Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор 8
1.1. Структурные свойства воды и ее роль в биохимических процессах 8
1.2. Гидратация молекул и ионов. Гидрофильная и гидрофобная гидратация 10
1.3. Особенности гидратации глицина и его структурных фрагментов 14
1.3.1. Ион метиламмония и его депротонированная форма – метиламин 14
1.3.2. Ацетат-ион и его протонированная форма – уксусная кислота 17
1.3.3. Глицин 19
1.4. Особенности гидратации пара-аминобензойной кислоты и ее структурных фрагментов 22
1.4.1. Анилин и бензойная кислота 23
1.4.2. Пара-аминобензойная кислота 24
Глава 2. RISM-теория интегральных уравнений для описания молекулярных жидкостей 26
2.1. Общие положения метода интегральных уравнений 26
2.2. 1D-RISM и 3D-RISM интегральные уравнения Орнштейна-Цернике 29
2.3. Методы численного решения 1D-RISM и 3D-RISM интегральных уравнений Орнштейна-Цернике 37
2.4. Используемые модели и параметры потенциалов межчастичных взаимодействий. Детали расчетов 41
2.5. Оценка корректности расчетов 46
Глава 3. Цвиттер-ион глицина в воде и водных растворах NaCl и KCl: особенности гидратной структуры и ион-молекулярное комплексообразование 51
3.1. Структурные особенности гидратации метиламина и иона метиламмония в воде 51
3.2. Структурные особенности гидратации уксусной кислоты и ацетат-иона в воде 58
3.3. Структурные особенности гидратации цвиттер-иона глицина в воде 66
3.4. Структурные особенности гидратации цвиттер-иона глицина в водных растворах NaCl и KCl 73
3.5. Ион-молекулярное комплексообразование цвиттер-иона глицина с неорганическими ионами в водных растворах NaCl и KCl 80
Глава 4. Парааминобензойная кислота и ее анион в воде и водных растворах NaCl и KCl: особенности гидратной структуры и ион-молекулярное комплексообразование 86
4.1. Структурные особенности гидратации анилина и бензойной кислоты в воде 86
4.2. Структурные особенности гидратации пара-аминобензойной кислоты и аниона пара-аминобензойной кислоты в воде 95
4.3. Структурные особенности гидратации аниона пара-аминобензойной кислоты в водных растворах NaCl и KCl 105
4.4. Ион-молекулярное комплексообразование аниона пара-аминобензойной кислоты с неорганическими катионами в водных растворах NaCl и KCl 111
Основные результаты и выводы 114
Список литературы
- Ион метиламмония и его депротонированная форма – метиламин
- Анилин и бензойная кислота
- Используемые модели и параметры потенциалов межчастичных взаимодействий. Детали расчетов
- Структурные особенности гидратации цвиттер-иона глицина в водных растворах NaCl и KCl
Введение к работе
Актуальность работы. Биомолекулы, как правило, находятся в сложно организованной водно-солевой среде, которая во многом регулирует проявление их физико-химических свойств и участвует в большинстве химических и биологических процессов, протекающих в живых организмах. Для понимания механизмов функционирования биомолекул необходимо знание особенностей их гидратации и их взаимодействий с биологически важными неорганическими ионами, входящими в состав среды. С практической точки зрения результаты подобных исследований нужны для модернизации существующих и развития новых био- и нанотехнологий, востребованных в медицине, фармакологии, косметологии, пищевой и др. отраслях промышленности.
Однако из-за размера и сложности биомолекул, взаимовлияния их компонентов друг на друга, исследования и интерпретация получаемых данных затруднены необходимостью разделения различных эффектов, определяющихся множеством взаимодействий. В этом случае прибегают к изучению более простых по составу и меньших по размеру модельных систем, в частности, аминокислот, которые рассматриваются как соединения, моделирующие отдельные структурные компоненты белковой поверхности. Тем не менее, даже для таких систем имеющиеся в литературе данные экспериментальных методов и методов компьютерного моделирования (молекулярной динамики, Монте-Карло) ограничены системами аминокислота-вода и зачастую противоречивы, а для систем аминокислота-водно-солевой раствор - единичны или вообще отсутствуют. Отметим также, что исследования методами компьютерного моделирования имеют ряд трудностей, связанных с большой размерностью систем и наличием дальнодействующих ион-ионных корреляций в растворе. Одним из альтернативных подходов, активно используемых в последние десятилетия для описания различных свойств жидкофазных систем, является метод интегральных уравнений (ИУ) статистической теории жидкостей в атом-атомном (RISM-) приближении. Применительно к аминокислотам, к настоящему времени этим методом получены, в основном, термодинамические характеристики гидратации, данные по структурным параметрам водных и водно-солевых растворов аминокислот отсутствуют. Вышеизложенное определяет актуальность настоящего исследования.
Цель работы заключалась в установлении методом ИУ в ID- и 3D-RISM приближениях структурных особенностей гидратации глицина и парааминобензойной кислоты в воде и водных растворах NaCl и КС1, а также особенностей ион-молекулярного комплексообразования данных биомолекул с неорганическими ионами.
