4. Sekce chemických věd
- Studium elučních mechanismů ve field-flow frakcionaci - nové možnosti charakterizace částic pomocí gravitační field-flow frakcionace (ÚIACH)
- Kapilární enzymatické reaktory jako elektrosprejové emitory v hmotnostně spektrometrickém rozhraní pro kapilární elektroforézu (ÚIACH)
- Stanovení ethylglukuronidu v séru kapilární zónovou elektroforézou (ÚIACH)
- Singletový kyslík užitečný, nikoliv škodlivý (ÚACH)
- Fotoreaktor pro vyhodnocování aktivity fotokatalytických materiálů (ÚACH)
- Klimatický záznam 160 000 let vyhodnocený ze sedimentů Bajkalského jezera (ÚACH)
- Nové aplikace fluorescence jednotlivých molekul ve výzkumu biomembrán (ÚFCH JH)
- Vrstvy kovových iontů a nanočástic na polarizovaných kapalných rozhraních (ÚFCH JH)
- Nové experimenty s klastry a nanočásticemi v molekulových paprscích (ÚFCH JH)
- Analýza vazebného uspořádání molekul se složitou strukturou. Aplikace molekulárního inženýrství v současné materiálové vědě (ÚCHP)
- Studium komplexů s [{C5Me4(CF2)nCF3}Rh] fragmentem (ÚCHP)
- Roubované vysokomolekulární konjugáty doxorubicinu pro léčbu pevných nádorů (ÚMCH)
- Kapalně-krystalické polyurethanové sítě (ÚMCH)
- Vznik cycklického tetramerního pseudorotaxanu a jeho trimerního homologu samoskladbou řízenou měďnými ionty (ÚOCHB)
- Struktura a charakterisace glutamátkarboxypeptidasy II lidského mozku (ÚOCHB)
- Kvantifikace a racionalizace vyšší afinity sodíku proti draslíku k povrchu proteinů (UOCHB)
4.1 Studium elučních mechanismů ve field-flow frakcionaci - nové možnosti charakterizace částic pomocí gravitační field-flow frakcionace
Josef Chmelík a Jana Plocková
Byla dokončena dlouhodobá studie elučních mechanismů ve field-flow frakcionaci. Nejprve byly teoreticky navrženy (1) a po té experimentálně ověřeny (2) nové možnosti programování silového pole v gravitační field-flow frakcionaci založené jednak na gradientech průtoku nosné kapaliny vyvolaných změnou průtoku (3) nebo tvaru separačního kanálu (4), jednak na hustotních a viskozitních gradientech složení nosné kapaliny (5). Vyvinuté gradientové eluční techniky byly využity pro separaci silikagelových částic a škrobových zrn (6). Při těchto experimentech se podařilo zvýšit rozlišení separovaných látek a zkrátit dobu analýzy oproti isokratické separaci (2-5). Tyto nové eluční techniky výrazně rozšiřují separační potenciál GFFF na separace komplexních částic včetně živých buněk.
(1) Chmelík, J.: Different elution modes and field-programming in gravitational field - flow fractionation. I. A theoretical approach. - Journal of Chromatography A 845: 285 - 291 (1999)
(2) Plocková, J., Chmelík, J.: Different elution modes and field programming in gravitational field-flow fractionation. II. Experimental verification of the range of conditions for flow-rate and carrier liquid density programming. - Journal of Chromatography A 868: 217-227 (2000)
(3) Plocková, J., Chmelík, J.: Different elution modes and field programming in gravitational field-flow fractionation. III. Field programming by flow-rate gradient generated by a programmable pump. - Journal of Chromatography A 918: 361 -370 (2001)
(4) Plocková, J., Matulík, F., Chmelík, J.: Different elution modes and field programming in gravitational field-flow fractionation. IV. Field programming achieved with channels of non-constant cross-sections. - Journal of Chromatography A 955: 95-103 (2002)
(5) Plockova, J., Chmelik, J.: Different elution modes and field programming in gravitational field-flow fractionation. V. Field programming using density and viscosity gradients. - Journal of Chromatography A 1118: 253-260 (2006)
(6) Chmelík, J., Mazanec, K., Bohačenko, I., Psota, V.: Relationship between the ratio of large and small starch granules determined by gravitational field-flow fractionation and malting quality of barley varieties. - Journal of Liquid Chromatography, submitted
4.2 Kapilární enzymatické reaktory jako elektrosprejové emitory v hmotnostně spektrometrickém rozhraní pro kapilární elektroforézu
Křenková J., Klepárník K., Kusý, P., Foret F.
Enzymatické štěpení je jedna z nejčastěji používaných jednotkových operací využívaných pro charakterizaci proteinů. Nejčastěji je prováděno v homogenním roztoku a to i přes značná omezení vztahující se ke složitosti, objemu a rychlosti reakce. Významného zlepšení lze docílit s využitím enzymů imobilizovaných na pevném nosiči, například na částicových, nebo monolitických kolonách. Pro analýzy extrémně malých množství vzorku v kapilárních, nebo mikrofluidických systémech je možné imobilizovat enzym přímo na povrchu mikrokanálku, kterým vzorek prochází. V této práci byly enzymy nejprve imobilizovány na vnitřním povrchu křemenné kapiláry o průměru 10 µm a jejich aktivita testována v širokém rozsahu experimentálních podmínek. Následně byly optimalizované kapilární reaktory s vnitřním objemem jednotek nanolitrů použity jako elektrosprejové špičky v nově vyvinutém rozhraní pro spojení kapilární elektroforézy s hmotnostní spektrometrií. Tato instrumentace je vyvíjena jako alternativa k současným "off-line" postupům proteinové analýzy. V principu je tímto způsobem možné provést analýzu zahrnující separaci, detekci, enzymatické štěpení a hmotnostně spektrometrické měření během několika minut.
