Когда на смену льну и хлопку вдруг пришли полиэстер и лавсан, а изделия из кожи вытеснил дешевый дерматин, ученые и технологи уже готовы были поверить во всесильность химии. Когда же люди поняли цену настоящего меда, а не искусственного сиропа, и начали воротить нос в столовых и кафе от растворимого картофельного пюре, отечественный производитель попытался было гордо поднять над головой флаг «натурального продукта» без ГМО и консервантов.
Однако существует мнение, что современное недоверие и строгая умеренность в массовом потреблении людьми продуктов химического синтеза определяется вовсе не неспособностью химии воссоздать природные процессы и продукты. Просто порой нам об этих процессах и самих веществах известно слишком мало.
Команда ученых из Корнельского университета развила этот тезис в неожиданном направлении.
Химики расшифровали смесь компонентов паучьего яда, терпеливо собранного из желез более чем 70 видов пауков.
Сложно сказать, чего больше желали авторы публикации в Proceedings of the National Academy of Sciences, однако отдельного внимания заслуживает и инновационная методика анализа, и разгаданные секреты смертельных коктейлей, впрыскиваемых пауками в надрезы кожи, оставленные мощными хелицерами.
Проблема большинства аналитических методик современной химии заключается в том, что они нацелены, как правило, на идентификацию и количественное определение одного из заранее предполагаемых компонентов смеси.
Например, так поступают сотрудники лабораторий хроматографии, имеющихся на каждом уважающем себя ликероводочном предприятии. Ни для кого не секрет, что состав этилового спирта марки люкс – не стопроцентный этанол, а потому каждая новая партия водки проверяется на наличие эфиров, метанола, следов органических растворителей и так далее. Все эти компоненты присутствуют в конечном продукте, весь вопрос состоит в количестве. Смесь таких компонентов легко разделяется с помощью метода газовой хроматографии, и по характерному времени выхода опытный хроматографист, не заглядывая в справочник, скажет вам, какой пик хроматограммы соответствует каждому из компонентов, а также быстро посчитает его количество в процентах.
Когда же речь заходит о паучьем яде, то тут химики сталкиваются с целым рядом проблем. Во-первых, дьявольскую смесь составляют по большей части сложные природные молекулы – полипептиды и белки, малопригодные для разделения на хроматографической колонке. К тому же многие из них до сих пор не были обнаружены специалистами в области природных соединений и никогда не синтезировались химиками-синтетиками.
Как распознать отдельные компоненты в смеси сложных молекул, определить их структуру, да еще и сделать это достаточно быстро?
Для этих целей применимы методы так называемой двумерной ЯМР-спектроскопии. Они позволяют вычленить из сложного одномерного ЯМР-спектра со множеством перекрывающихся пиков нужную информацию о строении отдельно взятых компонентов.
ЯМР - явление резонансного поглощения радиочастотной электромагнитной энергии веществом с ненулевыми магнитными моментами ядер, находящимся во внешнем постоянном магнитном поле. Ненулевым ядерным магнитным моментом обладают ядра 1Н, 2Н, 13С, 14N, 15N, 19F, 29Si, 31P и другие. ЯМР обычно наблюдается в однородном постоянном магнитном поле В0, на которое накладывается слабое радиочастотное поле В1 перпендикулярное полю В0. Для веществ, у которых ядерный спин I= 1/2 (1H, 13C, 15N, 19F, 29Si, 31P и др.), в поле В0 возможны две ориентации магнитного дипольного момента ядра μ: «по полю» и «против поля». Возникающие два уровня энергии Е за счет взаимодействия магнитного момента ядра с полем В0 разделены интервалом E=2μB0. При условии, что энергия наложенного электромагнитного излучения равна величине этого энергетического интервала, наблюдается резонансное поглощение энергии поля B1, названное ЯМР.
На явлении ЯМР основана спектроскопия ЯМР. Спектры ЯМР регистрируют с помощью радиоспектрометров. Образец исследуемого вещества помещают как сердечник в катушку генерирующего контура (поле B1), расположенного в зазоре магнита, создающего поле В0так, что B1 перпендикулярно В0. Резонансное поглощение энергии наложенного электромагнитного поля при совпадении его энергии с энергетическим интервалом E вызывает падение напряжения на контуре, в схему которого включена катушка с образцом.
Поглощенную энергию система перераспределяет внутри себя (так называемая спин-спиновая, или поперечная релаксация с характеристическим временем Т2) и отдает в окружающую среду (спин-решеточная релаксация, время релаксации Т1). Времена Т1и Т2 несут информацию о межъядерных расстояниях и временах корреляции различных молекулярных движений. Измерения зависимости Т1и Т2 от температуры и частоты v0 дают информацию о характере теплового движения, хим. равновесиях, фазовых переходах и других параметрах вещества.
