Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Классификация, строение и физико-химические свойства аминокислот
Глава 2. Термодинамика процессов кислотно-основного взаимодейсвия в растворах аминокислот
2.1. Влияние ионной силы на термодинамику процессов диссоциацииаминокислот в растворах
2.2. Особенности процессов диссоциации аминокислот в водных растворах
2.3. Анализ литературных данных по константам и тепловым эффектамступенчатой диссоциации L-валина в водных растворах
2.4. Анализ литературных данных по константам и тепловым эффектамступенчатой диссоциации DL-лейцина в водных растворах
Глава 3. Термодинамика процессов комплексообразовання аминокислот и дипептидов с ионом никеля(ІІ) в водном растворе
3.1. Анализ литературных данных по константам устойчивости комплексов иона никеля(И) с L-валином в водном растворе
3.2. Анализ литературных данных по константам устойчивости комплексов иона никеля(П) с DL-лейцином в водном растворе
3.3. Анализ литературных данных по константам устойчивости комплексов иона никеля(П) с L-аспарагином и глицил-Ь-аспарагином в водном растворе
Экспериментальная часть и обсуждение результатов 41
Глава 4. Потеициометрическая и калориметрическая установки. Методики проведения эксперимента
4.1. Описание и основные характеристики потенциометрической установки
4.2. Описание и основные характеристики калориметрической установки
4.3. Методика проведения и расчета калориметрического опыта 47
4.4. Проверка работы калориметра по теплотам растворения хлористого калия
4.5. Реактивы 51 Глава 5. Термодинамика протолитических равновесий в водных растворах L-валина и DL-лейцина
5.1. Термохимическое изучение процессов диссоциации и нейтрализации L-валина в водном растворе
5.2. Термодинамические характеристики процессов ступенчатой ионизации DL-лейцина в водном растворе
Глава 6. Термиодинамика координационных равновесий в водныхрастворах L-валина и DL-лейцина с ионом никеля(П)
6.1. Программно-математическое и метрологическое обеспечение исследований координационных равновесий в растворах аминокислот и дипептидов с ионом никеля(П)
6.2. Тепловые эффекты реакций образования валинатных комплексов никеля(П) в водном растворе
6.3. Термодинамика процессов образования лейцинатных комплексов никеля(П) в водном растворе
Глава 7. Исследование координационных равновесий в водных растворах L-аспарагина и глицил-Ь-аспарагина с ионом нике-ля(И)
7.1. Потенциометрическое определение констант устойчивости ком- 79
плексов L-аспарагина с ионом никеля(Н) в водном растворе
7.2. Термодинамика процессов комплексообразования иона никеля(П) с L-аспарагином в водном растворе
7.3. Термодинамика процессов комплексообразования иона никеля(П) с глицил-Ь-аспарагином в водном растворе
Глава 8. Стандартные энтальпии образования L-валнна, DL- 91 лейцина, L-аспарагина, глицил-Ь-аспарагина и их комплексов с ионом никеля(ІІ) в водном растворе
Глава 9. Итоговые обсуждения и выводы 98
Выводы 106
Литература
- Особенности процессов диссоциации аминокислот в водных растворах
- Анализ литературных данных по константам устойчивости комплексов иона никеля(П) с DL-лейцином в водном растворе
- Методика проведения и расчета калориметрического опыта
- Тепловые эффекты реакций образования валинатных комплексов никеля(П) в водном растворе
Введение к работе
Важность исследования аминокарбоновых кислот определяется большой распространенностью их в природе и широким применением в различных отраслях хозяйственной деятельности. Протолитические равновесия играют важную роль во многих биохимических и технологических процессах. Невозможно обойтись без учета реакций кислотно-основного взаимодействия и при исследовании процессов комплексо-образования, особенно с участием органических лигандов, которые являются многоосновными полиаминополикарбоновыми кислотами.
