БИОФИЗИКА, 2009, том 54, вып.6, c.984-987
МОЛЕКУЛЯР НАЯ БИОФИЗИКА =
УДК 547.565.2:536.242
ЭНТАЛЬПИИ РАСТВОРЕНИЯ DL-a-АЛАНИНА И ДИПЕПТИДОВ АЛИФАТИЧЕСКОГО РЯДА В ВОДНЫХ РАСТВОРАХ KCl
© 2009 г. И.Н. Межевой, В.Г. Баделин
Институт химиирастворов РАН, 153045, Иваново, ул. А кадемическая, 1
E-mail: inm@isc-ras.ru
Поступила в p едакцию 29.05.06 г.
После доработки 26.03.09 г.
Измер ены интегр альные значения энтальпии раствор ения ASoiHm DL-a-аланина, DL-a-аланил-глицина, DL-a-аланил-ß-аланина, DL-a-аланил-DL-a-аланина и L-а-аланил-Ь-а-аланина в смесях воды с KCl при концентр ации электролита до 4 моль/кг (T = 298,15 К). На о сновании полученных данных рассчитаны стандар тные энтальпии растворения (ASoiH0) и пер ено са (AtrH0) аминокислот и дипептидов из воды в водные р астворы KCl. Установлено, что зависимости AtrH = f(m) для всех систем носят экстремальный характер, что свидетельствует о различном характере взаимодействия между компонентами раствора в различных концентрационных областях электролита. В рамках формализма теории МакМиллана-Майера оценены энталь-пийные парные коэффициенты взаимодействия hxy биомолекул с KCl. Коэффициенты обсуждаются с точки зрения суммарных энтальпийных эффектов взаимодействия между компонентами в водных раствор ах и структур ных особенностей р астворяемых веществ.
Ключевые слова: аминокислота, дипептиды, энтальпия растворения, хлорид калия, водные растворы.
Изучению термодинамической стабильности природной структуры различных белков посвящено довольно большое число работ [1]. Однако довольно часто возникают экспериментальные сложности при прямом термодинамическом изучении сложных по стр уктуре биологических макр омолекул. Поэтому изучение поведения модельных соединений, таких как аминокислоты и олигопептиды, в водных и смешанных растворителях упрощает понимание факторов, управляющих стабильностью биополимеров. Эффективность различных неорганических солей при их взаимодействии с пептидными фрагментами в процессах стабилизации (дестабилизации) белков была классифицирована в форме рядов в работе [2]. Пептидные группы сильно стабилизируются такими солями, как Nal, NaCKO^, NaSCN; менее сильно -KF, LiCl, NaCl, KCl. П ри изучении аминокислот в растворах электролитов используются различные методы [3-6]. Однако термохимическому изучению пептидов в водных смесях с неорганическими солями посвящены единичные работы, что недостаточно для термодинамического описания движущих сил, управляющих процессами взаимодействия пептид-электролит в растворах [7].
Целью данного исследования является получение новых термохимических данных по рас-
твор ению аминокислот и олигопептидов в водных раствор ах хлорида калия, который неизменно присутствует в биологических жидкостях и участвует в пр оцессах жизнедеятельно сти. Работа является продолжением комплексного изучения аминокислот и олигопептидов в различных водных ср еда х, содержащих протонодонор-ные [8] и апротонные [9,10] органические сора створители, моно- и дисахариды [11,12] и буферные растворы [13].
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
В работе калориметрическим методом получены интегральные энтальпии растворения Д5о1Яm DL-a-аланина (Ala), DL-a-аланил-гли-цина (Ala-Gly), DL-a-аланил^-аланина (Ala-ß-Ala), DL-a-аланил-DL-a-аланина (Ala-Ala) и L-а-аланил^-а-аланина (L-Ala-L-Ala) в смесях воды с KCl при концентрации электролита до 4 моль/кг при Т = 298,15 К. Концентрация аминокислоты и дипептидов - 0,005 0,010 моль/кг. За стандартные значения энтальпий раствор ения (Д5о1Н0) аминокислоты и дипепти-дов приняты средние арифметические величины тепловых эффектов растворения (Д5о1Нт) из че-тырех-пяти опытов, так как зависимости величин Д5о1Нт от концентрации DL-a-аланина и
ЭНТАЛЬПИИ РАС ТВОРЕНИЯ DL-a-АЛАНИН A
985
пептидов в исследованных p аствор ах не обна-р ужено.
DL-a-аланин и дипептиды (фирма Reanal, Венгрия) дважды перекристаллизовывали из водно -этанольного раствор а. Хлор ид калия (Реахим, Россия) квалификации осч использовали без дальнейшей очистки. Все реагенты сушили в вакуумном шкафу пр и 343 К в течение 48 ч и хр анили над Р205 в вакуумном эксикатор е. Раствор ы готовили на о снове свежепер е-гнанного дегазированного бидистиллята весо-вым методом.
