nejlépe charakterizuje následující obrázek 1.5.

6

NH3 H3N

Ni

H3N

NH2 NH3 NH3

H2N

log K = 8,76 + 3

H2N

NH2

Ni

H2N

NH3

NH2 N2H

+ 6 NH3

NH2

[Ni(NH3)6]2+

[Ni(NH2CH2CH2NH2)3]2+

Obr. 1.5. Pojem chelátový efekt Výměna amoniaku za ethylendiamin probíhá okolo centrálního atomu niklu spontánně a vznikající komplex má o více než osm řádů vyšší stabilitu. Tento jev má jen málo výjimek pro komplexy v roztoku a nazýváme ho chelátový efekt. Jeho existence a vysvětlení však zdaleka není bez problémů. Mimo vší pochybnost jde o vliv struktury ligandu (zde ethylendiamin). Jeho vhodná struktura maximalizuje konformační i elektrostatický příspěvek ke stabilitě komplexu. Definuje se tak zvaný „úhel skousnutí“ (bite angle), jehož velikost závisí pochopitelně na centrálním atomu kovu. Vzniklý pětičlenný cyklus bývá nejvýhodnější. Šestičlenný kruh, který by vytvořil například 1,3-diaminopropan, je podstatně méně entropicky výhodný, neboť je konformačně volnější. Námitky k definici chelátového efektu jsou v podstatě dvojího druhu. První se týká definice stability komplexu s monodentátním (amoniak) a bidentátním (ethylendiamin) ligandem. Tyto konstanty nelze porovnávat (viz dále), neboť nemají ani stejný fyzikální rozměr. Chelátový efekt obvykle mizí, uvažujeme-li shora uvedenou reakci v plynném stavu. Je tedy většinou velmi úzce spjat s rolí rozpouštědla. A právě efekt rozpouštědla se velmi špatně kvantitativně popisuje, neboť nejde o (velmi) zředěné, ale reálné roztoky elektrolytů. Makrocyklický efekt má podobnou povahu, jen je spojen s existencí makrocyklu. I zde nám velmi pomůže obrázek. Dá se říci, že oba komplexy na Obr. 1.6. mají velmi podobné ligandy, charakterizované čtyřmi N-donory oddělenými stejným počtem methylenových skupin. Přesto makrocyklický komplex, který dává donorovým centrům daleko menší konformační volnost, má o čtyři řády vyšší stabilitu – toto zvýšení stability komplexu, spojené se vznikem makrocyklu, nazýváme makrocyklický efekt. V tomto případě mají obě konstanty stability stejný rozměr a lze je tedy přímo srovnávat. V literatuře lze nalézt podobný pojem makrobicyklický efekt, jehož význam je analogický. 2+

NH

2+ NH

HN

M

M NH

HN

NH2

HN

H2 N

M = Zn, Cu

Obr. 1.6. Pojem makrocyklický efekt

7

1.3.3. Předorganizace a komplementarita Aby vůbec k vazbě hostitel – host došlo, musí mít oba alespoň jedno vazebné místo, častěji více vazebných míst. Tyto dvojice vazebných míst – často nazývané párové nebo elementární interakce - musí mít navíc odpovídající elektronický charakter (např. polarita, donor-akceptor vodíkové vazby, tvrdost-měkkost), aby se vzájemně doplňovaly. Donor vodíkové vazby musí interagovat s jejím akceptorem, Lewisova kyselina musí nalézt Lewisovu bázi a vše se musí dít v trojrozměrném prostoru tak, aby vazebná místa hostitele nalezla vazebná místa hosta ve správné a výhodné konformaci pro vytvoření interakce. Když hostitel vyhoví všem těmto kriteriím, říkáme, že je komplementární s hostem. Jestliže navíc hostitel při tvorbě komplexu nemění svoji konformaci v daném prostředí – host k němu elektronicky i tvarově přesně „padne“ – hovoříme o předorganizaci hostitele. Oba tyto pojmy byly odvozeny pro případy, kdy hostitel je složitá organická molekula a host je jednoduchý geometrický útvar (například sférický ion), jehož předorganizace je nemožná. Nahlížíme-li na věc obecně, pak libovolná interakce dvou a více částic musí vyhovovat stejným principům. Často těžko rozhodneme, kdo je hostitel a kdo host. V takovém případě platí pojem komplementarita a předorganizace stejně pro obě interagující částice. Předpokládáme-li pro jednoduchost, že celý děj vzniku komplexu se odbývá v nekonečném zředění v plynném stavu (zanedbáváme interakce částic navzájem i interakce s rozpouštědlem), můžeme celý děj rozdělit zhruba na dva, často souběžně probíhající děje. Nejprve dojde ke změně konformace, kdy se intermolekulární interakce musí změnit natolik, aby vazebná místa byla ve správných posicích a orientacích pro vytvoření párových interakcí s druhou částicí. Toto je energeticky nevýhodný proces a předpokládáme-li pevný, stálý komplex, dodanou energii nikdy nezískáme zpět. Druhou částí je vytvoření komplexu pomocí řady vzniklých párových interakcí. Tato část je energeticky výhodná, protože dochází k enthalpické stabilizaci komplementárních vazebných míst. Celková energie vzniku komplexu je pak sumou energeticky nevýhodné a výhodné části. Částice dobře předorganizované mají první, nevýhodnou část minimální. Předorganizace má významný vliv na kinetiku tvorby komplexu. Silně předorganizované struktury bývají obvykle velmi rigidní. Jako takové mají obvykle potíže při vlastním procesu komplexace, který je charakterizován aktivační energií, jako jakýkoliv jiný proces. Ta v tomto případě bývá vysoká a v důsledku toho je tvorba komplexu pomalá. To platí stejně o rozpadu komplexu. Konformačně flexibilní částice zaujmou postavení tranzitního stavu komplexace snadno, aktivační energie tohoto procesu je malá a tvorba i rozpad takových komplexů je rychlé. Vliv solvatace je sice složitý, ale platí jednoduché pravidlo, že efekt předorganizace bývá v roztoku zvýrazněn, neboť solvatace volné částice bývá větší než solvatace vytvořeného komplexu, kdy jsou obě částice „zabaleny do sebe“. Rozpouštědlo tedy obvykle zvýší energetickou náročnost prvního nevýhodného kroku, kdy se vazebná místa reorganizují do komplementárního stavu. Předorganizovaná částice má tuto nevýhodnou část minimalizovanou a tím i její zvýšení solvatací nemá významný efekt. Následující obrázek ilustruje jev předorganizace dvěma v supramolekulární chemii klasickými příklady – Pedersenův crownether a Cramův sferand.

8

O O

O O

O

O

O

O

sferand (Cram)

O

O

O O

[18]crown-6 (Pedersen)

Obr. 1.7. Vliv předorganizace na selektivitu a stabilitu vzniklého komplexu Obou typů sloučenin bylo připraveno velké množství. Obecně se crownethery řadí k makrocyklům, které jsou flexibilní a mohou – zvláště ty větší – zaujmout množství energeticky téměř ekvivalentních konformací. Tvoří-li se komplex s kationtem, volné elektronové páry kyslíků se musí zreorganizovat tak, aby v maximální možné míře obklopily sférický kation. To například v polárním prostředí představuje velmi energeticky náročný proces, protože v tomto prostředí je volný crownether právě v „opačné konformaci“, kdy elektronegativní atomy kyslíku jsou obráceny do rozpouštědla, kde jsou velmi dobře solvatovány a hydrofobní ethylenové můstky mají tendenci maximálním přiblížením minimalizovat interakci s polárním prostředím. Proto stability komplexů crownetherů s kationty jsou v polárním prostředí mnohonásobně (o mnoho řádů) menší, než v prostředí nepolárním. Tento efekt je tím větší, čím je crownether flexibilnější (větší). V případě sferandů je situace opačná. Struktura sferandu je navržena tak, že šest methoxylových skupin se do centrální kavity nevejde a vzniká tak velmi rigidní konformace volného ligandu, charakteristická střídavě vytočenými benzenovými jádry. Tak vznikne trojrozměrná kavita mezi šesti methoxylovými skupina, jejíž rozměry přesně vyhovují iontovému poloměru lithného kationtu, méně přesně sodného kationtu a vůbec nevyhovují draselnému kationtu. To způsobuje, že rozdíl v selektivitě mezi předorganizovaným sferandem a flexibilním crown-etherem může dosáhnout až 1010. 1.3.4. Kinetická a termodynamická selektivita Cílem návrhu struktury ligandů (hostitelů) bývá často dosažení selektivity. Snažíme se často navrhnout strukturu, která by byla schopna rozlišit mezi mnoha substráty (hosty). To platí pro syntetické molekuly stejně jako pro biologicky významné receptory. Tak například ion železa v hemoglobinu je komplexován součinně koenzymem i bílkovinou tak, aby jeho afinita ke kyslíku i oxidu uhličitému ležela v takových mezích, které jsou pro biologickou funkci nezbytné. Navíc tato funkce nesmí být porušena přítomností přebytku dusíku. Jiný příklad selektivity uvidíme v druhé části této kapitoly o iontových a vodních buněčných kanálech. Takto jemně laděné selektivity nebylo ještě pro syntetické ligandy dosaženo. Přesto je vhodné dosaženou selektivitu nějakým kvantitativním způsobem charakterizovat. Afinitu hostitele k určitému hostu charakterizujeme konstantou stability vzniklého komplexu (binding constant), která reprezentuje rovnovážnou konstantu rovnice tvorby komplexu.

