Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние исследований гидратационных свойств аминокислот и их водных растворов
1.1 Теории строения воды и гидратации 11
1.2 Особенности гидратации биомолекулярных соединений 23
1.3 Термодинамические и объемные свойства растворов биологически активных веществ 37
Глава 2. Объекты исследования и методы эксперимента
2.1 Характеристика исследуемых аминокислот 46
2.2 Определение концентрации аминокислот в рабочих растворах 51
2.3 Методики экспериментов
2.3.1 Метод изопиестирования 51
2.3.2 Методика получения ИК спектров 53
2.3.3 Методика рентгенодифракционных исследований 53
2.3.4 Микрокалориметрическое исследование тепловых эффектов растворения аминокислот 54
2.3.5 Определение плотности растворов аминокислот 55
2.4 Статистическая обработка результатов анализа
Глава 3. Изопиестическое исследование взаимодействия молекул воды с кристаллами аминокислот
3.1 Термодинамика взаимодействия молекул воды с кристаллами аминокислот 59
3.2 Кинетика взаимодействия молекул воды с кристаллами аминокислот 80
Глава 4. Термохимические параметры образования водных растворов аминокислот
4.1 Термокинетика и энтальпия растворения аминокислот в воде 84
4.2 Оценка влияния структуры бокового радикала на энтальпию растворения аминокислот 99
4.3 Термохимические и объемные свойства разбавленных растворов аминокислот
4.3.1 Термохимические характеристики разбавленных растворов аминокислот 103
4.3.2 Объемные свойства разбавленных растворов аминокислот 106
Глава 5. Перераспределение компонентов при кристаллизации и плавлении льда в системе вода ароматическая аминокислота
5.1 Принципы низкотемпературной кристаллизации в водных растворах органических соединений 110
5.2 Распределение аминокислот в водных растворах при кристаллизации и плавлении льда 114
5.3 Экспериментальное исследование возможности разделения фенилаланина и тирозина при кристаллизации и плавлении льда 126
Выводы 130
Список литературы 134
- Особенности гидратации биомолекулярных соединений
- Определение концентрации аминокислот в рабочих растворах
- Кинетика взаимодействия молекул воды с кристаллами аминокислот
- Термохимические и объемные свойства разбавленных растворов аминокислот
Введение к работе
Актуальность работы. Одним из важных направлений современной физической химии растворов является разработка научных представлений о взаимосвязи структуры раствора со строением и свойствами образующих его атомов и молекул. В настоящее время все большее внимание привлекают водные растворы биосоединений. К важнейшим биологически активным веществам относятся аминокислоты, являющиеся мономерами при синтезе белка. Наличие полярных и гидрофобных групп в структуре цвиттерлитов обусловливает необходимость учета нековалентных взаимодействий, проявляющихся в системе вода - аминокислота. Особенности гидратации простых структурных элементов во многом определяют гидратацию и биологическую активность более сложных биосистем, поэтому установление природы межмолекулярных взаимодействий в водных растворах цвиттерлитов является одной из актуальных проблем физической химии растворов.
В качестве объективных показателей взаимодействий, протекающих в растворах, используются термодинамические характеристики процессов сольватации (гидратации) биомолекул. Особый интерес представляет термодинамическое описание процессов растворения цвиттерлитов, различающихся структурой бокового радикала, в широком интервале их концентраций. Также не менее важным является изучение закономерностей взаимодействия воды с кристаллами аминокислот, что позволяет установить зависимость, отражающую связь структуры и строения бокового радикала с гидратационной способностью биомолекул.
Выявленные закономерности могут быть использованы для разработки и совершенствования биотехнологии выделения и разделения аминокислот, так как взаимодействия в системе вода - аминокислота определяют специфику структуры водных растворов аминокислот, характер которых важен при учете гидратационных и транспортных свойств биомолекул как в гомогенных, так и в гетерогенных системах.
