Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Литературный обзор 12
1.1 Природные аминокислоты. Строение 13
1.2 Некоторые термодинамические характеристики, структура и конформации аминокислот 17
1.3 Твердофазные термические превращения аминокислот 20
1.4 Получение и применение аминокислот 24
1.5 Биодеградируемые полимеры аминокислот 26
1.6 Моноаминодикарбоновые кислоты и их амиды 30
1.6.1 Аспарагиновая кислота 30
1.6.2 Аспарагин 32
1.6.3 Глутаминовая кислота 33
1.6.4 Глутамин 35
1.7 Диаминомонокарбоновые кислоты 36
1.7.1 Аргинин 36
1.7.2 Лизин 38
1.8 Серусодержащие аминокислоты 39
1.8.1 Метионин 39
1.8.2 Цистеин 40
1.8.3 Цистин 42
1.8.4 Обмен серусодержащих аминокислот в организме 42
1.9 сс-Аминокислоты, содержащие гетероциклический фрагмент 44
1.9.1 Триптофан 44
1.9.2 Гистидин 45
1.9.3 Пролин 46
ГЛАВА 2. Основные объекты и методы исследования .48
2.1 Основные объекты исследования 48
2.2 Методы исследования
2.2.1 Статическая установка для разложения аминокислот 48
2.2.2 Методика определения констант скорости термического превращения аминокислот 50
2.2.3 Хромато-масс-спектрометрический анализ газообразных и жидких продуктов реакции 51
2.2.4 ИК-спектроскопия и времяпролетная MALDI MS для
определения твердых продуктов термопревращения аминокислот 53
ГЛАВА 3. Исследование скорости и механизма твердофазного термического превращения аминокислот
3.1 Исследование скорости и механизма твердофазного термического превращения моноаминодикарбоновых кислот 57
3.1.1. Аспарагиновая кислота 57
3.1.2 Глутаминовая кислота 74
3.2 Исследование реакционной способности амидов моноаминдикарбоновых кислот 83
3.3 Исследование реакционной способности серу со держащих аминокислот 91
3.4 Исследование твердофазного термического превращения аминокислот с гетероциклическим радикалом 97
3.5 Твердофазное термическое превращение диаминокарбоновых кислот 105
Заключение 113
Цитированная литература
- Некоторые термодинамические характеристики, структура и конформации аминокислот
- Диаминомонокарбоновые кислоты
- Методика определения констант скорости термического превращения аминокислот
- Исследование реакционной способности серу со держащих аминокислот
Введение к работе
Актуальность работы Работа посвящена изучению кинетики твердофазного термического превращения аминокислот NH2CH(R)COOH с радикалом R, в состав которого входят карбоксильные, серу- и азотсодержащие группы.
Аминокислоты участвуют в метаболических процессах животных и растительных организмов, являются строительным материалом в синтезе полипептидных цепей белков. Общее число синтетических или включенных в природные соединения аминокислот исчисляется несколькими сотнями, и их число всё время растёт. Одним из направлений исследования аминокислот является синтез биосовместимых и биодеградируемых олигомеров и полимеров на основе аминокислот.
Известно, что стабильность и высокие потребительские качества широко используемых полимеров в быту и в промышленном производстве изделий из высокомолекулярных соединений имеют свою оборотную сторону. Они экологически опасны, не поддаются быстрому разрушению, оказавшись выброшенными в окружающую среду. В указанных обстоятельствах предпочтительными являются биополимеры, способные подвергаться эффективной биодеградации на безвредные для живой природы компоненты. Не меньшую ценность представляют биосовместимые сополимеры, полученные на основе аминокислот. Такие олигомеры и сополимеры могут использоваться в качестве средств доставки генных конструкций в клетки живого организма, изготовления биосовместимой керамики и во многих других областях практического применения.
Для осуществления синтеза олигомеров и сополимеров актуальным является исследование кинетических характеристик превращения аминокислот, сведения о которых практически отсутствуют, особенно в тех случаях, когда осуществляется твердофазное превращение аминокислот при высокой температуре. Указанное обстоятельство позволило нам сосредоточить внимание на исследовании кинетики твердофазного превращения L-a-аминокислот, изучить методами масс-спектрометрии и ИК-спектроскопии состав продуктов реакции с целью выяснения вероятного механизма процесса.
