научная статья по теме ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ОСНОВАНИЙ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ С ПРОФЛАВИНОМ НА ПОВЕРХНОСТИ КРЕМНЕЗЕМА Химия

Текст научной статьи на тему «ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ОСНОВАНИЙ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ С ПРОФЛАВИНОМ НА ПОВЕРХНОСТИ КРЕМНЕЗЕМА»

КОЛЛОИДНЫЙ ЖУРНАЛ, 2013, том 75, № 4, с. 416-421

УДК 544.72:577.113.3

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ОСНОВАНИЙ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ С ПРОФЛАВИНОМ НА ПОВЕРХНОСТИ КРЕМНЕЗЕМА

© 2013 г. Н. Н. Власова, Л. П. Головкова, Н. Г. Стукалина, О. В. Маркитан

Институт химии поверхности Национальной академии наук Украины им. А.А.Чуйко Украина, Киев-164, ул. Генерала Наумова, 17 E-mail: natalie.vlasova@gmail.com Поступила в редакцию 13.11.2012 г.

Изучена адсорбция пуриновых и пиримидиновых оснований нуклеиновых кислот из водных растворов на поверхности кремнезема, модифицированного путем предварительной адсорбции про-флавина, в зависимости от рН и концентрации адсорбата. Показано, что основания взаимодействуют с профлавином, молекулы которого связываются с нейтральными силанольными группами кремнезема водородными связями. Рассчитаны константы равновесия реакций комплексообразо-вания между основаниями и адсорбированным профлавином.

Б01: 10.7868/80023291213040174

ВВЕДЕНИЕ

Благодаря своим антимикробным и антивирусным свойствам аминопроизводные акридина еще в начале прошлого века нашли широкое применение в качестве бактерицидных средств [1]. Профлавин — диаминозамещенный акридин, оказался одним из наиболее токсичных по отношению ко многим видам бактерий, но безопасным для человека.

H

Профлавин (PFH+)

Было показано, что биологическая активность профлавина, как и других аминозамещенных акридинов, обусловлена их способностью взаимодействовать с молекулами ДНК за счет интерка-ляции между двумя слоями пар нуклеиновых оснований. При этом первичные аминогруппы про-флавина могут образовывать ионные связи с остатками фосфорной кислоты, а плоский скелет акридинового кольца удерживается на молекулах пурина и пиримидина ван-дер-ваальсовыми силами. Для образования таких структур необходимы большая плоская поверхность и положительно заряженные центры в молекуле, проявляющей антибактериальную активность. Возникает вопрос, сохраняется ли способность профлавина взаимодействовать с нуклеиновыми кислотами и их компонентами при закреплении его на поверхности кремнезема? Известно, что нуклеиновые

основания и их компоненты практически не адсорбируются на поверхности кремнезема из водных растворов [2]. Можно ли путем адсорбционного закрепления профлавина на поверхности кремнезема получить адсорбент, который способен связывать компоненты нуклеиновых кислот и проявлять селективность по отношению к разным по природе молекулам?

Целью настоящей работы было исследование адсорбции оснований нуклеиновых кислот на поверхности кремнезема, модифицированного профлавином, из водных растворов.

ЭКПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В работе были использованы высокодисперсный аморфный кремнезем А-300 (удельная поверхность 300 ± 20 м2/г, Украина, г. Калуш), профлавин (3,6-диаминоакридин гемисульфат гидрат, "ч.д.а", Fluka, Швейцария), аденин, гуанин, ксантин, гипоксантин, цитозин, урацил ("ч.", Sigma-Aldrich) стандарт-титры NaOH и HCl (Ti-trisol, Merck, Германия), хлорид натрия ("х.ч.", Merck, Германия).

