ЖУРНАЛ ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ, 2007, том 81, № 8, с. 1414-1418
ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ РАСТВОРОВ
УДК 547.565.2:536.242
ТЕРМОХИМИЯ РАСТВОРЕНИЯ DL-a-АЛАНИЛГЛИЦИНА И DL-а-АЛАНИЛ^-а-АЛАНИНА В СМЕСЯХ ВОДА-ОРГАНИЧЕСКИЙ
РАСТВОРИТЕЛЬ ПРИ 298.15 К
© 2007 г. В. И. Смирнов, И. Н. Межевой, В. Г. Баделин
Российская академия наук, Институт химии растворов, Иваново E-mail: vis@isc-ras.ru Поступила в редакцию 07.06.2006 г.
Измерены интегральные энтальпии растворения (T = 298.15К) DL-a-аланилглицина и DL-a-аланил-DL-a-аланина в смесях вода-органический растворитель (ацетонитрил (AN), 1,4-Диоксан (1,4-DO), ацетон (AC), N^N-диметилформамид (DMF), ^^диметилсульфоксид (DMSO)) при концентрации органического компонента x2 = 0-0.4 мол. доли. Рассчитаны стандартные значения энтальпий растворения (Asol^°) и переноса (AtrH°) пептидов из воды в смешанный растворитель. Рассмотрено влияние строения и свойств растворенных веществ, а также состава смеси на их термохимические характеристики. Рассчитаны энтальпийные коэффициенты парных взаимодействий (h) DL-a-алани-лглицина и DL-a-аланил-DL-a-аланина с молекулами органических растворителей. Проведена корреляция hxy со свойствами органических растворителей с привлечением линейного уравнения Камлета-Тафта.
Важнейшей проблемой термодинамики биологически активных веществ является выявление функции среды (растворителя) и роли сольватации биомолекул при протекании биохимических процессов в растворах. В связи с этим становится очевидным, что установление закономерностей взаимодействия аминокислот и пептидов (структурных элементов белков) с водой в водно-органическом окружении будет способствовать целенаправленному созданию новых биохимических и биокаталитических технологий, а полученные знания позволят значительно расширить представления о самих белковых соединениях, о роли воды и органических добавок во многих биохимических процессах.
Целью настоящей работы является изучение влияния природы органического растворителя на сольватацию аминокислот и пептидов в водно-органических смесях. В качестве объектов исследования были выбраны два пептида, содержащие различные аминокислотные остатки. Это DL-a-аланилглицин и DL-a-аланил-DL-a-аланин.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Для измерения интегральных теплот растворения Л^Н™ DL-a-аланилглицина (DL-a-AlaGly) и DL-a-аланил-DL-a-аланина (DL-a-Ala-DL-a-Ala) в водно-органических растворителях при 298.15 К использован герметичный калориметр с изотермической оболочкой [1]. Концентрации пептидов в растворе находились в диапазоне 0.0050.008 моль/кг смешанного растворителя. DL-a-
AlaGly и DL-a-Ala-DL-a-Ala (REANAL, Венгрия) дважды перекристаллизовывали из смеси вода-этанол, сушили под вакуумом при 60°С в течение 48 ч и хранили над P2O5 в эксикаторе. Воду после деиони-зации дважды дистиллировали (удельная электропроводность составила 1 х 10-5 Ом-1 см-1). Органические растворители очищали по методикам, приведенным в [2, 3]. Содержание воды контролировали титрованием по методу Фишера [4]. Оно не превышало (мас. %) в AN - 0.03, АС - 0.03, 1,4^ - 0.03, DMF - 0.04 и DMSO - 0.05. Водно-органические смеси готовили весовым методом. За стандартные значения энтальпий растворения изученных пептидов (Лм1Н°) приняты средние величины из пяти опытов для каждого состава смешанного растворителя, так как зависимости величин Л^Н™ от концентрации пептида в исследованных смешанных растворителях не обнаружено.
