БИОФИЗИКА, 2009, том 54, вып.2, с.206-209
МОЛЕКУЛЯР НАЯ БИОФИЗИКА
УДК 547.565.2:536.242
О СОБЕННОСТИ ЭЛЕКТР О СТАТИЧЕСКИ X ВЗАИМОДЕЙ СТВИЙ АМИНОКИСЛОТ С САЛИЦИЛОВОЙ КИСЛОТОЙ В ВОДНОМ РАСТВО Р Е
© 2009 г. В.П. Баранников, В.Г. Баделин, М.Б. Березин
Институт химиирастворов РАН, 153045, Иваново, ул Академическая, 1 Поступила в p едакцию 19.07.07 г.
На основании калоpиметpичеcкиx данных определены энтальпии пеpеноcа cалициловой кислоты в водные буфер ные p аcтвоp ы c добавлением p азличных аминокиcлот пp и поcтоянной кислотности cp еды pН 7,35. Показано, что экзотеp мичеcкий эффект пеp ено cа и отp ицательные значения энтальпийныx коэффициентов паp ного взаимодействия cалициловой киcлоты c аминокислотами, наxодящимиcя в данныx уcловияx в pазличныx ионныx фо p ма x, p езко возp а cтают c увеличением за p яда ионной фо p мы аминокиcлоты. Cлабые межмолекуляp ные взаимодействия аниона cалициловой киcлоты c анионной фоpмой аcпаpагиновой и глутаминовой кислот обуcловлены отталкиванием анионных карбоксильных групп. Более сильные взаимодействия наблюдаются с цвиттер-ионными частицами глицина и аланина. Наиболее сильные взаимодействия с салициловой кислотой наблюдаются в ра створ а х лизина и ар гинина, находящихся в р аствор е в катионной фор ме.
Ключевые слова: аминокислоты, салициловая кислота, ионные формы, энтальпия переноса, коэффициенты парного взаимодействия, электростатические взаимодействия.
В данной работе салициловая кислота рас-смотр ена как модель для изучения р оли электр о статических сил пр и взаимодействии аминокислот с кислотно-активными биологическими рецептор ами, содержащими в реакционном центре заряженные группы. Исследования выполнены в буфер ной ср еде с физиологическим значением рН 7,35. Оценка значений константы диссоциации салициловой кислоты показала, что в данных условиях доля однозарядного аниона кислоты со ставляет 99,99%. Фор мы существования аминокислот в этих условиях значительно различаются. На основе данных о константах протонирования [1-2] рассчитаны доли различных ионных форм аминокислот и уср едненный зар яд их частиц (табл. 1). Из таблицы видно, что доминирующей фор мой глицина и аланина в р аствор е являются цвиттер-ионы:
в растворах лизина и аргинина доминируют катионы:
аспарагиновая и глутаминовая кислоты существуют в виде анионов:
поэтому характеристики взаимодействия модельного биологического рецептора с рядом указанных аминокислот позволяют делать выводы о вкладе электростатических взаимодействий в энер гию этого пр оцесса в соответствии с усредненным зарядом ионных форм различных аминокислот (см. табл. 1).