Цель работы состояла в исследовании кинетики твердофазного термического превращения двенадцати L-a-аминокислот, а также в изучении возможности протекания в исследованных температурных областях поликонденсации L-a-аминокислот с образованием полимерных продуктов. Для реализации указанной цели необходимо было решить следующие задачи:
исследовать скорость термического превращения моноаминдикарбоновых кислот и их амидов, серусодержащих и гетероциклических аминокислот, диаминокарбоновых кислот;
качественно оценить влияние радикалов R, входящих в состав NH2CH(R)COOH на реакционную способность аминокислот;
масс-спектрометрическим, ИК-спектроскопическим и времяпролетной MALDI-TOF MS методами определить состав продуктов реакции;
на основании кинетических параметров и анализа продуктов реакции обосновать вероятный механизм твердофазного термического превращения аминокислот.
Объекты исследования В качестве объектов исследования выбраны L-a-аминокислоты NH2CH(R)COOH, содержащие в составе R радикала СООН - группу [аспарагиновая (Asp), глутаминовая кислота (Glu)], NH2CO -группу [аспарагин (Asn), глутамин(ОІп)], аминогруппу [лизин (Lys), аргинин (Arg)], серу [метионин (Met), цистеин (Cys), цистин (Cys2)] и азотсодержащие гетероциклы [пролин (Pro), гистидин (His), триптофан (Тгр)].
Методы исследования Кинетические измерения проводились компенсационным методом в вакуумированной системе в статических условиях. ИК-спектроскопические, хромато-масс-спектрометрические измерения и времяпролетную MALDI-TOF MS применяли для определения состава продуктов термораспада.
Научная новизна и практическая ценность работы Впервые определены константы скорости и активационные параметры твердофазного термического превращения L-a-аминокислот NH2CH(R)COOH с карбоксильными, серу- и азотсодержащими радикалами R. Доказано, что по своей реакционной способности аминокислоты располагаются в ряд:
Тгр < His < Met < Asn < Cys2 < Asp < Lys < Arg < Pro < Cys < Gin < Glu. Получены прямые доказательства твердофазных превращений аминокислот до низкомолекулярных олигомеров с помощью методов: ИК-спектроскопии, хромато-масс-спектрометрии и метода MALDI MS.
Предложен вероятный механизм твердофазной термической поликонденсации аспарагиновой кислоты. Установлено два температурных интервала превращения аспарагиновой кислоты в вакуумированной системе постоянного объёма. При 190 - 207 С реакция завершается образованием низкомолекулярной полиаспарагиновой кислоты и воды. В зоне температур 210 - 240 С лимитирующим является процесс образования полисукцинимида в последовательном превращении аспарагиновая кислота -полиаспарагиновая кислота - полисукцинимид с выделением 2 моль воды на моль исходной аминокислоты.
Впервые предложен механизм твердофазной термической поликонденсации глутаминовой в полиглутаминовую кислоту в вакуумированной системе постоянного объема, непосредственно связанный со стадией образования лактама глутаминовой кислоты - 2-пирролидон-5-карбоновой кислоты.
Положения, выносимые на защиту 1. Доказано, что твердофазное термическое превращение исследованных аминокислот до низкомолекулярных олигомеров подчиняется уравнению реакции первого порядка. Определены активационные параметры. Наличие
компенсационного эффекта указывает на однотипный механизм (гетеролитическая поликонденсация) в лимитирующей стадии.
2. Доказано, что полиаспарагиновая кислота может быть синтезирована из
аспарагиновой кислоты, минуя стадию получения полисукцинимида.
Установлен механизм твердофазной поликонденсации аспарагиновой и
глутаминовой кислот.
3. Обоснован вероятный механизм превращения L-a-аминокислот
NH2CH(R)COOH с серу- и азотсодержащими радикалами на основании
кинетических параметров и состава продуктов реакции.
Область применения результатов Результаты диссертационной работы могут быть использованы в областях науки и практики, связанных с разработкой методов синтеза полиаминокислот, используемых для получения биодеградируемых и биосовместимых сополимеров. Кроме того, они могут быть полезными при оценке вероятности появления токсичных продуктов при термической переработке пищевых продуктов для специалистов, занимающихся проблемами экологии, а также в учебном процессе для студентов, специализирующихся в области «Техносферной безопасности», «Экологии и природопользования».
Степень достоверности полученных результатов Достоверность полученных результатов исследований подтверждена апробацией работы, а также использованием современных физико-химических методов исследования.