Адсорбционное модифицирование поверхности кремнезема проводили следующим образом: к 450 мл раствора профлавина (3 ммоль/л) добавляли 20 г кремнезема и доводили pH суспензии до 7.2. После перемешивания в течение 2 ч отделяли кремнезем центрифугированием, твердый остаток несколько раз промывали водой. Концентрацию адсорбированного профлавина определяли спектрофотометрически двумя способами: по разнице исходной и равновесной концентраций

А, мкмоль/г 60

50

рН 7.0

рН 5.7

ЗЮНРБН4

Аденин

Гуанин

Ксантин

Гипоксантин

Цитозин

Урацил

+ 0 1 -

+ 1 0 1 —

0 1 —

0

+ 1 0

0 1 —

2 3 4 5 6

40

30

20

10

2 3 4 5 6 7 рН

Рис. 1. Диаграмма распределения поверхностных комплексов профлавина (общая концентрация про-флавина 64 мкмоль/г, концентрация кремнезема 20 г/л).

(с учетом всех промывных вод); и по концентрации профлавина, смытого с поверхности кремнезема в кислый водный раствор (рН < 2). Полученные образцы содержали от 58 до 64 мкмоль про-флавина на 1 г кремнезема.

Адсорбцию оснований нуклеиновых кислот проводили в статических условиях в зависимости от концентрации адсорбата (изотермы адсорбции) и от рН. Растворы оснований с концентрациями от 20 до 200 мкмоль/л (по 10 мл) добавляли к навескам кремнезема (0.2 г) и устанавливали необходимое значение рН раствора. Суспензии перемешивали (1 ч) и отделяли кремнезем. В равновесных растворах определяли концентрацию "смытого" профлавина по полосе поглощения в видимой области, а потом рассчитывали интенсивность поглощения профлавина в УФ-области при длине волны, которая соответствует максимуму поглощения адсорбата. Полосы поглощения оснований нуклеиновых кислот и профлави-на в УФ-области перекрываются. Вычитая интенсивность поглощения профлавина из суммарного спектра поглощения, находили равновесные концентрации оснований.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Адсорбция профлавина на поверхности аморфного кремнезема из водных растворов была исследована ранее [3]. Было показано, что катионы про-флавина образуют комплексы с нейтральными и

7

рН

8 9 10

Рис. 2. Схема распределения различных форм оснований нуклеиновых кислот в растворе в зависимости от рН (показаны заряды частиц, преобладающих в растворе).

ионизированными силанольными группами. Первые, по-видимому, формируются за счет образования водородных связей, устойчивость вторых определяется электростатическими взаимодействиями. Комплексы обоих типов образованы катионами профлавина. Это подтверждается спек-трофотометрически: в спектрах поглощения про-флавина, адсорбированного на поверхности кремнезема, наблюдаются полосы, характерные для его катионной формы. Сравнение рассчитанных констант устойчивости комплексов с нейтральными (1§ ^5ЮНррН = 2.15) и ионизированными (1§^8ЮРРН = 3.90) силанольными группами свидетельствует о том, что электростатические комплексы прочнее. С использованием констант равновесия реакций комплексообразования был определен состав поверхностного слоя для различных исходных концентраций профлавина. На рис. 1 представлена рассчитанная для концентрации профлавина 64 мкмоль/г диаграмма распределения поверхностных комплексов в зависимости от рН.

Было изучено взаимодействие пуриновых (аденин, гуанин, ксантин и гипоксантин) и пири-мидиновых (цитозин и урацил) оснований нуклеиновых кислот с профлавином, закрепленным на поверхности кремнезема. Формулы, константы диссоциации и спектральные характеристики изученных оснований представлены в табл. 1. В водных растворах молекулы пуриновых и пири-мидиновых оснований претерпевают протолити-ческие и таутомерные превращения. В табл. 1 приведены функциональные группы молекул, подвергающиеся диссоциации. Формулы оснований показаны в виде кетонных (лактамных) тау-томеров, поскольку в водных растворах всех изученных соединений преобладают именно эти тау-томерные формы [4, 5]. Параметры спектров поглощения этих соединений в УФ-области представлены для различно протонированных форм, присутствие которых определяется значением рН раствора. На рис. 2 приведена схема распределения форм оснований в зависимости от рН, на которой показаны заряды частиц, преобладающих в растворе.