9

[hostitel . host]

[hostitel] + [host]

(1.1.)

Otázce stanovení stability komplexu pomocí nejrůznějších metod bude věnována samostatná přednáška v druhé části tohoto kurzu. Nicméně, tato forma selektivity – termodynamická selektivita - je nejběžnější a dá se docílit často obtížným, ale obvykle úspěšným molekulárním designem struktury ligandu (hostitele) pro daného hosta. Využívá se přitom shora uvedených principů a pokud možno detailní znalosti struktury a povahy vazebných míst u hosta. Vedle toho ale existuje jiný typ selektivity. V tom případě nám nejde o to, jak stabilní komplex vznikne, ale jak rychle tento komplex vzniká. Již bylo shora uvedeno, že rychlost vzniku komplexu závisí na předorganizaci. Vedle toho závisí na mnoha dalších faktorech. V přírodě řada enzymů katalyzuje nejrůznější reakce tím, že stabilizuje jejich tranzitní stav. Enzym přitom vytvoří s výchozí látkou reakce málo stálý, ale rychle vznikající komplex, ve kterém stabilizuje takovou strukturu výchozí látky, která je blízká její struktuře v tranzitnímu stavu katalyzované reakce. Tím dojde k zásadnímu snížení aktivační energie reakce, což je projevem katalýzy. V tomto procesu naprosto nevadí, že termodynamická stabilita vznikajícího komplexu je malá – důležité je, že pro danou výchozí látku vzniká tento komplex rychle a pro všechny ostatní pomalu. Tomuto jevu říkáme kinetická selektivita, která má velký význam v katalýze, konstrukci čidel a senzorů i transportních jevech obecně. Molekulární design látek – ligandů, vykazujících kinetickou selektivitu, je velmi obtížný, neboť na rozdíl od termodynamické selektivity je jeho nezbytným předpokladem detailní znalost mechanismu celého děje. V naprosté většině případů se dodnes pracuje metodou analogie se známými případy, nebo metodou pokus-omyl. 1.4 . MEZIMOLEKULÁRNÍ INTERAKCE Supramolekulární chemie se v podstatě zabývá tak zvanými nevazebnými interakcemi. Již z toho, co je známo z koordinační chemie, je zřejmé, že je to velké zjednodušení. Přesto je výhodné ve stručnosti pojednat o interakcích, které v supramolekulární chemii hrají významnou roli. Tato část je v podstatě zkráceným textem kapitoly 5 ze skripta Molekulární design (Stibor, Lhoták; skriptum VŠCHT Praha, 1997). Díky mnohočetnému výskytu různých slabých interakcí mezi dvěma interagujícími molekulami dochází ke sčítání jejich celkového účinku, který pak může být dokonce významnější, než by tomu bylo s využitím klasické vazby. Tato vlastnost těchto interakcí se

H

B

C

H

A

B

C

b a

E

e

F

E

a)

D

f

F b)

A b a

c

G D

B

C

b a

G D

H

A

G

d e

E

f

F c)

Obr. 1.8. Aditivita slabých interakcí označuje termínem princip aditivity, který je schematicky znázorněn na obrázku 1.8. Je zřejmé, že interakce mezi hostitelem H a hostem G zachycená na obrázku a) je méně příhodná ke vzniku pevného intermolekulárního komplexu, než situace b) nebo c), přičemž rozdíl spočívá v četnosti vzájemných interakcí. Předpokladem je samozřejmě vzájemná komplementarita interagujících vazebných center, pokud jde o charakter slabých sil a jejich 10

geometrické (prostorové) uspořádání. Matematicky můžeme tuto situaci popsat pomocí aditivních volných energií individuálních interakcí GHG = ∆GAa + ∆GBb + ∆GCc + ∆GDd + ..... popřípadě pomocí individuálních konstant stability. KHG = ΚAa . ΚBb . ΚCc . ΚDd ..... Tato vlastnost umožňuje za určitých okolností určit kvantitativně příspěvek jednotlivé slabé interakce k celkovému procesu komplexace. H.-J.Schneider, profesor na universitě v Saarbrückenu publikoval na toto téma řadu mimořádně zajímavých prací a o podobnou věc u interakce peptidů a bílkovin se pokusil Dudley Williams z Oxfordu. Výsledky prvního z nich lze nalézt na jeho www stránkách (http://www.uni-saarland.de/fak8/schneider/), u druhého je nutno odkázat na přehlednou a původní literaturu. Na základě modelových látek můžeme dojít k lepšímu pochopení mezimolekulárních interakcí a pravidel, kterými se řídí molekulární rozpoznání. Obecně přijaté dělení podle mechanismu jejich vzniku rozpoznává čtyři základní druhy nevazebných intermolekulárních interakcí: - elektrostatické interakce - induktivní síly - disperzní síly - donor-akceptorové interakce 1.4.1. Elektrostatické interakce Pravděpodobně nejjednoduššími nevazebnými silami z hlediska pochopení mechanismu jejich vzniku jsou elektrostatické síly, uplatňující se při vzájemných interakcích nabitých částic, popř. částic vykazujících permanentní dipólmoment (látky s nesymetrickým rozložením elektronové hustoty), popř. kvadrupól. Při jejich popisu je možné vyjít z geometrické představy znázorňující jednotlivé typy interakcí: ion-ion interakce si lze geometricky přiblížit jako „bod-bod“ interakci

Obr. 1.9. Ion-ion interakce

11

ion-dipól interakce představuje „bod-vektor“ interakci,

Obr. 1.10. Ion-dipól interakce interakce mezi dvěma dipóly pak reprezentuje „vektor-vektor“ interakci

Obr. 1.11. Dipól-dipól interakce Pokud jde o velikost výše zmíněných sil, je zřejmé, že nejsilnější vzájemná interakce bude u dvou bodových nábojů e1 a e2, kde je síla interakce F dána vzorcem: ee F=− 1 2 2 , 4π ε0 r přičemž ε0 představuje permitivitu prostředí a r je vzdálenost obou interagujících částic. Elektrostatické síly mezi dvěma náboji se někdy také označují jako coulombické síly a jejich doménou je anorganická, popř. koordinační chemie – tedy velmi zhruba řečeno chemie iontových látek. Jejich význam z hlediska molekulárního designu spočívá hlavně v "host-guest" chemii iontových látek, jako je např. komplexace kationtů či aniontů. Jsou mezi elektrostatickými silami jedinými, kde nezáleží na vzájemné geometrii interagujících částic isotropní interakce. Pro sílu ion-dipólové nebo dipól-dipólové interakce lze odvodit podobný vztah, kde ovšem vzdálenost r vystupuje jako r-5, popřípadě r-7, takže obě zmíněné interakce jsou mnohem kratšího dosahu než coulombické síly. Přesto však zvláště dipól-dipólové interakce (známé také jako Keesonovy síly) tvoří rozhodující složku intermolekulárních interakcí polárních organických látek. Z dalších je možné připomenout ještě interakci ion-kvadrupól, tvořící hlavní složku tzv. kation-π interakcí u aromátů (viz dále).

