Химики разглядели изотопные метки в микроскоп
Американские ученые провели неразрушающий анализ изотопно-меченного L-аланина методом электронной микроскопии. Им удалось пространственно и спектрально обнаружить отдельные кластеры изотопно-замещенных и немодифицированных молекул аминокислоты. В статье, опубликованной в Science, говорится, что новый метод позволит наблюдать процессы, происходящие в клетках на уровне десятков нанометров.
Для изучения метаболизма клеток и механизма действия белков ученые часто используют изотопно-меченные вещества. Традиционные методы химического анализа меток на макромолекулярном уровне (например, масс-спектрометрия или инфракрасная спектроскопия) либо нуждаются во фрагментации молекул, то есть потере ценного образца, либо не обеспечивают достаточного разрешения и требуют больших концентраций анализируемого вещества. Недавние прорывы по увеличению монохроматичности электронных пучков в области электронной спектроскопии позволили с высоким разрешением анализировать органические молекулы в твердой фазе методом спектроскопии характеристических потерь энергии электронами (СХПЭЭ). Другие методы электронной микроскопии тоже применяют для изотопного анализа, однако высокие энергии, которыми облучаются образцы, часто приводят к их разрушению. В режиме СХПЭЭ «на расстоянии» (aloof vibrational EELS) пучок низкоэнергетических электронов не попадает на вещество, а взаимодействует с ним дальними кулоновскими силами, поэтому связи в молекулах не разрушаются.
Джордан Хэтчел (Jordan A. Hachtel) с коллегами из Национальной лаборатории Ок-Ридж осуществили идентификацию сайт-специфичных изотопных меток L-аланина неразрушающим методом СХПЭЭ на просвечивающем растровом электронном микроскопе (ПРЭМ).
В изотопно-замещенных молекулах колебания связей с более тяжелым, по сравнению с незамещенными, атомом имеют более низкую частоту. В колебательном спектре это выглядит как сдвиг пика колебания в длинноволновую (красную) область. В случае L-аланина, авторы увидели сдвиг ассиметричных колебаний связи С-О карбоксильной группы около пяти миллиэлектронвольт. Эти данные соответствовали теоретическим квантово-химическим расчетам и экспериментальным данным, которые ученые получили инфракрасной спектроскопией c преобразованием Фурье. Более того, исследователям удалось разрешить изотопно-замещенные кластеры L-аланина от незамещенных не только спектрально, но и в пространстве.
Авторы статьи утверждают, что этот метод может стать полезным дополнением к известным аналитическим подходам. Например, если использовать колебательную СХПЭЭ для анализа образцов в криогенных условиях, можно с разрешением электронного микроскопа отследить изотопно-меченные белки в образцах целых клеток, то есть непосредственно наблюдать внутриклеточные процессы на молекулярном уровне.
Колебательная спектроскопия характеристических потерь энергии электронами - не первый неразрушающий метод локального анализа чувствительных к высоким энергиям биологических молекул. В 2017 году нобелевскую премию по химии вручили за разработку метода криоэлектронной микроскопии, которая позволяет изучать структуры белков.
Алина Кротова
При этом получать из минерала фтороводород не пришлось
Химики из Великобритании и США обнаружили, что если измельчить в шаровой мельнице нерастворимый в воде и органических растворителях минерал флюорит с гидрофосфатом калия, образуется смесь солей, частично растворимая в органических растворителях. С ее помощью, как пишут ученые в Science, можно вводить атомы фтора в органические молекулы. Исходник для всех фторсодержащих органических веществ — это минерал флюорит, состоящий в основном из фторида кальция CaF2. Чтобы использовать флюорит для синтеза фторорганики, его растворяют в концентрированной серной кислоте — при этом атомы фтора переходят в растворимый в воде фтороводород HF, а кальций — в нерастворимый сульфат кальция CaSO4. После этого фтороводород используют для получения растворимых фторсодержащих солей и органических фторирующих агентов. Сам фтороводород (и его водные растворы) очень токсичен — он легко проникают через кожу, вызывая химические ожоги, и связывает ионы кальция в крови, что может приводить к гипокальциемии. И несмотря на все риски, связанные с его крупномасштабным получением, растворение флюорита в кислоте — до сих пор самый распространенный первый этап промышленного синтеза фторсодержащих соединений. Но недавно химики под руководством Майкла Хэйворода (Michael A. Hayward) из Оксфордского университета нашли удобный способ переработки флюорита. Они обнаружили, что если смешать один эквивалент флюорита с 2,5 эквивалента гидрофосфата калия K2HPO4 и перетереть их в шаровой мельнице, получится растворимая в воде, трет-бутиловом спирте и диметилсульфоксиде смесь солей, содержащая фторид-анионы. Чтобы понять, какие соли образуются при перетирании, химики зарегистрировали ЯМР-спектры раствора полученной смеси в воде. В результате анализа спектров они обнаружили, что в воде смесь диссоциирует на ионы F-, FPO32- и HPO42-. Далее ученые предположили, что основными компонентами смеси были смешанные соли K3(HPO4)F и K2−xCay(PO3F)a(PO4)b — и это предположение удалось подтвердить с помощью данных по рентгеновской порошковой дифракции полученной смеси. Затем химики протестировали фторсодержащую смесь в распространенных реакциях получения фторорганики. В итоге с ее помощью химикам удалось получить набор фторандидридов сульфоксилот из их хлорангидридов, провести нуклеофильное замещение брома на фтор в нескольких алкилбромидах, а также заменить хлор на фтор в замещенном нитробензоле и нескольких хлорзамещенных азотных гетероциклах. Таким образом, химики разработали механохимический способ перевода флюорита в растворимую смесь солей без промежуточного получения токсичного фтороводорода. Эта смесь солей оказалась удобным реагентом для получения фторорганических веществ. Как утверждают авторы статьи, работала она не хуже обычного фторида калия. Из токсичного фтороводорода получают, в том числе, распространенный в быту полимер тефлон. Крупномасштабное производство тефлона приводит к загрязнению окружающей среды полифторированными карбоновыми кислотами. Они токсичны для человека, но, как мы недавно рассказывали, химики уже научились разлагать их с помощью щелочи.