0

Таблица 1. Некоторые физико-химические свойства оснований нуклеиновых кислот

Основание Константы и центры диссоциации [4, 5]) Спектральные характеристики различных форм, X (нм) и б (л/(моль см)) [5, 6]

уи2 ^Лз^ к^КТ и Аденин -4.19 №Н+), -9.63 (^Н) катион 265 (13200) нейтральная 260 (13320) анион 270 (12260)

о Л^ТТ^и ^ЛзЛ К^К^4 ки2 1 2 и Гуанин -3.12 (М7Н+), -9.38 (^Н) катион 247 (11500), 276 (7300) нейтральная 245 (11000), 275 (8000) анион 275 (8200)

о /Нг^ки К^4 К^ о 1 и и Ксантин -0.97 (М7Н+ или Н>Н), -7.58 (М3Н или С2ОН) катион 261 (8000) нейтральная 269 (10500) анион 240 (9800), 278 (10000)

о ^ NN и Гипоксантин -2.04 (М7Н+ или М>Н), -8.92 (^Н или С6ОН) катион 254 (11000) нейтральная 258 (10500) анион 264 (11000)

ки2 К ^о и Цитозин -4.7 (М3Н+), -12.2 (^Н или С2ОН) катион 275 (10000) нейтральная 268 (6100) анион 283 (8100)

о К ^о и Урацил -9.34 (М3Н+ или С4ОН+) нейтральная 260 (8200) моноанион 282 (5900) дианион 273 (7200)

При изучении адсорбции было замечено, что добавление растворов оснований нуклеиновых кислот к профлавинсодержащим образцам кремнезема приводит к переходу части профлавина в водную фазу, при этом доля "смытого" профлави-на практически одинакова для всех концентраций адсорбатов. Это свидетельствует о том, что

взаимодействие профлавина и оснований в водном растворе не очень сильное.

Изотермы адсорбции пуриновых и пиримиди-новых оснований при рН 5.7 и 7.0 представлены на рис. 3 и 4. Из рисунков видно, что при рН 5.7 величины адсорбции гуанина, цитозина и адени-на выше, чем при рН 7.0. Концентрация ком-

А, мкмоль/г 1.2

А, мкмоль/г 1.0

0 2.4

0 2.4

0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 (б)

0.05 0.10 0.15 0.20 0.25

0.05 0.10

0.15

0.20 0.25 Cp, ммоль/л

0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 Cp, ммоль/л

Рис. 3. Изотермы адсорбции аденина (а), гуанина (б) и цитозина (в) на поверхности профлавинсодержа-щего кремнезема из водных растворов при рН 5.7 (1) и 7.0 (2).

плекса профлавина с нейтральными группами кремнезема (SiOHPFH+) таким же образом зависит от pH: доля его больше при pH 5.7, чем при pH 7.0 (рис. 1). Можно предположить, что моле-

Рис. 4. Изотермы адсорбции ксантина при рН 7.1 (1), урацила при рН 7.0 (2) и гипоксантина при рН 7.3 (3) на поверхности профлавинсодержащего кремнезема из водных растворов.

кулы основании взаимодействуют именно с этим поверхностным комплексом профлавина.

Все исследованные основания подвергаются в растворе нескольким протолитическим реакциям, однако при pH раствора от 4 и 8 преобладают их незаряженные формы (рис. 2).

Были проведены исследования зависимости адсорбции оснований от pH, по которым и были окончательно выбраны реакции комплексообра-зования между различными формами оснований и профлавином на поверхности кремнезема (рис. 5). Была рассмотрена возможность взаимодействия нейтральных молекул оснований (В) с обоими комплексами профлавина на поверхности кремнезема в соответствии со следующими реакциями:

=SiOHPFH+ + B ^ =SiOH

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.

Показать целиком