Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературы 14
1.1. Общая характеристика аминокислот и дипептидов 14
1.2. Термодинамика процессов сублимации аминокислот и дипептидов . 18
1.3. Водородные связи в аминокислотах и дипептидах 24
1.4. Масс-спектрометрическое исследование аминокислот и дипептидов . 28
1.5. Квантово-химические расчеты структуры аминокислот . 31
1.6. Структурные исследования молекул аминокислот в газовой фазе 38
Глава 2. Методы исследования . 43
2.1.Масс-спектрометрия электронной ионизации 43
2.1.1. Теоретические основы масс-спектрометрии электронной ионизации 43
2.1.2. Эффузионный метод Кнудсена . 45
2.1.3. Расчет энтальпии сублимации 47 2.1.4.Магнитный масс-спектрометр МИ-1201, модифицированный для
термодинамических исследований . 48
2.1.5. Методика эксперимента на МИ-1201 . 50
2.2. Газовая электронография 53
2.2.1. Теоретические основы газовой электронографии . 53
2.2.2. Температурные эффекты в газовой электронографии 57
2.2.3. Структурный электронографический анализ . 59
2.2.4. Комплекс аппаратуры «электронограф/масс-спектрометр» и методика эксперимента 61
2.3. Квантово-химические расчеты . 65
2.3.1. Теоретические методы расчета структуры и энергетики молекул 65
2.3.2. Метод анализа электронной плотности в терминах натуральных орбиталей связи (NBO) . 68
2.4. Подготовка и характеристики исследуемых веществ . 71
ГЛАВА 3. Результаты и обсуждение . 72
3.1. Анализ структуры и энергетических характеристик аминокислот и дипептидов . 72
3.1.1. Особенности масс-спектров и состава паров аминокислот и дипептидов 72
3.1.2. Энтальпии сублимации аминокислот и дипептидов 78
3.1.3. Взаимосвязь молекулярных дескрипторов аминокислот и дипептидов с их энергетическими характеристиками 90
3.2. Исследование строения молекулы l-триптофана в газовой фазе . 100
3.2.1. Конформационные свойства L-триптофана по данным квантово-химических расчетов 100
3.2.2. Электронографическое исследование L-триптофана . 106
Основные результаты и выводы . 115
Литература
- Водородные связи в аминокислотах и дипептидах
- Квантово-химические расчеты структуры аминокислот .
- Структурный электронографический анализ
- Взаимосвязь молекулярных дескрипторов аминокислот и дипептидов с их энергетическими характеристиками
Введение к работе
Актуальность работы: Одной из центральных задач современной физической химии является всестороннее исследование различного рода систем, состоящих из биоорганических молекул, что объясняется неослабевающим интересом к поиску путей создания новых перспективных материалов с заданными свойствами. Подобные системы могут выступать в качестве биодатчиков, оптических фильтров, носителей лекарственных препаратов и др. Для теоретического анализа устойчивости веществ в твердом состоянии важным параметром является энергия кристаллической решетки, которая при определенных условиях равнозначна энтальпии сублимации. Молекулярное строение соединения в значительной степени определяет его физико-химические свойства, но без знания термодинамических характеристик невозможно обсуждение деталей организации более сложных систем и стабилизации их структур. В связи с этим представляет большое теоретическое и практическое значение установление закономерностей, связывающих структуру биологически активных веществ и их термодинамические свойства