Основной параметр спектра ЯМР – химический сдвиг - взятое с соответствующим знаком отношение разности частот наблюдаемого сигнала ЯМР и некоторого условно выбранного эталонного сигнала какого-либо стандарта к частоте эталонного сигнала (выражается в миллионных долях, м. д.). Химические сдвиги ЯМР измеряют в безразмерных величинах δi отсчитанных от пика эталонного сигнала.
Двойной и тройной резонанс
Для упрощения сложных спектров ЯМР на образец накладывают второе радиочастотное поле В2, частота которого совпадает с положением сигнала, мешающего расшифровке спектра. Амплитуда В2 выбирается достаточной для насыщения переходов соответствующего ядра, т. е. z - проекция его спина обращается в нуль, устраняя спин-спиновое взаимодействие (ССВ) этого ядра с другими ядрами молекулы. Если наложить на поле В2шумовую модуляцию, то достигается выключение ССВ всех ядер в выбранном спектральном интервале. Такое подавление широко применяют при наблюдении ЯМР 13С и других ядер. Методом тройного резонанса ЯМР13С-{1Н}-57Fе измерялись химические сдвиги в органических соединениях железа. Применяют многочисленные разновидности множественных резонансов.
Двумерная и многомерная фурье-спектроскопия.
Двумерная фурье-спектроскопия - естественное обобщение методов двойного резонанса. В одномерной спектроскопии спектр получают как фурье-образ отклика G(t) спин-системы на зондирующий импульс. В двумерной спектроскопии эксперимент начинается с приготовления спин-системы в некотором заданном состоянии посредством импульса или серии импульсов. Время эволюции системы после ее приготовления разбивается на равные интервалы t2 После каждого i-го интервала t2i = ni xt2 (ni= 1, 2, 3, ..., N2)производится обычная регистрация получившегося i-гo отклика Gi (t1). После N2 фурье-преобразований получают N2 спектров, отображающих в частотной области ω1 (от спектра к спектру) эволюцию спин-системы на интервале t2. Эволюция каждого соответственного пика в этих спектрах создает интерферограмму Gj (t2). После необходимого числа фурье-преобразований получают двумерный спектр отображающий выбранные парные взаимодействия в изучаемой системе. Чаще всего такой спектр изображают в виде карты, пики на которой окружены замкнутыми изолиниями. Двумерную спектроскопию ЯМР применяют для анализа протон-протонных, протон-углеродных, углерод-углеродных и тому подобных спин-спиновых взаимодействий в самых сложных молекулах, для исследования многопозиционного химического обмена, структурного анализа белков в растворах. Разбив при помощи удачно подобранной импульсной последовательности период эволюции на две части, вводят в эксперимент время t3 и переходят к 3-мерной спектроскопии; ведутся успешные работы по 4- и 5-мерной фурье-спектроскопии ЯМР.
Иногда полезной процедурой оказывалось и фракционирование различных компонентов смеси, в разной степени склонных к растворению в неводных средах.
Правда, когда речь идет о 3–5 микролитрах паучьего яда, подобное разделение провести удается не всегда.
Подобный комплексный подход уже раз позволил ученым изучить состав яда паука Tegenaria agrestis и выявить целое семейство ранее не описанных природных соединений – сульфированных нуклеозидов (соединений азотистых оснований с молекулами сахара рибозы или дезоксирибозы). Несмотря на то, что состав паучьего яда изучается уже далеко не первый год, до сих пор традиционные методики анализа не позволяли обнаружить подобные соединения.
И результаты поисков позволили распознать сотни природных соединений, включающих белки, полиамиды и их производные, небольшие молекулы нейротрансмиттеров и полипептиды, некоторые из которых впоследствии оказались полезными при разработке лекарств. Именно это обстоятельство и заставило ученых продолжить поиск в гораздо больших масштабах.
Наряду с уже известными нейротрансмиттерами и сульфированными нуклеозидами
ученые впервые обнаружили сульфированные производные гуанозина, составляющие часть яда пауков, называемых бурыми отшельниками.
Их яд вызывает болезненные гангренозные раны.
Яды издревле использовались для терапевтического лечения артритов и эректильной дисфункции, однако многие ученые видят в их изучении и возможность создания новых, более безопасных для окружающей среды пестицидов. Группа профессора Мейнвальда в связи с этим возлагает большие надежды именно на сульфированные производные нуклеозидов, небольшую «библиотеку» (так химики органики называют набор нескольких схожих по строению соединений) которых ученым удалось синтезировать.
Физиологическое действие этого класса соединений пока что во многом таинственно, и его изучением в данный момент занимаются сотрудники Национального института здоровья в США.