Работа выполнена в соответствии с координационным планом НИР Научного Совета по адсорбции и хроматографии РАН по теме «Изучение механизма межмолекулярных взаимодействий и закономерностей удерживания», подтема: «Гидратация, кластерообразование и ионный транспорт» (тема № 2.15.6.2 на 2000-2004 г.г.).
Цель работы: Изучение закономерностей взаимодействия воды с кристаллами аминокислот, различающихся структурой и строением бокового радикала, и определение термохимических характеристик образования водных растворов аминокислот для установления природы межмолекулярных взаимодействий в исследуемых системах.
Задачи работы:
Количественная оценка гидратационных свойств кристаллов аминокислот, различающихся строением и структурой бокового радикала методом изопиестирования.
Определение концентрационной зависимости термохимических характеристик образования водных растворов аминокислот. Установление природы межмолекулярных взаимодействий в исследуемых системах.
Выяснение роли бензольного, фенольного и имидазольного радикалов аминокислот в образовании гидратных структур.
Разработка условий разделения и концентрирования аминокислот методом кристаллизации.
Научная новизна работы: Выявлены закономерности процесса поглощения воды кристаллами аминокислот, связанные со структурой, доступностью и природой функциональных групп, а также возможностью цвиттерионной группировки участвовать в образовании Н-связей с молекулами воды. Рассчитана свободная энергия Гиббса взаимодействия растворителя с тирозином, а-аланином и гидрохлоридом гистидина.
Установлен и объяснен количественный ряд гидратации: Trp = Phe < Туг < а-А1а < His НО, который не совпадает с растворимостью аминокислот. Для наименее растворимого тирозина взаимодействие с водой обусловлено образованием связи ОН...Н2О. Показано, что участие молекул растворителя в образовании с водой совместной упаковки происходит без изменения их кристаллической структуры.
Рассмотрено влияние концентрации, структуры и строения бокового радикала на термохимические характеристики растворения аминокислот в воде. Процесс растворения аминокислот в исследуемом диапазоне концентраций эндотермичен. Отмечено, что выявленные различия в скорости растворения и характере концентрационной зависимости интенсивности теплового потока и скорости изменения теплового потока обусловлены преобладанием эффекта гидрофильной или гидрофобной гидратации аминокислот в образовании гидратных структур.
На основе анализа концентрационной зависимости энтальпии растворения предложены схемы межмолекулярных взаимодействий в водном растворе аминокислот с учетом влияния структуры цвиттерлита и строения его бокового радикала при переходе раствора от предельно разбавленного к более концентрированному. Показано, что определяющую роль в образовании гидратных структур играет гидрофобная гидратация бензольного, фенольного и имидазольного радикалов аминокислот. Стабилизирующее действие бензольного радикала на структуру воды проявляется в изменении знака энтальпии растворения с ростом концентрации фенилаланина.
Впервые экспериментально определены значения энтальпий растворения и гидратации ароматических и гетероциклических аминокислот при образовании бесконечно разбавленного раствора. Установлена зависимость энтальпии гидратации аминокислот при предельном разбавлении от размера полости, образуемой аминокислотой в воде. Увеличение размера полости
приводит к уменьшению энтальпийного вклада во взаимодействие вода -аминокислота.
Выявлен характер распределения фенилаланина и тирозина в водных растворах в процессе кристаллизации в зависимости от концентрации и состава раствора. Показано, что тирозин, в отличие от фенилаланина, накапливается в центре кристаллизуемого объема раствора, и присутствие фенилаланина в исходном растворе приводит к концентрированию тирозина.
Практическая значимость;
Полученные закономерности взаимодействия молекул воды с твердыми образцами аминокислот могут быть использованы в практических целях для обоснования технологии их разделения, сушки и хранения.
Предложенный способ разделения и концентрирования фенилаланина и тирозина на основании экспериментальных данных о распределении аминокислот при кристаллизации в системе вода -фенилаланин - тирозин позволит осуществить процесс без дополнительных реактивов, а значит с более высокой экологичностью.