Аминокислоты и пептиды составляют основу живых организмов и участвуют во многих биохимических процессах. Выбор их в качестве объектов исследования обусловлен уникальностью структуры аминокислот и пептидов, которые существуют в виде цвиттер-ионов в конденсированных средах, а в газовой фазе находятся в молекулярной неионизированной форме. В литературе имеются немногочисленные надежные данные по термодинамике парообразования аминокислот и пептидов, а экспериментальному изучению структуры их молекул в газовой фазе посвящены лишь единичные работы. До сих пор не существует строгих теорий для прогнозирования энергетических параметров аминокислот и пептидов, содержащих в структуре молекул боковые радикалы различной химической природы. Ограниченность данных по энергетическим и геометрическим характеристикам аминокислот и пептидов затрудняет проведение корректного термодинамического анализа сольватации их молекул в жидких средах и сдерживает темпы развития структурной химии соединений данного класса. Следует отметить, что проведение экспериментальных исследований и квантово-химических расчетов строения многоатомных молекул, имеющих большое количество низкоэнергетических конформеров, является сложной задачей. Для ее решения перспективно использование эффузионного метода Кнудсена с масс-спектрометрическим контролем состава пара, позволяющее получить энтальпии сублимации аминокислот и пептидов, и метода газовой электронографии, – фактически единственно реально доступного метода, обеспечивающего исследование детальной структуры свободных многоатомных молекул, вне зависимости от их симметрии. Целью работы является определение энтальпии сублимации некоторых аминокислот и дипептидов с помощью эффузионного метода Кнудсена, выявление основных
закономерностей влияния структуры боковой цепи их молекул на энергетические характеристики, установление детального геометрического строения L-триптофана методами газовой электронографии, масс-спектрометрии и квантовой химии. Объекты исследования: Ь-а-аминокислоты, содержащие в структуре боковые радикалы различной химической природы - серин (Ser), треонин (Thr), метионин (Met), фенилаланин (Phe), тирозин (Туг), триптофан (Тгр), пролин (Pro); дипептиды - глицил-Ь-аланин (Gly-Ala), Ь-аланил-Ь-аланин (Ala-Ala), ВЬ-аланил-ВЬ-валин (Ala-Val), ВЬ-аланил-ВЬ-норвалин (А1а-Nvl), Ь-аланил-Ь-триптофан (А1а-Тгр). Задачи исследования:
-
Исследование процесса сублимации семи аминокислот (Ь-серин, Ь-треонин, Ь-метионин, Ь-фенилаланин, Ь-тирозин, L-триптофан, L-пролин) и пяти дипептидов (глицил-Ь-аланин, Ь-аланил-Ь-аланин, ВЬ-аланил-ВЬ-валин, ВЬ-аланил-ВЬ-норвалин, Ь-аланил-Ь-триптофан) эффузионным методом Кнудсена с масс-спектрометрическим контролем состава пара.
-
Определение образования циклических форм исследуемых дипептидов и характера их фрагментации методами масс-спектрометрии и квантовой химии.
-
Экспериментальное (электронография) и теоретическое (квантово-химические расчеты) определение строения молекулы Ь-триптофана.
-
Установление наличия внутримолекулярной водородной связи в молекуле Ь-триптофана с помощью NBO-анализа электронной плотности.
5. Установление взаимосвязи между структурными дескрипторами и энергетическими
характеристиками исследуемых соединений.
Методы исследования: масс-спектрометрия, квантово-химические расчеты, электронография.
Научная новизна работы. Впервые электронографическим методом определена структура свободной молекулы Ь-триптофана. Установлено наличие внутримолекулярной водородной связи в изолированной молекуле Ь-триптофана с помощью NBO-анализа. Предложена систематизация структур L-триптофана, найденных в результате конформационного анализа. Эффузионным методом Кнудсена с масс-спектрометрическим контролем состава пара впервые определены энтальпии сублимации пяти дипептидов и семи аминокислот; выполнено их приведение к стандартным значениям при Т=298.15 К. Впервые получены масс-спектры электронной ионизации для ВЬ-аланил-ВЬ-норвалина и Ь-аланил-Ь-триптофана. Для алифатических дипептидов (глицил-Ь-аланин, Ь-аланил-Ь-аланин, ВЬ-аланил-ВЬ-валин, ВЬ-аланил-ВЬ-норвалин) установлено присутствие циклических форм в насыщенном паре методами масс-спектрометрии и квантовой химии. Разработана корреляционная модель «структура-свойство» для описания энтальпии сублимации аминокислот и дипептидов на основе использования молекулярных дескрипторов
(дипольный момент, молекулярный объем, суммарное количество доноров/акцепторов Н-связей).
