ЖУРНАЛ ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ, 2015, том 89, № 3, с. 396-400
ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ РАСТВОРОВ
УДК 541.8:541.13
ЭНЕРГЕТИКА МОЛЕКУЛЯРНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ L-ЦИСТЕИНА, L-СЕРИНА И L-АСПАРАГИНА В ВОДНО-ПРОПИЛЕНГЛИКОЛЕВЫХ
РАСТВОРАХ ПРИ 298.15 К © 2015 г. И. Н. Межевой, В. Г. Баделин
Российская академия наук, Институт химии растворов им. Г.А. Крестова, Иваново
E-mail: inm@isc-ras.ru Поступила в редакцию 03.04.2014 г.
Методом термохимии растворения получены интегральные энтальпии растворения А8о1Н™ Ь-цисте-ина, Ь-серина и Ь-аспарагина в растворах воды с 1,3-пропиленгликолем при концентрации органического растворителя до 0,26 мол. доли. Рассчитаны стандартные значения энтальпий растворения (А^Н0) и переноса (А1гН°) аминокислот из воды в смешанный растворитель. Установлено, что рассчитанные энтальпийные коэффициенты парных взаимодействий аминокислот с молекулами многоатомного спирта имеют положительные значения. Обнаружено влияние расположения гидрок-сильной группы в структуре многоатомных спиртов на энтальпийные параметры взаимодействия аминокислот в водных растворах. Проведен анализ влияния различных типов взаимодействий в растворах и структурных особенностей биомолекул и сорастворителя на энтальпийные характеристики растворения аминокислот.
Ключевые слова: молекулярные взаимодействия, водные растворы, калориметрия, энтальпии растворения, аминокислоты, многоатомные спирты.
DOI: 10.7868/S0044453715020168
Химическая стабильность и термодинамическое равновесие белковых систем и ферментов в водных растворах — актуальная задача в фармакологии и биохимии биологически активных биополимеров. На сложные биомолекулы оказывают существенное влияние незначительные изменения температуры, химическое сродство растворителя к молекулярным группам на поверхности белка, изменение осмотического давления, что зачастую приводит к денатурации белков [1, 2]. Один из методов стабилизации полимеров — подбор стабилизирующих органических сораствори-телей, например, некоторых многоатомных спиртов. Изучение термодинамических характеристик растворения модельных соединений белков (аминокислот и олигопептидов) с бинарными растворами позволяет подобрать оптимальную концентрацию органического сорастворителя для стабилизации сложных биомолекул и более глубоко понять механизмы взаимодействия в трехкомпо-нентной системе.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Измерения интегральных энтальпий растворения проводили на сконструированном нами герметичном четырехампульном калориметре переменной температуры с изотермической оболоч-
кой, позволяющем проводить последовательные измерения серии тепловых эффектов при растворении нескольких навесок вещества в одном и том же объеме растворителя без перезарядки калориметрической ячейки [3]. Реакционная часть калориметра и все внутренние детали, соприкасающиеся с раствором, выполнены из титанового сплава ВТ-1. Объем калориметрической ячейки составил ~110 мл. Стабильность системы термоста-тирования в ходе калориметрических измерений поддерживали с точностью 10-3 К. Термометрическая и энергетическая чувствительности калориметра составили 2 х 10-4 К/мм и 1 х 10-3 Дж/мм шкалы регистрирующего прибора. Компенсацию теплового эффекта проводили электрическим током. Для оценки точности и надежности работы калориметрической установки измеряли тепловые эффекты растворения КС1 в воде при 298.15 К. Из 10 независимых измерений энтальпий растворения КС1 в Н2О и данных по энтальпиям разведения [4] получили значение стандартной А^Н = 17.23 ± 0.06 кДж/моль, которое хорошо согласуется с рекомендуемой величиной в литературе (17.22 ± 0.04 кДж/моль) [5, 6].