Полученные экспериментальные данные по Лм1Я° для DL-a-AlaGly и DL-a-Ala-DL-a-Ala в смешанных растворителях представлены в табл. 1. В графическом виде на рис. 1, 2 изображены зависимости энтальпий переноса ЛЬН° = /(х2) изученных пептидов от концентрации органического растворителя (х2) в смеси с ^О, выраженной в мольных долях.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Из рис. 1 и рис. 2 следует, что зависимости ЛЬН° = /(х2) для DL-a-AlaGly и DL-a-Ala-DL-a-Ala во всех изученных водно-органических смесях имеют экстремальный характер. Причем для
Таблица 1. Стандартные энтальпии растворения Л8о1Н° (кДж/моль) DL-a-AlaGly и DL-a-Ala-DL-a-Ala в смеси вода-органический растворитель при 298.15 К
H2O-AN Н20-1.4^0 Н20-АС H2O-DMF H2O-DMSO
т* 4о1н° т* Л8о1Н° т* Ляо1Н° т* 4о1н° т* Ляо1Н°
DL-a-A1a-G1y
0.769 1.34 ± 0.01 0.813 2.06 ± 0.01 0.712 2.30 ± 0.01 0.743 2.31 ± 0.02 0.743 2.05 ± 0.01
1.951 1.55 ± 0.01 1.245 2.89 ± 0.01 1.513 3.89 ± 0.01 1.352 3.87 ± 0.01 1.351 3.44 ± 0.01
4.637 1.77 ± 0.02 2.844 3.73 ± 0.03 3.277 5.93 ± 0.02 3.186 5.31 ± 0.02 3.186 4.94 ± 0.01
8.059 1.91 ± 0.01 4.904 4.62 ± 0.02 5.711 8.23 ± 0.04 5.467 7.74 ± 0.02 5.466 6.43 ± 0.03
12.557 2.02 ± 0.03 7.727 5.65 ± 0.03 8.930 10.20 ± 0.03 8.533 9.51 ± 0.03 8.532 7.12 ± 0.02
15.031 1.39 ± 0.02 9.638 6.18 ± 0.04 13.423 10.99 ± 0.05 10.251 10.48 ± 0.04 10.251 8.04 ± 0.03
18.947 0.75 ± 0.01 11.596 6.35 ± 0.03 15.224 11.43 ± 0.04 12.877 11.37 ± 0.04 12.877 8.71 ± 0.03
28.118 -1.28 ± 0.02 14.010 6.21 ± 0.02 19.989 11.58 ± 0.04 15.637 11.01 ± 0.02 15.636 9.07 ± 0.03
43.922 -5.16 ± 0.03 17.276 5.94 ± 0.03 24.695 11.02 ± 0.05 19.281 10.33 ± 0.02 19.281 8.82 ± 0.05
DL-a-A 1a-DL-a-A1a
0.762 -5.71 ± 0.02 0.81 -4.31 ± 0.03 0.959 -5.60 ± 0.03 0.812 -5.49 ± 0.03 0.773 -5.55 ± 0.03
1.957 -3.23 ± 0.02 1.249 -2.58 ± 0.02 2.259 -2.93 ± 0.03 1.357 -4.58 ± 0.04 1.471 -4.28 ± 0.02
4.638 -2.33 ± 0.02 2.902 -1.24 ± 0.02 5.713 2.04 ± 0.02 2.432 -3.38 ± 0.03 2.518 -2.85 ± 0.01
8.053 -1.75 ± 0.01 4.907 0.35 ± 0.01 8.930 4.73 ± 0.03 3.468 -1.92 ± 0.02 3.399 -1.44 ± 0.01
12.590 -1.44 ± 0.02 7.710 2.00 ± 0.01 10.772 6.03 ± 0.03 5.480 0.85 ± 0.01 5.916 1.14 ± 0.02
15.024 -1.15 ± 0.01 9.632 2.50 ± 0.02 13.316 7.20 ± 0.04 7.769 2.51 ± 0.01 7.320 2.67 ± 0.03
19.011 -1.20 ± 0.02 11.544 3.34 ± 0.03 15.214 7.71 ± 0.04 9.481 4.21 ± 0.03 9.252 4.45 ± 0.03
28.094 -3.62 ± 0.02 14.015 3.62 ± 0.02 17.222 7.93 ± 0.05 10.741 4.79 ± 0.03 10.331 5.12 ± 0.03
44.060 -6.57 ± 0.4 17.378 3.49 ± 0.02 20.049 8.06 ± 0.04 12.800 5.30 ± 0.04 11.039 5.46 ± 0.03
обоих пептидов при переходе от одной водно-органической смеси к другой (в порядке их обозначения на рис. 1 и рис. 2) наблюдается увеличение ЛЬИ°. Так, например, при х2 = 0.2 и переходе от ЛК к БО величина Л(ГИ° в случае БЬ-а-Л1а01у и БЬ-а-Л1а-БЬ-а-Л1а увеличивается на ~5 кДж/моль, от ЛК к ЛС на ~9 кДж/моль, от ЛК к БЫ8О ~8 кДж/моль. Это свидетельствует о сходном характере межчастичных взаимодействий обоих пептидов с молекулами одних и тех же органических растворителей. В области малого содержания органического компонента (х2 < 0.2) преимущественную роль играют эффекты, обусловленные реорганизацией растворителя при размещении в нем крупных молекул пептидов. Чем крупнее молекула пептида (БЬ-а-Л1а-БЬ-а-Л1а), тем эндо-термичнее значение Л(ГИ° в одинаковой водно-органической смеси. Это наблюдается и при переходе от глицина к БЬ-а-аланину [5-9]. При этом на величину Л(ГИ° существенное влияние оказывает структура органического растворителя (наличие гидрофобных СН3-групп, склонность к ассоциации, электронодонорные свойства) и энергетика его взаимодействия с Н2О, а также эффекты, вызванные дегидратацией молекул пептидов и со-растворителя. В указанной области концентра-