Křenková, J., Klepárník, K., Foret, F.: Mass spectrometry coupling with immobilized enzyme electrospray capillaries. - Journal of Chormatography, zasláno - pozvaný příspěvek (2007) Kusý, P., Klepárník, P., Aturki, Z., Fanali, S., Foret, F.: Optimization of pressurized liquid junction nanoelectrospray interface between capillary electrophoresis and mass spectrometry for reliable proteomic analysis. - Electrophoresis 27: 4666-4673 (2006) Fanali, S., D'Orazio, G., Foret, F., Kleparnik, K., Aturki, Z. : On-line capillary electrophoresis-mass spectrometry using pressurized liquid junction nanoflow electrospray interface and surface coated capillaries. - Electrophoresis 27: 4666-4673 (2006)
4.3 Stanovení ethylglukuronidu v séru kapilární zónovou elektroforézou
Křivánková, L., Mrázková, M., Gebauer, P.:
Byla vypracována velmi citlivá metoda elektroforetického stanovení ethylglukuronidu v lidském séru. Ethylglukuronid je metabolit etanolu, který lze zjistit v séru řadu hodin až dní po konzumaci alkoholu. Metoda je jednoduchá, nevyžaduje žádnou předúpravu vzorků a využívá přítomnosti přirozených makrosložek séra k vyvolání efektů přechodné izotachoforézy v zónové elektroforéze ke zvýšení citlivosti analýz. Eliminuje současně negativní efekty dalších přirozených složek séra, laktátu a acetátu, jejichž obsah se také po požití alkoholu značně zvyšuje, ale jejichž celkový obsah je nespecifický. Metoda je robustní, může být použita ve velmi širokém rozpětí koncentrací přítomných makrosložek. Dostatečná citlivost a klinická použitelnost byly testovány na analýzách vzorků séra dobrovolníků i reálných pacientů. Ve vzorcích pacientů léčených ze závislosti na alkoholu byly pomocí elektroforetických analýz ethylglukuronidu a karbohydrátdeficientního transferrinu jednoznačně odhaleny případy nedodržování léčebného režimu a abstinence.
(1) Křivánková, L., Caslavska, J., Malášková, H., Gebauer, P., Thormann, W.: Analysis of ethyl glucuronide in human serum by capillary electrophoresis with sample self-stacking and indirect detection. - Journal of Chromatography A 1081: 2-8 (2005)
(2) Mrázková, M., Caslavska, J., Thormann, W., Křivánková, L.: Effects of lactate and acetate on the determination of serum ethyl glucuronide by CZE. - Electrophoresis 27: 4772-4778 (2006)
4.4 Singletový kyslík užitečný, nikoliv škodlivý
Lang K., Káfuňková E., Mosinger J., Wagnerová D.M.
Výzkumný tým se zabývá materiály, jejichž funkce je iniciována světlem - fotofunkčními materiály. Na jejich speciálně upraveném povrchu může vznikat singletový kyslík, což je energeticky bohatší forma molekulárního kyslíku s dobou života řádu miliontin sekundy. Pro svou vysokou reaktivitu a schopnost degradovat biomolekuly představuje singletový kyslík potenciální nebezpečí pro mikroorganismy, těchto vlastností však lze také využít k přípravě materiálů s baktericidními vlastnostmi aktivovanými světlem.
Na základě fotochemických studií barevných látek zvaných fotosenzitizátory, které přenášejí energii světelných kvant na atmosferický kyslík se podařilo připravit fotoaktivní materiály produkující singletový kyslík. Porfyrinové senzitizátory byly inkorporovány do anorganických materiálů typu jílů a do vláken nanotkanin. Výhodou senzitizátorů je, že jsou účinné již při velmi nízkých koncentracích, protože jedna molekula senzitizátoru může opakovaným přenosem energie produkovat mnoho molekul singletového kyslíku. Bylo prokázáno, že materiály s inkorporovanými senzitizátory vykazují po ozáření viditelným (slunečním) světlem baktericidní účinky.
1. Mosinger J., Jirsák O., Kubát P., Lang K., Mosinger B: Bactericidal nanofabrics based on photoproduction of singlet oxygen.. -, J. Mater. Chem. 17 (2007) 164.
2. K. Lang, J. Mosinger, D. M. Wagnerová: Photophysical properties of porphyrinoid sensitizers noncovalently bound to host molecules; models for photodynamic therapy. Coord. Chem. Rev. 248/3-4 (2004) 321-350.
4.5 Fotoreaktor pro vyhodnocování aktivity fotokatalytických materiálů
Štengl V., Černý Z., Bakardjieva S., Havlín V.. Horák L.