Возрастающее значение координационных соединений в различных областях исследований и, особенно, в практике вызвало в последнее время быстрое развитие этой области химии. Одним из интересных и перспективных ее разделов является химия комплексов металлов с аминокислотами и дипептидами. При изучении комплексов с аминокислотами и другими азотсодержащими лигандами были установлены основные принципы координационной теории. Ионы металлов играют важную роль в живых организмах. В сочетании с аминокислотами, пептидами, белками они работают в составе металлоферментов, обеспечивающих нормальный ход большого числа биохимических реакций, участвуют в процессах накопления и транспорта различных соединений.
Особый интерес вызывают такие лиганды, как аминокислоты и дипептиды. Наличие в молекулах этих соединений наряду с карбоксильными группами гетероатомов - кислорода, серы и азота, включенных в углеводородную цепь алифатических или циклических радикалов, в значительной степени модифицирует свойства лиганда.
Знание основных закономерностей процессов кислотно-основного взаимодействия и реакций комплексообразования с участием биолигандов в водном растворе составляет фундамент практического использования данных соединений в науке, медицине и промышленности.
Аминокислоты и дипептиды служат в качестве модельных соединений более сложных биосистем. Знание свойств низкомолекулярных мономерных соединений белковой природы имеет первостепенное значение при изучении высокомолекулярных соединений той же природы. Так как все биохимические процессы происходят в
водной среде, особенно важным представляется изучение свойств аминокислот и дипептидов в водных растворах.
Настоящая работа посвящена изучению термодинамики протолитических и координационных равновесий в растворах L-валина, DL-лейцина, L-аспарагина и гли-цил-Ь-аспарагина методами потенциометрического титрования и прямой калориметрии.
АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ
Исследование в области термодинамики реакций кислотно-основного взаимодействия и комплексообразования с участием аминокислот и дипептидов в водных растворах немногочисленны. Исключительный интерес представляет изучение ком-плексообразующей способности данных соединений по отношению к ионам «металлов жизни», которое напрямую связано с решением многих проблем биологии, биологической химии, медицины и некоторых глобальных вопросов современной науки и техники. Полученные термодинамические характеристики протолитических и координационных процессов делают возможным проведение различных математических расчётов в системах, содержащих эти соединения. Константы ступенчатой диссоциации и константы устойчивости комплексных соединений, изменение энтальпии, энтропии, теплоемкости в процессах диссоциации и комплексообразования необходимы для более глубокого понимания механизмов реакций, протекающих в растворах био-лигандов. Они позволяют связать макроскопические характеристики аминокислот с их структурными особенностями. Это в свою очередь может быть использовано для получения модели поведения более сложных биосистем той же природы и в биотехнологии.
ЦЕЛЬРАБОТЫ
Целью настоящей работы является установление основных закономерностей
влияния температуры, природы и концентрации фонового электролита, а также структурных особенностей лиганда на термодинамические характеристики реакций ступенчатой диссоциации и процессов комплексообразования в водных растворах L-валина, DL-лейцина, L-аспарагина и глицшЯ^-аспарагина с ионом никеля(П).
Цель работы была достигнута путем решения ряда конкретных задач: 1) определение тепловых эффектов реакций кислотно-основного взаимодействия в
водных растворах L-валина и DL-лейцина;
определение методом потенциометрического титрования констант устойчивости комплексов никеля(П) с L-аспарагином;
изучение координационных равновесий иона никеля(П) с L-валином, DL-лейцином, L-аспарагином и глицил-Ь-аспарагином методом прямой калориметрии;
4) калориметрическое определение стандартных энтальпий образования L-валина,
DL-лейцина, L-аспарагина и глицил-Ь-аспарагина, продуктов их диссоциации и ком
плексов аминокислот с ионом никеля(Н).