1.4.2. Induktivní síly Přiblížením molekuly s permanentním dipólem k neutrální částici dochází k vybuzení dipólu v neutrální molekule a tím i ke vzniku atraktivních sil mezi oběma částicemi (Obr. 1.12). Výsledné síly (někdy označované jako Debyeovy síly) jsou úměrné vzdálenosti r-7 a přímo závisí na velikosti dipólmomentu a polarizovatelnosti neutrální molekuly. Některými autory jsou induktivní interakce zařazovány mezi tzv. van der Waalsovy síly (viz dále).

12

δ−

δ+ δ+

δ−

Obr. 1.12. Vznik induktivní interakce mezi permanentním dipólem a neutrální částicí 1.4.3. Disperzní síly U látek bez permanentního dipólu nebo náboje jsou nejdůležitějšími interakcemi síly disperzní, někdy označované také jako síly Londonovy nebo van der Waalsovy, které jsou zodpovědné například za uspořádání molekul v krystalové mřížce nebo za interakce mezi nepolárními molekulami (díky nim je možné třeba zkapalňování alkanů nebo vzácných plynů). Podstatou těchto sil jsou interakce mezi indukovanými dipóly (multipóly) v jinak nepolárních látkách vznikajících při pohybu elektronů na orbitálních drahách. Jak je vidět z obrázku, vznik takového časově omezeného dipólu v jedné molekule vede k indukování podobného dipólu v molekule sousední, a tím i ke vzniku atraktivních sil.

Obr 1.13. Vznik disperzních přitažlivých sil v neutrálních částicích Disperzní síly ovšem nejsou pouze silami přitažlivými, ale i odpudivými. Přiblíží-li se dvě neutrální molekuly příliš blízko k sobě, jejich elektronové oblaky se začnou odpuzovat, takže zcela převládnou síly odpudivé. Jejich dosah je tedy mnohem kratší (jsou úměrné r-12) než přitažlivé složky (závislost na r-6) disperzních sil. Rovnováha těchto sil je velmi důležitá při uspořádání molekul v krystalové mřížce a také v "host-guest" chemii, protože jsou to právě odpudivé a přitažlivé disperzní síly (van der Waalsovy síly), které definují tvar a konformaci molekul. Grafické vyjádření závislosti disperzních sil na meziatomové vzdálenosti ilustruje obrázek 1.14.

13

Obr. 1.14. Vztah mezi energií a vzdáleností r dvou neutrálních částic

1.4.4. Donor-akceptorové interakce Vazba nemusí vznikat vždy jen spárováním elektronů ze dvou různých atomů, ale někdy je možné, že oba elektrony poskytuje pouze jedna z interagujících částic (donor), zatímco druhá částice působí jako jejich příjemce (akceptor). Pro tento případ je užíván název donor-akceptorová, dativní nebo koordinační vazba. Obvykle je donorem látka obsahující volné (nevazebné) elektronové páry a akceptorem částice s prázdným molekulovým orbitalem. Klasifikace donorů a akceptorů. Jak bylo již předesláno u koordinačních sloučenin, lze z hlediska Lewisovy teorie kyselin a zásad všechny donory označit za Lewisovy báze a akceptory za Lewisovy kyseliny, proto na vznik donor-akceptorových komplexů lze pohlížet jako na acidobazický děj. V případě interakce protonu s amoniakem dochází ke vzniku amonného kationtu NH4+, o kterém je známo, že všechny vazby N-H jsou rovnocenné, takže donor-akceptorová interakce přechází vlastně v normální kovalentní vazbu. Je velmi obtížné předpovědět sílu donor-akceptorové vazby na základě znalosti chemické struktury donoru a akceptoru. Pokusy uspořádat donor-akceptorové komplexy podle síly dativní vazby vyústily až ve vytvoření Pearsonovy teorie „tvrdosti“ a měkkosti“ bází a kyselin. Tyto vlastnosti nemohou být přesně změřeny, je však možné je kvalitativně popsat a vytvořit příslušný klasifikační systém. Byly vytvořeny čtyři skupiny látek: a) Měkké báze. Donorové atomy mají nízkou elektronegativitu a vysokou polarizovatelnost, snadno se oxidují, valenční elektrony nejsou pevně vázány. b) Tvrdé báze. Donorové atomy vykazují vysokou elektronegativitu a nízkou polarizovatelnost, obtížně se oxidují, valenční elektrony jsou silně vázány. c) Měkké kyseliny. Atomy akceptoru jsou velké, mají nízký pozitivní náboj, obsahují nevazebné elektronové páry ve svých valenčních sférách a vykazují vysokou polarizovatelnost a nízkou elektronegativitu. d) Tvrdé kyseliny. Atomy akceptoru jsou malé, mají vysoký pozitivní náboj, neobsahují nevazebné elektronové páry ve svých valenčních sférách a vykazují nízkou polarizovatelnost a vysokou elektronegativitu. Pro klasifikaci kyselin platí empirické pravidlo, že jsou-li stability jejich komplexů s různými donorovými atomy v pořadí: 14

N>>P>As>Sb>Bi;

O>>S>Se>Te;

F>>Cl>Br>I,

pak jsou tyto kyseliny „tvrdé“. Opačná závislost stability komplexů je charakteristická pro „měkké“ kyseliny. Je opět velmi obtížné stanovit přesné pořadí „tvrdosti“ či „měkkosti“ kyselin a zásad. Pro ilustraci, „měkkost“ bází stoupá v řadě ICH3-

> >

Br> NH2 >

ClOH-

FF-,

> >

nebo případně

což ukazuje obecné trendy u analogických derivátů v periodické soustavě. Základem celé koncepce je postulát, že „stejné má rádo stejné“, tedy tvrdé báze (donory) upřednostňují reakce s tvrdými kyselinami (akceptory), zatímco měkké báze preferují měkké kyseliny. Tato koncepce neříká nic o skutečné síle kyseliny či zásady, ale hovoří o tom, že silný komplex vznikne interakcí D a A, pokud jsou obě částice měkké nebo tvrdé. Samotná Pearsonova koncepce nevychází z teorie, ale je založena na analýze velkého množství experimentálních dat. Teoretické vysvětlení výše zmíněných skutečností přinesla tzv. teorie hraničních orbitalů (Fukui). Tato teorie zjednodušeně říká, že za reaktivitu organických látek jsou obvykle odpovědné dva druhy orbitalů - HOMO (highest occupied molecular orbital) a LUMO (lowest unoccupied molecular orbital). Pro energii získanou překryvem orbitalů dvou interagujících molekul lze napsat následující rovnici, kde první člen vyjadřuje coulombický příspěvek, zatímco druhý člen představuje energetický příspěvek hraničních orbitalů: 2( c Nu c El β ) Q Q ∆E = − Nu El + , E HOMO ( Nu ) − E LUMO ( El ) εr R 2

kde

QNu, QEl = celkové náboje na molekule nukleofilu, popř. elektrofilu εr = lokální relativní permitivita R = vzdálenost mezi interagujícími částicemi cNu, cEl = koeficienty příslušných orbitalů β = rezonanční integrál E HOMO ( Nu ) − E LUMO ( El ) = energetický rozdíl hraničních orbitalů

Na obrázku 1.15.a) je zobrazena interakce HOMO-LUMO orbitalů, vedoucí k vytvoření kovalentní vazby a tím i energetickému zisku E1. Podobná interakce jiných než hraničních orbitalů je spojena s mnohem menším energetickým ziskem (E2 na Obr. 1.15.b), takže jejich vliv lze skutečně zanedbat. Na obrázku 1.15.c) je pak znázorněna situace, kdy HOMO a LUMO jsou energeticky velmi vzdáleny, takže vznikající vazba je velmi silná a vykazuje spíše iontovou povahu. Podle charakteru hraničních orbitalů lze rozdělit elektrofily popř. nukleofily na měkké a tvrdé: Tvrdé nukleofily mají HOMO o nízké energii a obvykle nesou záporný náboj. Tvrdé elektrofily mají LUMO o vysoké energii a obvykle mají kladný náboj. Měkké nukleofily mají HOMO o vysoké energii a nemusí mít záporný náboj. Měkké elektrofily mají LUMO o nízké energii a nemusí mít kladný náboj. To znamená, že interakce mezi tvrdým nukleofilem a tvrdým elektrofilem vede k interakci dvou energeticky vzdálených hraničních orbitalů (situace na Obr. 1.15.c)) a je způsobena převážně coulombickým příspěvkem. Obdobně, reakce mezi měkkým elektrofilem a

15

nukleofilem (Obr. 1.15.a)) je umožněna díky velkému energetickému zisku vzniklému interakcí dvou energeticky rovnocenných hraničních orbitalů (kovalentní povaha vazby).