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
И спользовали аминокислоты фир мы Б1ика: глицин с содержанием основного вещества > 99,0%, Ь-аланин (> 99,5%), Ь-аспарагиновую кислоту (> 99,5%), Ь-глутаминовую кислоту (> 99,5%), Ь-аргинин (> 99,5%) и Ь-лизин (> 98,0%). С алициловая кислота той же фир мы содер жала >99,0% о сновного вещества. Водный буфер ный р а створ с концентр ацией 0,18793 моль/л однозамещенного фосфата натрия и 0,25488 моль/л двухзамещенного фосфата натр ия обеспечивал постоянство кислотности ср еды (р Н 7,35) в условиях экспер имента. Концентр ацию салициловой кислоты поддерживали
О С ОБЕННОС ТИ ЭЛЕКТР О С ТАТИЧЕС КИХ ВЗАИМОДЕЙ С ТВИЙ АМИНОКИ С ЛОТ 207
Таблица 1. Доля различных ионных форм аминокислот а в 0,001 т растворе и их усредненный заряд X при 298,15 К и рН 7,35
Аминокислота
2+а-
Ионные формы, а, %
+А-
+А 2-
А-
А 2-
Ъ, е
Ь-А сп Ь-Глу
Гли Ь-Ала Ь-А р г Ь-Лиз
97,74 97,61
0,03 0,09 99,64 99,71 2,26 2,39
99,64 99,44
0,36 0,29 0,00 0,00
0,33 0,47
-1,0030 -1,0038 0,0036 0,0029 0,9774 0,9761
постоянной, равной 0,004 моль/кг, а концентр ацию аминокислот вар ьир овали от 0,001 до 0,025 моль/кг.
Калор иметр ические измер ения энтальпии р а створ ения салициловой кислоты в фо сфатном буфер ном раствор е и буфер ном раствор е с добавками аминокислот выполнены на изопер и-болическом калориметр е раствор ения при 298,15 К. Технические ха р актер истики калор и-метра и методика измерений описаны ранее [3].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
На о сновании данных об энтальпии ра ство-рения салициловой кислоты в буферном раствор е и буфер ны х р аствор ах с добавками аминокислот были найдены значения энтальпии пер ено са салициловой кислоты в ра створ ы различных аминокислот: глицина (Гли), Ь-аланина (Ала), Ь-глутаминовой (Глу) и Ь-а спар агиновой (Асп) кислот, Ь-лизина (Лиз) и Ь-аргинина (Арг). Зависимо сти энтальпии пер ено са салициловой кислоты от концентрации аминокислот показаны на рис. 1. Из ри сунка видно, что увеличение содер жания аминокислот в ра створ е
вызывает увеличение экзотермического эффекта пер ено са салициловой кислоты в их р а створ ы. И сключение со ставляет р аствор Ь-аспар агиновой кислоты, для которого наблюдается небольшой эндотер мический эффект пер ено са. Из данных об энтальпиях пер ено са салициловой кислоты в растворы аминокислот были определены значения энтальпийного коэффициента пар ного взаимодействия салициловой кислоты с аминокислотами, кху, на о сновании ур авнения:
А1гЯ = 2кхут + 3кхуут2 +. ...,
где т - моляльность аминокислоты. Величины АггИ для узкого концентрационного интервала 0,001 - 0,025 т хорошо описываются полиномом пер вой степени с коэффициентом корреляции от 0,98627 до 0,99994, стандартное отклонение пр и этом лежит в пр еделах 0,05 -0,01 кДж/моль. Значения коэффициента пар ного взаимодействия салициловой кислоты с р азлич-ными аминокислотами приведены в табл. 2. Знак и по рядок значений кху свидетельствуют о слабом межмолекуляр ном взаимодействии са -лициловой кислоты с анионной фо р мой глута-миновой кислоты и цвиттер-ионными глицином и аланином. Большие отр ицательные значения кху указывают на специфическое взаимодейст-
Таблица 2. Значения энтальпийного коэффициента пар ного взаимодействия кху, салициловая кислота -аминокислота в фо сфатном буфер ном ра створ е пр и 298,15 К и р Н 7,35
Аминокислота
Р ис. 1. Зависимости энтальпии пер ено са салициловой кислоты в фосфатный буферный раствор с добавками аминокислот от концентр ации аминокислоты.
Гли Ь-Ала Ь-А сп Ь-Глу Ь-Лиз Ь-А р г
кху, Дж (кг/моль2)
-15750 -10290 -4700 -1470 -46350 -39090
208
БАРАННИКОВ и др.
кху, Дж-кг-1-моль_2 10000
Рис. 2. Корреляция между энтальпийными коэффициентами пар ного взаимодействия салициловой кислоты с аминокислотами и уср едненным зар ядом ионных фор м аминокислот в буфер ном р аствор е пр и р Н 7,35.