Концентрацию аминокислот варьировали в интервале 0.003—0.009 моль/кг. Величины энтальпий растворения А8о1Нт аминокислоты в исследованной
ЭНЕРГЕТИКА МОЛЕКУЛЯРНЫХ ВЗАИМОДЕИСТВИИ Ь-ЦИСТЕИНА
397
Таблица 1. Стандартные энтальпии растворения (А8о1Н°, кДж/моль) аминокислот в смешанном растворителе вода — 1,3-пропиленгликоль при 298.15 К
ту А*о1Н° ту Аэо!-^ ту АзоН0
Ь-цистеин Ь-серин Ь-аспарагин
0.7285 11.36 ± 0.07 0.7259 11.49 ± 0.08 0.7202 22.85 ± 0.10
1.3274 11.78 ± 0.07 1.4274 11.94 ± 0.08 1.3587 23.09 ± 0.10
2.4465 12.31 ± 0.09 2.4396 12.33 ± 0.09 2.3265 23.40 ± 0.10
3.1373 12.78 ± 0.08 3.1925 12.63 ± 0.09 3.2387 23.60 ± 0.11
4.2734 13.31 ± 0.09 4.2665 12.95 ± 0.08 4.2543 23.73 ± 0.10
5.5576 13.68 ± 0.09 5.5678 13.08 ± 0.08 5.6076 23.77 ± 0.11
7.5813 14.08 ± 0.08 7.5834 13.11 ± 0.09 7.4461 23.55 ± 0.10
10.1145 14.30 ± 0.08 8.9812 12.95 ± 0.08 8.6258 23.23 ± 0.10
13.0765 14.04 ± 0.08 10.8534 12.49 ± 0.08 10.7632 22.45 ± 0.09
14.8954 13.68 ± 0.07 12.6745 11.89 ± 0.07 12.9865 20.91 ± 0.10
16.8703 13.10 ± 0.07 15.6783 10.76 ± 0.08
21.5332 11.61 ± 0.07 19.9238 9.12 ± 0.06
Обозначение: ту - моляльность 1,3-пропиленгликоля, моль кг
-1
концентрационной области (до 0.009 моль/кг) не зависят от концентрации биомолекулы, поэтому за стандартные значения Лзо1Н° приняты средние арифметические значения тепловых эффектов растворения Л8о1Нт из результатов двух-трех измерений. Ь-Цистеин (АМисИ, 97%), Ь-серин (АЫ-псИ, 99%) и Ь-аспарагин (АМисИ, 98%) перед экспериментом подвергали перекристаллизации из смеси вода-этанол, сушили под вакуумом при
Зависимости энтальпий переноса (Л ХгН°) Ь-аспара-гина (7), Ь-серина (2), Ь-цистеина (3), БЬ-аланина (4) [23], Ь-аланина (5) [23] и БЬ-валина (6) [23] из воды в ее смеси с 1,3-пропиленгликолем от концентрации органического сорастворителя (х2) при 298.15 К.
343 К в течение 48 ч. Воду после деионизации дважды дистиллировали (удельная электропроводность 10-5 Ом-1 см-1). Многоатомный спирт 1,3-пропиленгликоль (Рапгеас, 98%) использовали без дополнительной очистки. Водно-смешанные растворители готовили весовым методом.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Интегральные энтальпии растворения Л8о1Н° Ь-цистеина (Ь-Суз), Ь-серина (Ь^ег) и Ь-аспара-гина (Ь-Азп) в смешанных растворах воды с 1,3-пропиленгликолем (1,3-РгБ) представлены в табл. 1. Зависимости энтальпий переноса Л 1гН° полярных аминокислот из воды в водные растворы 1,3-пропиленгликоля от мольной доли сорастворителя (х2) представлены на рисунке. На рисунке для сравнения приведены полученные нами ранее данные для алифатических биомолекул, относящихся к другому подклассу - неполярным гидрофобным аминокислотам.