Obr. 1.15. HOMO-LUMO interakce Spektrální důkaz slabých donor-akceptorových komplexů Při vzniku donor-akceptorového komplexu dochází k přesunu elektronové hustoty z donoru na akceptor. Proto jsou tyto komplexy také někdy nazývány charge-transfer komplexy (tento název je obvykle vyhrazen pouze pro slabé, „tzv. molekulární“ komplexy, někdy se používá také termín EDA komplex = elektrondonor-akceptorový komplex). Přechod elektronu z obsazeného vazebného orbitalu ψB do antivazebného ψA má za následek vznik nového absorpčního pásu, který není přítomen ve výchozích látkách - charge transfer pás. Právě přítomnost tohoto nového pásu v UV/VIS spektrech směsi donoru a akceptoru spolehlivě indikuje výskyt slabých donor-akceptorových komplexů. Předpokládá se, že geometrie slabých charge-transfer komplexů není v roztoku pevně fixována a pro různé geometrie daného komplexu existují různé excitační energie hνCT. To má za následek „rozmytí“ tvaru CT pásu za vzniku širokých bezvibračních struktur. Příklady intermolekulárních nevazebných sil v reálných prostředích V reálných prostředích působí všechny výše zmíněné nevazebné interakce společně, takže rozlišení a kvantifikace jejich individuálních vlivů jsou mnohdy velmi obtížné. Některé typy interakcí, běžně popisované v literatuře jako speciální druhy mezimolekulárních sil, se ukázaly být „nedělitelnou směsí“ několika základních druhů. Z historických, popř. didaktických důvodů je však výhodné tyto interakce zahrnout do samostatných kapitol. V následujícím textu se tedy budeme věnovat popisu některých, které patří mezi nejvýznamnější složené (komplexní) nevazebné interakce. 1.4.5. Vodíková vazba

Vodíkové vazby představují v organické chemii dlouho známý fenomén odpovědný např. za neobvykle vysoké teploty varu některých látek (např. H2O, NH3, HF). Největší význam ale spočívá v jejich uplatnění v biochemických procesech, kde zásadním způsobem ovlivňují nebo zprostředkovávají životně důležité pochody, jako je párování bází v DNA, zachování sekundární struktury proteinů, činnost bioreceptorů, funkce enzymů a pod. Jejich význam spočívá také v tom, že jejich energie (8-12 kJ.mol-1) odpovídá termálním fluktuacím

16

za fyziologických podmínek, takže mohou být spojeny či rozpojeny za podmínek živých biologických systémů. Vodíková vazba je výsledkem přitažlivých sil, které se objevují mezi donorem X-H, kde vodíkový atom je vázán na silně elektronegativní atom X, a mezi akceptorem A (popřípadě více akceptory), kterým je jiný elektronegativní atom vázaný kovalentně v sousedství skupiny X-H. Elektrony kovalentní vazby H-X jsou posunuty směrem k elektronegativnějšímu atomu X, čímž dochází ke vzniku permanentního dipólu s kladným nábojem na atomu vodíku (Obr. 1.16.).

δ− X

H

δ+

δ− A

δ+ R

Obr. 1.16. Vznik vodíkové vazby podle elektrostatické teorie

Coulombickou interakcí mezi tímto dipólem a akceptorem A, který sám vykazuje zvýšenou elektronovou hustotu, pak může dojít ke vzniku vodíkové vazby, kde je atom vodíku vázán ke dvěma atomům. Tato tzv. elektrostatická teorie H-B vazby je podpořena mnoha experimentálními poznatky, mezi které patří přímý důkaz rozložení elektronové hustoty kolem inkriminovaného vodíkového atomu (neutronová difrakce), anisotropní stínění v 1H NMR spektroskopii nebo spektrální IR charakteristiky H-B vazeb. Často se ovšem zdůrazňuje také jiný fakt, a to směrový charakter vodíkové vazby. Ten je sice v případě H-B vazby méně vyhraněný než u vazby kovalentní, ale i tak je toto zjištění v rozporu s elektrostatickou teorií jejího vzniku. Na obrázku 1.17 je zobrazena typická geometrie vodíkové vazby, kde úhel H...O-X je blízký 120 stupňům, což by odpovídalo zapojení jednoho nevazebného elektronového páru kyslíku do H-B vazby. Dnes přijímaný názor tedy říká, že H-B vazba je tvořena

Obr. 1.17. Typická geometrie silné vodíkové vazby převážně coulombickými silami s příspěvkem dalších slabých interakcí jako např. donor-akceptorových nebo indukčních. Silná a slabá vodíková vazba Jak již bylo naznačeno, nejsilnější vodíková vazba vzniká tehdy, je-li donor X-H velmi elektronegativní atom a zároveň akceptor A vykazuje co nejvyšší elektronovou hustotu. Za těchto podmínek vzniká silná H-B vazba, která může být stejně silná jako kovalentní, lépe řečeno: H-B vazba plynule přechází do vazby kovalentní. Díky tomu, že výsledná vazba je téměř symetrická, nelze prakticky rozpoznat, který z atomů je donorem a který akceptorem. Jako příklad můžeme uvést vodíkovou vazbu v systémech F-H...F-, O-H...O- nebo O+-H...O.

17

Vzdálenost H...A je v těchto případech 120 - 150 pm, přičemž platí, že délka vazby H-X je přibližně stejná jako H...A. Oproti tomu slabé vodíkové vazby, jejichž podstatnou částí jsou elektrostatické interakce, vykazují nesymetrické X-H...A uspořádání, mnohem delší vzdálenost H...A, nízkou směrovost a mnohem nižší vazebnou energii (∆E < 20 kJ mol-1). Hlavní rozdíly mezi silnou a slabou vodíkovou vazbou jsou shrnuty v tabulce 1.1.

Tabulka 1.1. Hlavní rozdíly mezi silnou a slabou vodíkovou vazbou. Vlastnost

Typ vazby Charakter vazeb Délka vazeb Vazebné úhly Vazebná energie IR vibrace

Silná H-B vazba

F-H...FO-H...OO+-H...O pouze dvoucentrové vazby úzké rozmezí H...A je 120-150 pm H...A ≅ X-H Silně směrové X-H...A ≅ 180o > 50 kJ mol-1 < 1600 cm-1

Slabá H-B vazba

X-H...A, kde A je elektronegativní atom dvou, tří a čtyřcentrové vazby široké rozmezí H...A je 150-300 pm H...A > X-H Slabě směrové X-H...A ≅ 160 ± 20o < 20 kJ mol-1 2000-3000 cm-1

Konfigurace vodíkové vazby Vznik vodíkové vazby zásadním způsobem ovlivňuje spektrální a strukturní vlastnosti původní kovalentní vazby X-H, a proto byla těmto látkám věnována značná pozornost. Většina studovaných H-B interakcí patřila ovšem zpočátku mezi silné vodíkové vazby (HF, HCl...) a v souvislosti s tím přežívají dodnes v obecném povědomí některé mylné názory na fenomén vodíkové vazby. Je třeba zdůraznit, že takové vlastnosti, jako je linearita X-H...A vazby, popř. krátká H...A vzdálenost (mnohem menší než je vzdálenost vyplývající z van der Waalsových poloměrů), jsou typické pouze pro silné H-B vazby. U slabých vodíkových vazeb, jichž je ovšem drtivá většina, je situace významně jiná. Typický úhel mezi X-H...A se pohybuje kolem 165o, což je hodnota konzistentní s teoretickou kalkulací na bázi ab-initio výpočtů. Neutronová difrakce společně s přesnou Xray difrakcí potvrdily, že v krystalových strukturách je velmi častý strukturní motiv představující vazbu vodíku se třemi elektronegativními atomy najednou, přičemž s jedním z nich se jedná o vazbu kovalentní. Například u aminokyselin může donorová skupina -NH3+ poskytnout tři vodíkové atomy, avšak akceptor - COO- může pojmout čtyři vodíkové vazby (po dvou ke každému atomu kyslíku). Analýza neutronových dat aminokyselin ukázala, že většina H-B vazeb mezi skupinami obojetného iontu (46 ze 64 zaznamenaných) má třícentrový charakter. V tabulce 1.2. jsou shrnuty některé typy látek a zastoupení třícentrových vodíkových vazeb v jejich krystalických strukturách. Bylo prokázáno, že existují dokonce čtyřcentrové vodíkové vazby, jejich četnost je ovšem podstatně nižší - rozborem 1352 H-B vazeb typu HN...C=O bylo nalezeno 6 takových případů.