V náročné světové konkurenci výzkumu v oblasti fotokatalytických dějů byla vybudována specializovaná laboratoř pro objektivní vyhodnocování účinků fotokatalytických materiálů. Dosud byly pro charakterizaci suspenzí, disperzí, vrstev či filmů fotokatalytických materiálů používány nestandardní metody, které neumožňovaly univerzální a objektivní porovnání různých forem fotokatalytických materiálů. V ÚACH byla zkonstruována původní, vysoce sofistikovaná laboratorní a čtvrtprovozní zařízení, fotoreaktory, o objemech 1 a 5 litrů. V těchto reaktorech jsou fotokatalytické pigmenty, většinou na bázi oxidů Ti nebo Fe ve formě jejich suspenzí nebo vrstev, při expozici UV světlem charakterizovány svým fotokatalytickým účinkem na indikátory. Účinnost fotokatalýzy se určuje rychlostí rozkladu těchto indikátorů. Fotokatalytická aktivita v kapalném prostředí je vyhodnocována pomocí kontinuálního on-line měření úbytku absorbance barviv (Orange 2 a Rhodaminu B) v případě vodných suspenzí nebo úbytkem fluorescence kyseliny salicylové v případě fotokatalytických vrstev. Vyhodnocování fotokatalytické aktivity vrstev v plynném prostředí je prováděno kontinuálním měřením rychlosti fotokatalytického rozkladu butanu. V současné době se v laboratoři standardizují laboratorní postupy, které by měly být základem objektivní, široce akceptované metodiky vyhodnocování fotokatalytických dějů a jejich účinků.
Štengl V., Černý Z., Bakardjieva S., Havlín V.. Horák L.:
PV: 2006 743 - Způsob provádění fotokatalytické reakce a konstrukce fotoreaktoru pro provádění tohoto způsobu
Rozklad kyseliny salicylové na fotokatalytické vrstvě
Poloprovozní fotoreaktor o objemu 5l
4.6 Klimatický záznam 160 000 let vyhodnocený ze sedimentů Bajkalského jezera
Grygar, T., Kadlec, J., Pruner, P., Swann, G., Bezdička, P., Hradil, D., Lang, K., Novotná, K., Oberhänsli H.
O čtení paleoklimatického záznamu posledních několika statisíců let ze sedimentů Bajkalského jezera se několik velkých mezinárodních týmů pokoušelo od 90. let. Oblast východní Sibiře byla velmi lákavá, protože globální klimatické změny v kontinentálním prostředí jsou dnes daleko hůře popsány než ze záznamů z mořských sedimentů. Rusko-japonsko-americký i evropský tým úspěšně vyřešily problém datování Bajkalských sedimentů, ale k paleoklimatické interpretaci se většinou pokoušeli používat pouze záznam fosilních rozsivkových schránek. Tyto jednobuněčné řasy ovšem poměrně rychle obměňují druhovou skladbu a druhy, které převládaly během posledních asi 400 tisíc let, většinou vymřely, jejich environmentální požadavky tedy neumožňují podrobnější paleoklimatické analýzy. My jsme se proto pokusili použít kombinace rozsivkového záznamu se záznamem intenzity chemického zvětrávání v povodí jezera sledováním vybraných minerálních charakteristik, jako je oxidační stav Fe v minerálech a charakteristiky jílových minerálů, což se ukázalo jako velmi produktivní postup. Podařilo se nám tak vytvořit návrh průběhu kontinentálních klimatických změn ve východní Sibiři v posledních asi 160 tisíci letech a porovnat ho s již poměrně dobře známým průběhem klimatických změn v severním Atlantském oceánu. Ukázalo se, že kontinentální klima velmi zesiluje klimatické výkyvy trvající řádově tisíce let, které se projevují v Atlantickém oceánu jen v nejvyšších zeměpisných šířkách.
Klimatický záznam ze sedimentů Bajkalského jezera. Levý sloupec: koncentrace rozsivkových schránek v sedimentu, trojúhelníčky zobrazují letní osluňovací maxima ve vyšších šířkách severní polokoule (jejich stáří je v tisíci letech před současností). Střední sloupec: koncentrace expandabilních jílových minerálů, které je úměrné vlhkosti v povodí jezera. Pravý sloupec: redoxní stav Fe v minerálech, proxy chemického zvětrávání v povodí, trojúhelníčky zobrazují osluňovací minima, zcela vpravo šedé obdélníčky znázorňují chladná období (glaciály) a bílé obdélníčky teplá období (interglaciály).
4.7 Nové aplikace fluorescence jednotlivých molekul ve výzkumu biomembrán
Martin Hof, Jana Humpoličková, Aleš Benda, Jan Sýkora
Během posledních let se jako jedna z metod pro měření difúze v membránách začala široce uplatňovat fluorescenční korelační spektroskopie (FCS). Tato metoda umožňuje mapovat difúzi v živých buňkách, aniž by došlo k jejich poškození. Její nevýhodou je však vysoká citlivost naměřených dat na umístění vzorku. Naše práce zaměřené na odstranění tohoto nedostatku vedly k vývoji nové metody, tzv. Z-scan FCS, která umožňuje přesné určení difúze lipidů jak v modelových membránách (např. fosfolipidů adsorbovaných na rozhraní dvou kapalin1 či podporovaných fosfolipidových membránách (SPB) 1,4, ale také v obřích jednolamelárních váčcích (GUV)4, tak v membránách živých buněk3.