В водной среде глицин присутствует в цвиттер-ионной форме (Gly-ZW), а парааминобензойная кислота (ПАБК) преимущественно в анионной форме (ПАБК ) с небольшой долей молекулярной формы. Gly-ZW и ПАБК содержат функциональные группы (карбоксильную, амино-, фенильную), наиболее часто встречающиеся в составе биомолекул, что обусловило их выбор в качестве объектов исследования. Имеющиеся данные по структурным параметрам гидратации для Gly-ZW единичны и противоречивы, а для ПАБК - отсутствуют.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: Разработка программы, реализующей модифицированную схему расчета в рамках модели 1D-RISM структурных и термодинамических характеристик сольватации
многоатомных молекул с произвольной геометрией в произвольном многокомпонентном растворителе.
Разработка программ для расчета полного гидратного числа несферической молекулы и структурных параметров 7г-координации растворителя (числа 7г-координированных молекул и числа Н-связей 7г-типа) вокруг ароматических молекул в рамках 3D-RISM подхода.
Получение методом ИУ в ID- и 3D-RISM приближениях структурных (функции распределения, межатомные расстояния, гидратные числа) и термодинамических (свободные энергии гидратации, константы ионизации) характеристик гидратации
метиламина и его протонированной формы - иона метиламмония как модели положительно заряженной группы Gly-ZW, а также уксусной кислоты и ее депротонированой формы - ацетат-иона как модели отрицательно заряженной группы Gly-ZW. Исследование влияния реакции протонирования на гидратную структуру иона метиламмония и реакции депротонирования на гидратную структуру ацетат-иона; анилина и бензойной кислоты как моделей функциональных групп (фенильной, амино- и карбоксильной групп) ПАБК. Исследование возможности ^-координации ароматического кольца анилина и бензойной кислоты;. Gly-ZW, ПАБК и ПАБК в воде. Сравнение полученных результатов с имеющимися литературными данными.
Исследование влияния добавок соли на структурные параметры гидратации Gly-ZW и
ПАБК в водных растворах NaCl (0.5-5 М) и КС1 (0.5-3 М).
Исследование особенностей ион-молекулярного комплексообразования Gly-ZW и
ПАБК с неорганическими ионами (Na+, К+, СГ) в водных растворах NaCl (0.5-5 М) и КС1
(0.5-3 М) на основе потенциалов средней силы, рассчитанных в 3D-RISM приближении.
Анализ влияния концентрации соли (NaCl/KCl) и природы ионов на стабильность
формируемых ион-молекулярных комплексов.
Достоверность и надежность получаемых методом RISM результатов оценивалась на системах структурный фрагмент Gly (метиламин, ион метиламмония, уксусная кислота, ацетат-ион) - вода, структурный фрагмент ПАБК (анилин, бензойная кислота) -вода, которые рассматривались как тестовые, поскольку для них имеются литературные данные по параметрам их гидратации.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с научными направлениями Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института химии растворов им. Г.А. Крестова Российский академии наук по темам «Молекулярные и ион-молекулярные жидкофазные системы в широком диапазоне параметров состояния, включая сверхкритические. Структура, динамика и сольватапионные эффекты» (2009-2011 гг., № госрегистрации 01200950825) и «Развитие подходов и методов физической химии в исследовании многокомпонентных супрамолекулярных, молекулярных и ион-молекулярных систем как перспективных материалов» (2012-2013 гг., № госрегистрации 01201260481). Работа была поддержана грантом РФФИ № 12-03-97508-р_центр_а и программой Евросоюза FP7-PEOPLE-2009-IRSES «Мария Кюри» (грант № 247500 «BioSol»).
Научная новизна. Предложены новые расчетные схемы в рамках метода ИУ в 3D-RISM приближении для определения 1) полного гидратного числа молекулы сложной несимметричной формы, 2) структурных параметров 7г-координапии растворителя (числа 7г-координированных молекул и числа Н-связей 7г-типа) вокруг ароматических молекул. Впервые методом ИУ в ID- и 3D-RISM приближениях получены структурные параметры
гидратации Gly-ZW, ПАБК и ПАБК , а также их структурных фрагментов (метиламина, иона метиламмония, уксусной кислоты, ацетат-иона, анилина и бензойной кислоты) в воде, на основе которых определены структурные особенности гидратации исследованных молекул и ионов. Впервые изучено влияние добавок соли (NaCl, КС1) на гидратную структуру Gly-ZW и ПАБК . Выявлено влияние природы иона и содержания соли
(NaCl/KCl) в системе на стабильность комплексов (-COO~:Na+/K+)aq, (-NH3+:Cr)aq; формируемых Gly-ZW и ПАБК в водных растворах NaCl и КС1. Впервые установлены структурные механизмы ион-молекулярного комплексообразования в данных системах. Обнаружена зависимость механизмов образования комплексов в системах Gly-ZW-раствор NaCl/KCl от концентрации соли в растворе. Определена причина изменения механизмов образования комплексов с Gly-ZW при концентрировании водно-солевых растворов.