Практическая значимость работы. Полученные результаты вносят значительный вклад в развитие представлений о взаимосвязи термодинамических и структурных свойств молекул аминокислот и пептидов. Энтальпии сублимации могут быть использованы при разработке и модификации парных потенциалов взаимодействия для теоретической оценки энергии кристаллических решеток. Результаты сублимационных экспериментов в совокупности со значениями тепловых эффектов растворения аминокислот и пептидов позволяют определить энтальпии сольватации в растворах различной химической природы, что открывает перспективы для использования растворителя как средства управления процессами в жидкой фазе. Высокая точность полученных новых экспериментальных данных позволяет использовать их в качестве справочного материала для создания баз структурных и термодинамических данных. Исследование молекулярного строения аминокислот имеет большое значение для развития теоретической химии, поскольку соединения этого класса оказываются исключительно гибкими в плане их использования для молекулярного дизайна более сложных структур. Подобная информация представляет интерес для исследователей, работающих в области физической, органической и биологической химии.
Представленные в диссертации исследования поддержаны грантами РФФИ (07-03-00369а, 11-03-00013a, 12-03-31758мол_а) и Министерства образования РФ «Развитие научного потенциала высшей школы на 2009/2010 гг» №2.2.1.1/6088. Основные положения, выносимые на защиту:
1. Строение молекулы L-триптофана в газообразном состоянии по данным газовой
электронографии и квантово-химических расчетов.
-
Энтальпии сублимации аминокислот (L-серин, L-треонин, L-метионин, L-фенилаланин, L-тирозин, L-триптофан, L-пролин), полученные в рамках второго закона термодинамики.
-
Состав насыщенного пара и энтальпии сублимации дипептидов (глицил-L-аланин, L-аланил-L-аланин, DL-аланил-DL-валин, DL-аланил-DL-норвалина и L-аланил-L-триптофана), полученные в рамках второго закона термодинамики.
-
Данные по образованию циклических форм исследуемых дипептидов и характеру их фрагментации.
5. Корреляционное соотношение «структура-свойство» для расчета энергетических
характеристик из структурных дескрипторов молекул аминокислот и дипептидов.
Личный вклад автора заключается в непосредственном участии на всех этапах работы:
постановка цели и задач исследования, планирование эксперимента, выполнение
электронографических и масс- спектрометрических экспериментов, формулировка выводов.
Автором лично проведена обработка данных электронографического и масс-
5
спектрометрического экспериментов, выполнены квантово-химические расчеты структуры изученных молекул. Автор принимал активное участие в обсуждении и обобщении результатов исследований, а также в подготовке с соавторами основных публикаций по выполненной работе.
Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю проф. Гиричеву Г.В. за помощь на всех этапах работы, проф. Гиричевой Н.И. (ИвГУ) за помощь в интерпретации результатов эксперимента и квантово-химических расчетов. Автор также благодарен ст.н.с. Краснову А.В. и асп Жабанову Ю.А. за помощь в выполнении масс-спектрометрического эксперимента. Автор признателен вед.н.с. Баделину В.Г. (ИХР РАН) за полезные дискуссии при обсуждении результатов.