На защиту выносятся;
Закономерности поглощения воды кристаллами ароматических и гетероциклических аминокислот. Взаимосвязь количественных характеристик гидратации биомолекул с их структурой, строением и растворимостью.
Представления о межмолекулярных взаимодействиях в системе вода - аминокислота по результатам исследования термохимических свойств растворов аминокислот. Характер влияния бензольного, фенольного и имидазольного радикалов аминокислот на структуру воды.
3. Способ разделения и концентрирования фенилаланина и
тирозина в водных растворах методом кристаллизации.
Публикации. По результатам диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 4 в центральной печати.
Апробация работы. Результаты работы доложены на Международной конференции молодых ученых "Химия и биотехнология пищевых веществ. Экологически безопасные технологии на основе возобновляемых природных ресурсов". (Москва, 2000), Научно - практической конференции "Новое в науке и технике глазами молодежи" (Воронеж, 2001), Международной конференции молодых ученых "От фундаментальной науки к новым технологиям. Химия и биотехнология биологически активных веществ, пищевых продуктов и добавок. Экологически безопасные технологии" (Москва - Тверь, 2001), XIII международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам "Ломоносов" (Москва, 2001), XVI международной научно -технической конференции «Реактив - 2003» (Москва, 2003).
Структура работы. Работа состоит из введения, 5 глав основного текста, выводов, списка использованных источников (141 наим.). Работа изложена на 147 страницах, содержит 38 рисунков и 16 таблиц.
Особенности гидратации биомолекулярных соединений
Вода - основной молекулярный компонент биологических систем. Водное окружение определяет структуру и функционирование биополимеров. Уменьшение количества воды в биологических системах ниже какого-то предела приводит к остановке биологических процессов. Поэтому взаимодействие биологических соединений с водой является предметом широких исследований. Для понимания кристаллохимических особенностей воды, участвующей в построении биологических структур необходимо рассмотреть работы, связанные со структурой кристаллогидратов веществ, молекулы которых родственны звеньям биополимеров. А.И. Китайгородским [30] было показано, что укладка молекул в кристаллах органических веществ (и вообще молекулярных кристаллах) подчиняется принципу плотнейшей упаковки. Внедрение молекул воды в кристаллы органических веществ, то есть образование совместной упаковки очень мелких молекул воды и более крупных молекул основного вещества, можно ожидать в тех случаях, когда такая совместная упаковка приводит к лучшему заполнению пространства и позволяет молекулам расположиться таким образом, чтобы условия для образования водородных связей были наиболее благоприятны. Количество молекул воды и их состояние определяются формой молекул основного вещества, расположением гидрофильных групп и некоторыми специфическими особенностями межмолекулярного взаимодействия (например, взаимодействиями параллельных циклических молекул и электростатическими в случае ионизированных молекул). В ряде случаев при укладке органических молекул в структуре возникают каналы, которые могут быть заполнены цепочками из молекул воды. Совместная упаковка таких цепочек и молекул основного вещества приводит к очень хорошему заполнению пространства. При этом, если канал достаточно широк, молекулы воды могут практически не образовывать водородных связей с органической молекулой. Для структур, содержащих цепочки из молекул воды [31], должно выполняться одно условие, связанное с особенностями кристаллохимии воды, а именно: если в упаковке наблюдаются каналы подходящего размера и период повторяемости вдоль этих каналов соизмерим с периодом вдоль цепочки из молекул воды, то последние могут располагаться в этих каналах. Эта особенность может повлиять на характер укладки молекул основного вещества. Если органические молекулы линейны, то совместимость их упаковки с цепочкой из молекул воды может быть осуществлена путем принятия молекул определенной конформации.