Теоретическая и практическая значимость. Результаты работы вносят вклад в развитие общей теории растворов и расширяют представления о роли среды и гидратации в протекании биохимических процессов. Разработаны новые вычислительные алгоритмы для определения ряда структурных параметров гидратации молекул сложной, несимметричной формы. Полученные для изученных аминокислот данные могут быть использованы при интерпретации и прогнозировании структурных и термодинамических свойств более сложных биологических систем. Рассчитанные структурные параметры гидратации и установленные механизмы ион-молекулярного комплексообразования необходимы для понимания молекулярных механизмов функционирования биомолекул (напр., механизма действия глицина как протектора структурных модификаций во внутриклеточном хроматине, вызванных изменениями концентраций ионов в клетке), а также различных процессов в живых организмах (таких, как транспорт через биологические мембраны, проводимость нервных импульсов, активность ферментов и др.). Полученные данные могут использоваться как справочный материал при разработке новых и модернизации существующих био- и нанотехнологий (напр., при конструировании ферментов с заданными свойствами, при создании новых лекарственных препаратов, при развитии технологии производства пищевых добавок и др.).
Личный вклад автора состоит в разработке компьютерных программ, выполнении расчетов, обработке и интерпретации полученных результатов, анализе литературы, формулировке выводов. Обсуждение результатов и написание научных публикаций по теме работы проведено автором при участии научного руководителя.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены и обсуждены на V и VI региональных конференциях молодых ученых «Теоретическая и экспериментальная химия жидкофазных систем» (Крестовские чтения, Иваново, 2010, 2011); на международных семинарах «Solvation of bioactive compounds: bridging theory, computation and experiment» (Leipzig, Germany, 2010), «Solvation in Complex Liquids: Bridging Length Scales by Theory and Experiment» (Leipzig, Germany, 2010), XI международной конференции «Проблемы сольватации и комплексообразования в растворах» (Иваново, 2011); международных конференциях EMLG/JMLG "New outlook on molecular liquids, from short scale to long scale dynamics" (Warsaw, Poland, 2011), "Molecular Association in Fluid Phases and at Fluid Interfaces" (Eger, Hungary, 2012); XVI симпозиуме по межмолекулярному взаимодействию и конформациям молекул (Иваново, 2012); VII международной научной конференции «Кинетика и механизм кристаллизации. Кристаллизация и материалы нового поколения» (Иваново, 2012).
Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 7 статьях в рецензируемых научных журналах, включенных в перечень рекомендованных для опубликования основных научных результатов диссертации на соискание ученой степени кандидата наук, и в тезисах 12 докладов на конференциях различного уровня.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, литературного обзора, 4 глав, основных результатов и выводов, списка цитируемой литературы из 304 наименований и 2 приложений. Работа изложена на 155 страницах и содержит 18 таблиц и 64 рисунка, а также 18 страниц приложений.
Ион метиламмония и его депротонированная форма – метиламин
Вода напрямую или косвенно участвует во всех нековалентных взаимодействиях, стабилизирующих структуру биомолекул. Однако для функционирования биомолекул, в частности, белков, в первую очередь необходима гидратная вода, образующая прилежащие к биомолекуле слои. Взаимодействие воды со многими клеточными компонентами (нуклеиновые кислоты, белки, сахара и др.) настолько сильно, что, с одной стороны, свойства этих веществ значительно изменяются (и только в этом случае они оказываются активными), а с другой – на поверхности биомолекул образуется слой видоизмененной, так называемой связанной воды, играющей ключевую роль во многих биологических процессах [42]. Кроме того, на сегодняшний день установлено, что гидратация в значительной степени определяет многие свойства биомолекул – структуру, стабильность, динамику, реакцию на воздействие внешних полей и т.д. [43].
Согласно Г.А. Крестову [23, 44]: «Под сольватацией (гидратацией, если в качестве растворителя выступает вода) следует понимать всю сумму энергетических и структурных изменений, происходящих в системе в процессе перехода газообразных ионов (других атомно-молекулярных частиц) в жидкую фазу растворителя с образованием однородного раствора, имеющего определенный химический состав и структуру. Из процесса сольватации следует исключить те изменения, которые сопровождаются разрывом химических связей в растворяемых частицах и молекулах растворителя, а также изменения, связанные с образованием ассоциатов и агрегатов».
Согласно [45], если при растворении веществ в воде частицы данного вещества наиболее интенсивно взаимодействуют с молекулами воды, то такие вещества называются гидрофильными, если же частицы слабо взаимодействуют с водой, то вещества носят названия гидрофобных. Под интенсивным взаимодействием с молекулами воды понимается [45] образование водородных и донорно-акцепторных связей между гидрофильными частицами и молекулами воды. В свою очередь, взаимодействие между гидрофобными частицами и молекулами воды описывается силами Ван-дер-Ваальса [45].
Согласно определению ИЮПАК [46], гидрофобность - это ассоциация неполярных групп или молекул в водной среде, вызванная стремлением воды вытолкнуть неполярные молекулы («Hydrophobicity is the association of non-polar groups or molecules in an aqueous environment which arises from the tendency of water to exclude non-polar molecules»). Как видно из определения, для гидрофобных частиц характерна ассоциация в водной среде, причиной чего является гидрофобное взаимодействие. По определению ИЮПАК [46] гидрофобным взаимодействием называется склонность углеводородов (или липофильных углеводородо-подобных групп в молекулах растворенного вещества) образовывать межмолекулярные агрегаты (комплексы) в водной среде и/или соответствующие внутримолекулярные взаимодействия («The tendency of hydrocarbons (or of lipofilic hydrocarbon-like groups in solutes) to form intermolecular aggregates in an aqueous medium, and analogous intramolecular interactions»).