Апробация работы Результаты работы представлены на: заочной научно-практической конференции «Естественные науки: актуальные вопросы и тенденции развития» (30 ноября 2011. Новосибирск. Россия); IX Международной дистационной научно-практической конференции «Современные проблемы гуманитарных и естественных наук» (30 декабря 2011. Москва. Россия); V Международной научно-практической конференции «Современное состояние естественных и технических наук» (20.01.2012. Москва. Россия); II Конференции с международным участием «Успехи синтеза и комплексообразования» (23-27 апреля 2012. Москва. Россия); Международной заочной научно-практической конференции по биологии, химии, физике (8.06. 2012. Новосибирск. Россия); XIII Международной научно-практической конференции «Инновации в науке». (17.10.2012. Новосибирск. Россия); XI Международной конференции «Физикохимия олигомеров» (09-14.09.2013. Ярославль, Россия). Названия и фамилии авторов докладов приведены в списке публикаций.
Публикации По результатам проведённых исследований опубликованы 2 статьи в рецензируемых журналах и 7 тезисов докладов.
Соответствие диссертации паспорту специальности Диссертация по своим целям, задачам, содержанию, научной новизне и методам исследования соответствует п. 7 «Макрокинетика, механизмы сложных химических процессов» и п. 10 «Связь реакционной способности реагентов с
их строением и условиями осуществления химической реакции» паспорта специальности 02.00.04 - физическая химия.
Личный вклад автора Кинетические исследования выполнены автором диссертационной работы самостоятельно. Постановка задач, интерпретация полученных результатов, формулировка основных выводов осуществлялась совместно с научным руководителем и другими соавторами публикаций.
Структура диссертации Диссертационная работа изложена на 129 страницах, состоит из введения, 3 глав и выводов. Диссертация иллюстрирована 77 рисунками и 11 таблицами. Списки цитируемой литературы включает 134 наименований.
Некоторые термодинамические характеристики, структура и конформации аминокислот
Изучение термодинамических характеристик соединений необходимо для оценки энергетических изменений аминокислот в химических реакциях, а также для определения термодинамически разрешенных процессов. Одни из первых работ в этом направлении была опубликованы в начале 60-х годов [19, 20]. В них авторы в широком температурном интервале от 11 до 305 К калориметрически определили теплоемкости, энтальпии образования, энтропии и свободные энергии 5 аминокислот: глицина (Gly), аланина (Ala), валина (Val), изолейцина (Не) и лейцина (Leu). Изменение функции Гиббса для этих аминокислот уменьшается в очень узком интервале от 90.3 до 85.4ккал/моль от Gly до Leu, что говорит о том, что появление алифатического заместителя в молекуле слегка дестабилизирует ее.
Для получения термодинамических параметров аминокислот использовались квановохимические методы расчета. В этом направлении важные исследования проведены Баделиным с сотр. [21-23] по определению стандартных энтальпии образования, выявлению связи структуры аминокислот и дипептидов с их основными термодинамическими свойствами. Ими проведены исследования энтальпий сублимации (энтальпия перехода вещества из кристаллического состояния в газообразное состояние) 17 а-аминокислот, содержащих различные функциональные .группы в боковой цепи и 9 дипептидов. В работе [21] методами ДТА и термогравометрии авторами показано, что процессы плавления и термического разложения глицина (Gly) происходит при 473 - 53ЗК, в то время как при нагревании дипептида аланилглицина (Ala-Gly) стадия плавления отсутствует - происходит разложение дипептида, начиная с 481К (208 С). Масс-спектроскопические измерения показали, что в насыщенном паре Gly самым интенсивным ионом является ион CH2NH+2. Обработка температурной зависимости ионного тока привела к определению значения энтальпии сублимации Gly, равной 131 кДж/моль. Квантовохимические расчеты распределения зарядов на атомах в молекулах аминокислот и малых пептидов, а также экспериментальные исследования их кристаллов методом рентгенографии и нейтронной дифракции, проведенные в работах [24-26], указывают на то, что электронная структура аминокислотных фрагментов остается довольно устойчивой и сохраняется в ряду аминокислот. На основании этих измерений сделан вывод о возможности групповой аддитивности термодинамических характеристик для простейших дипептидов. На основе квантовохимических расчетов авторам работ [21-23] удалось оценить величины энтальпии сублимации, сравнить их с экспериментально полученными параметрами и установить взаимосвязь энтальпии сублимации, теплоемкости и суммы длин связей в молекулах 17 а-аминокислот и 9 дипептидов.