В кристаллах гидрогалогенидов аминокислот аминогруппы, галогенид ионы и молекулы воды образуют разнообразные структуры [32]. Иногда наблюдаются цепочки из чередующихся катионов и анионов, разделенных молекулами воды, как например, в гидратах гидрохлоридов изолеицина и гистидина. Иногда катион и анион образуют ионные пары, соединенные через молекулы воды. Упаковки такого типа характерны для полугидратов аденин- и гуанингидрохлоридов [32]. На основании имеющихся в литературе сведений можно сделать вывод о влиянии упаковки органических молекул на укладку молекул воды и обратно, о влиянии молекул воды на упаковку и конформацию органических молекул. Совокупность экспериментальных данных о термодинамических свойствах растворов органических соединений, полученных в работе [33], свидетельствует о том, что изменения свойств воды вокруг органических молекул и их отдельных атомных групп затрагивают одну или, как максимум, две координационные сферы. Это заключение справедливо как для заряженных, так и для полярных и гидрофобных молекул и атомных групп. Свойства воды в пределах этого объёма (гидратной оболочки) существенным образом зависят от типа атомной группы. Наиболее сильные изменения свойств воды наблюдаются в гидратных оболочках заряженных атомных групп. При этом происходит полная потеря присущих объёмной воде аномальных свойств, таких, как немонотонные и нелинейные температурные зависимости плотности и сжимаемости, наличие большого структурного вклада в сжимаемость и др. [33, 34]. Авторы работ [35-37] считают, что наряду с гидрофобными взаимодействиями в растворах возможна и гидратация полярных и заряженных групп аминокислот. В гидратной оболочке сближенных полярных атомных групп свойства воды также приближаются к свойствам нормальных жидкостей, однако в отличие от заряженных атомных групп эффект «нормализации» выражен гораздо слабее.
Наименьшее воздействие на воду оказывают одиночные полярные группы, свойства воды в гидратной оболочке этих групп близки к свойствам чистой воды. Гидратная оболочка биополимеров, поверхность которых содержит заряженные, полярные и гидрофобные группы, может быть в первом приближении представлена как аддитивная сумма локальных изменений воды вблизи экспонированных в растворитель атомных групп [34]. Проведенное в работе [38] изучение кинетических и структурных свойств воды, окружающей дипептид аланина, дало непротиворечивую качественную картину гидратации. Существенное влияние растворенного вещества на динамические свойства молекул воды ограничивается первым гидратным слоем. Влияние индивидуальных функциональных групп локализовано. Пониженная подвижность молекул растворителя около неполярных групп связана, прежде всего, с конфигурационными (энтропийными), а не с энергетическими барьерами. Динамика, подобная динамике молекул в объеме, наблюдается для молекул растворителя, находящихся вблизи полярных групп растворенного вещества, совместима с представлениями о том, что полярные группы взаимодействуют с соседними молекулами воды примерно так же, как молекулы воды взаимодействуют между собой.
Определение концентрации аминокислот в рабочих растворах
Исследуемые аминокислоты имеют ти - электронную систему в углеводородном радикале, поэтому их растворы поглощают в УФ - области спектра. На этом основано спектрофотометрическое определение аминокислот в растворах [88]. Для работы использовались растворы аминокислот фирмы "Реанол" (Венгрия). Определение концентрации аминокислот в рабочих растворах осуществляли при температуре 293±1 К в течении первых 24 часов. Количественный анализ спектрометрическим методом сводится к определению концентрации веществ в растворе по известным абсорбционностям испытуемого раствора при выбранной аналитической длине волны. Определение проводили на спектрофотометре СФ-46 в области длин волн от 230 до 300 нм. Для выбора аналитической длины волны снимали полный спектр поглощения раствора анализируемого вещества. Аналитическая длина волны выбиралась на максимуме поглощения определяемого вещества и составляла:А,рье = 257 нм, ХТут =275нм, A,HiS=210 нм, А-тф=279 нм.
