Структурный критерий биологической совместимости материалов
1 , 2
1Московский государственный университет пищевых производств, *****@***ru
2Физический институт им. РАН, *****@***lebedev. ru
Биополимеры в естественных условиях гидратированы, т. е. окружены слоем водных молекул, связанных с ними сильнее, чем между собой в удаленном объеме [1]. Преобладает мнение, что пространственная структура гидратных оболочек не имеет топологических закономерностей. Поэтому ее обычно характеризуют такими параметрами, как среднее время жизни и число молекул в первой и второй координационных сферах, энергия связи и т. п. Однако на сегодняшний день получены убедительные свидетельства, заставляющие пересмотреть сложившиеся взгляды. Показано, что молекулы Н2О, благодаря своей относительной гибкости, способны деформироваться так, чтобы образовывать водородно-связанные кластеры увеличивающегося уровня сложности (модули), из которых можно образовывать фрактальные кристаллы [2]. Из таких модулей могут быть созданы конструкции, которые оказываются совместимыми с конфигурацией биомолекул и вирусов, определенной ранее методами электронной микроскопии, рентгеноструктурного и ЯМР анализа. Отсюда вытекает, что уникальность строения молекулы воды [] отражается в ее способности формировать гидратные оболочки, допускающие лишь определенные пространственные структуры белков, липидов, углеводов и других молекул, составляющих живые клетки и организмы.
Эта замечательная закономерность может найти важные приложения. Одним из медико-технических технологий, интенсивно развивающихся в последние годы, является разработка материалов, совместимых с биологическими тканями организма. Они применяются для создания искусственных хрусталиков, кровеносных сосудов, необратимо поврежденных костей и т. п. Для химического синтеза таких материалов разработаны приемы и методы, позволившие достигнуть впечатляющих результатов. Однако до сих пор остается немало органов и типов тканей, для которых такие материалы не разработаны. Основная трудность связана здесь с преобладанием эмпирического подхода, из-за которого в каждом конкретном случае приходится искать уникальные физико-химические решения.
Прогресс в данной области технологий ограничивается из-за отсутствия объективных критериев биосовместимости. С другой стороны, очевидно, что вводимые в организм искусственные объекты соприкасаются с тканями через водную прослойку, хотя бы и нанометровой толщины, т. е. трансплантируемый материал в той или иной мере оказывается гидратированным. Цель данного сообщения – продемонстрировать возможность разработки научно-обоснованного критерия биологической совместимости материалов, используя принципы гидратирования биомолекул.
Молекула воды имеет возможность участвовать в четырех тетраэдрически координированных водородных связях – двух донорных и двух акцепторных. Согласно принципам классической кристаллографии, пара тетраэдрических молекул, объединенных общей Н-связью, имеет два значения торсионного угла θ = 0 и 60о, позволяющие им состыковать все связи и правильным образом заполнять пространство, образуя соответственно кристаллы типа вирцита (лёд 1h) и лонсдейлита (лёд 1с). Анализ показал, что существует еще один параметр стыковки равный 38о (рис. 1а) [3].
|
| Значения | ||||||||||||
 Углы, град
Торсионный 3-1-1*-3* | 38 | ||||||||||||
Валентные 3-1-2 Верхний
| 109 109 | ||||||||||||
Длины, Å Кислород-кислород | 2.82 | ||||||||||||
ОН-связи Верхние
| 1.20 0.98 | ||||||||||||
 1-2
1-3 | 0.91 0.90 |
Нижние
 |
б) в)
Рис. 1. Простейшие модули фрактальных структур воды. а) Димер (параметр стыковки 38о); б) гексацикл (подобная структура наблюдается при конденсации водяных паров на охлажденную подложку [4]), в) цикл из 10 молекул.
С его помощью удается построить новый класс водных структур фрактального типа из универсальных блоков или модулей (рис. 1б, в). Показано, что из таких модулей образуются гидратные оболочки различных биомолекул, в частности, ДНК, РНК, пептидов, сахаридов [2, 3]. Характерной особенностью модульных структур является оптическая изомерия или хиральность.
Наиболее простыми биомолекулами являются моносахариды. Для построения окружающих их гидратных оболочек мы использовали пакет программ HyperChem7. В качестве примера на рис. 2 представлена конфигурация гидратированной β-D-глюкозы.
 |
Рис. 2. Глюкопираноза β-D-Glcp в гидратной оболочке. Атомы кислорода воды обозначены зеленым цветом, С-центр масс комплекса, 1,2,3- главные центральные оси инерции, СD - вектор дипольного момента.
Известно с давних времен (древний Египет), что некоторые виды глины применяются в лечебных целях. Мы предположили, что этим они обязаны биологической совместимости, проявляемой в аналогичной структуре их гидратных оболочек. Для проверки этой гипотезы была взята алюмино-силиконовая глина - каолинит Al2[Si2O5](OH)4, используемый в системах улучшения свойств питьевой воды. По химической формуле построена структурная формула, по которой определена пространственная конфигурация CNDO-методом. Структура оказалась подобной структурам моносахаридов (рис. 3а). Целевая функция от углов Эйлера [2, 5], определяющих положение молекулы каолинита при сферическом сканировании пространства, представлена на рис.3б.
 |
Рис.3. Биоподобный материал- каолинит Al2[Si2O5](OH)4. а) 3D- структура, б) поверхность целевой функции в зависимости от безразмерных переменных k и l, определяющих углы Эйлера. Оптимальное значение целевой функции (0.78) указано стрелкой.
Комплементарность гидратной оболочки была подтверждена посредством оптимизации целевой функции, рассчитанной с использованием координат атомов кислорода ОН-групп каолинита в MS Excel. Значение максимума локальных минимумов целевой функции соответствует аналогичной величине (0.9) для α–D- арабинозы [6], следовательно, по данному критерию каолинит действительно является биоподобным материалом.
Таким образом, для оценки степени биосовместимости синтезируемых материалов медицинского назначения, в частности, трансплантатов, предложено использовать объективный тест на близость структуры гидратной оболочки материала к модульным структурам воды.
Благодарности. Авторы признательны за полезное обсуждение проблем моделирования гидратных структур и за предоставление информации о каолините. Работа выполнена при частичной поддержке РФФИ, грант 10-02-90301-Вьет-а.
Литература
1. S. K. Pal, A. H. Zewail. Dynamics of water in biological recognition. Chem. Rev.,. 104, 2099−2123 (2004).
2. V. I. Lobyshev, A. B. Solovey, N. A. puter construction of modular structures of water. J. Mol. Liq., 106, 277-297 (2003).
3. . О возможной роли гидратации как ведущего интеграционного фактора в организации биосистем на различных уровнях их иерархии. Биофизика, 36, 181-242 (1991).
4. . A. Michaelides, K. Morgenstern. Ice nanoclusters at hydrophobic metal surfaces. Nature Mater., 6, 597-601 (2007).
5. V. I. Denisov, S. D. Zakharov. Structural order in hydration shells of biopolymers: self - organization of water- carbohydrate complexes. Abs., III Int. Conf. cryst. mater., Kharkov, May 31, 2010, p. 94.
6. . Автореф. дисс. к. ф.м. н «Компьютерное моделирование структуры связанной воды», М., 2006.