В работе [27] Сагдеевым с сотрудниками проведен анализ соответствия экспериментально определенных и теоретически рассчитанных термохимических данных (энтальпий образования и сублимации) для 20 основных и 25 нестандартных L-a-аминокислот и пептидов. Для расчета энтальпий сублимации аминокислот и их производных они использовали термохимическое уравнение, ранее применявшееся при вычислении АН субл органических соединений различных классов [28]: АНсубл = АНобр(г) - АНобр(кр.).
Оказалось, что в большинстве случаев наблюдается хорошее соответствие между экспериментальными и расчетными энтальпиями сублимации соединений.
В работе [18] на базе полуэмпирических квантовохимических расчетов анализируется организация структуры нейтральных аминокислот, их цвиттер-ионов и коротких пептидов в изолированном состоянии и в водном окружении. Установлена связь структурных и термодинамических факторов в определении предпочтительных изомерных форм аминокислот. Полученные авторами данные [18] по некоторым термодинамическим величинам хорошо согласуются с ранее выполненными исследованиями Селлерса и Шефера [29]. Показано, что нейтральные аминокислоты характеризуются высокой лабильностью в газовой фазе. Цвиттер-ионы в вакууме характеризуются пониженной термодинамической стабильностью и меньшим числом структурных изомеров. Так для аргинина [R = NH2C(=NH)NH(CH2)3-] и лизина [R = NH2(CH2)4-], имеющих в структуре длинные алифатические цепи значения абсолютной энтропии S0 = 128.3 кал/(моль-К) и 113 кал/(моль-К) или 537.2 и 473.1 Дж/(моль-К) соответственно. Для малых молекул аминокислот, таких как Gly и Ala, S понижена и составляет всего 80 кал/(моль-К). Появление в структуре бокового радикала аминокислоты кислых или основных боковых групп приводит к резкому повышению энтальпий образования и резко меняет стабильность молекулы в целом.
Из всего многообразия изомерных форм аминокислоты авторы [18] выделяют 2 конформера. Структура первого отвечает минимуму потенциальной энергии, но геометрически далека от параметров а-спирали, в которую выстраиваются аминокислоты при образовании пептидов. Второй конформер отличается от первого по энергии на 1-2 ккал/моль, но хорошо согласуется с геометрией остатка данной аминокислоты в а-спирали. Структура цвиттер-ионных форм аминокислот оказывается весьма близкой к структуре аминокислотных остатков, формирующих а-спираль.
В настоящее время распространены представления о том, что полипептидные цепи большинства белков могут самопроизвольно сворачиваться с образованием «правильных» конформаций. Выяснение этого требует установления корреляции между свойствами вторичной структуры молекулы белка и конформационными возможностями ее аминокислотных остатков [30]. По оценкам авторов [18], изучивших такие конформационные возможности, энергетическое преимущество образования а-спиральной формы олигопептида, над его линейной формой, требует накопления значительного количества мономерных звеньев в составе цепи. Одиночная а-спираль в газовой фазе существует при наличии в цепи не менее 40 аминокислотных звеньев. Присутствие воды облегчает организацию уже 30 аминокислотных остатков в структуру а-спирали пептида. Энтальпия образования пептидных связей при взаимодействии аминокислот детально исследована в работах Бонецкой и Скуратова [31,32].
Диаминомонокарбоновые кислоты
Исследования аминокислот привлекательны возможностью синтеза олигопептидов и на их основе получения полимеров и сополимеров, способных относительно быстро подвергаться биодеградации при попадании в виде отходов в окружающую среду [9, 102, 103].