Определена область концентраций в которой наблюдается пропорциональная зависимость абсорбционности (А) раствора от содержания аминокислоты, то есть, соблюдается закон Бугера-Ламберта-Бера. Для тирозина она составляла 0,125-0,5-10" моль/кг, для фенилаланина - 1,250-5-10" моль/кг, для триптофана -0,005-0,015-Ю"3 моль/кг и для гистидина - 0,06-0,2-10"3 моль/кг. Метод изопиестирования широко применяется для изучения водно-солевых систем [89]. Его следует отнести к наиболее точным методам определения растворимости соединений. Авторы работы [35] использовали метод изопиестирования для определения термодинамических характеристик водных растворов аминокислот, а также для оценки их гидратационной способности. В основу расчета были положены экспериментальные результаты, полученные в изопиестических условиях для цвиттерлитов различной концентрации. Изопиестированием называется процесс выравнивания давления летучего компонента в замкнутом пространстве по истечении некоторого времени, при условии, что взяты два или несколько образцов с различными концентрациями компонентов и что летучестью обладает только один компонент (в случае системы вода-соль при комнатной температуре заметной летучестью обладает только вода) [89]. Для получения корректных результатов необходимо, чтобы температура в изопиестированных сосудах изменялась незначительно и на одинаковую величину (±2К). Данным методом изучали поглощение молекул воды а-аланином, тирозином, фенилаланином, триптоаном и моногидрохлоридом гистидина в широком интервале активности воды aw (0,110-0,990) при температуре 295,0 ± 1 К. Образцы аминокислот, выдержанные над СаС12, а затем над Р2О5 до постоянной массы приводили в изопиестическое равновесие с насыщенными растворами солей, для которых известна активность воды: LiCl -aw= 0,110; MgCl2-6H20 - 0,330; А1С13-6Н20 - 0,410; NiCl3-6H20 - 0,529; NH4NO3 - 0,618; NaN03 - 0,738; NaCl - 0,753; NH4C1 - 0,771; (NH4)2S04 - 0,800; A12(S04)3-18H20 - 0,900; Na2SO4-10H2O - 0,937; CuS04-5H20 - 0,975; K2Cr207-0,980. Для получения активности воды, равной 0,990 использовали раствор NaCl с концентрацией 0,3030 моль/кг [89].
Эксикатор помещали в термостатированный шкаф (295 К). Бюксы с аминокислотами через определенные промежутки времени вынимали из эксикатора и взвешивали. После достижения равновесия навески вынимали и рассчитывали количество поглощенной воды на моль аминокислоты по формуле: где qBOflbi - количество поглощенной воды (г), 18 - молярная масса воды, VAK -количество молей аминокислоты. Проводили пять параллельных измерений. Ошибка метода Sr= 4,93-10 , доверительный интервал да = ± 7,60-10"3. В качестве контрольного метода использовали метод динамической термогравиметрии. Необходимо отметить, что численное значение величины активности воды является критерием гигроскопичности соединения. Чем больше значение aw для данного соединения (чем ближе оно к 1), тем оно более устойчиво к поглощению влаги. Для получения прямой информации о взаимодействии аминокислот с водой применяли метод инфракрасной спектроскопии.
Исследуемые образцы аминокислот небольшими порциями помещали в агатовую ступку и измельчали до получения однородного тонкодисперсного порошка. Взвешивали 1,5 мг образца аминокислоты и 150 мг подготовленного КВг, для чего бромистый калий растирали в агатовой ступке вместе с изучаемыми образцами в течение 10 мин, затем взвешивали 100,0 мг смеси и переносили в пресс-форму. Содержание исследуемого вещества в таблетке - 1%. Навеску прессовали в течение 5 минут, затем проводили снятие спектрограмм в интервале частот 4000-400 см"1. В работе использовали прибор SPECORD 75 IR. Полученные спектры интерпретировались с использованием литературы [90,91,92]. Рентгенофазовый анализ исследуемых аминокислот проводили на дифрактометре ДРОН 4-07 в автоматическом режиме с шаговым перемещением 0,1 с временем экспозиции в каждой точке 1 секунда на СоКа-излучении.