0 -10000 АБР о1и
-20000
-30000
-40000
-50000
в1у
\Ьу8
-140 -130 -120 -110 -100
кДж/моль
Рис. 3. Корреляция между энтальпийными коэффициентами пар ного взаимодействия салициловой кислоты с аминокислотами и энтальпиями гидратации аминокислот.
вие салициловой кислоты с катионами лизина и ар гинина.
На рис. 2 показана корреляция значений величины кху с уср едненным зарядом частиц аминокислот в ср еде буфер ного ра створ а с р Н 7,35. Данные свидетельствуют о том, что взаимодействие салициловой кислоты с аминокислотами резко усиливается с возрастанием ус-р едненного за р яда аминокислоты. С лабые межмолекулярные взаимодействия аниона салициловой кислоты с а спар агиновой и глутаминовой кислотами связаны с дезо р иентир ующим отталкиванием анионных кар боксильных гр упп, пр е-обладающих в ионной фо р ме этих аминокислот. Более сильные взаимодействия наблюдаются с цвиттер ионными ча стицами глицина и аланина, в котор ы х число положительных и отр ицатель-ных зарядов одинаково. Карбоксильные анионные группы в этих система х не пр епятствуют о р иентационным электр о статическим взаимодействиям катионных аминогрупп с анионом салициловой кислоты. Взаимодействия с салициловой кислотой резко возр астают пр и пер е-но се в ра створ ы лизина и ар гинина, по скольку в о сновной ионной фо р ме этих соединений доминируют катионные амино- и гуанидиновые группы. Таким обр азом, на о снове полученной закономерности можно сделать вывод о том, что взаимодействие различных аминокислот с кислотно-активным модельным биорецептором, имеющим заряженные группы, в значительной мере подчиняется законам электростатических сил. Вместе с тем указанные взаимодействия не исчерпываются только электростатическими силами. Обр ащает на себя внимание р азличие
в значениях коэффициента парного взаимодействия для аминокислот с практически одинаковым уср едненным за р ядом: А сп и Глу, Гли и Ала, Лиз и Ар г. Для объяснения этих фактов необходимо учесть ряд о собенностей р ассмат-р иваемых взаимодействий.
Во-первых, взаимодействия в изучаемых системах о существляются с уча стием ра створ и-теля. Энтальпии гидратации исходных соединений должны заметно влиять на энтальпийные хар актер истики взаимодействия в системе. Для проверки такого влияния нами были оценены энтальпии гидратации Ь-форм изученных аминокислот по предложенным в работе [4] корр еляционным соотношениям для энтальпии суб -лимации и литературным данным по энтальпии р а створ ения [5]. Из зависимо сти коэффициентов пар ного взаимодействия салициловой кислоты с аминокислотами от полученных энтальпий их гидр атации, показанной на р ис. 3, следует, что а спар агиновая кислота по ср авнению с глутаминовой и аланин по ср авнению с глицином сильнее гидратированы, поэтому взаимодействие с ними сопр овождается большим эндотермическим вкладом дегидр атации. Это пр иводит к закономер ному понижению экзотер мического эффекта взаимодействия от Асп к Глу и от Ала к Гли.
Во-втор ых, р езкое увеличение значений кху пр и пер ено се салициловой кислоты в ра створ ы лизина и ар гинина может указывать на реализацию взаимодействий с положительно заряженными аминогруппой в е-положении Лиз и гуанидиновой группой Арг. Эти группы расположены вдали от анионных карбоксильных групп и не испытывают их экранирующего
О СОБЕННОС ТИ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ ВЗАИМОДЕЙ СТВИЙ АМИНОКИСЛОТ 209
влияния, в отличие от остальных аминокислот, реакционным центром которых являются аминогруппы в а-положении. Более того, абсолютные значения ^у, наблюдаемые при взаимодействии с лизином и аргинином, значительно превышают характеристики унив
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.