НАУЧНАЯ НОВИЗНА
Впервые в интервале температур 288.15 — 318.15К измерены тепловые эффекты
взаимодействия протона и иона никеля(П) с L-валином и DL-лейцином. в водном растворе при нескольких значениях ионной силы раствора в присутствии различных фоновых электролитов. Потенциометрическим методом определены константы устойчивости комплексов никеля с L-аспарагином при температуре 298.15К и значениях ионной силы раствора 0.3, 0.5 и 1.0 (KN03). Калориметрическим методом при 298.15К получены энтальпии смешения растворов L-аспарагина и глицил-L-acnaparHHa с раствором Ni(N03)2 и данные об энтальпиях разведения нитрата никеля(П) в растворах поддерживающего электролита. На основании данных об энтальпиях растворения кристаллических аминокислот в воде и водных растворах щелочей рассчитаны стандартные энтальпии образования их растворов, продуктов диссоциации в водном растворе и никелевых комплексов с биолигандами. Выявлены основные закономерности в изменении термодинамических характеристик протолитических и координационных равновесий указанного ряда лигандов. Результаты калориметрических опытов обработаны на PC Pentium-150 с учетом одновременного протекания в системе рада процессов образования никелевых комплексов и реакций кислотно-основного взаимодействия.
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ
Экспериментальный материал о протолитических и координационных равновесиях в растворах исследованных лигандов, полученный в настоящей работе, может служить основой для исследования термодинамических свойств сложных белковых систем. Высокая точность полученных термодинамических характеристик позволяет
рекомендовать их в качестве справочного материала, а также для разработки, обоснования и оптимизации технологических процессов с участием аминокислот и дипепти-дов и их комплексов с «металлами жизни». В рамках данной работы рассмотрена и обсуждена корреляция между строением лиганда и термодинамическими характеристиками в процессе отрыва протона от карбоксильной и аммонийной групп L-валина и DL-лейцина. Рассмотрено влияние концентрации фонового электролита и температуры на протолитические и координационные равновесия, что позволяет прогнозировать свойства не исследованных соединений данного класса.
Работа выполнена в соответствии с «Основными направлениями научных ис-следованний Ивановского государственного химико-технологического университета» по теме «Физическая и координационная химия растворов и жидкофазных процессов».
АПРОБАЦИЯ ДАННЫХ
Отдельные разделы диссертации были апробированы на П Международной конференции "Актуальные проблемы химии и химической технологии" (г. Иваново, 1999); ХШ Международной конференции молодых ученых по химии и химической технологии «МКХТ-99» (г. Москва, 1999); Международной студенческой конференции "Развитие. Окружающая Среда. Химическая инженерия" (г. Иваново, 2000); Международной научно-практической конференции "Химия и химическая технология на рубеже тысячелетий" (г. Томск, 2000); Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Молодая наука - XXI веку" (г. Иваново, 2001); XI Всероссийской студенческой научной конференции «Проблемы теоретической и экспериментальной химии» (г. Екатеренбург, 2001); XX Международной Чугаевской конференции по координационной химии (г. Ростов-на-Дону, 2001); VIII Международной конференции «Проблемы сольватации и комплексообразования в растворах» (г. Иваново, 2001); Международной студенческой конференции «Фундаментальные науки - специалисту нового века» (г. Иваново, 2002); XIV Международной конференции по химической термодинамике (г. Санкт-Петербург, 2002).
ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В настоящей работе в качестве объектов исследования выбраны следующие со-
единения:
сн3~сн-сн-соон
СН3 NH2 L-валин (HVal*);
сн3-сн-сн2-сн-соон
СН3 NH2
DL-лейцин (HLeir);
/С-СН2-СН-СООН
H*N ш2
L-аспарагин (HAsrr);
H2N-CH2-C-N-CH-CH2~Cf
О H NH2
глицил-Ь-аспарагин (НРер*).
Особенности процессов диссоциации аминокислот в водных растворах
Роданте [3] отмечает, что все стандартные а-аминокислоты отличаются друг от друга структурой краевой цепи (называемой R-группой), поляризация которой является критерием, используемым для классификации этих соединений: -первый класс с неполярной или гидрофобной цепью; -второй класс с полярной цепью, не имеющей заряда; -третий класс с полярной цепью, имеющей положительный заряд; -четвертый класс с полярной цепью, имеющей отрицательный заряд.