Кинетика взаимодействия молекул воды с кристаллами аминокислот
Получены кинетические кривые взаимодействия молекул воды при ее активности 0,990 с ос-аланином, тирозином и моногидрохлоридом гистидина, которые представлены на рис.3.9. Вид кинетических кривых для исследуемых аминокислот указывает на различие в механизме поглощения воды. Полученные экспериментальные данные позволяют выявить влияние структурных особенностей строения аминокислот на кинетику взаимодействия их с водой. При взаимодействии молекул воды с тирозином характерно более раннее установление равновесия. Для тирозина начальный этап процесса описывается уравнением у = kx + Ь, где к - константа скорости процесса и характеризуется максимальной скоростью поглощения растворителя (табл. 3.7). Можно предположить, что на данном этапе происходит адсорбция растворителя. Изменение дальнейшего хода кинетической кривой для тирозина обусловлено, вероятно, внедрением молекул воды в структурные пустоты с образованием связи с фенольной группировкой аминокислоты.
Для а-аланина отмечен линейный характер кинетической кривой и увеличение длительности процесса поглощения растворителя. Одинаковая скорость взаимодействия молекул воды с а-аланином на протяжении всего процесса поглощения растворителя подтверждает возможность образования цепочек из молекул воды, которые располагаются в структурных пустотах аминокислоты. Вид кинетической кривой поглощения воды указывает на сложный характер взаимодействия в системе вода-аминокислота. Данный вид кривой был доказан при помощи критерия знаков [98]. Полученные экспериментальные результаты свидетельствуют, что скорость поглощения молекул воды гистидином на конечном этапе в 2,1 раза превышает скорость процесса на начальной стадии. Такое изменение скорости процесса подтверждает вывод о том, что на начальном этапе происходит внедрение молекул растворителя в структуру аминокислоты, где они испытывают влияние ее функциональных групп. Плато на кинетической кривой можно связать с формированием ассоциатов из молекул воды, группирующихся таким образом, чтобы условия для образования водородных связей были наиболее благоприятны. Дальнейшее возрастание скорости процесса соответствует отмеченному ранее механизму поглощения растворителя, участвующего в образовании цепочек из молекул воды, распределяющихся в структурных пустотах гистидина и испытывающих влияние активных групп структурных пустотах гистидина и испытывающих влияние активных групп аминокислоты. Полученные данные указывают на то, что внедрение молекул воды в структуру аминокислоты носит кооперативный характер [1,19,109]. Из всего сказанного можно сделать вывод, что механизм взаимодействия молекул воды с аминокислотами для всех исследуемых цвиттерлитов различен, что проявляется как в виде кинетических кривых, так и в скорости процесса. Установлено, что увеличение гидрофильности аминокислоты приводит к уменьшению скорости процесса поглощения воды. Известно [46], что в кристаллической решетке молекулярное окружение в целом можно считать изоэлектронным.
В водном растворе природа и направленность специфических межмолекулярных связей в большей степени зависит от пространственного расположения активных групп в структурной матрице растворителя. Рассматривая взаимодействие аминокислот с водой, необходимо учитывать, что многофункциональные молекулы биосоединений могут вовлекать молекулы растворителя в свою гидратную оболочку не только путем образования водородных связей с цвиттерионной группировкой. Нужно также иметь в виду возможность участия молекул водного окружения в гидрофобной гидратации неполярных областей растворенных молекул [ 18,46]. Из всего многообразия термодинамических свойств в химии растворов биологически активных веществ наиболее часто изучаются термохимические свойства (энтальпия растворения, разбавления) и объемные характеристики (плотность, кажущие и парциальные молярные объемы, сжимаемость) [ПО, 111]. Экспериментальные термодинамические характеристики растворов аминокислот могут служить основой для анализа и выявления специфических и неспецифических взаимодействий биомолекул с растворителем. Термохимические измерения теплот растворения аминокислот в воде позволяют получить сведения о термодинамических свойствах растворов аминокислот и влиянии гидрофильной и гидрофобной составляющих гидратации на изменение структуры растворителя. Представляет интерес получение термохимических характеристик растворения ароматических и гетероциклических аминокислот и установление их зависимости от концентрации. Следует отметить, что сведения, относящиеся только к взаимодействиям растворенного вещества с растворителем, могут быть получены только из термодинамических функций растворов, экстраполированных к нулевой концентрации [111]. Методом калориметрии измерены тепловые эффекты растворения а-аланина, фенилаланина, тирозина и гистидина в воде. При описании полученных калориметрических данных придерживались системы обозначений номенклатуры и единиц, рекомендуемых ИЮПАК [112, 113]. Для выявления характера влияния бокового радикала на термохимические характеристики в качестве сравнения выбран сс-аланин.