18

Tabulka 1.2. Procentuální zastoupení třícentrové vodíkové vazby v celkovém počtu H-B interakcí v krystalickém stavu (neutronová difrakce). Donor

Akceptor

Všechny typy molekul O=C NH+ NH O=C Aminokyseliny O=C NH+ Sacharidy OH -ONukleosidy a nukleotidy (všechny typy H-B vazeb) Barbituráty, puriny, pyrimidiny (všechny typy H-B vazeb)

Celkový počet H-B vazeb

Z toho % třícentrových vazeb

1509

20

64

72

100

25

529

24

832

27

1.4.6. π−π interakce (π−π stacking) Další komplexní typ mezimolekulárních sil představuje tzv. π−π stacking, což je termín používaný pro interakce aromatických systémů tvořících charakteristické vrstvené struktury, jak je znázorněno na obrázku 1.18.a). Velmi často se lze setkat se systémy ve tvaru trojvrstvy, nazývané také π-sandwiche (obr. 1.18.b), přičemž tento motiv byl dále rozveden do struktury tzv. molekulárních pinzet ("molecular tweezers"), kde hostitelská molekula preorganizovaná do tvaru jakési pinzety dokáže "uchopit" vhodnou molekulu hosta pomocí zmíněných π−π interakcí (obr.1.18.c)).

H G

a)

b)

c)

Obr. 1.18. Příklady vrstvených π-π komplexů. Naskýtá se ovšem otázka, jak je možné, že dva aromatické π systémy spolu vykazují atraktivní interakce, když bychom spíše očekávali síly repulzivní? Experimentální data ukazují, že dva aromatické systémy spolu mohou interagovat v zásadě dvěma způsoby: plochaplocha (face-to-face) nebo plocha-hrana (face-to-edge). Interakce typu plocha-hrana je v podstatě C-H...π interakcí. Druhý typ je běžný v krystalické mřížce aromátů, jako je benzen, naftalen, antracen; také statistická analýza vzájemné orientace aromatických zbytků aminokyselin v proteinech potvrdila, že tento typ interakcí je velmi častý u biomolekul. Na druhé straně je zde množství experimentálních dat indikujících interakce, např. u akridinu a jeho 19

derivátů. Ukazuje se, že tento typ interakcí je uskutečňován a energeticky preferován ve vodných médiích, kde se uplatňuje hydrofobní efekt (viz dále), zatímco v organických roztocích spíše převažuje elektron donor-akceptorová (EDA) komplexace. Receptory využívající synchronního působení vodíkové vazby a π−π interakcí Nukleotidové báze jsou považovány za ideální modely pro komplexaci, vzhledem k rigidnímu přesně definovanému uskupení vodíkových vazeb. Díky své planární aromatické struktuře mohou zároveň představovat potenciální systémy pro π−π interakce. Spojením obou výše jmenovaných možností (H-B vazby a π−π interakce) uvnitř jedné molekuly by tedy mělo být možné konstruovat receptory se zvýšenou selektivitou. Další ilustrativní ukázkou významu π−π interakcí může být série látek, uvedená na obrázku 1.19., založená na derivátech tzv. Kempovy (1,3,5-trimethyl-1,3,5-cyklohexantrikarboxylové) kyseliny. S rostoucím počtem aromatických jader (A→D) zapojených do interakce s 9-ethyladeninem plynule stoupá komplexační konstanta procesu. Mimořádně silné komplexace bylo dosaženo u diamidu E, kde preorganizace kavity společně se zapojením dalších dvou H-B vazeb vede ke zvýšení Kc (v porovnání s monoamidem C) o dva řády.

Obr.1.19. Deriváty Kempovy kyseliny a předpokládané struktury příslušných komplexů.

20

1.4.7. Solvofobní síly

Všechny dosud probrané elementární mezimolekulární síly byly založeny na předpokladu přímé interakce dvou nebo více molekul. Tento předpoklad je obvykle beze zbytku dodržen pouze v plynném a částečně i v krystalickém stavu. Většina chemických reakcí je ale uskutečňována v roztoku, což z hlediska supramolekulární chemie znamená, že molekuly rozpouštědla (solventu) se mohou účastnit interakcí jak s molekulou hosta tak i hostitele, a tím významným způsobem ovlivnit celkový výsledek komplexačního procesu. V této souvislosti mluvíme o tzv. solvofobním efektu nebo solvofobních silách. Poznání velikosti a prostorového dosahu těchto sil působících na částice nebo molekuly rozptýlené v kapalném médiu (rozpouštědle) je nezbytné pro správné porozumění mnoha složitých jevů na molekulární úrovni, včetně tvorby supramolekulárních komplexů. Hydrofobní efekt Schopnost nepolárních molekul asociovat se ve vodném roztoku byla rozpoznána jako jedna ze základních sil ovlivňujících biologické a biochemické procesy. Původní název tohoto jevu hydrofobní vazba byl později nahrazen příhodnějším termínem hydrofobní efekt, protože dosah těchto sil je mnohem větší než je délka klasické kovalentní vazby. Původ hydrofobních interakcí lze hledat v unikátních vlastnostech vody coby rozpouštědla, v němž probíhají všechny důležité procesy živé hmoty. Jedná se především o schopnost molekul vody vytvářet silné intermolekulární vodíkové vazby za vzniku silně strukturované nekonečné „sítě“ vzájemně pospojovaných molekul připomínajících uspořádání tuhé fáze. Dostanou-li se dvě nepolární molekuly ve vodném roztoku do blízkého kontaktu, začnou se uplatňovat atraktivní interakce, které jsou jiné povahy než van der Waalsovy síly. Experimentálně bylo zjištěno, že velikost těchto interakcí je přibližně o jeden až dva řády větší než je tomu u vdW sil, jejich dosah je až 10 nm, přičemž jejich síla je exponenciálně závislá na vzdálenosti přibližně podle rovnice e-r/1,4. Aproximativně lze říci, že volná energie hydrofobní interakce dvou malých nepolárních molekul o poloměru R (nm) je dána vzorcem

∆G ≅ -42R [kJ.mol-1]. Pro methan (R = 0,18 nm), benzen (R = 0,25 nm) a cyklohexan (R = 0,28 nm) tak byly získány hodnoty volné energie tvorby dimerů ∆G ≅ 7,6, 10,5 a 11,8 kJ.mol-1, které jsou ve velmi dobré shodě s experimentem (∆Gmethan = 7,5 až 8,8, ∆Gbenzen= 8,5 až 9,6 a ∆Gcyklohexan = 11,3 kJ.mol-1). Naskýtá se otázka původu výše zmíněných hydrofobních sil.Tyto síly jsou na molekulární úrovni mnohem hůře charakterizovatelné než např. dříve zmíněné vodíkové vazby. Byla již navržena celá řada teorií a modelů s cílem vysvětlit jejich vznik a popsat jejich účinky, bohužel žádná z nich se nezdá být dokonalá. Jak již bylo řečeno, charakteristickou vlastností vody je tvorba vodíkových můstků. Vodu tedy nelze chápat jako souhrn isolovaných molekul, ale jako vysoce strukturované kontinuum vzájemně propojených molekul vytvářejících dynamickou síť vodíkových vazeb.