Существуют значительные различия в размере и свойствах R-групп внутри каждого класса, предложенного в классификации Роданте [3]. Согласно классификации, предложенной Роданте [3] к первому классу принадлежат а-аминокислоты: Ц-)-а-аланин, DL-валин, Ц+)-а-лейцин, DL-изолейцин, Ц-)-пролин, DL-фенилаланин, Ц+)-а-триптофан, а-метионин; ко второму классу: глицин, D(-) cepHH, Ц-)-аспарагин, Ц-)-глутамин. К третьему классу относят Ц-)-лизин, Ц-)-аргинин, а к четвертому - DL-аспарагиновая и Ц-)-глутаминовая кислоты.
Рассмотрим влияние углеводородного радикала на физико-химические свойства природных а-аминокислот в зависимости от их принадлежности к тому или иному классу в классификации Роданте [3].
Первый класс. Пять из этих аминокислот имеют алифатическую цепь: а-аланин, лейцин, изолейцин, валин и пролин. Две аминокислоты имеют ароматическую цепь: фенилаланин и триптофан. Метионин включает в себя атом серы. Соединения, содержащие ароматическую группу в составе молекулы, должны меньше растворяться в воде, чем а-аминокислоты, которые имеют полярные концевые радикалы. Фенилаланин и триптофан являются более гидрофобными соединениями из всего первого класса и находятся вблизи линии, которая отделяет полярные без заряда аминокислоты от гидрофобных а-аминокислот. Пролин отличается от всех других стандартных а 11 аминокислот тем, что это фактически иминокислота.
Второй класс. Соединения второго класса (серии, тирозин, аспарагин, глутамин, цистин и глицин) более растворимы в воде, чем гидрофобные а-аминокислоты. Их полярная цепь может образовывать водородные связи с молекулами воды. Полярный характер серина, треонина и тирозина обнаруживается благодаря наличию в них гид-роксильных групп. Полярный характер аспарагина и глутамина проявляется благодаря амидной группе, а полярный характер цистина - благодаря сульфидной группе. Глицин относится в настоящее время к полярным а-аминокислотам. Аспарагин и глутамин являются амидами аспарагиновой и глутаминовой кислоты. Цистин и тирозин имеют наиболее полярную группу в своем классе, то есть тиолик и гидрофенолик-группы.
Третий класс. Соединения этого класса содержат по шесть атомов углерода. Лизин имеет положительно заряженную концевую аминогруппу. В состав аргинина входит гуанидиновая группа с положительным зарядом.
Четвертый класс. Соединения четвертого класса, аспарагиновая и глутаминовая кислоты, - содержат в составе молекулы по две карбоксильной группы, которые полностью ионизированы при рН 6-7 единиц и имеют отрицательный заряд.
Все аминокислоты, за исключением глицина, оптически активны благодаря хи-ральному строению [4, 5, 6]. Энантиомерные формы, или оптические антиподы, имеют различные показатели преломления (круговое двулучепреломление) и различные коэффициенты молярной экстинкции (круговой дихроизм) для лево- и правополяри-зованного света. Они поворачивают плоскость колебаний линейнополяризованного света на равные углы, но в противоположных направлениях.
Конфигурацию аминокислот соотносят также с D-глюкозой; такой подход предложен Э. Фишером в 1881 году. В пространственных формулах Фишера заместители у хирального С2 атома занимают положение, которое соответствует их абсолютной конфигурации.
В двухмерном изображении для D- и L- изомеров принят определенный порядок расположения заместителей. У D-аминокислот наверху изображают карбоксильную группу, далее следуют по часовой стрелке аминогруппа, углеводородный радикал и атом водорода. У L-аминокислот принят обратный порядок расположения заместителей, причем углеводородный радикал всегда стоит внизу.