Проблема получения полипептидов из аминокислот, в том числе синтез полиаспарагиновой кислоты (PAsp) и полисукцинимида (PSI) обсуждается в ряде публикаций [9, 36, 44, 102, 103]. Доказано, что поликонденсация L-a-аспарагиновой кислоты (Asp) завершается образованием PSI и воды при температуре 260 С и с той же скоростью, но в присутствии фосфорной кислоты (катализатор) при 200 С [36]. На основании термогравиметрического анализа авторы работы [44] предложили схему превращения Asp, подчиняющуюся кинетическому уравнению реакции первого порядка в виде последовательности необратимых превращений (см. лит обзор, стр. 20): Asp - PAsp + Н20 - PSI + 2Н20
В более поздних работах [7, 8, 103, 105] методом термогравиметрического анализа в изотермическом режиме установлено, что кривые дериватограммы имеют сложную форму. По мнению авторов, наблюдается процесс автокаталитической поликонденсации Asp. Автокатализ определяется особенностями влияния твердофазной матрицы на кинетику происходящих в ней процессов в условиях быстрого и необратимого удаления газообразной воды в токе инертного газа. Принято считать [9], что единственным летучим продуктом поликонденсации в открытой системе является вода, которая быстро испаряется из зоны реакции. В работе [36] указывается, что конверсия Asp в PSI достигала 96%.
Мы исследовали скорости и механизм твердофазной термической поликонденсации Asp в вакуумированной системе постоянного объема. Специфика проведения поликонденсации отличалась от техники эксперимента, использовавшейся в предыдущих работах [7, 8, 44, 104, 105] тем, что выделяющиеся летучие вещества оставались в зоне реакции, и их можно было проанализировать. На рис. 3.1 представлены кривые зависимости давления летучих продуктов термического превращения Asp от времени реакции в интервале температур 190 - 207 С.
Анализ газообразных продуктов реакции показал, что в указанном интервале температур (190 - 207 С) поликонденсация Asp сопровождается выделением паров воды и углекислого газа. Количество выделяющейся воды не превышает 0.7 моль, а углекислого газа 0.03 моль на моль Asp. В ИК-спектре твердого продукта поликонденсации (рис. 3.2) присутствуют полосы поглощения, относящиеся к валентным колебаниям групп: v(C=0) 1608 см , 1710 см 1, v(NH) 1530 см [9, 104], характерные для полиаспарагиновой кислоты (PAsp) и отсутствуют полосы валентных колебаний имидной группы PSI.
ИК-спектр PAsp (олигомер получен при 190 С в закрытой системе) 40О0 3750 3500 3250 3000 2750 2500 2250 20O0 1750 1500 1250 1000 7І Рисунок 3.3 ИК-спсктр PAsp (олигомер получен при 205 С в открытой системе) Такой же ИК-спектр наблюдается для олигомера, полученного при непрерывном удалении паров воды и углекислого газа из зоны реакции (рис. 3.3). Количество выделяющейся воды в составе газообразных продуктов и спектральные данные указывают, что поликонденсация Asp завершается образованием PAsp в интервале температур 190 - 207 С. Причем независимо от того, идет ли процесс в открытой или закрытой системе, термическое превращение Asp идет с образованием PAsp в этом интервале температур.
При температурах 210 - 230 С на кривых зависимости давления летучих продуктов от времени реакции появляется излом, выделяющий на кривой два участка (рис. 3.4).
Количество выделяющейся воды возрастает от 1,8 до 1,95 моль, углекислого газа от 0,08 до 0,13 моль на моль Asp.
В ИК-спектре конечного продукта поликонденсации (рис. 3.5) присутствуют характеристические полосы поглощения PSI, относящиеся к валентным колебаниям имидного кольца: v(C=0) 1672 см" , 1700 см" , 1705 см"1, v(CN) 1270 см"1, 1393 см"1, 1727 см"1 [10, 105, 106].
На рис. 3.6 представлены одновременно ИК-спектры Asp, PAsp и PSI, что позволяет нам утверждать, что с помощью ИК-спектров возможно провести идентификацию твёрдых продуктов, полученных при поликонденсации аспарагиновои кислоты. 4О0О 376D 3SOO 3250 3QOO 2750 2500 2250 2000 1750 ТЭОО 1250 100О 7SO Рисунок 3.5 ИК-спектр PSI (продукт поликонденсации при 230 С) 3750 3250 2750 2250 175 1250 750 V, см" Рисунок 3.6 ИК-спектры PSI, PAsp и Asp Начальный участок кривых термического превращения Asp при температурах 210 - 230 С (рис. 3.2) соответствует поликонденсации, сопровождающейся образованием PAsp. Это подтверждается спектральным анализом твердой фазы. Как следует из ИК-спектра (рис. 3.7), через 5 мин нагревания Asp при 220 С появляется олигомер PAsp. Наличие олигомера PAsp за счет роста цепи наблюдается и через 30 минут (рис. 3.8).