В воде поведение гидрофобных молекул может значительно меняться. В свою очередь, при растворении гидрофобные частицы также изменяют структурные, динамические и энергетические характеристики растворителя. Совокупность процессов изменения характеристик растворителя, обусловленных растворением в воде неполярных молекул, в литературе обозначают термином «гидрофобная гидратация» (см., напр., обзор литературы в [47]). Среди характеристик гидрофобной гидратации следует выделить в первую очередь термодинамические, так как они легко определяемы экспериментально. Согласно [48], основными термодинамическими характеристиками гидрофобной гидратации являются:
Большая положительная свободная энергия сольватации, соответствующая растворению гидрофобных молекул.
При комнатной температуре энтропийный вклад в свободную энергию сольватации значительно превосходит энтальпийный. При высоких температурах (110-200 С) решающим вкладом в свободную энергию гидратации является энтальпийный вклад.
При растворении гидрофобных молекул теплоемкость раствора значительно возрастает по сравнению с чистой водой. (ДСр » 0)
Для объяснения особенностей гидрофобной гидратации был предложен ряд теорий. Одной из первых и долгое время наиболее распространенной являлась теория формирования некоторой упорядоченной структуры из молекул воды вокруг неполярных частиц, предложенная Фрэнком и Эвансом. В оригинальной работе [49] данная структура была названа «айсбергом», впоследствии стали говорить об образовании клатрата [50] или кластера [51]. Уменьшение энтропии при гидрофобной гидратации при комнатной температуре в данной теории объясняется усилением структурирования воды вокруг неполярных групп. Увеличение теплоемкости вызвано дополнительными затратами энергии, направленными на разрушение данной структуры. Данные ЯМР и ИК-спектроскопии [52] показывают усиление водородного связывания между молекулами воды вокруг неполярных групп, что подтверждает теорию Фрэнка и Эванса [49]. Подобное усиление может быть интерпретировано [30] как уменьшение координационного числа молекул воды, находящихся вблизи неполярных групп. Данную теорию подтверждают исследования [53, 54], проведенные методом МК, в которых вокруг неполярных групп были обнаружено водородное связывание молекул воды, характерное для льдоподобной структуры. Как показывают исследования методом ЯМР [55], молекулы воды вблизи гидрофобных групп движутся медленнее. Данное уменьшение мобильности также может быть рассмотрено как результат уменьшения координационного числа молекул воды, находящихся вблизи неполярных групп [56, 57]. Однако к настоящему моменту накоплено достаточное количество экспериментальных и расчетных данных, в том числе, данных методов EXAFS-спектроскопии, дифракции нейтронов, ЯМР, МД- и МК-моделирования [58-66], ставящих под сомнение теорию Фрэнка и Эванса. Как результат, были предложены иные теории для описания гидрофобной гидратации. В частности, одной из таких теорий является теория Мюллера [67, 68], в которой гидрофобная гидратация рассматривается как процесс достижения равновесия между двумя процессами – образования и разрушения водородных связей между молекулами воды вокруг гидрофобной частицы. Похориллом и Праттом была предложена информационная теория [69], согласно которой вода, благодаря лабильности сетки водородных связей, как бы «обтекает» неполярные молекулы. Впоследствии Чандлером было показано [64], что подобный механизм справедлив лишь для гидрофобных частиц небольшого размера, наличие частиц больших размеров будет приводить к разрыву водородных связей между молекулами воды, находящимися вблизи гидрофобной частицы. Отметим, что по результатам компьютерного моделирования [70] гидрофобные частицы наиболее сильно влияют на ориентационные степени свободы близлежащих молекул воды, поэтому влияние гидрофобной частицы на окружающую воду не отражается на виде функций радиального распределения.
Анилин и бензойная кислота
Карбоксильные группы –СООН присутствуют во многих биологических молекулах – в аминокислотах, жирных кислотах, липидных бислоях. Они являются важными нуклеофильными реагентами и играют значимую роль в механизмах ферментативных реакций [107-110]. При pH 7, карбоксильные группы, как правило, находятся в депротонированном состоянии –COO– [111]. Однако в некоторых случаях, например, в сильно кислом желудочном соке они могут также существовать в протонированном состоянии. Исследования методами колебательной спектроскопии показали, что в воде обе эти формы взаимодействуют с ней различным образом [111-113].
К числу соединений, содержащих –СООН или –СОО– группу, относятся уксусная кислота CH3COOH и ее депротонированная форма – ацетат-ион CH3COO–. Последний может рассматриваться как модель отрицательно заряженной группы, входящей в ионную биомолекулу, например, в глицин. Наличие в молекуле CH3COOH и в анионе CH3COO– гидрофобной (–CH3) и гидрофильной (–COOH или –COO–) групп (рис. 1.4) обусловливает проявление двух типов гидратации - гидрофобной и гидрофильной, кооперативное действие которых определяет полное взаимодействие молекулы или иона с водой. Подобные кооперативные эффекты характерны для многих важных компонентов биомолекул. Вместе с тем, имеющиеся в литературе сведения об особенностях гидратации рассматриваемых соединений весьма противоречивы, в частности, это относится к структурным параметрам гидратации.