Для сопоставления разных представлений о строении молекул аминокислот удобно рассматривать строение основных атомных группировок: аминогрупп, карбоксильных групп и радикалов R. С этой точки зрения Ганом проанализированы структурные работы, появившиеся к 1957 году [7]. Приводимые здесь рассуждения основаны на работе Гана и дополнены структурными результатами, полученными в период с 1957 по 1965 года.
Почти во всех исследованных аминокислотах аминогруппы имеют форму Шз+. Исключение составляет структура аргинина, в которой аминогруппа присутствует в необычной для аминокислот форме -NH2. Но и в этом случае вокруг атомов азота осуществляется тетраэдрическое окружение за счет образования определенной системы водородных связей.
Анализ литературных данных по константам устойчивости комплексов иона никеля(П) с DL-лейцином в водном растворе
Схему кислотно-основных равновесий в водном растворе L-валина можно представить следующим образом: H2Val+ і HVal + Н+ (2.12) HVal±i5Var + H+ (2.13) Имеющиеся в литературе данные по константам диссоциации L-валина приведены в табл. 2.4.1.
Как видно из табл. 2.4.1, в литературе описано около 20 экспериментальных работ по определению констант диссоциации валина в водном растворе. Одной из первых работ по указанной проблеме была работа, выполненная в 1959 году Перрином [52]. В работе [52], методом потенциометрического титрования определена константа диссоциации карбоксильной группы L-валина при 293.15К и значении ионной силы 1.0.
В работах [52-55, 57, 62, 64] исследования протолитических свойств изучаемой аминокислоты были выполнены при температурах, отличных от стандарной температуры 298.15К (например, в работах [52, 53, 57] потенциометрическое титрование выполнено при температуре 293.15К, а работах [62,64] - при температурах, значительно превыщающих значение стандартной температуры). Данные по константам диссоциации валина, полученные в работах [52-55, 57, 62, 64], не принимались во внимание при дальнейших расчетах термодинамических констант диссоциации.
Ли и Нанколас [56] методом потенциометрического титрования L—валина со стеклянным электродом на фоне KN03 при температуре 298.15К и значении ионной силы раствора 0.1, определили следующие величины констант диссоциации L-валина в водном растворе: pKi=2.38 и рК2=9.50. В работе использовалась схема для измерения ЭДС изучаемой системы в ходе потенциометрического титрования: стеклянный электрод ) Н+, КС1, HVal ) КС1) AgCLAg.
В аналогичных условиях были получены константы диссоциации валина по кар-бокисльной и аммонийной группам в работах [59, 61, 65-67]. Как можно видеть из данных, приводимых в табл. 2.4.1, значения констант диссоциации валина в пределах ±0.10 единиц рК совпадают друг с другом.
В 1974 году Батяев и Фогилева [58] определили константу диссоциации аммонийной группы L-валина: рК2=9.63. Измерения проводились на фоне хлорида калия при температуре 298.15К и значении ионной силы раствора 0.1. Значение константы диссоциации валина по аммонийной группе на фоне хлорида калия приведены в работе [68], хорошо согласуются с данными, полученными в работе [58],.
Из концентрационных условий, указанных приводимых в табл. 2.4.1 видно, что определения констант диссоциации карбоксильной и аммонийной групп L-валина, проводились при единственном значении ионной силы раствора и в основном на фоне нитрата калия [54, 56, 59, 61, 65-67]. Однако, в работе Миллера и сотрудников [60] методом потенциометрического титрования определены константы диссоциации изучаемого лиганда на фоне нитрата натрия при ионной силе раствора 0.5 и температуре 298.15К и получены следующие величины: pKj=2.32 и рК2=9.37.
При расчете термодинамических констант диссоциации L-валина использовались результаты работ: по первой ступени [56, 60, 61, 63, 65,67, 68]; по второй ступени - работы [56, 58,59,61,63, 65,66,67,68] и были выбраны. рК!= 2.33 ± 0.02; рК2= 9.78 ± 0.02.