Metodu Z-scan FCS jsme úspěšně použili nejen k objasnění základních otázek o pohyblivosti molekul v podporovaných fosfolipidových membránách, ale i k určení a charakterizaci lipidových mikrodomén (hovoří se o tzv. raftech). Velikost mikrodomén v buňkách je menší než 250 nm, a tudíž také menší než rozlišení konfokálního mikroskopu.
Našemu týmu se také jako prvnímu podařilo uvést do praxe dva nové měřící přístupy odvozené od fluorescenční korelační spektroskopie, a to tzv. časově rozlišenou FCS2,5 a dvouohniskovou FCS 5,6. První z těchto metodik slouží ke sledování jednoho druhu fluorescenčních molekul, které jsou přítomny v různých mikrookolích ve vzorku. Druhá metodika potom slouží k dalšímu zpřesnění hodnot difúzních konstant naměřených fluorescenční korelační spektroskopií 6.
Obr.1
Z-Scan FCS: difúze v membráně je proměřena v různých pozicích podél konfokálního objemu, což vede k přesnému určení difúzního koeficientu.
1. Benda, A., Beneš, M., Mareček, V., Lhotský, A., Hermens, W. T., Hof, M.: How to determine diffusion coefficients in planar phospholipid systems by confocal fluorescence correlation spectroscopy. - Langmuir. 19: 4120-4126 (2003).
2. Benda, A., Hof, M., Wahl, M., Patting, M., Erdmann, R., Kapusta, P.: TCSPC upgrade of a confocal FCS microscope - Rev. Sci. Instr. 76: 033106 (2005).
3. Humpolíčková, J., Gielen, E., Benda, A., Fagulóvá, V., Vercammen, J., vandeVen, M., Hof, M., Ameloot, M., Engelborghs, Y: Probing diffusion laws within cellular membranes by Z-scan fluorescence correlation spectroscopy. - Biophys. J. 91: L23-L25 (2006).
4. Przybylo, M., Sýkora, J., Humpolíčková, J., Benda, A., Zan A., Hof, M.: Lipid diffusion in giant unilamellar vesicles is more than 2 times faster than in supported phospholipid bilayers under identical conditions. - Langmuir. 22: 9096-9099 (2006).
5. Benda, A., Fagul'ova, V., Deyneka, A., Enderlein, J., Hof, M.: Fluorescence lifetime correlation spectroscopy combined with lifetime tuning: New perspectives in supported phospholipid bilayer research. - Langmuir. 22: 9580-9585 (2006).
6. Dertinger, T., von der Hocht, I., Benda, A., Hof, M., Enderlein, J.: Surface sticking and lateral diffusion of lipids in supported bilayers - Langmuir 22: 9339-9344 (2006).
4.8 Vrstvy kovových iontů a nanočástic na polarizovaných kapalných rozhraních
Vladimír Mareček, Hana Jänchenová, Zdeněk Samec, Antonín Trojánek, Jan Langmaier
Cílem této práce bylo vyvinout nové metody přípravy tenkých vrstev kovových iontů a kovů na polarizovatelném kapalném rozhraní, které by umožňovaly ovlivňovat mechanismus a rychlost mezifázové reakce přenosu náboje. Funkcionalizace kapalných rozhraní představuje zcela nový směr v elektrochemii, s předpokládanými aplikacemi v oblasti elektroanalýzy (ampérometrické iontově selektivní elektrody) a elektrokatalýzy přenosu elektronu (palivový mikročlánek). Naše úsilí bylo zaměřeno zejména na přípravu vrstev křemičitanů pro selektivní zachycení iontů kovů, a vrstev tvořených přímo kovovými nanočásticemi. Ukázali jsme, že křemičitanové vrstvy (viz obr.1) lze reprodukovatelně vytvářet na rozhraní voda/1,2-dichlorethan upravenou sol-gel technikou, založenou na přenosu templátového kationtu trimetyloktadecyl-ammonia z organické do vodné fáze, kde tento ion tvoří iontový pár s křemičitanovým prekursorem [1,2]. Proces a vlastnosti deponované vrstvy, jakož i současné zabudování kovového iontu (např. Pt), lze citlivě kontrolovat vloženým elektrickým napětím. Vrstvy kovových nanočástic (Pt, Au) na kapalném rozhraní lze podobně připravit potenciálově řízenou reakcí přenosu elektronu mezi komplexem kovu ve vodné fázi a vhodným donorem v organické fázi [3,4]. Studie vedla k objevu stochastického charakteru nukleace a růstu kovových nanočástic. Modelový výpočet ukázal, že pravděpodobnosti růstu, úbytku a neměnnosti rozměru vyloučené kovové částice jsou srovnatelné [3]. V následné studii [4] byl podán první důkaz o elektrokatalýze redukce kyslíku na polarizovatelném kapalném rozhraní v přítomnosti nanočástic Pt, které byly na rozhraní vyloučeny paralelně probíhající elektrochemickou reakcí. Realizace takového procesu je podmínkou pro další vývoj palivového mikročlánku pro konverzi chemické energie na elektrickou.
Tento výzkum byl podporován projekty GAČR 203/03/0822 (V. Mareček, 2003-2005, "Polymerace adsorbovaných vrstev na rozhraní kapalina/kapalina) a GA AVČR A4040407 (Z. Samec, 2004-2007, "Elektrolýza na kovových nanočásticích deponovaných na kapalné membráně").
Obr.1
Křemičitanový film vytvořený na rozhraní mezi organickou (dole) a vodnou (nahoře) fází, dopovaný ionty platiny.