Так, результаты методов компьютерного моделирования (см. [114, 115] и ссылки там) показывают высокую структурированность воды вокруг группы -СОСГ со средним числом молекул Н20, связанных с кислородом карбоксилат-иона, от 3.3 до 3.6. По данным дифракционных методов и колебательной спектроскопии [116, 117] число молекул воды, формирующих водородные связи с -СОСГ-группой, уменьшается от -4.5 в разбавленном растворе до -1.5 в концентрированном растворе. Эти значения близки к значениям, рассчитанным с помощью ab initio МД-моделирования [118], но меньше, чем гидратные числа карбоксилата-иона 5-6.5, определенные методом ЯМР [119]. Последние согласуются с данными других МД-моделирований, в соответствии с которыми количество молекул воды в ближнем окружении ацетат-иона составляет от 6 [96] до 6.6 [95, 120]. В то же время, очень низкое гидратное число ацетат-иона (п 1) было получено методами ИК-спектроскопии [111] и кондуктометрии [121].
Данные о структурных параметрах гидратации уксусной кислоты немногочисленны. Например, в работе [122] на основе анализа данных Раман-спектроскопии рассматривается образование вокруг молекулы уксусной кислоты сферы из 20 молекул воды. Причем моделирование уксусной кислоты в воде методом Монте-Карло с использованием квантово-механических и молекулярно-механических (QM/MM) подходов [123] показало Н-связывание молекул воды как с карбонильной С=О группой (число связей п 2), так и с гидроксильной ОН группой (число связей п 1) кислоты. Однако согласно результатам масс-спектрометрического анализа [124], Н-связывание молекул воды предполагается только с гидроксильной ОН-группой.
Имеющиеся в литературе термодинамические параметры гидратации ацетат-иона также различаются. Например, экспериментальное значение свободной энергии гидратации ацетат-иона по данным [82] составляет -82.2 ккал/моль, по данным [125] - -82 ккал/моль, по данным [103] - -77 ккал/моль. Наблюдаемые различия связаны с погрешностью метода определения, дающего ошибку порядка 5 ккал/моль [120, 125]. По результатам расчетов методом Монте-Карло величина свободной энергии гидратации ацетат-иона составляет -87 ккал/моль [120], по данным [95] - -63±24 ккал/моль. Экспериментальное значение энтальпии гидратации ацетат-иона составляет -93 ккал/моль [126], полученное методом Монте-Карло 87 ккал/моль [120], методом молекулярной динамики - -80±24 ккал/моль [95]. Для уксусной кислоты в литературе имеется только одно экспериментальное значение свободной энергии гидратации, равное -6.7 ккал/моль [72].
Глицин (Gly) является простейшей аминокислотой с наименьшим углеводородным аминокислотным радикалом, в силу чего часто рассматривается как модельное биохимическое соединение. В водной среде при нейтральном рН, равном 7, молекулы глицина находятся в цвиттерионной форме (ZW) [79-81] и состоят из двух гидрофильных -NH3+, -COO и одной гидрофобной –CH2 групп (рис. 1.5).
Известно, что глицин входит в состав многих белков и биологически активных соединений (см., напр., [76]). Из него в живых клетках синтезируются порфирины и пуриновые основания. Gly также является жизненно важным нейромедиатором центральной нервной системы [83]. Знание особенностей его поведения в воде и водном растворе необходимо для понимания механизма его взаимодействий с нервными рецепторами. Эта аминокислота выполняет и другие жизненно важные функции. Например, глицин в цвиттерионной форме предотвращает структурные модификации во внутриклеточном хроматине, вызванные изменениями концентрации органических ионов в клетке. Однако механизм этого процесса не выяснен окончательно. Так, в ряде работ утверждается, что подобная защита хроматина осуществляется за счет изменения глицином диэлектрической константы раствора [127-129]. В то же время авторами [130, 131] в качестве возможного механизма защиты хроматина рассматривается изменение в присутствии глицина структуры воды, окружающей ДНК.
Глицин отличается от других аминокислот отсутствием R-группы, поэтому его остатки могут располагаться как в гидрофобном окружении, так и на поверхности белка. Причем наличие этого аминокислотного остатка делает полипептидную цепь более гибкой. Многие реакционно-способные группы часто окружены остатками глицина, что облегчает доступ субстрата к функциональным группам фермента [132]. Отметим также, что рассматриваемая аминокислота выступает в роли связующего звена в полипептидной цепи, обеспечивая минимальные стерические препятствия при вращении и размещении соседних групп [133].
Как самый устойчивый таутомер в воде, обладающий большим локальным зарядом и большим дипольным моментом, цвиттер-ион глицина имеет сильные взаимодействия с водой. Поэтому стабильность цвиттер-иона определяется, прежде всего, взаимодействиями растворенное вещество-растворитель. Вместе с тем, особенности этих взаимодействий и эффекты, которые эти взаимодействия вызывают, не выяснены окончательно до сих пор.