21

a)

b)

c)

Obr. 1.20. Hydrofobní interakce: a) molekuly vody vytvářející dynamickou síť vodíkových vazeb, b) po rozpuštění nepolární látky dochází k vynucené orientaci molekul na jejím povrchu = entropicky nevýhodný proces, c) snaha nepolárních molekul o asociaci → minimalizace nevýhodného snížení entropie systému.

Je-li do tohoto prostředí umístěna nepolární látka, dochází k lokálnímu porušení původní vodíkové sítě. Protože molekuly vody interagují s nepolární látkou pomocí slabých vdW interakcí, hromadí se na jejím povrchu. Přitom se ovšem snaží zachovat co nejvíce vodíkových vazeb, což má za následek výrazně směrované uspořádání molekul vody kolem povrchu rozpuštěné látky, připomínající klathráty v krystalické mřížce ledu. Toto uspořádání zasahuje od povrchu nepolární látky až do vzdálenosti desítek či stovek molekulárních průměrů a samotný jev se nazývá hydrofobní hydratace. Vynucená orientace molekul vody je entropicky nevýhodná (∆S > 0), protože dochází ke ztrátě rotačních a translačních módů volnosti. Energetická ztráta spojená s tímto procesem je částečně kompenzována enthalpickým ziskem (∆Η < 0), jenž vzniká díky nově vytvořeným vodíkovým vazbám, ovšem celková energetická bilance procesu je nevýhodná (∆G > 0). Hydrofobní interakce obecně způsobují pouze malé enthalpické změny, zatímco entropické ztráty jsou značné. Aby se zabránilo těmto entropicky nevýhodným projevům, snaží se molekuly nepolární látky shlukovat dohromady, protože tak je minimalizována ztráta vzniklá hydrofobní hydratací jednotlivých molekul (celý děj je schematicky znázorněn na obr. 1.20). Molekuly vody orientované původně kolem isolovaných molekul nepolární látky mohou být uvolněny do roztoku. Tento proces je entropicky zvýhodněn a je hlavní hnací silou tzv. hydrofobních interakcí. Dalším faktorem, přispívajícím ke shlukování nepolárních molekul v polárním prostředí, jsou pak vdW interakce mezi samotnými nepolárními molekulami (tento energetický příspěvek je ovšem minimální). Hydrofobní interakce mají podstatný vliv na konformaci biomolekul. Například v nukleových kyselinách jsou hydrofobní báze poskládány uvnitř dvojšroubovice podél její osy, přičemž jsou od okolního prostředí „odstíněny“ pomocí hydrofilních zbytků fosfátové a sacharidové kostry DNA. Stejné vzorce chování vykazují i proteiny, kde jsou nepolární aminokyselinové zbytky orientovány dovnitř molekuly a tvoří jakési hydrofobní jádro kryté polárními částmi proteinu. Takovéto uspořádání má za následek vypuzení molekul vody z vnitřku molekuly a tím i podstatné ovlivnění stability popř. funkcionality proteinu. Za těchto podmínek (v nepolárním prostředí) totiž dochází k výrazné změně hodnot pK různých kyselých popř. bazických funkčních skupin proteinu. Stejně tak vnitřní vodíkové vazby jsou významně zesíleny, protože nedochází ke kompetitivním reakcím s molekulami vody. Hydrofobní síly také stojí u vzniku různých membránových nebo micelárních struktur, takže jejich význam pro biochemické procesy je zcela zásadní (viz dále).

22

1.5. R.MACKINNON A P.AGRE: IONTOVÉ A VODNÍ KANÁLY – NOBELOVA CENA ZA CHEMII 2003

Nobelův výbor udělil cenu za chemii pro rok 2003 dvěma vynikajícím vědcům z oblasti studia proteinů transportujících vodu a ionty přes buněčnou membránu. Oba jsou výrazné osobnosti a jev, který úspěšně řeší, má nejen zásadní důležitost pro existenci živé hmoty, ale představuje zároveň podle mého názoru špičkovou úroveň aplikované supramolekulární chemie v kombinaci s moderními biochemickými metodikami. Funkce vodních a iontových kanálů je rozdílná. Proto obě skupiny proteinů proberu separátně.

Obr.1.21. Peter Agre a Roger MacKinnon 1.5.1. Vodní kanál – Peter Agre

Voda je nejvíce rozšířenou molekulou v buňkách. Nelze se proto divit, že existence specializovaných membránových kanálů přenášejících vodu byla předpovězena již v roce 1950. Fyziologové již tehdy pochopitelně věděli, že například lidské ledviny produkují přes 150 litrů vodného roztoku solí denně. Přesto vylučujeme mnohonásobně méně. Musí tedy existovat způsob, jak tuto „přebytečnou vodu“ recyklovat. Avšak teprve před deseti lety se podařilo isolovat 28kDa protein z lidských červených krvinek, jehož funkci jako vodního buněčného kanálu objevil P.Agre, když tuto bílkovinu včlenil do buněk Xenopus oocytes, které následně praskaly. Tento fakt on sám označil za tak zvaný „aha-moment“, okamžik, kdy pochopil dosah tohoto pozorování. Na následujícím obrázku je tento věhlasný experiment znázorněn.

Obr. 1.22 . Objev vodních kanálů

23

Tento protein byl nazván aquaporin-1 (AQP1) a od té doby byly popsány stovky jeho homologů v buňkách nejrůznějších živých organismů. Některé z nich jsou propustné pouze pro vodu, jiné pro vodu i glycerol. Aquaporin-1 vykázal udivující schopnost přenést 3.109 molekul vody za každou vteřinu a přitom zachovat membránový potenciál i pH uvnitř buňky. Znamená to, že musí vykazovat vysokou selektivitu pro vodu a téměř zcela zabránit průchodu iontů, zvláště H+. To pochopitelně iniciovalo obrovské úsilí směřující k poznání jeho struktury a funkce. Metody, které P.Agre se spolupracovníky využil k vyřešení tohoto problému, byly: sekvenční analýza, kryo-elektronová mikroskopie, krystalografie a simulace molekulární dynamikou. Doslova před několika týdny se objevila práce z konkurenčního pracoviště (R.M. Stroud), uveřejňující přesnou krystalografickou strukturu (2,5 Å) bakteriálního E.coli aquaporinu (AqpZ), čímž se otevřela možnost využít všech biochemických metod aplikovatelných na bakteriální bílkovinu k objasnění struktury a funkce tohoto aquaporinu. Přestože byl studován jiný aquaporin a využity jiné metody, výsledky, kterých bylo dosaženo, jsou v plné shodě s principy, které P.Agre vyslovil na základě svých méně přesných experimentálních dat. V dalším výkladu budu využívat grafické přílohy obou těchto zdrojů. Na obr. 1.23 vlevo je ukázán efektivní kanál pro transport molekul vody, vpravo je pak tento transport znázorněn. Kanálek, kterým k transportu dochází, má velmi zhruba tvar přesýpacích hodin s úzkou částí, která má pro selektivitu a efektivitu transportu klíčový význam. Na obrázku vpravo si povšimněme, že kanálkem prochází řada-zástup molekul vody, navzájem propojených vodíkovými vazbami.

Obr. 1.23. AQP1 – efektivní kanál a jeho „naplnění“ molekulami vody Krystalografická studie bakteriálního AqpZ umožnila detailnější náhled do struktury a funkce tohoto bakteriálního proteinu. Na následujícím obrázku 1.24(a) je znázorněna tetramerní struktura (snášející i přítomnost detergentu) a schematické znázornění konformace polypeptidického řetězce uvnitř membrány.

24

Obr. 1.24. Tetramerní struktura aquaporinu a skladba peptidických řetězců Při studiu struktury řady molekul vody uvnitř kanálku se zdálo, že čtyři z pěti molekul vody jsou donory vodíkové vazby a jediná, centrální molekula vody je pouze akceptorem vodíkové vazby. Je významné, že všech pět molekul vody tvoří řadu molekul vody navzájem propojených vodíkovými vazbami. Již v roce 1806 de Grotthuss předpokládal, že voda tvoří řady, které vodivě spojují katodu a anodu v elektrolytických experimentech. Bernal a Fowler v roce 1933 kvantovou mechanikou tuto hypotézu potvrdili a upřesnili, že proton může velmi snadno přeskakovat mezi sousedními molekulami vody, což ho dělá mimořádně mobilním ve vodném prostředí. Obrázek 1.25 tuto skutečnost ilustruje. H H H

H

H O

O

O

H

H+ H

O

H

H

H H

O H

H

O

O H

H O

H

H+ Obr. 1.25. Mobilita protonu ve vodě – schematické znázornění O to zajímavější byl problém, jak přírodní vodní kanál umožní mimořádně rychlý průchod vodíkovými vazbami propojených molekul vody (3x109 molekul vody za vteřinu) a zároveň zabrání přeskoku protonu a také vstupu jakékoliv jiné molekuly. Krystalografie AqpZ umožnila znázornit i tento proces ve velkém detailu. Celý proces je zajišťován částí kanálu nazývaného selektivitní filtr, který se rozpadá na dvě funkční oblasti, které jsou schematicky znázorněny dále.