Степень достоверности результатов проведенных исследований. Экспериментальные результаты, представленные в диссертационной работе, получены на протестированном современном научном оборудовании различными взаимодополняющими физико-химическими методами. Результаты работы опубликованы в рецензируемых российских и зарубежных научных журналах.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на ежегодных научных конференциях «Фундаментальные науки — специалисту нового века» (Иваново, ИГХТУ, 2009 - 2011 гг.); ежегодных III - VIII Всероссийских школах-конференциях молодых учных «Теоретическая и экспериментальная химия жидкофазных систем» (Крестовские чтения) (Иваново, ИХР РАН, 2008 - 2013 гг.); IV - VI Всероссийских молодежных школах-конференциях «Квантово-химические расчеты: структура и реакционная способность органических и неорганических молекул» (Иваново, ИГХТУ -ИвГУ, 2009, 2011, 2013 гг.); 89-й ежегодной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Неделя науки - 2009» (Иваново, ИвГМА, 2009 г.); XII Молодежной конференции по органической химии (Суздаль, 2009 г.); открытом конкурсе Министерства образования и науки РФ на лучшую работу студентов по естественным, техническим и гуманитарным наукам в вузах России по разделу 08 «Химические науки, химическая технология, химическое машиностроение» за 2008/2009 год; VI Международной научной конференции Кинетика и механизм кристаллизации. Самоорганизация при фазообразовании (Иваново, 2010 г.); V Российско-Германском научном семинаре по вопросам изучения структуры и энергетики молекул в газовой фазе (Иваново, ИГХТУ 2010 г.); XI Международной конференции «Проблемы сольватации и комплексообразования в растворах» (Иваново, 2011 г.); VII Международной конференции «Кинетика и механизм кристаллизации. Кристаллизация и материалы нового поколения» (Иваново, 2012 г.); Ивановском городском семинаре по структуре и энергетике молекул (Иваново, ИГХТУ, 2012-2013 г.); VII Национальной кристаллохимической конференции (Суздаль, 2013 г.); XV Европейском симпозиуме по газовой электронографии (Фрауенкимзе, Германия, 2013 г.).
Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в 5 статьях, опубликованных в рецензируемых научных журналах и изданиях из Перечня ВАК, и тезисах 36 докладов на научных конференциях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав,
посвященных обзору литературы, описанию экспериментальных и теоретических методов
исследования, результатам масс-спектрометрических и электронографических
исследований и квантово-химических расчетов аминокислот и дипептидов и их обсуждению, а также включает раздел «Основные результаты и выводы» и список цитируемой литературы (162 наименования). Материал работы изложен на 134 страницах машинописного текста, а также представлен в виде 20 таблиц и 28 рисунков.
Водородные связи в аминокислотах и дипептидах
Авторам работы [53] удалось получить значение энтальпии сублимации саркозина в узком интервале температур (410 - 426) К эффузионным методом Кнудсена с более высокой точностью +(0.7) кДж/моль. Тем же методом определены молярные энтальпии сублимации DL-a-аланина и р-аланина при Т=298.15 К [54].
В работе [6] на основе аддитивной схемы по групповым вкладам проведен анализ экспериментальных значений энтальпий образования L-аминокислот и пептидов. Рассчитаны групповые вклады в энтальпию образования. Вычислены термохимические характеристики широкого ряда аминокислот и их производных. Для вычисления энтальпии сублимации аминокислот и их производных использовано термохимическое уравнение, ранее с успехом применявшееся при вычислении соответствующего параметра органических соединений различных классов. Но в данном случае не учитывается тот факт, что аминокислоты в кристаллическом состоянии представляют собой цвиттер-ионы, в отличие от молекул других органических соединений. Завышение опытного значения энтальпии сублимации авторы связывают с погрешностями при проведении эксперимента, а наиболее надежными данными предлагают считать рассчитанные ими значения.
Аминокислоты являются основными компонентами белковых соединений, температура плавления-разложения которых относительно невелика (редко превышает 373 К). Большинство самих аминокислот и пептидов плавится при более высоких температурах (в области 573 К) [55]. Имеющиеся в литературе [55-57] данные о температурах плавления имеют значительный разброс. Данные о тепловых эффектах кристаллических дипептидов практически отсутствуют [58].
Теплоемкости ряда кристаллических веществ: семи аминокислот и десяти алифатических пептидов были определены методом ДСК в интервале температур 298-348 К в работе [59]. Анализ экспериментальных данных показал, что молярная теплоемкость исследуемых веществ находится в линейной зависимости от числа атомов и суммы длин связей в молекуле, что может быть использовано для оценки неизвестных значений теплоемкости данного класса соединений. Следует отметить обзор имеющихся данных по теплоемкости и энтропии фазовых переходов органических соединений в конденсированной фазе, включая аминокислоты и пептиды, опубликованный в 1996 году [60].