Метод калориметрии и особенности постановки эксперимента при работе с аминокислотами рассматриваются в гл. 2. Концентрации растворяемых фенилаланина, ос-аланина и гистидина варьировались в пределах от 0,5-10" моль/кг до 10,9-10" моль/кг. В виду малой растворимости тирозина экспериментально измерены молярные энтальпии растворения лишь в области концентраций 0,5-10 -2,6-10" моль/кг (табл.2.1). Получение термокинетических характеристик растворения триптофана было затруднено в связи с плохой смачиваемостью и малой растворимостью аминокислоты. Согласно полученным данным, растворение аминокислот в выбранном диапазоне концентраций протекает с поглощением тепла. Образование водных растворов биомолекул в изученной области концентраций обусловлено переходом их из твердой фазы в раствор в результате гидратации. Таким образом, термодинамический параметр растворения будет определяться параметрами гидратации (дегидратации) и разрушением кристаллической решетки аминокислоты. Полученные результаты указывают на то, что энергетические затраты на разрушение кристаллической структуры аминокислоты и структуры воды под влиянием цвиттерлита не компенсируются энергетическими эффектами экзотермических процессов гидратации. Процесс растворения в этой области концентраций, по-видимому, контролируется энтропийным фактором, обусловленным структурными перестройками компонентов раствора. На рис.4.1 - 4.4 приведены термокинетические кривые растворения
Термохимические и объемные свойства разбавленных растворов аминокислот
Для изучения растворов важна интегральная молярная энтальпия растворения, соответствующая изменению энтальпии при образовании бесконечно разбавленного раствора. До настоящего времени для исследуемых аминокислот не определен интервал концентраций, который можно считать соответствующим предельному разбавлению. Этот интервал зависит от природы растворяемого вещества [119]. Установлено [45,120], что для глицерина или мочевины бесконечному разбавлению соответствует уже концентрация, равная 0,01 моль/кг. Следует отметить, что в большинстве экспериментальных калориметрических исследованиях биологически активных веществ [45,72,79] охвачен большой интервал концентраций, но лишь для отдельных биомолекул получено достаточное количество экспериментальных точек, позволяющих полно проанализировать зависимость изменения энтальпии от концентрации и определить величину энтальпии при бесконечном разведении. Полученные изотермы растворения для исследуемых аминокислот позволили установить, что в концентрационном интервале 0,5-10"3 -1,5-10"3 моль/кг не обнаружено зависимости энтальпии растворения от концентрации. Постоянство значений AsoivHn;2 растворения для всех рассматриваемых аминокислот в области этих концентраций позволило полученное значение отнести к условию предельного разбавления. Величину энтальпии растворения аминокислот, соответствующую условию предельного разбавления, рассчитывали как среднее из пяти результатов измерений. Полученные значения находятся в пределах ошибки измерения энтальпии растворения методом калориметрии (глава 2). Для подтверждения полученных данных применяли также метод экстраполяции, предложенный авторами [111,119]. Значения интегральных энтальпий растворения аминокислот при бесконечном разбавлении (Asoiv Н00), определенные двумя методами, согласуются с данными для отдельных аминокислот, приведенными в работах [79], которые получены как методом калориметрии, так и рассчитаны на основе применения теории масштабной частицы (ТМЧ).