25

Obr. 1.26. Selektivitní filtry v AQP1. První oblast se tradičně nazývá Ar/R, druhá NPA. Schematicky je to nejlépe znázorněno na obrázku 1.26 vlevo. Filtr Ar/R, který je znázorněn na obrázku vpravo, ukazuje, že toto místo je pro všechny dosud známé aquaporiny nejužší. Kombinace kladně nabitého Arg s aromatickým Phe nedovolí vstup kladně nabitým částicím včetně protonu.

Obr. 1.27. Ar/R filtr a jeho rozměry Za tímto nejužším místem následuje další významný element. NPA motiv, kde dva Asn vytváří strukturu, vyžadující přerušení vodíkovými vazbami spojené řady molekul vody. Voda vázaná v tomto místě je totiž nucena zaujmout postavení akceptoru dvou vodíkových vazeb. To je znázorněno na dalším obrázku – nejprve jakoby průhledem vodním kanálem (Obr. 1.27), poté ve větším zvětšení s vyznačením všech významných vodíkových vazeb (Obr. 1.28).

26

Obr. 1.28. NPA motif a jeho funkce Tento mechanismus, nyní prokázaný a viditelný, byl předpokládán na základě podrobného studia molekulární dynamikou. Z těchto studií pochází animace, které celý proces zobrazují dynamicky. Tento efekt nelze kvalitně znázornit v tištěné formě a čtenář je proto odkázán na CD, kde je animace k disposici. Stejně tak shora uvedené „barevné obrázky v černo-bílém provedení“ postrádají hodně ze své názornosti. I zde lze plného efektu – snadného pochopení - dosáhnout pouze v barevném provedení, které je opět součástí elektronické verze této kapitoly (viz www.uochb.cas.cz, postgraduální kurs, kapitola 1, kurs 29). Můžeme tedy shrnout, že detailním studiem struktury i komplexů dosud strukturně známých aquaporinů se podařilo pochopit mechanismus využívaný při pasivním transportu vody, který vykazuje mimořádnou selektivitu a účinnost. Mimo obecného významu poznání tohoto mechanismu je dnes známo několik onemocnění, která jsou způsobena špatnou funkcí právě těchto membránových bílkovin. 1.5.2. Iontový (K+) kanál – R. MacKinnon

Iontový (K+) kanál vede K+ ionty přes buněčnou membránu ve směru elektrochemického gradientu. Tento proces souvisí s mnoha důležitými ději v buňce jako regulace jejího objemu, uvolňování hormonů, tvorba elektrického impulsu v elektricky excitovatelných buňkách. Všechny známé K+- iontové kanály patří do jedné rodiny proteinů, ať se jedná o rostlinu, bakterii nebo člověka. Sekvence aminokyselin, zvláště její část nazvaná „podpisová“ (channel signature sequence), je identická a pomocí ní lze tyto proteiny v genetickém materiálu snadno a jednoznačně identifikovat. Rozdíly mezi jednotlivými typy K+- iontových kanálů spočívají hlavně v mechanismu, který je zodpovědný za uzavírání a otevírání kanálů těchto membránových proteinů. Jsou známy kanály ovládané přítomností iontů, malých organických molekul, proteinů, ale také elektrickým potenciálem na jedné (obvykle vnitřní) straně buněčné membrány. R.MacKinnon má zásadní podíl na prostudování základních aspektů struktury a funkce těchto K+- iontových kanálů právě tím, že vypracoval a úspěšně využil krystalografii těchto membránových proteinů. I on zveřejnil svůj aha-moment, ke kterému se ale dostaneme později. Historie tohoto objevu je totiž natolik zajímavá, že stojí za to ji uvést ve zkrácené formě. R.McKinnon absolvoval medicínu, brzy však zjistil, že vědecká kariéra ho přitahuje daleko více než lékařská praxe. Pracoval v oblasti iontových kanálů a k poznání jejich funkce používal hlavně biochemické metody. Již v této fázi poznal mimořádně zajímavou funkci K+iontových kanálů, přenášejících draselné ionty rychlostí, která odpovídá volné difusi, přesto 27

však mimořádně selektivně vzhledem k ostatním alkalickým iontům, jmenovitě Na+. Vzhledem k tomu, že jejich iontové poloměry jsou 0,99Å pro sodný a 1,33Å pro draselný kation, změřená selektivita, která pro jednotlivé konkrétní K+- iontové kanály leží v rozmezí 103 a 105, je jen velmi obtížně pochopitelná. A v tomto okamžiku se R.McKinnon rozhodl, že „dokud strukturu K+- iontového kanálu neuvidí, jeho funkci nepochopí“. Pochopil, že pro tento cíl nejlépe poslouží klasická krystalografie paprsky X. Membránové proteiny byly ale považovány za látky, které zkrystalovat nelze. Podařilo se mu získat podporu pro projekt s tímto cílem na Howard Hughes Medical Institute, avšak z celé jeho skupiny ho do nového působiště doprovázela pouze jeho manželka – ostatní nevěřili ve schůdnost projektu. R. McKinnon se musel nejprve naučit krystalografii, kterou nikdy prakticky nepoužíval. Zapsal si základní kurs krystalografie a podrobně se zabýval metodami získávání monokrystalů z biologického materiálu. Již za dva roky (1998) publikoval první z průkopnických prací – krystalovou strukturu K+- iontového kanálu (KcsA) a po ní rychle následovaly další. Jeho metodika byla úspěšně využita i dalšími skupinami a nyní – po pěti letech – je možno nejen vysvětlit selektivitu K+- iontových kanálů, ale i mechanismus jejich otevírání a zavírání řízený změnami koncentrace ligandu (zde Ca2+ ion, nebo G-protein), nebo hodnotou membránového potenciálu. Jestliže struktura vlastního póru v membráně je velmi podobná (téměř identická) pro všechny typy K+- iontových kanálů, liší se podstatně v dalších částech podle mechanismu zavírání a otevírání. Tak ligandem ovládané K+- iontové kanály mají na intracelulární straně někdy dosti rozsáhlou strukturu vážící Ca2+ ion, nebo G-protein a uzavírající přístup k póru. Naproti tomu membránovým potenciálem ovládané K+- iontové kanály mají připojenu variabilní oblast, která je hydrofobní a zůstává uvnitř buněčné membrány. Přesto obsahuje aminokyseliny reagující na změnu membránového potenciálu - nejčastěji kladně nabitý Arg – změnou polohy uvnitř membrány, která je spojena se změnou struktury póru, který se tak zavírá a otevírá. Jednotlivé strukturní a funkční principy K+- iontových kanálů probereme nyní podrobněji. Pór KcsA K+- iontového kanálu je tvořen čtyřmi identickými proteinovými jednotkami, které tvoří centrální ionty vedoucí kanál s čtyřčetnou symetrií. Dvě z těchto čtyř jednotek jsou znázorněny na následujícím obrázku 1.29. Každá jednotka má dvě transmembránové helikální jednotky – vnitřní, tvořící pór, a vnější, obrácenou do membrány, a ohnutý helix póru, délkou pouze poloviční, jehož C-konec směřuje svůj záporný náboj do volného prostoru vedoucího ionty. Zhruba uprostřed membrány je iontový kanál rozšířen na téměř 10 Å, což vytváří centrální dutinu naplněnou vodou. Hydratované draselné ionty, suspendované v této

Obr. 1.29. Struktura KcsA póru a jeho selektivitního filtru

28

dutině, jsou viditelné i v krystalové struktuře K+- iontového kanálu. Přítomnost vodou naplněné dutiny a orientace nabitých helikálních struktur vysvětlilo první velmi důležitou vlastnost K+- iontových kanálů. Je nutno překonat odpuzování kladně nabitých draselných iontů, když přecházejí z prostředí vody do prostředí membrány s nízkou dielektrickou konstantou. Tím, že draselné kationty zůstávají hydratovány a pomocí orientovaných záporných nábojů jsou stabilizovány v centrální dutině, nedochází k jejich vzájemnému odpuzování. Selektivita vůči draselným iontům je zajišťována v úzké části K+- iontového kanálu, který zabírá přibližně jednu třetinu tloušťky buněčné membrány směrem ven z buňky. Obsahuje již zmíněnou „podpisovou sekvenci aminokyselin“, která zůstává zachována pro všechny živé organismy. Zde se draselný ion dostane do oblasti čtyř stejně vzdálených vrstev karbonylů a jedné vrstvy kyslíků hydroxylových skupin threoninu (Thr), které tvoří čtyři vazebná místa tohoto filtru označená 1-4 ve směru do buňky. To je opět schematicky znázorněno na následujícím obrázku 1.30.