Исследование термического поведения аминокислот методами дифференциального термического анализа и термогравиметрии, осуществленное в работах [61-63] показало, что высокие температуры разложения аминокислот могут быть приписаны электростатическим взаимодействиям между противоположно заряженными группами в кристаллической решетке. По термической стабильности, связанной с температурой начала разложения вещества, аминокислоты могут быть расположены в последовательности: Lys Arg Asn Phe Ala Val Leu Gly Met Ser Thr Cys Gln.
Пептиды, состоящие из нескольких аминокислотных остатков, являются простейшими из биологически активных веществ объектами для изучения. С другой стороны, они служат основой и сохраняют свои индивидуальности в более сложных полипептидных и белковых соединениях, поэтому не ослабевает интерес к дериватографическим и калориметрическим исследованиям аминокислот и некоторых дипептидов [30,59,64,65]. Показано, что для пептидов одного гомологического ряда характер фазовых превращений и их количественные параметры (тепловой эффект, температуры фазовых переходов) определяются строением молекулы дипептида и длиной боковой углеродной цепи. У веществ, имеющих линейную структуру, плавление сопровождается химическим разложением. При нагревании дипептидов, молекулы которых имеют аполярные аминокислотные группы, стадии плавления дипептида отсутствуют – происходит его разложение на составляющие аминокислоты [59,65]. Отмечено [30], что взаимное влияние двух аминокислотных остатков делает дипептиды менее стабильными, чем исходные компоненты. В твердой фазе метильная группа играет ключевую роль в термической стабильности дипептида. Потеря массы, соответствующая карбоксильной, амино- или функциональной группе, указывает на начало процесса разложения [30].
Подробное термогравиметрическое изучение разных аминокислот проведено в работе [66]. Анализ полученных дериватограмм позволяет заключить, что для всех образцов L--аминокислот не характерно присутствие как гигроскопической, так и кристаллизационной воды. Для некоторых аминокислот не представляется возможным однозначно фиксировать температуру плавления, поскольку этот процесс сопряжен с разложением.
Квантово-химические расчеты структуры аминокислот .
Неоценимую помощь в исследовании структуры и свойств аминокислот оказывают теоретические расчеты. Первые работы по определению различных параметров данных молекул относятся к середине 70-х годов XX века. К примеру, работа [81] посвящена установлению электронной структуры и типу связи в аминокислотах. Здесь полуэмпирическими методами (CNDO, INDO) исследовались цвиттер-ионы. Различные энергетические характеристики, в том числе и сродство к протону, представлены как зависящие от энергии высшей занятой (ВЗМО) и низшей свободной (НСМО) молекулярной орбитали. Установлено, что использованный метод несколько завышает энергию ВЗМО.
Сделано предположение, что отрыв электрона при ионизации должен происходить от карбоксилатной группы у неароматических аминокислот, тогда как у тирозина и триптофана электрон уходит из кольца, а в случае фенилаланина нельзя сделать однозначного вывода. Приведены таблицы со значениями полных энергий ВЗМО и НСМО, заряды на боковой цепи и характеристики молекулярных орбиталей.
На более высоком теоретическом уровне проведены расчеты в работе [82]. Здесь использован метод самосогласованного поля (SCF), с базисными наборами 4-31G и 6-31G. Приведены величины полных энергий и дипольных моментов, потенциалов ионизации, сродства к протону и разницы в энергиях между молекулами, находящимися в разных агрегатных состояниях, для ряда аминокислот (глицин, аланин, серин, цистеин, треонин). Предложена диаграмма энергетических уровней для переходов аминокислот из твердой фазы в газ или раствор и схема вычисления теплот растворения, сольватации и сублимации.
В работе [83] рассмотрены ближние взаимодействия между аминокислотными фрагментами в протонированных пептидах, находящихся в газовой фазе. В большинстве своем они представляют собой внутримолекулярные водородные связи типа N-H+O=C И C=O-H+O=C, для которых были проведены вычисления параметров реакционной способности, основности, сродства к протону. Также затронут вопрос возникновения водородных связей между протонированным фрагментом пептида и метанолом.