Численные значения этих величин представлены в таблице 4.1 Влияние ароматического кольца проявляется в возрастании значения предельной энтальпии разбавления для Phe в 2 раза по сравнению с а-А1а. При переходе от а-аланина к гистидину влияние имидазольного кольца отражается в росте величины Asoiv Н00 в 7 раз. Наличие ОН -группы в структуре тирозина приводит к увеличению Д уН00 примерно на 5 кДж/моль по сравнению с фенилаланином. Параметры растворения аминокислоты в воде определяются параметрами гидратации и кристаллической решетки биомолекулы. Значения энтальпии гидратации в разбавленных растворах можно рассчитать, используя уравнение [74]: где AgoivH" - энтальпия растворения аминокислот при бесконечном разведении, Asub]H - энтальпия сублимации, A tf0- энтальпия гидратации. Значения энтальпии сублимации, необходимые для расчета энтальпии гидратации, получены с применением полуэмпирического метода энтальпий образования индивидуальных молекул аминокислот, а также с использованием метода групповых вкладов и приведены в работах [74,79]. На рис.4.18 представлена зависимость энтальпии гидратации от размера полости для сфероцилиндрической модели молекул растворяемых аминокислот. Энергия гидратации учитывает энергетические и структурные изменения, происходящие в растворе при растворении аминокислоты. Эта величина определяется суммой вкладов от образования полости в растворителе и взаимодействия аминокислоты с молекулами воды. Из рисунка 4.18 видно, что увеличение размера полости, образуемой ароматическими и гетероциклическими аминокислотами в воде, приводит к уменьшению отрицательного вклада в энтальпию гидратации (или энтальпийного вклада взаимодействия растворитель - растворенное вещество). В работе [79] приведены значения объема полости, рассчитанные на основе применимости теории масштабной частицы. Сопоставление рассчитанных значений предельных энтальпий гидратации позволяет исследуемые аминокислоты расположить в ряд: AhydrH(Trp) AhydrH Tyr) AhydrHa (Phe) AhydrH His). Полученные результаты свидетельствуют, что увеличение размера полости, образуемой аминокислотой в воде, приводит к уменьшению значения энтальпии гидратации, то есть наблюдается снижение энтальпийного вклада во взаимодействие растворенное вещество- растворитель. Аналогичные зависимости термодинамических функций от размера полости получены для алифатических аминокислот на основе расчета для сфероцилиндрической модели масштабной частицы [79]. Важнейшей частью исследований жидких растворов является всестороннее изучение процессов гидратации и структуры водных растворов аминокислот.
Для получения этих характеристик для водных растворов биологически активных веществ, применяются различные методы, в том числе метод денситометрии [110,121,122]. Объемные термодинамические свойства жидкостей наиболее непосредственно связаны с упаковкой молекул и изменениями этой упаковки при изменении параметров состояния. Поскольку любые изменения структуры растворителя должны давать вклад в парциальные мольные свойства растворенного вещества в разбавленном растворе, то изучение объемных характеристик разбавленных водных растворов аминокислот является одним из способов исследования их строения. Известно [19,71], что молекула, помещенная в растворитель, дает, по крайней мере, три вклада в объем систем, а именно: за счет собственного объема, за счет влияния растворенной молекулы на упаковку молекул растворителя в возмущенной сфере и кинетический вклад, присутствующий и в случае «точечной» частицы. В этом разделе рассматриваются результаты, полученные денситометрическими измерениями, необходимые для анализа структурных изменений растворов под влиянием аминокислот. Были получены значения плотности растворов в интервале концентраций 0,025-10"3 - 1,1-10"3 моль/дм3. Методика измерения плотности описана в главе 2.