Publikace:
1. Mareček, V., Jänchenová, H.: Electrochemically Controlled Formation of a Silicate Membrane at a Liquit/Liquit Interface. - J. Electroanal. Chem. 558: 119-123 (2003).
2. Jänchenová, H., Štulík, K., Mareček, V.: Preparation of a Silicate Membrane at a Liquid|Liquid Interface and its Doping with a Platinum Ion. - J. Electroanal. Chem. 591: 41 -45 (2006).
3. Trojánek, A., Langmaier, J., Samec, Z.: Random nucleation and growth of Pt nanoparticle at the polarised interface between two immiscible electrolyte solutions. - J. Electroanal. Chem. v tisku (2006).
4. Trojánek, A., Langmaier, J., Samec, Z.: Electrocatalysis of the oxygen reduction at a polarised interface between two immiscible electrolyte solutions by electrochemically generated Pt particles. - Electrochem. Commun. 8 . 475-481 (2006).
4.9 Nové experimenty s klastry a nanočásticemi v molekulových paprscích
Michal Fárník, Viktoriya Poteriya, Václav Profant
V roce 2005 jsme získali z Institutu Maxe-Plancka v Göttingen v Německu nové experimentální zařízení a převezli jej do Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského v Praze. Instalaci náročné aparatury (obr.1) jsme dokončili počátkem roku 2006 a zahájili její testování. V jedinečném experimentu připravujeme metodou molekulových paprsků volné nanočástice a klastry molekul ve vakuu, jejichž velikost a složení lze kontrolovat a analyzovat. Do nanočástic můžeme vkládat jiné molekuly, a nanočástice pak slouží jako "létající nanolaboratoře" pro výzkum vložených molekul a různých procesů na molekulové úrovni.
V průběhu roku 2006 jsme realizovali první nové experimenty na tomto zařízení v Praze. Nejdůležitější z nich zahrnují fotolýzu HBr na nanočásticích vody, která je relevantní v atmosférické chemii, zejména při procesu tvorby ozonové díry. Je známo, že důležitá část chemie, která vede k vytváření ozonové díry, probíhá na povrchu ledových částeček v polárních stratosférických mracích. Tam chemické reakce přeměňují relativně inertní tzv. zásobní molekuly (např. HBr) v molekuly aktivní, které jsou snadno fotolyzovány UV-slunečním zářením, čímž vznikají volné radikály reagující s ozonem. Tyto procesy jsme studovali v laboratoři depozicí molekul HBr na nanočástice (H2O)n a jejich následnou fotolýzou UV-laserovým zářením. Zaměřili jsme se na studium detailů procesu fotolýzy (obr. 2): dochází k procesu acidické disociace molekuly HBr na iontovou formu H3O+(H2O)kBr-, která je pak vzbuzena UV-zářením do biradikálového stavu H3O(H2O)kBr. Ten následně relaxuje a molekula hydronia H3O se rozpadá na H+H2O.
Studium takovýchto procesů na molekulové úrovni je důležité pro pochopení velmi komplexního procesu tvorby ozonové díry, které je důležité pro život na zemi. Výsledky těchto experimentů jsme nedávno zaslali k publikaci.1
1. Poteriya, V., Fárník, M., Slavíček, P., Buck, U., Kresin, V.: Photodissociation of hydrogen halide molecules on free ice nanoparticles, submitted as Communication to J. Chem. Phys. 2007.
Obr. 1: Nové experimentální zařízení v ÚFCH JH AVČR.
Obr. 2: Model fotolýzy molekul HBr na nanočásticích vody.
4.10 Analýza vazebného uspořádání molekul se složitou strukturou. Aplikace molekulárního inženýrství v současné materiálové vědě.
R. Ponec
Současný rychlý rozvoj materiálové vědy je charakteristický důrazem na přípravu nových netradičních materiálů s často zcela unikátními fyzikálními, chemickými, případně biologickými vlastnostmi. Přitom se ukazuje, že žádoucí unikátní vlastnosti jsou zpravidla vázány na systémy, s často zcela netradičními a neobvyklými strukturními prvky. Z toho je zřejmé, že jakékoli snahy o racionalizaci přípravy netradičních nových materiálů jsou do značné míry vázány na spolehlivý popis struktury takovýchto materiálů a z něj vycházející pochopení vazebného uspořádání.
Takovýto popis lze v současné době získat především z teoretických kvantově chemických výpočtů, jejichž využití v materiálové vědě je často označováno jako molekulární inženýrství. V rámci skupiny teoretické chemie byla před časem navržena i obecná originální metoda pro popis vazebného uspořádání molekul vhodná především pro sloučeniny obsahující právě neklasické typy vazeb, jako jsou například vícenásobné přímé vazby kov-kov v komplexech transitních kovů, vícecentrické vazby v boranech a kovových clusterech atd. Uvedená metoda, známá jako analýza doménově průměrovaných Fermiho děr byla v průběhu několika posledních let využita k objasnění struktury řady sloučenin s komplikovaným vazebným uspořádáním a její výsledky přispěly k objasnění povahy neobvyklých chemických vazeb v takovýchto sloučeninách.