Довольно остро стоит проблема поиска и адекватной идентификации конформеров аминокислот, поскольку данные молекулы имеют множество вращательных степеней свободы и, как видно из исследований, множество конформеров, не сильно различающихся по энергии. Тщательное исследование конформационного многообразия аминокислот проведено в работе [84]. Авторы проанализировали все возможные конформеры для аланина, серина и цистеина. Расчеты проводились с постепенным повышением уровня теории: от полуэмпирических (AM1) до ab initio (MP2/6-31+G ) методов. В итоге число конформеров для аланина составило 10, для серина – 51, для цистеина – 42. Вычислены дипольные моменты, вращательные постоянные относительные энергии и энергии межатомных взаимодействий для всех конформеров. Для серина и цистеина построены графики зависимости относительной энергии от уровня теории. Предложены схемы образования внутримолекулярных водородных связей для данных аминокислот. ИК-спектроскопия, как и спектроскопия КР, является надежным инструментом для идентификации вещества. А в сочетании с квантово химическими расчетами можно получать надежные данные, позволяющие определить строение молекулы в жидкой фазе. Для аминокислот это особенно актуально в свете того, что в растворе и кристалле они находятся в цвиттер ионной форме, которая не реализуется в газовой фазе. Классическое исследование подобного рода описано в работе [85]. Для триптофана экспериментально сняли ИК-спектр в KBr и с применением метода «растворение-распыление-осаждение» (РРО), а также теоретически рассчитали структуру и интенсивности частот колебаний для трех конформеров методом самосогласованного поля на уровне тории HF/6-31G(d,p) в среде KBr. Полученные спектры сравнивались между собой, а структурные параметры конформеров сопоставлялись с результатами рентгеноструктурного анализа гидрохлорида триптофана. Частоты и интенсивности, полученные методом РРО, оказались в хорошем согласии с теоретическими данными для основного конформера аминокислоты. Для аминокислот и дипептидов известны исследования ИК-спектров, в том числе и с использованием метода нанесения образца на ИК-прозрачную подложку посредством распыления раствора изучаемых соединений с последующим высушиванием. К примеру, в работе [86] рассматривается спектр цвиттер-ионных форм валил-аланина и аланил-валина, доказываются преимущества данного метода нанесения образца перед традиционными, описывается сравнение экспериментального спектра со спектром, полученным из квантово-химических расчетов. На основании последнего, делается вывод о структуре дипептида, указывается на существование 6 и 5 конформеров для DL-валил-DL-аланина и DL-аланил-DL-валина, соответственно, и определяются наиболее стабильные конформеры для каждой молекулы.
Структурный электронографический анализ
В уравнении 2.2.3.3 суммирование ведётся по всем неэквивалентным парам атомов, вносящим вклад в интенсивность молекулярного рассеяния. Каждый член в разложении определяется тремя параметрами: , и . Параметр представляет собой термически среднее расстояние между ядрами i и j, соответствующее функции распределения P(r)/r, ( ); – среднеквадратичную параллельную амплитуду колебаний, а – колебательный параметр, учитывающий асимметрию пика на f(r). В геометрическом смысле эти величины являются, соответственно, первым, вторым и третьим моментами функции распределения межъядерного расстояния в пространстве межъядерных расстояний.
В общем случае вариационная задача сводится к минимизации R-фактора относительно набора межъядерных расстояний, среднеквадратичных амплитуд колебаний и колебательных поправок (всего 3M параметров, где M – число неэквивалентных пар атомов).
Однако надёжное вариационное уточнение такого количества параметров часто невозможно, поэтому их число на практике сокращают, поскольку:
1) для описания геометрического строения молекулы используют неизбыточный набор внутренних координат, с помощью которых можно рассчитать величины всех остальных. Использование только независимых координат не является приближением, однако от их выбора зависит стабильность вариационной процедуры.