Как видно из рисунка, зависимости Л1гН° для всех аминокислот от мольной доли сорастворителя имеют экстремумы и энтальпии переноса с противоположными знаками в изученном интервале концентраций. Энтальпии переноса определяются различными вкладами с противоположными знаками от конкурирующих в растворе взаимодействий различной природы и сольватационных процессов. Для обсуждения наблюдаемых зависимостей использован подход, основанный на анализе различных видов взаимодействий при растворении кристаллических веществ в растворителе, который в настоящее время широко применяется [7-9]. В трехкомпонентных системах
398
МЕЖЕВОЙ, БАДЕЛИН
аминокислота — многоатомный спирт — вода молекулы гидратированных растворенных веществ находятся на достаточно близком расстоянии. В результате этого происходит частичная реорганизация сольватных оболочек молекул, что приводит к изменению характера межчастичных взаимодействий в трехкомпонентных растворах [10]. Получаемые энтальпии переноса для аминокислот будут определяться суммой вкладов с противоположными знаками. Происходящие в системе изменения термохимических величин можно выразить следующим уравнением:
А1гН° = -АН1 - АН2 + АН3 + АН4, (1)
где АН1 — ион-биполярные взаимодействия, происходящие между цвиттер-ионными центрами аминокислот и ОН-группами многоатомного спирта; АН2 — гидрофильно-гидрофильные групповые взаимодействия между полярными группами аминокислот и —ОН-группой полиспиртов, происходящие через образование водородной связи (А Н2); А Н3 — гидрофобно-гидро-фильные взаимодействия между неполярными частями аминокислот или органического сорас-творителя и ОН-группами сорастворителя или цвиттер-ионных центров аминокислот; АН4 — гидрофобно-гидрофобные взаимодействия между неполярными частями аминокислот и многоатомного спирта.
Первые два вида взаимодействий вносят отрицательные, а остальные — положительные вклады в энтальпии переноса аминокислот из воды в водно-органический растворитель. Положительные значения энтальпий переноса для всех аминокислот до пересечения с осью соответствующих концентраций (рисунок) указывают на преобладание третьего (А Н3) и четвертого (А Н4) типов взаимодействий с растворителем. После прохождения максимумов энтальпии переноса плавно уменьшаются, что означает увеличение доли ион-биполярных взаимодействий. Переход в отрицательную область энтальпий переноса наиболее ярко выражен для сильно полярных аминокислот (Ь-аспарагин и Ь-серин) с боковыми группами, способными образовывать водородные связи с молекулами растворителя. При увеличении концентрации многоатомных спиртов взаимодействия между полярными группами сорастворите-лей и цвиттер-ионными и полярными центрами аминокислот становятся более сильными, что приводит к увеличению экзотермичности растворения биомолекул в растворе. Для DL-аланина также наблюдается протяженный отрезок концентраций с отрицательными значениями А 1гН°, что объясняется присутствием D-изомеров ала-нина в рацемической смеси, что уменьшающим степень гидратации DL-форм аминокислоты [11]. Экстремумы на зависимостях энтальпий переноса аминокислот из воды в водные растворы
(3)
(4)
1,3-пропиленгликоля означают, что вклады от гидрофобно-гидрофильных и гидрофобно-гид-рофобных групповых взаимодействий наиболее значительны при данных концентрациях.
Для количественной оценки межчастичных взаимодействий в водных растворах нами был проведен регрессионный анализ в рамках теории Мак-Миллана—Майера [12] путем расчета энтальпий-ных коэффициентов парных взаимодействий (к^) аминокислот с молекулами 1,3-пропиленгликоля. Концентрационные зависимости Ао1Н°=/(ту) аминокислот в многоатомном спирте были обработаны полиномом третьей степени:
2 3
А8о1Н° = а0 + а1ту + а2ту + а3ту, (2)
где ту — моляльная концентрация многоатомного спирта, а0, а1, а2, а3 — к
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.