Методика определения констант скорости термического превращения аминокислот
Серу со держащие аминокислоты входят в состав многих белков [37, 115 - 117]. Поэтому исследование термической стабильности этих аминокислот, их возможное участие в процессах образования полимеров явилось основанием для изучения их реакционной способности. Подобные данные в литературе практически отсутствуют. В работе [118] определена энергия активации разложения кристаллического метионина в присутствии кислорода воздуха.
Согласно данным выполненного нами дифференциально-термического анализа и значениям, приведенным в работе [100], кристаллы изучаемых аминокислот плавятся с разложением: D, L-метионин (Met) при 281 С, цистеин (Cys) при 240 С, L-цистин (Cys2) при 260 С. Если проводить нагревание образцов в замкнутом вакуумированном объеме со скоростью 3 С /мин, то газовыделение, указывающее на термическое разложение аминокислот, начинается при температурах 190-230 С, то есть существенно ниже их температур плавления. Необратимое увеличение давления указывает на термическое разложение реакционной массы. При температурах выше области интенсивного термического разложения аминокислот линейная зависимость изменения давления с ростом температуры, свидетельствует о прекращении разложения. Зависимость давления газообразных продуктов превращения Cys2 от времени реакции в интервале температур: 1 - 199, 2 - 204, 3 210, 4 - 218, 5 - 224 С
Термическое разложение аминокислот подчиняется уравнению реакции первого порядка до глубины превращения 30-50%. Температурная зависимость констант скорости реакции описывается уравнением Аррениуса к = kO-Q-E/R1 (рис.3.44). Кинетические и активационные параметры превращения серусодержащих аминокислот приведены в табл. 3.6
С еру со держащие аминокислоты, такие как Cys и Cys2, относятся к классу тиолов, Met - замещенных тиолов. Большинство реакций тиолов относится к гетеролитическим реакциям нуклеофильного присоединения или замещения. Однако, тиолы особенно при высоких температурах также склонны к образованию тиольных радикалов за счет гомолиза S—С связи [119].
При термическом превращении Met образуется полимерная масса вещества, дающая положительную биуретовую реакцию на амидную группу в олигопептиде. В газовой фазе масс-спектрометрическим методом найдены С02, метилтиол CH3SH, а также следы H2S и (CH3)2S2; по остаточному давлению при комнатной температуре определено, что 50% газовой фазы составляет вода продукт поликонденсации. Хромато-масс спектрометрическим методом в конденсированной фазе обнаружены: З-метилтио-1-пропиламин, метилтиол и 1-аминопропен-2. Вероятная схема термического превращения Met может быть представлена следующими параллельно и последовательно протекающими реакциями. H3N+\/\ . H3N+\/\ L 1(CH2)2 nH20 О" х (СН2)2 SCH3 mH3CSCH2CH2CH2NH2 + mCO? CH3SH + CH2=CHCH2NH2 Вода, метилтиол и С02 переходят из кристалла в газовую фазу и вместе с водой определяют в ней состав продуктов разложения Met.
В отличие от гетеролитической реакции поликонденсации 1 появление ССЬ и метилтиола является следствием гомолитического расщепления связей С—S и С—О в кристалле (реакции 2 и 3).
Термическое превращение Cys и Cys2, также как и Met, сопровождается образованием олигомера (положительная биуретовая реакция). Газовая фаза состоит наполовину из воды, H2S и С02 для Cys и Cys2 соответственно. Как показали рассчеты, на моль Cys образуется примерно 2 моль летучих веществ (Н20 и H2S). Количества С02 в газовой фазе незначительны. В кристаллических структурах Cys и Cys2 происходит, вероятно, гетеролитический процесс поликонденсации и последующий гомолитический разрыв связи С—S в образующемся олигомере, приводящий к образованию H2S. H3N+\ A . H3N\ A o- o nH20 x CH2 + У CH2 _„„_n 1 CH2 I —Г I I XN№ SH SH , n ч /m Судьба образующихся радикалов очевидна. Это подтверждается образованием значительного количества H2S в газовой фазе.
Вероятно, существенную роль играют также внутримолекулярные процессы циклизации, приводящие к образованию незначительных количеств метилтиазола, метилтиоазолидиена и производных пиридина и тиофена. Связь C-N в процессе термораспада этих аминокислот не подвергается разрыву. Об этом свидетельствует отсутствие в продуктах NH3.