ций эндотермические эффекты преобладают, что вызывает уменьшение ЛЬИ° обоих пептидов. При 0.18 < х2 < 0.22 происходит компенсация эндотермических процессов, вызванных продолжающимся разрушением структуры Н2О и дегидратацией молекул сорастворителя, экзотермическими эффектами вновь образованных гетерокомпо-нентных Н-связей пептид-органический растворитель. И далее ход зависимостей Л(ГИ° = /(х2) меняется на обратный.
Ослабление сольватации БЬ-а-Л1а01у и БЬ-а-Л1а-БЬ-а-Л1а при переходе от смеси Н2О с АК к смесям с 1,4-БО, БМ^О, БМБ связана с усилением межмолекулярных взаимодействий в самих смесях (о чем свидетельствуют значения энтальпий смешения [10]). Это приводит к увеличению затрат на разрушение структуры Н2О, реорганизацию смешанного растворителя при растворении в нем молекул БЬ-а-Л1а01у и БЬ-а-Л1а-БЬа-Л1а и дегидратацию молекул органического растворителя, вызванную межмолекулярными взаимодействиями пептид-органический растворитель. Наличие в молекуле органического растворителя СН3-групп (АС, БМ8О, БМБ), которые благодаря эффектам гидрофобной гидратации стабилизируют водородные связи Н2О, вызывает ослаб-
Рис. 1. Зависимости энтальпий переноса (Д^ДО) БЬ-а-AlaGly из H2O в ее смеси с AN (1), 1,4-Б0 (2), AC (3), DMF (4), DMSO (5) от концентрации органического растворителя (л^) при 298.15 К.
ление взаимодействий между полярными группами взаимодействующих молекул раствора. Если учесть, что гидрофобные свойства метильных групп ацетона и ДМСО выше по сравнению с аналогичными свойствами метиленовых групп у 1,4-Б0 (а также с наличием в его молекуле двух центров специфической сольватации), то становится понятным порядок следования кривых 2 < 5 < 3 на рис. 1, 2. Более экзотермичные значения Д^Л для БЬ-а-А1а01у и БЬ-а-А1а-БЬ-а-А1а в смеси Н20-БМ80 по сравнению со смесью Н20-АС могут быть связаны с дополнительным вкладом в ДН энергии ион-дипольного взаимодействия молекулы БМ80 (наряду с образованием Н-связей) с заряженной карбоксильной группой пептидов через мостик 0=8+.. .О-С-, возможность образования которого обоснована в работе [11].
Большая эндотермичность ДН наблюдаемая для БМБ по сравнению с БМ8О видимо связана с большим эффектом гидрофобной гидратации, проявляемым БМБ [12], и большей электронодо-норной способностью БМ8О, которая способствует образованию Н-связей с молекулами пептида. Усиление сольватации БЬ-а-А1аб1у и БЬ-а-А1а-БЬ-а-А1а при растворении в растворе Н20-AN может быть связано с наименьшими затратами на дегидратацию молекул А^ поскольку энергии его межмолекулярных связей с Н20 наименьшие из рассмотренного набора растворителей. Кроме того, электроноакцепторные свойства смеси Н20-А^ как показано в [13], ослабляются с ростом концентрации последнего.
Для обоих пептидов характерен рост эндотер-мичности растворения относительно аминокис-
Рис. 2. Зависимости энтальпий переноса (Д^ДО) БЬ-а-А1а-БЬ-а-А1а из Н20 в ее смеси с AN (1), 1,4-Б0 (2), АС (3), Б
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.