Obr. 1.30. Transport částečně hydratovaných iontů – potlačení elektrostatické repulze Rozložení kyslíkových atomů karbonylových skupin a hydroxylů Thr je téměř identické s rozložením kyslíků vody okolo hydratovaného K+ iontu, které bylo pozorováno v centrální dutině. Krystalová struktura zde jednoznačně prokázala způsob, kterým K+iontový kanál dosahuje vysoké selektivity. Draselné ionty prochází řadou donorových center, která svoji elektronickou povahou i sterickým uspořádáním dokonale napodobují první koordinační sféru hydratovaného iontu. Okamžik, kdy poprvé spatřil řadu komplexovaných draselných iontů v selektivitním filtru K+- iontového kanálu, označil R. McKinnon za svůj „aha moment“. Hydratovaný sodný kation má zcela jinou strukturu donorových center okolo iontu kovu a není schopen do selektivitního filtru vstoupit. Přesto tento model představuje určitý paradox – jak je možné zabránit repulzi sousedních K+ iontů a dosahovat tak vysoké přenosové rychlosti bez ztráty selektivity? Tento problém byl vyřešen mimo jiné studiem kinetiky přenosu draselného a rubidného iontu (které jsou téměř isosterické). Vysvětlení spo-

29

čívá v nedokonalosti krystalografie. Na prvním obrázku znázorněné čtyři ionty draslíku v selektivitním filtru představují pouze průměr obou skutečných stavů, kdy posice 1,3 nebo 2,4 jsou obsazeny ionty draselnými, zbývající dvě pak molekulou vody. Existuje ještě jeden důvod pro vysokou selektivitu i propustnost selektivitního filtru. Krystalografie K+- iontového kanálu v podmínkách velmi nízké koncentrace draselných iontů ukázala, že pro správnou konformaci selektivitniho filtru, zajišťujících slabou vazbu a tím vysokou propustnost, je nezbytná přítomnost obou draselných iontů. Je-li koncentrace těchto iontů nízká, váže se pouze jeden. Selektivitní filtr však změní konformaci, draselný ion je vázán pevněji a transport se podstatně zpomalí. Právě tyto strukturní změny lze pozorovat na krystalové struktuře K+iontového kanálu měřené při nízké koncentraci draselných iontů. Bylo prokázáno, že selektivitní filtr chloridového kanálu funguje analogicky, pouze namísto karbonylů se na vazbě chloridu v selektivitním filtru podílí známá N-H...anion interakce. Mechanismus otevírání a zavírání K+- iontového kanálu. I tento problém se podařilo „vizuálně“ vyřešit aplikací krystalografie K+- iontového kanálu. Byly popsány dva iontové kanály (KcsA, MthK), z nichž první je při vysoké koncentraci vápenatých iontů uzavřen, druhý naopak otevřen. Krystalová struktura obou (monokrystaly byly pěstovány z vodného roztoku s vysokou koncentraci Ca2+) dala nahlédnout do mechanismu zodpovědného za t.zv. gating. Bylo identifikováno místo vazby vápenatého iontu na intracelulárním povrchu membrány a zjištěno, že vazba/uvolnění iontu způsobí změnu směru transmembránových peptidických helixů, takže dojde k uzavření/otevření póru. V uzavřeném stavu se šroubovice přiblíží až na 3,5 Å a vzhledem ke své hydrofobní povaze představují pro draselné ionty nepřekonatelnou zábranu. V opačném stavu se od sebe oddálí a centrální dutina se tak pro draselné ionty otevře. Oba tyto stavy jsou schematicky znázorněny na následujícím obrázku 1.31.

Obr. 1.31. Ovládání iontového kanálu externím chemickým signálem Tento princip ovládání K+- iontového kanálu se považuje za obecný, nehledě na stimul, kterým je ovládán. Tak například u kanálu ovládaného elektrickým membránovým potenciálem je tento mechanismus iniciován pohybem jakéhosi proteinového senzoru, jehož čtyři argininy (celkem 16 nábojů pro čtyři jednotky) citlivě reagují změnou polohy uvnitř buněčné membrány na velikost potenciálu na vnitřní straně buněčné membrány. Tento pohyb je spřažen s pohybem transmembránových helikálních elementů, které analogicky k předcházejícímu příkladu ovládají přístupnost k vlastnímu iontovému kanálu.

30

Obr. 1.32. Ovládání iontového kanálu potenciálem 1.6. ZÁVĚR

Supramolekulární chemie je typická mezioborová disciplina, jejíž definice je stále obtížnější. Má své skalní zastánce i odpůrce. Vyhovuje obvykle těm, kterým nevadí nutnost obsáhnout – byť nedokonale – více oborů a je typickým tématem mezioborové spolupráce. Bohužel jí stále chybí hmatatelná doložitelná aplikace velkého významu, která by bez „supramolekulárního přístupu“ nevznikla. V současném okamžiku mi připadá daleko důležitější zavedení zásad „supramolekulárního pohledu“ na chemické děje než rozbor jednotlivých, byť často krásných a funkčních supermolekul. 1.7. LITERATURA

Na tomto místě zařazuji pouze knižní publikace. Čtenáře odkazuji na http://www.unisaarland.de/fak8/schneider/sclinks/monogr.htm, kde čtenář nalezne podrobnější informace o referátech a dalších shrnujících publikacích. 1. Lehn, J.-M.: Supramolecular Chemistry,Concepts and Perspectives: A Personal Account , Wiley VCH (1995). 2. Beer, P.D.; Gale, P. A.; Smith, D. K.: Supramolecular Chemistry (Oxford Chemistry Primers, 74), Oxford University Press; ISBN: 0198504470 (1999). 3. Vögtle, F.: Supramolecular Chemistry: An Introduction, (1993). 4. Lhoták P., Stibor I.: Molekulární design, Skriptum, VŠCHT Praha 1997. 5. Schneider, H.-J.; Yatsimirski, A.: Principles and Methods in Supramolecular Chemistry Wiley (2000). 6. Steed, J. W.; Atwood, J. L.: Supramolecular Chemistry, Wiley (2000). 7. Comprehensive Supramolecular Chemistry, Vol. 1-10; Lehn, J.-M., redaktor serie, Pergamon/Elsevier Oxford atd., (1996) 8. Helena Dodziuk: Introduction to Supramolecular Chemistry, Kluwer (2001), ISBN 14020-0214-9.

31

Literatura k části 1.5. Agre – MacKinnon

Aquaporiny: 1. Fijiyoshi Y., Mitsuoka K., de Groot B.L., Philippsen A., Grubmüller H., Agre P., Engel A.: Curent Oppinionin Structural Biology 12, 509-15 (2002). 2. Savage D.F., Egea P.F., Robles-Colmenares Y., O´Connell III J.D., Stroud R.M.: PLOS Biology 1, 334-40 (2003). (http://biology.plosjournals.org) Iontové kanály: 1. R. MacKinnon: FEBS Letters 555, 62-5 (2003) (minireview). 2. Booth I. R., Edwards M. D., Miller S.: Biochemistry 42, 10045-53 (2003).

32