Как показывают нейтронодифракционные исследования, число молекул воды вокруг молекул, содержащих группу –COO–, составляет 4-4.5 [134], вокруг группы – NH3+ – 3, с расстоянием N-OW, равным 0.285±0.005 нм [116], а вокруг группы –CH2 – 2 [134]. В то же самое время из анализа ИК-спектров [111] следует, что полное гидратное число Gly-ZW составляет только 2±1, причем это количество молекул воды приходится только на –COO– группу. Определенное по данным метода диэлектрической спектроскопии эффективное гидратное число глицина в воде составляет 4.2 [135]. Однако необходимо заметить, что эффективное гидратное число не является координационным числом, определяемым на основе функций радиального распределения, т.е. дифракционными методами или методами компьютерного моделирования, а представляет собой только количество «вымороженных» (невращательно связанных) молекул растворителя [136, 137]. По данным метода адиабатической сжимаемости гидратное число глицина составляет 13 [138]. С другой стороны, гидратное число, рассчитанное из данных, полученных денсиметрическим и акустическим методами, равно 4 [139].
Еще больший разброс в гидратных числах и межчастичных расстояниях показывают результаты методов компьютерного моделирования. Так, разброс в гидратном числе, рассчитанном разными авторами, составляет от 8 до 14.4 [140-142]. Причем по некоторым данным (см., напр., [141, 143]) не все молекулы воды вокруг гидрофильных групп являются водородно-связанными. Такое расхождение в результатах может быть связано с различием в размерах моделируемых систем, во времени моделирования, с использованием авторами разных потенциальных моделей раствора и др.
Имеющиеся в литературе работы по исследованию гидратации глицина в водно-электролитных растворах единичны. Так, по результатам ИК-спектроскопии [111] полное гидратное число глицина в 5.13 М растворе NaCl составляет 3, причем все 3 молекулы воды входят в ближнее окружение карбоксильной группы. В то же самое время по данным метода дифракции нейтронов [116, 144] в растворе NaOD в первой гидратной сфере глицина присутствуют 5 молекул воды, из которых 3 молекулы водородно-связаны с аминогруппой, 2 молекулы находятся в ближнем окружении метильной группы, а вблизи карбоксильной группы молекулы растворителя не обнаружены. Данные МД-моделирования [143] дают другую структурную картину гидратации глицина в водно-солевой среде: суммарное количество молекул воды в первой гидратной сфере этой аминокислоты составляет 8.75, из них 4.86 молекулы приходятся на карбоксильную группу, 2.66 – на аминогруппу и 1.23 – на метильную группу. Отметим, что в указанных работах практически не изучены особенности водородного связывания функциональных групп глицина с молекулами воды.
Отметим, что в литературе существуют также сведения о термодинамических параметрах гидратации глицина (см., например, [145-147]). В частности, методом калориметрии было получено значение энтальпии растворения глицина в воде, равное 14.17±0.05 кДж/моль [146].
Используемые модели и параметры потенциалов межчастичных взаимодействий. Детали расчетов
Таким образом, Н-связывание более предпочтительно с карбонильной группой, а общее число Н-связей, формируемых карбоксильной группой уксусной кислоты, составляет, в среднем, 2.5. К аналогичному выводу о предпочтительности образования Н-связей между молекулами воды и группой С=О пришли авторы [123] на основе результатов моделирования методом МК. Согласно [123], число Н-связей, формируемых карбонильной группой, составляет 1.5, а гидроксильной группой – 0.9–1. По данным ИК-спектроскопии [111], с карбонильной группой водородно-связаны 2 молекулы воды.
Как показывают результаты расчета величин nO1OW и nO2OW , в первой гидратной сфере группы –СООН вокруг атома O1 могут находиться 6 молекул воды, а вокруг атома O2 – 6.5 молекул воды (Табл. 3.2). Если исходить из пространственной конфигурации молекулы уксусной кислоты (Рис. 3.7а), то можно предположить, что молекулы растворителя могут быть частично обобществлены атомами кислорода. Подтверждением тому служит близость расстояний rO1OW и rO2OW и расстояний rO1HW и ориентированы к атомам кислорода группы –СОО– протонами, выступающими как доноры водородной связи. Аналогичный вывод был сделан по данным методов МК [96] и МД [95], в том числе, на основе анализа функций углового распределения молекул воды около группы –COO- ацетат-иона [96].