2) амплитуды колебаний для термов, характеризующихся близкими величинами межъядерных расстояний и относящимися к одному пику на кривой радиального распределения, варьируют «в группах», т.е. вариации группы амплитуд соответствует всего один независимый параметр. Кроме того, иногда не варьируются значения некоторых межъядерных расстояний и амплитуд, если не представляется возможным их надёжное уточнение в рамках структурного анализа. Алгоритмы для решения структурной электронографической задачи (2.2.3.1) реализованы в программах, например KCED [62].
Для надёжного и эффективного решения вариационной задачи (2.2.3.1) необходимо задать разумное начальное приближение для вариационных параметров, а также значения (окончательные) тех параметров, которые не будут варьироваться в ходе её решения. Обычно в современной газовой электронографии для этого используются данные вычислительной химии – квантово-химические расчёты или расчёты на основе эмпирических силовых полей.
Экспериментальный материал получен на аппаратуре Лаборатории молекулярных параметров Ивановского государственного химико технологического университета. Для съемки электронограмм паров аминокислоты был использован комплекс аппаратуры ЭМР-100/АПДМ-1 [135,136], объединяющий электронограф и масс-спектрометр. Аппаратура позволяет проводить как автономные масс-спектрометрические исследования, так и синхронный электронографический и масс-спектрометрический эксперимент. Схема электронографической части представлена на рис. 2.2.4.1. Для формирования электронного луча 1 заданной формы служит набор диафрагм 2. Диаметр луча в области дифракции равен приблизительно 0.6 мм при верхнем положении испарителя 3 (как показано на рис. 2.2.4.1) и 0.3 мм при нижнем положении. Для улавливания электронов, не испытавших рассеяния, и измерения их тока применяется ловушка 4. При юстировке луча в центр сектора 5 используется цилиндр Фарадея 6 с нанесенным на внутреннюю поверхность люминофором. Для прерывания электронного луча и простановки центра дифракционной картины без изменения тока луча ниже анода 7 помещен алюминиевый цилиндр 8 с двумя взаимно перпендикулярными каналами, один из которых закрыт несколькими слоями медной электролитической сетки. Рассеянные струей пара электроны регистрируются фотопластинкой 9, подаваемой из фотомагазина. Дифракционную картину можно наблюдать при помощи подвижного люминесцентного экрана 10. В ходе эксперимента на каждой фотопластинке помечается центр дифракционной картины.
Взаимосвязь молекулярных дескрипторов аминокислот и дипептидов с их энергетическими характеристиками
Как видно из рисунка 3.1.3.2, можно выделить три основные группы молекул L-a-аминокислот, для которых наблюдается повышение значений subHm при увеличении CPjm(cr): молекулы, имеющие преимущественно гидрофобные (алкильные, ароматические) боковые цепи: Gly, Ala, Val, Leu, Phe, Trp; - молекулы с ОН-группой в боковой цепи: Ser, Thr, Туг; - молекулы, содержащие атомы азота и серы (NH, NH2, S, SH) в боковой цепи: Asn, Cys, Gin, Arg, His, Met.
Предполагая, что теплоемкость изученного ряда аминокислот в кристаллическом состоянии определяется, прежде всего, первичной структурой молекул, наличие различных функциональных групп в боковой цепи изменяет энергетические затраты на увеличение степеней свободы молекул (колебательных, вращательных, трансляционных) при нагревании вещества в разной степени. Это может быть связано с фактором упаковки молекул и плотностью кристаллов, что требует проведения отдельных исследований.
Анализ собственных и имеющихся значений энтальпий сублимации [28,32,34,44] позволил выявить зависимости subHm от индекса ISA. Показано, что величины ISA и энтальпии сублимации изменяются симбатно в следующих рядах: - алифатические аминокислоты: Gly Ala VaKLeu; - аминокислоты с ОН-группами в боковой цепи: Tyr Thr Ser; - аминокислоты с амидной группой в боковой цепи: Asn Gln Lys; - аминокислоты, содержащие в боковой цепи атомы азота и серы (NH, NH2, S, SH): Arg Cys His Met.