1) Ponec R., Yuzhakov G., Sundberg M: Chemical structures from the analysis of domain averaged Fermi holes. Nature of Mn-Mn bonding in Bis(pentacarbonylmanganese) J. Comp. Chem. 26: 447 (2005)
2) Ponec R.: Chemical bonding in solids. On the generalization of the concept of bond order and valence to infinite periodical structures. Theor. Chem. Acta 114, 208 (2005).
3) Ponec R., Bultinck P., Gutta P., Tantillo D.J.: Multicenter bonding in carbocations with tetracoordinated protons, J. Phys. Chem. A, 110: 3785 (2006).
4) Ponec R., Cooper D.L.: Anatomy of bond formation. Bond length dependence of the extent of electron sharing in chemical bonds from the analysis of domain averaged Fermi holes, Faraday Disc. Vol. 135
5) Ponec R., Yuzhakov G.: Metal-metal bonding in Re2Cl8(2-) from the analysis of domain averaged Fermi holes, PCCP, submitted.
4.11 Studium komplexů s [{C5Me4(CF2)nCF3}Rh] fragmentem
Jan Čermák, Jaroslav Žádný, Alena Krupková, Jan Sýkora
V koordinační chemii při použití komplexů přechodných kovů jako organokovových katalyzátorů je velmi důležitá otázka snadného vytvoření volného koordinačního místa na aktivním centru katalyzátoru. K tomu se používají objemné neboli stericky náročné ligandy. V naší skupině byl před několika lety syntetizován nový původní typ cyklopentadienylových ligandů s elektronickými vlastnostmi nesubstituovaného cyklopentadienylu a předpokládanými sterickými vlastnostmi blízkými objemnému pentamethylcyklopentadienylu. Cílem současné studie bylo semikvantitativní ocenění sterických vlastností ligandů nového typu, nutné pro cílený návrh katalyzátorů pro různé organické reakce. Byla připravena série monojaderných komplexů rhodia(III) obsahujících C5Me4(CF2)nCF3 ligandy a řadu monodentátních P a N donorních ligandů. Některé z těchto donorů (např. P(C6H4-4-CH3)3 v dole uvedeném komplexu) vykázaly na molekulární úrovni bráněnou rotaci kolem vazeb Rh-P nebo Rh-N, která byla detailně studována s pomocí NMR spektroskopie za proměnných teplot. Výpočtem vycházejícím z experimentálních dat pak bylo poněkud překvapivě prokázáno, že sterické bránění [{C5Me4(CF2)nCF3}Rh] fragmentu je v rámci experimentální chyby stejné jako bránění [C5Me5Rh] fragmentu, tedy že perfluorovaný řetězec jako substituent prakticky nezvyšuje sterickou náročnost nových ligandů. Výsledky budou využity při cíleném návrhu katalytických systémů.
Čermák J., Žádný J., Krupková A., Lopatová K., Vlachová A., Nguyen Thi T.H., Šauliová J., Sýkora J., Císařová I.: Tetramethyl(perfluoroalkyl)cyclopentadienyl Rhodium(III) Complexes Containing Phosphorus and Nitrogen Monodentate Donors. Crystal Structure of [(?5-C5Me4C4F9)Rh(PPri3)Cl2] - J. Organomet. Chem., in press.
4.12 Roubované vysokomolekulární konjugáty doxorubicinu pro léčbu pevných nádorů
Tomáš Etrych, Petr Chytil, Karel Ulbrich, Tomáš Mrkvan, Blanka Říhová
Autoři navrhli strukturu a syntetizovali polymerní kancerostatika určená pro léčbu pevných nádorů. Polymerní léčiva jsou konstruována tak, že vysokomolekulární větvená vodorozpustná struktura zajišťuje prodlouženou dobu cirkulace neaktivního cytostatika v organizmu, zvýšené ukládání konjugátu v pevných nádorech díky EPR efektu (enhanced permeability and retention) a specifickou aktivaci (uvolnění) cytostatika v nádoru hydrolýzou, jejíž rychlost je řízena pH prostředí. Následná hydrolytická, enzymatická a nebo reduktivní degradace polymerního skeletu pak zajistí eliminaci polymerních komponent z organizmu glomerulární filtrací (ledvinami).
Struktura polymerního léčiva je volena tak, že sestává z hlavního polymerního řetězce tvořeného kopolymerem HPMA nesoucího doxorubicin připojený pH citlivou hydrolyticky štěpitelnou vazbou. Na tento řetězec jsou roubovány další řetězce HPMA kopolymeru rovněž nesoucí doxorubicin připojený stejnou hydrolyticky labilní vazbou. Polymerní rouby jsou připojeny k hlavnímu řetězci vazbami štěpitelnými v cílové nádorové buňce, a to buď enzymaticky, hydrolyticky a nebo reduktivně štěpitelnou disulfidovou vazbou. Molekulová hmotnost hlavního řetězce i polymerních roubů je volena tak, aby tyto polymery mohly být vyloučeny z organizmu filtrací přes ledviny, po spojení do vysokomolekulární roubované struktury však vyloučeny být nemohou, cirkulují v krevním řečišti a ukládají se v pevných nádorech. Po průniku do nádorové buňky pinocytosou dojde v důsledku změny pH k uvolnění aktivního cytostatika a později i k degradaci polymerního skeletu na původní fragmenty vyloučitelné z organizmu.