Измер ения энтальпий ра створ ения пр оводи-ли на сконструированном нами герметичном ампульном калориметре переменной температуры с изотермической оболочкой с ячейкой на 110 мл [14]. Тепловая чувствительность установки - 110-3 Дж/мм шкалы измерительного пр ибо р а. Электр ическую калибр овку пр о -водили до и по сле каждого экспер имента. Полученные кривые изменения температуры от времени обрабатывали графическим методом Дикинсона [15] и Asol#m определяли сравнительным методом. Для оценки точности и надежно сти измерений тепловых эффектов растворения на калориметрической установке были измерены тепловые эффекты р аствор ения KCl в Н 2О пр и 298,15 К. Из десяти независимых измер ений энтальпии р аствор ения KCl в воде и энтальпии разведения, определенных экспериментально в работе [16], было получено значение AsolH0 = 17,23 ± 0,06 кДж/моль, которое хорошо согласуется с известными литературными данными.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Из экспериментальных значений Asol#m и рассчитанных стандартных значений энтальпии р а створ ения (AsolH0) получены стандар тные энтальпии переноса (AtrH0) аминокислоты и ди-пептидов из воды в водные растворы KCl, р а ссчитанные по фо р муле:
AtrH0(w ^ w + у) = AsolH0 (W + у) - ASolH0(w), (1)
где AtrH0 (w ^ w + у) - стандартная энтальпия пер ено са аминокислоты или пептидов (x) из воды в водные растворы хлорида калия (у); AsolH0 (w + у) - стандар тная энтальпия ра ство-рения биомолекул в водных раствор ах KCl; AsolH0 (w) - стандар тная энтальпия раствор ения аминокислоты и дипептидов в воде, опр еделен -ная нами в работе [17].
0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07
Зависимости стандар тных энтальпий пер ено са AtrH0 DL-a-аланина (1), DL-a-аланил-глицина (2), DL-a-аланил^-аланина (3), DL-a-аланил-DL-a-аланина (4) и L-а-аланил-Ь-а-аланина (5) из воды в водные растворы KCl от мольной доли (X2) электролита при 298,15 К.
Полученные экспер иментальные результаты пр едставлены на рисунке. Как видно из рисунка, изменение AtrH0 в зависимости от концентр ации носит различный характер, что свидетельствует о преобладании разных вкладов в общую энер гетическую со ставляющую взаимодействия биомолекул с компонентами ра створ а. В трехкомпонентных системах аминокислота (пептид)-хлорид калия-вода молекулы гидра-тированных растворенных веществ находятся на до статочно близком р асстоянии, чтобы их гидр атные оболочки пер екр ывались. C огласно этому модельному подходу [18] возможны следующие типы взаимодействий: a) взаимодействия ион-ион, пр оисходящие между ионами K+ и COO--гpуппой и между Cl- и МН3-группой; б) взаимодействия ион-пептидная группа; в) взаимодействия ион-неполяр ная группа аминокислоты (пептида). Взаимодействия ион-ион и ион-пептидная группа вносят отрицательный вклад в суммар ный тепловой эффект ра створ е-ния аминокислоты и пептидов. Начальный уча -сток изотер мы AtrH0 = f(X 2) отр ажает увеличение их вклада для аминокислоты и дипептидов пр и увеличении концентр ации KCl. В этом концентр ационном интер вале пр оисходит разр уше-ние структур ы воды под воздействием р аство-р енных веществ и фор мир ование сольватных оболочек аминокислоты и дипептидов. Затем наблюдается некотор ая стабилизация в изменении термохимических характеристик переноса, что, по -видимому, связано с балансом процессов структур о р азр ушения ра створ ителя и стр ук -
986
МЕЖЕВОЙ, БАДЕЛИН
Энтальпийные коэффициенты парного взаимодействия hxy аминокислот и дипептидов c хлоридом калия в воде при 298,15 К
Раствор (x + y) hxy, Дж-кг-моль 2 Раствор (x + y) hxy, Дж-кг-моль 2
Gly + KCl -470 [23], -490 [24] Ala-ß-Ala + KCl -717 ± 30
Ala + KCl -97 ± 3, -100,8 ± 11,4[25] DL-Ala-DL-Ala + KCl -669 ± 54
Ala-Gly + KCl -775 ± 23 L-Ala-L-Ala -680 ± 41
турообразования тр ехкомпонентного раствор а. Напротив, при взаимодействии ион-неполярные группы доля эндоэффектов возр астает, что наглядно характер изует третий участок изотермы. Для того, чтобы количественно оценить характер взаимодействия аминокислоты и ди-пептидов с хлоридом калия и проанализировать роль различных групп в межчастичных взаимодействиях в трехкомпонентных водных системах, были рассчитаны энтальпийные коэффициенты парного взаимодействия Нху аминокислот (пептидов) с хлоридом калия в рамках теории МакМиллана-Майера [19]. Формализм подхода был развит в работах [20,21] и др. Для определения Нху концентрационная зависимость термодинамической функции переноса при бесконечном разведении (А1г#т) р аскладывается в вириальный ряд:
AtrH°(w ^ w + y) = 2hxymy + 3hxvvml +
xyy y
(2)
где AtrH0(w ^ w + y) - энтальпия переноса аминокислоты или пептидов (x) из воды в водные растворы хлорида калия (y); my - моляльность KCl; hxy и hxyy - энтальпийные коэффициенты парного и тройного взаимодействия соответственно. Интерпретация коэффициентов тройного взаимодействия затруднительна вследствие того, что они содержат также вклад от парных взаимодействий [22] и в дальнейшем они не обсуждаются. Величины коэффициентов характер и-зуют энергетику взаимодействия молекул аминокислота (пептид )-диссоциир ованный хлор ид калия при их сближении в области большого содержания воды. Рассчитанные коэффициенты представлены в таблице.
Как видно из таблицы, значения hxy отрицательны для всех исследованных систем. Это указывает на то, что в области большого содержания воды взаимодействия между аминокислотой (пептидом) и диссоциированным хлоридом калия энтальпийно благоприятны и доминируют электростатические взаимодействия между гидратир ованными веществами с увеличением экзотермичности растворения. Для исследуемых веществ коэффициенты возрастают
в положительную сторону с увеличением числа атомов углерода и боковых метильных групп в ряду аминокислот: Gly < Ala и дипептидов Ala-Gly < Ala-ß-Ala < L-Ala-L-Ala < Ala-Ala. Это указывает на увеличение вклада гидрофобной гидратации, сопровождаемой уп
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.