Ароматические аминокислоты Phe, Тгр, Туг имеют ISA и subHm бльшие, чем Gly (без боковой цепи) и Ala (с боковой СН3-группой), вследствие наличия бензольного, фенольного и индольного кольца, соответственно, в структуре их молекул. Что касается алифатических дипептидов, то повышение ISA сопровождается ростом subHm в ряду Gly-Ala Ala-Ala Ala-VaKAlarp Ala-Nvl.
Таким образом, выявлена тенденция к повышению энтальпии сублимации исследуемых соединений с удлинением углеводородной боковой цепи, что обусловлено увеличением вклада ван-дер-ваальсовых взаимодействий. Наличие ароматического кольца в боковой цепи исследуемых аминокислот и введение ОН-группы в структуру молекул приводит к увеличению энтальпий сублимации: Ala Phe Trp Tyr; Ala Ser Thr Tyr. Изменение subHm при переходе от Ala к Met также обусловлено увеличением размера боковой цепи: Ala Met. Довольно высокие значения AsubHm для исследуемых аминокислот и дипептидов связаны с дополнительными вкладами от водородных связей и электростатических взаимодействий между цвиттер-ионами.
При проведении сравнительного термодинамического анализа разных соединений, содержащих в боковой цепи различные по структуре функциональные группы, предпочтительнее использовать объемно-удельные параметры [13,159], получаемые путем деления молярного свойства (subHm) на объем молекулы, в качестве которого может быть использован ван-дер-ваальсов объем. Отношение AsubHm7Vw характеризует величину объемно-удельной энтальпии сублимации вещества, учитывающую размеры исследуемой многоатомной молекулы.
На основе обобщения собственных и литературных данных предложен подход для оценки взаимодействий в исследуемых веществах через регрессионные коэффициенты четырех-параметрического корреляционного соотношения (3.1.3.1), связывающего объемно-удельные энтальпии сублимации ASUbHm /Vw и структурные дескрипторы молекул, в той или иной степени ответственные за вклады в ван-дер-ваальсовы взаимодействия (Vw), образование водородных связей (NHB) И электростатические эффекты (ц): ASUbHm7Vw=a+b1Vw+b2NHB+b3 +b4(Ind), (3.1.3.1) где Vw - ван-дер-ваальсов объем молекул, NHB - сумма максимально возможного числа Н-связей для различных функциональных групп, содержащих соответствующие донорные и акцепторные атомы, ц - дипольный момент, Ind -показатель вариантности (Ind=l для аминокислот, содержащих в боковой цепи активные группы ОН-, NH2-, NH; lnd=0 для остальных аминокислот и дипептидов). Следует отметить, что данные дескрипторы весьма чувствительны к изменению структуры молекулы в зависимости от природы и размеров боковой цепи. В таблице 3.1.3.2 представлены коэффициенты регрессии а, bb b2, b3, Ь4 уравнения 3.1.3.1 для аминокислот и дипептидов соответственно.
Оценка степени соответствия корреляционной зависимости экспериментальным данным (для малых выборок п 20) проводилась по коэффициенту корреляции rcorr и по минимальной дисперсии распределения (S), которую называют выборочным стандартным отклонением [160,161]. Принимая во внимание, что коэффициент rcorr является случайной величиной, проводилась оценка его средней квадратичной ошибки по формуле: r=(l-rCMT2)/n [161]. Для представленной корреляционной зависимости величина rCMT 3г, что подтверждает наличие связи между параметрами. Проведенный статистический анализ показал удовлетворительную степень надежности вычисленных коэффициентов ЬІ в уравнении (3.1.3.1) для указанных рядов соединений. Как видно из таблицы 3.1.3.2, все коэффициенты статистически значимы (при доверительной вероятности 0,95). Таблица 3.1.3.3 - Корреляционная матрица параметров уравнения 3.1.3.1