Согласно результатам расчетов величины nOHw (nO1Hw =nO2Hw), группа –COO– образует 6 водородных связей, по 3 на каждый атом кислорода группы (Табл. 3.2, nO1Hw, nO2Hw , О1 О2). Вместе с тем, интегрирование функции gO1,2OW (r) до положения первого минимума показывает, что в первой гидратной сфере вокруг каждого атома кислорода могут находиться 6 молекул воды (Табл. 3.2, nO1OW и nO2OW , О1О2). Однако, если следовать пространственной конфигурации ацетат-иона (Рис. 3.7б), то вероятно, что молекулы растворителя будут частично обобществлены. Подобная особенность гидратной сферы –СОО– ацетат-иона обсуждается в работе [95]. Таким образом, число молекул воды в первой гидратной оболочке группы –СОО– не будет являться суммой гидратных чисел nO1OW и nO2OW (О1 О2). Можно допустить, что все молекулы воды (или их большая часть) в первой гидратной сфере окажутся Н-связанными с атомами кислорода –СОО– группы. Данное предположение подтверждается как данными ЯМР-спектроскопии [119], согласно которым гидратное число группы –СОО– составляет 6.5-5.5 молекул воды, так и результатами моделирований [95, 96, 120], в которых среднее число молекул растворителя вокруг группы –COO– определено равным 6-7, по 3-3.4 молекулы воды на каждый атом кислорода. Отметим также, что поведение функции gC2OW (r) для растворов уксусной кислоты и ацетат-иона практически идентично (Рис. 3.14) за исключением смещения пиков и минимумов в сторону меньших r. В частности, первый пик сдвигается от 0.388 нм (раствор уксусной кислоты) до 0.363 нм (раствор ацетат-иона). Полученные расстояния согласуются с расстояниями rC2OW = 0.390 нм и rC2OW = 0.370 нм, определенными соответственно для водного раствора уксусной кислоты методом МК [123] и для водного раствора ацетат-иона методом МД [95].
Анализ и обобщение представленных выше структурных данных показывает, что депротонирование уксусной кислоты приводит к сокращению расстояний между атомами карбоксильной группы и окружающими ее молекулами воды (-COO– -W) , к увеличению расстояний между атомом углерода метильной группы и атомами кислорода молекул воды (C-CH -OW), а также к уменьшению расстояний между атомом углерода метильной группы и атомами водорода молекул воды (C-CH - HW) расстояний между атомами водорода метильной группы и окружающими их молекулами воды (H-CH3 -W). При этом среднее число молекул в первой гидратной сфере гидрофобной -CH3 группы меняется незначительно: от 8.9 в растворе уксусной кислоты до 10 в растворе ацетат-иона. В то же время, среднее число Н-связей, формируемых группой –COOН, составляет 2.5, а группой –COO– – 6. Таким образом, как результат депротонирования уксусной кислоты, наблюдается усиление водородного связывания молекул воды с –COO– группой ацетат-иона, что предполагает переориентацию молекул растворителя вокруг –COO– группы. 3.3. Структурные особенности гидратации цвиттер-иона глицина в воде.
Согласно результатам расчетов, в ближнем окружении –NH3+-группы находится 5 молекул воды (табл. 3.3, nN1OW ). Данное значение превышает значение гидратного числа, определенного в компьютерных моделированиях (табл. 3.3) и нейтронодифракционных исследованиях [116]. Это различие обусловлено тем, что мы исследуем бесконечно разбавленный водный раствор Gly–ZW, а не растворы конечных концентраций, как в вышеуказанных работах. Отметим, что увеличение концентрации растворенного вещества закономерно приведет к уменьшению гидратного числа, как это показано для системы Gly–ZW-вода в работе [295]: гидратное число группы –NH3+ уменьшается от 4.04 в растворе с мольным соотношением Gly-ZW-вода 1:250 до 2.82 в растворе с мольным соотношением Gly-ZW-вода 1:18. Функция gN1HW (r) определяет
водородное связывание атома азота с молекулами воды. Как видно из рис. 3.16, данная ПКФ имеет интенсивный пик на расстоянии 0.360 нм, но не имеет характерного для H-связи пика, обычно присутствующего на данной функции в области расстояний 0.17– 0.18 нм для нейтральных молекул, содержащих аминогруппу[85, 88]. Такая особенность ПКФ gN1HW (r) свидетельствует об отсутствии Н-связывания атома азота –NH3+-группы цвиттериона глицина с молекулами растворителя. Ранее аналогичное поведение ПКФ gN1HW (r) было получено методами компьютерного моделирования [87] и в расчетах методом RISM [291] для –NH3+-группы иона метиламмония в воде.
Как следует из рис. 3.17, высота пиков функции не превышает единицу, что указывает на низкую вероятность образования Н-связей между атомом водорода Н1 группы –NH3+ и молекулами воды. Данный вывод согласуется с результатами метода МК[106]. Полученные в результате расчетов функции gH2W (r) и gH3W (r) (здесь W – атомы O или H молекулы воды) совпадают, следовательно, атомы Н2 и Н3 можно рассматривать как эквивалентные (далее эти функции обозначаются как gHW (r) ).
Структурные особенности гидратации цвиттер-иона глицина в водных растворах NaCl и KCl
Обобщение представленных в данном разделе 1D- и 3D-RISM результатов позволяет описать гидратную структуру ПАБК и ее аниона следующим образом.
Первая гидратная сфера ПАБК и ПАБК– содержит 28.4 и 27.2 молекулы воды соответственно. Среднее число молекул воды в ближнем окружении аминогруппы составляет 6.6 для ПАБК и 7 для ПАБК–. В обоих случаях все атомы аминогруппы образуют Н-связи с молекулами воды. Полное количество Н-связей, образуемых аминогруппой, составляет 1.8 для ПАБК и 1.9 для ПАБК–. Таким образом, депротонирование не оказывает значительного влияния на гидратную структуру аминогруппы.