Reálnost výše navrženého mechanizmu působení polymerních léčiv s roubovanou polymerní strukturou autoři ověřili v prostředí modelujícím poměry v krevním řečišti i živočišné buňce a mimořádnou protinádorovou aktivitu polymerního léčiva pak prokázali v in vivo pokusech u myší s inokulovaným modelovým nádorem.
Přežívání myší s inokulovaným nádorem myšího EL 4 T-buněčného lymfomu po jednorázovém podání nového polymerního cytostatika roubovaného typu (ekvivalent 15 mg DOX/kg) v terapeutickém režimu podání. Účinnost nového cytostatika byla porovnána s účinností předchozí generace polymerního cytostatika (lineární)
Etrych T., Chytil P., Ulbrich K., Mrkvan T., Říhová B.: Roubované vysokomolekulární konjugáty doxorubicinu s protinádorovou aktivitou a způsob jejich výroby. PV 2006 - 592
4.13 Kapalně-krystalické polyurethanové sítě
Michal Ilavský, Zdeňka Sedláková, Stanislav Nešpůrek
Polymerní sítě, jako trojrozměrné nekonečné struktury ve kterých jsou makromolekuly spojeny ve vícefunkčních uzlech, našly široké využití v praxi. Síťové struktury se vytvářejí z menších jednotek postupně probíhajícími chemickými reakcemi mezi reaktivními skupinami. Síťované polyuretany reprezentují důležitou skupinu materiálů s rozsáhlými praktickými aplikacemi. V důsledku jednoduché výstavby z reaktivních hydroxylových a izokyanátových skupin jsou tyto sítě používány jako modelové systémy pro testování popisu tvorby sítí a jejích fyzikálních vlastností. Změnou struktury výchozích reaktantů lze u těchto systémů efektivně měnit výslednou strukturu a cíleně připravovat materiály s požadovanými vlastnostmi. Jestliže se v polymerním řetězci nachází rigidní tzv. mezogenní skupina, získají se kapalně-krystalické polymery, v nichž se vytváří stav uspořádání přechodového typu mezi krystalickou a amorfní strukturou. Uspořádaná mezofáze velmi výrazně ovlivňuje fyzikální vlastnosti polymeru. Kapalně-krystalické polymerní sítě tvoří v současné době nový směr ve výzkumu polymerů; zavedení kovalentních vazeb mezi polymerními řetězci u těchto systémů zabezpečuje stabilní rozměry a tvar materiálů. Vlivem mechanické deformace, resp. elektrického pole lze získat v kapalně-krystalických materiálech makroskopickou orientaci spojenou s optoelektronickými vlastnostmi.
Připravili jsme kapalně-krystalické sítě s azobenzenovou skupinou v mezogenu bočního řetězce a prokázali jsme vliv silných fyzikálních interakcí mezogenních skupin na strukturu a fyzikální chování materiálu. Struktura těchto sítí je dána jak kovalentními vazbami mezi polymerními řetězci tak fyzikálními interakcemi mezogenních skupin bočních řetězců a lze ji řídit kapalně-krystalickým stavem reaktantů při jejich vzniku. Tyto materiály vykazují velmi silný efekt světlem indukované orientace. Fotochemicky vyvolané trans/cis/trans izomerizační cykly azobenzenových skupin vedou k jejich lokálním reorientacím při ozáření lineárně polarizovaným UV světlem He-Cd laseru. Ozáření vyvolává anisotropii a dvojlom, které jsou stabilní v čase při teplotách do 80 ?C. Po následném ozáření nepolarizovaným světlem je vzorek opět v plně neuspořádaném stavu. Vzhledem k tomu, že tento efekt je velmi dobře reprodukovatelný lze očekávat, že tyto materiály naleznou aplikace v oblasti optických pamětí a kinetických holografických záznamech.
1. Y.A.Demchenko, M.Studenovský, Z.Sedláková, A.Sikora, J.Baldrian, M.Ilavský: Formation, structure, thermal and dynamic mechanical behavior of polyurethane networks based on a diethanolamine derivative with mesogenic group; Eur. Polym. J., 39, 1521-1531 (2003)
2. H.Valentová, J.Nedbal, M.Ilavský, P.Pissis: DSC, dielectric and dynamic mechanical behavior of two- and three-component ordered polyurethanes; Polymer, 46, 4175-4182 (2005)
3. D.Rais, S.Nešpůrek, Y.Zakrevskyy, J.Stumpe, Z.Sedláková, M.Studenovský: Photoorientation in azobenzene containing polybutadien based polymer; J. Optoelectron. Adv. Mat., 7, 1371-1375 (2005)
4. M.Ilavský, H.Valentová, Z.Sedláková, J.Nedbal, V.Veličko: Thermal, dynamic mechanical and dielectric behaviour of liquid-crystalline linear and crosslinked polyurethanes with mesogenic group in side chains; Materials Science Forum, 518, 367-374 (2006)
5. A.Jigounov, Z. Sedláková, J. Spěváček, M. Ilavský: Dynamic mechanical and thermal behavior of liquid-crystalline polybutadiene-diols with mesogenic groups in side chains; Europ. Polym. J., 42, 2450-2457 (2006)
4.14 Vznik cycklického tetramerního pseudorotaxanu a jeho trimerního homologu samoskladbou řízenou měďnými ionty
V článku je popsána první syntéza pseudorotaxanů s novou topologií: reakcí stechiometrického množství měďných iontů s nově navrženým ligandem vzniká směs cyklických pseudorotaxanů. Tetramer je hlavním produktem v koncentrovaných roztocích zatímco v roztocích velmi zředěných převažuje trimerní komplex (viz schéma). Homology mohou vlivem dynamické rovnováhy přecházet jeden v druhý a jejich vzájemný poměr lze řídit změnou koncentrace.