Найдено, что для этих аминокислот практически одинаковые продукты термопревращения, что свидетельствует о возможности протекания этой равновесной реакции в условиях нашего эксперимента.
Таким образом, формально скорость брутто-процесса превращения Met, Cys и Cys2 при небольших глубинах разложения исходных соединений (30-50%) можно рассматривать как «кооперативную» химическую реакцию поликонденсации [120] первого порядка, протекающую в кристаллической фазе. Несмотря на близкие значения кажущихся энергий активации термораспада Met, Cys и Cys2 соответственно равных 195, 193 и 184 кДж/моль, эффективные константы реакции при одной и той же температуре отличаются один от другого на порядок в ряду Met Cys2 Cys. При температурах выше 200 С их разложение сопровождается образованием серусодержащих газообразных продуктов и жидких азотсодержащих гетероциклических соединений, нежелательных при термической обработке белковой пищи.
Исследование реакционной способности серу со держащих аминокислот
Хромато-масс-спектрометрический анализ продуктов термического превращения Lys, полученных при Т =210 С, показал присутствие аммиака и воды в газовой фазе. Для твердых продуктов превращения Lys наличие низкомолекулярных олигомеров подтверждается РЖ-спектроскопическими и масс-спектрометрическими измерениями (рис. 3.64 - 3.70). Рассчитанные для данных частиц абсолютные молекулярные массы хорошо соотносятся с наблюдаемой серией сигналов в полученном масс-спектре образца методом времяпролетной MALDI MS: 242, 385, 513, 641 Да. Результаты масс-спектрометрического анализа конечного продукта реакции свидетельствуют об образовании низкомолекулярного полизина при 210-230 С.
Как видно из рис.3.69, 3.70 в ИК-спектре твердых продуктов Lys присутствуют характеристические частоты валентных колебаний амидной группы: v(C=0) 1652 см"1, v(C-NH) 1541 см"1, v(NH) 3307 см"1, 3078 см"1 [134].
Сравнивая реакционную способность исследованных диаминокислот при одной температуре мы приходим к выводу, что константа скорости термического превращения Arg выше соответствущей константы Lys в 1.2 раз, энергия активации Lys больше 1.9 раз энергии активации Arg, предэкспонента соответственна для Lys - 49, а для Arg - 26.
Сравнение реакционной способности аминокислот H2NCH(R)COOH показывает, что объемные гетероциклы создают, вероятно, значительные стерические препятствия взаимодействию цвиттер-ионов, расположенных в узлах кристаллической решетки. В силу этого обстоятельства триптофан и гистидин проявляют высокую термическую стабильность по сравнению с другими аминокиЬлотами изученного ряда: Тгр His Met Asn Cys2 Asp Lys Arg Pro Cys Gin Glu
Наименьшую термическую стабильность (высокую скорость реакции) в приведенном ряду проявляет глутаминовая кислота. Амиды Asn и Gin проявляют более высокую термическую стабильность по сравнению с соответствующими аспарагиновой (Asp) и глутаминовой (Glu) кислотами, что свидетельствует о высоком электродонорном эффекте H2NC(0)CH2- и H2NC(0)CH2CH2- групп по сравнению с НООС(0)СН2- и НООС(0)СН2СН2-группами.
Для всех аминокислот характерны реакции поликонденсации. В лимитирующей стадии процесса идёт образование олигомеров с выделением воды, по росту давления которого мы определяли константы скорости реакции. На основании наблюдаемого кинетического компенсационного эффекта можно утверждать, что в лимитирующей стадии процесса термического превращения аминокислот реализуются коллективные взаимодействия цвиттер-ионов в узлах кристаллической решетки аминокислоты. Коллективными являются элементарные акты взаимодействия положительно и отрицательно заряженных концов диполей цвиттер-ионов, сопровождающиеся формированием звеньев олигомерной цепи и выделением воды. Вклад в брутто-процесс вносят гомолитические радикальные реакции декарбоксилирования и дезаминирования, которые протекают с более высокой скоростью. Поэтому мы определяли эффективные константы скорости твердофазного термического превращения аминокислот.
Известно, что кинетический компенсационный эффект наблюдается в однотипных химических реакциях, которые различаются либо строением одного из реагентов (например, заместителем), либо условиями проведения реакции. Значения энергий активации Е и предэкспоненциальных множителей lnko в уравнении Аррениуса к = ко e"E/RT для ряда однотипных химических реакций изменяются согласованно.