Первая гидратная сфера –СООН группы содержит 6.3 молекулы воды вблизи карбонильной группы и 6.1 молекулы воды вблизи гидроксильной группы. Эти результаты близки к результатам, полученным для –СОО– группы, согласно которым каждый из атомов кислорода –СОО– группы окружен 6 молекулами воды. Однако среднее количество Н-связей с молекулами воды, образуемых группой –СООН составляет 2.9, тогда как –СОО– группа образует 5.5 Н-связей. Таким образом, депротонирование значительно усиливает Н-связывание карбоксильной группы с молекулами воды. Этот процесс сопровождается значительной переориентацией молекул воды ближнего окружения карбоксильной группы.
Для обеих систем обнаружено предпочтительное упорядочение молекул воды над и под плоскостью ароматического кольца на расстоянии 0.3 нм от центра кольца. Количество таких -координированных молекул воды составляет 1.2, т.е. по 0.6 молекулы воды с каждой стороны фенильного кольца. Из них лишь 0.35 молекул образуют водородные связи с -областью ПАБК, и 0.54 молекул с образуют водородные связи с -областью ПАБК–. Таким образом, усиление Н-связывания между атомами водорода молекул воды и ароматическим кольцом является результатом депротонирования ПАБК. Тем не менее, только часть -координированных молекул воды образует -комплекс с ароматическим кольцом.
Как видно из рис. 4.15-4.18, увеличение концентрации соли (до 5 М NaCl и до 3 М KСl) не приводит к значительным изменениям поведения ПКФ gab(r) . С ростом содержания соли в системах наблюдаются лишь незначительное изменение высот основных пиков ПКФ (рис. 4.15-4.18) и в ряде случаев ( gNO (r ) , gH O (r) , gOO (r ) положений (табл. 4.3 и 4.4). Как результат, структурные параметры гидратации ПАБК– в водно-электролитных растворах меняются мало.
Гидратное число –NH2 группы nN1OW с ростом концентрации соли до наибольшей уменьшается на 1.6% в растворе NaCl (табл. 4.3) и на 3.3% в растворе KCl (табл. 4.4). В системах происходит незначительное уменьшение доли водородных связей, образуемых атомом азота аминогруппы: от 1.05 в 0.5 М растворе NaCl до 0.95 в 5 М растворе NaCl и от 1.05 в 0.5 М растворе KCl до 0.99 в 3 М растворе KCl (табл. 4.3 и 4.4, nN1HW ). С ростом содержания электролита количество Н-связей, формируемых атомами водорода Н3 и Н4 аминогруппы, nHO , практически не меняется (nHO уменьшается в растворе NaCl от 0.42 до 0.40 (табл. 4.3), а в растворе KCl от 0.42 до 0.40 (табл. 4.4)). Концентрационное изменение общего числа Н-связей, образуемых –NH2 группой, составляет в растворе NaCl Dn-NH2 = –8.2%, а в растворе KCl -Dn-NH2 = –5.4%. водный раствор KCl (б). Нумерация атомов соответствует Рис. 4.8б. Так как ПКФ для всех концентраций соли подобны, функции приведены только для наименьшей и наибольшей концентраций раствора. –СОО– группа. Как и для системы ПАБК–-вода, атомы О1 и О2 –СОО– группы являются эквивалентными (рис. 4.8б). Увеличение концентрации соли приводит к уменьшению величины nOO : на 5.2% в растворе NаCl (табл. 4.3) и на 5.2% в растворе
Заметим однако, что для всех рассмотренных в данной работе систем, содержащих -СОО группу (ацетат-ион, цвиттер-ион глицина, анион парааминобензойной кислоты), их пространственная конфигурация предполагает возможность частичного обобществления молекул воды атомами кислорода группы -СОО. Это, в свою очередь, предполагает, что все молекулы воды или их большая часть окажутся Н-связанными с атомами кислорода -СОО-группы. Поэтому как гидратное число и количество Н-связей -СОО группы, зависящие от степени этого обобществления, так и их относительные изменения с ростом концентрации соли окажутся меньше, в том числе, и для СОО группы ПАБК".
Анализ цилиндрических функций распределения (3D-RISM). -СбН4 группа. Как и для системы ПАБК"-вода, для систем ПАБК"-водно-солевой раствор первые пики ЦФР gp_0 (Z)R находящиеся на расстояниях z = 0.3 нм (рис. 4.19), характеризуют образование л:-комплекса ПАБК" с молекулами воды. Согласно расчетам, увеличение концентрации соли практически не влияет на количество ж-координированных молекул воды (табл. 4.3 и 4.4). Величина пp0 составляет 1.2, т.е. по -0.6 -координированных молекул воды с каждой стороны ароматического кольца (табл. 4.3 и 4.4). ЦФР gp_K (z)R, характеризующая Н-связывание л типа между атомами водорода молекул воды и фенильным кольцом ПАБК", имеет первый пик на расстоянии z = 0.175 нм при всех исследованных концентрациях соли NaCl или КС1 (Рис. 4.20).