Kraus, T., Buděšínský, M., Cvačka, J., Sauvage, J.-P.: Copper(I)-Directed Formation of a Cyclic Pseudorotaxane Tetramer and Its Trimeric Homologue. - Angew. Chem. Int. Ed. 45: 258-261 (2006).
4.15 Struktura a charakterisace glutamátkarboxypeptidasy II z lidského mozku
Proteasy jsou enzymy, schopné štěpit peptidovou vazbu. Tyto molekuly hrají klíčovou regulační roli v řadě biologických pochodů. Jednou z významných proteas vyskytujících se v řadě tkání u člověka i u zvířat je glutamátkarboxypeptidasa II (GCP II). V lidském mozku tento enzym štěpí neurotransmiter NAAG a uvolňuje přitom aminokyselinu glutamát. Ten pak hraje důležitou roli v řadě patologických stavů, jako je poškození nervových buněk při mozkové mrtvici, diabetické neuropatii, Alzheimerově chorobě atd. Experimenty na zvířatech prokázaly, že GCPII je skutečně potenciálním cílem zásahu pro vývoj nových neuroprotektivních léků. Na UOCHB AV ČR se nám podařilo tento enzym připravit rekombinantní expresí v hmyzích buňkách, enzymově ho charakterizovat, ve spolupráci s ÚMG připravit proti němu velmi citliví monoklonální protilátky a ve spolupráci s německým pracovištěm vyřešit trojrozměrnou strukturu tohoto enzymu rentgenovou difrakcí. Struktura tohoto důležitého cíle terapeutického zásahu se stane základem pro racionální vývoj nových léků s neuroprotektivním účinkem, založených na inhibici GCP II.
Obr. Schéma 3D-struktury dimeru GCPII s vyznačenou topografií molekuly na plasmatické membráně a epitopy důležitých monoklonálních protilátek.
Mesters, J.R., Bařinka, C., Li, W., Tsukamoto, T., Majer, P., Slusher, B., Konvalinka, J. and Hilgenfeld, R.: Structure of Glutamate Carboxypeptidase II, a Drug Target in Neuronal Damage and Prostate Cancer.- EMBO J. 25: 1375-1384 (2006).
Šácha, P., Zámečník, J., Bařinka, C., Hlouchová, K., Vícha, A., Mlčochová, P., Hilgert, I., Eckschlager, T. and Konvalinka, J.: Expression of Glutamate Carboxypeptidase II in Human Brain.- Neuroscience, in press doi:10.1016/j.neuroscience.2006.10.022
Hlouchová, K., Bařinka, C., Klusák, V., Šácha, P., Mlčochová, P., Majer, P., Rulíšek, L. and Konvalinka, J.: Biochemical characterisation of human glutamate carboxypeptidase III.- J. Neurochem., in press doi:10.1111/j.1471-4159.2006.04341.x
4.16 Kvantifikace a racionalizace vyšší afinity sodíku proti draslíku k povrchu proteinů
Pomocí simulací molekulové dynamiky a vodivostních měření jsme kvantifikovali vyšší afinitu Na+ proti K+k povrchu řady různých bílkovin, včetně strukturálního proteinu, enzymu, inhibitoru, markeru a systému s přenosem náboje. Oba přístupy ukazují, že sodík se váže nejméně dvakrát silněji k povrchu proteinů než draslík, přičemž tento efekt byl pozorován u všech studovaných proteinů. Různé části povrchu proteinů se podílejí rozdílným způsobem na vyšší afinitě sodíku. Hlavní roli přitom hrají nabité karboxylové skupiny aspartátu a glutamátu. Lokální iontové párování je proto klíčem k pochopení preference sodíku proti draslíku, což je dále demonstrováno a kvantifikováno pomocí simulací glutamátu a aspartátu ve formě izolovaných aminokyselin a krátkých oligopeptidů. Ve skutečnosti je tento efekt přítomen už na úrovni preferenčního iontového párování nejmenších karboxylových aniontů, mravenčanu a acetátu, s Na+ a K+, což jsme ukázali pomocí molekulové dynamiky a kvantově chemických výpočtů. Díky kvantifikaci a zdůvodnění vyšší preference sodíku proti draslíku k povrchu proteinů tato studie otevírá cestu k molekulárnímu pochopení mnoha iontově specifických (Hofmeisterových) jevů, týkajících se interakcí proteinů v solných roztocích. Silnější vazba Na+ k povrchu proteinů může také být jedním z důvodů, proč sodík musí být pumpován ven z buněk.
Obr.: Vyšší afinita sodíku (zeleně) proti draslíku (modře) k povrchu proteinů. Obrázek ze simulace molekulové dynamiky ribonukleázy A a statisticky zprůměrované iontové hustoty kolem různých proteinů.
Vrbka, L. , Vondrášek, J., Jagoda-Cwiklik, B., Vácha, R., Jungwirth, P.: Quantification and rationalization of the higher affinity of sodium over potassium to protein surface.- Proceedings of the National Academy of Sciences 103: 15440-15444 (2006).