На основании термодинамических констант была рассчитана диаграмма равновесий в водном растворе L—валина при температуре 298.15К и ионной силе раствора
Из рис. 2.4.1 можно видеть, что при рН 0.5 L-вадин существует в растворе в виде катион-кислоты; в интервале рН от 0.5 до 4.0 присутствуют в растворе сразу две частицы H2Val+ и HVaf; в области рН 4.0ч-8.0 в растворе аминокислота существует в виде цвиттер-иона; в интервале рН от 8.0 до 11.5 наблюдается уменьшение доли частицы HVal и увеличение доли
Диаграмма протолитических равновесий в водном растворе L-валина при температуре 298.15 К и ионной силе раствора 0.О ?0+3Val частицы УаГ; при рН 11.5 L-валин существует в растворе в виде аниона. Значительное различие в константах диссоциации L-валина дает возможность раздельно изучать процессы (2.12) и (2.13).
Данные по тепловым эффектам диссоциации валина в водном растворе ограничены малым числом экспериментальных работ.
Роданте [3] приводит данные по стандартным термодинамическим характеристикам процессов диссоциации ряда аминокислот; в работе были использованы реактивы фирмы «Carlo Erba RPE Chemicals» без дополнительной очистки. Тепловой эффект диссоциации карбоксильной группы был рассчитан на основании измерений энтальпий растворения кристаллической аминокислоты в воде (при значении рН близком к величине изоэлектрической точки) и в растворе кислоты (при значении рН 0.0). Энтальпия диссоциации аммонийной группы аминокислоты определена на основании теплот растворения аминокислоты в воде и водном растворе щелочи (при значении рН 14.0). Данные, полученные в работе [3], автор отнес к бесконечному разведению, так как концентрация биолиганда в конце калориметрического опыта не превышала 0.001 моль/л (табл. 2.4.2).
Для определения теплового эффекта ионизации L-валина в работе [68] использовался калориметрический метод. Условия проведения калориметрических опытов были аналогичны условиям потенциометрических измерений констант диссоциации аминокислоты. Величина теплового эффекта ионизации L-валина по второй ступени составила: Д ЩНУа!1) = 45.3 кДж/моль.
В работе [69] на калориметре ампульного типа определен тепловой эффект ионизации частицы HVal при температуре 298.15 К и нулевой ионной силе. Стандартная энтальпия диссоциации валина по данным работы [69] составляет величину 48.89±0.21 кДж/моль.
Как видно из приведенного обзора литературы, тепловые эффекты диссоциации карбоксильной группы аминокислоты определены в единственной работе при одном значении температуры [3], диссоциация бетаинового протона исследовалась в работах [68, 69]. Однако по данным работ [68, 69] величины Д ЩНУаІ1) отличаются друг от друга более чем на 3.5 кДж/моль. Измерения теплот диссоциации при нескольких значениях температуры и ионной силы раствора отсутствуют.
Между тем, несомненно как практический, так и теоретический интерес представляет получение более полного термодинамического описания процессов ступенчатой диссоциации L-валина с помощью метода прямой калориметрии, изучение влияния температуры, концентрации и природы фонового электролита на тепловые эффекты диссоциации аминокислоты. Дополнить эту картину позволило бы определение теплот образования L-валина и продуктов его диссоциации в водном растворе.
Методика проведения и расчета калориметрического опыта
Измерение тепловых эффектов проводили на калориметре с изотермической оболочкой и автоматической записью кривой температура-время [95]. В качестве датчика температуры использовали термистор КМТ-14.
Основными элементами калориметрической установки являются: калориметрическая ячейка; цепь измерения тока при калибровке; цепь измерения температуры; а также система, обеспечивающая высокоточные датчики температуры при проведении калориметрических измерений. На рис. 4.2.1. представлена реакционная ячейка ка лориметра. Калориметрическая ячейка состоит из внутреннего тонкостенного стакана (13), выполненного из нержавеющей стали, полный объем которого 50 мл; наружного стакана (14); крышки (7) с накидной гайкой (8); уплотнителя (2); тефлоновой вставки (1), которая является одновременно держателем чехла термистора (12) и нагревателя (3). Мешалка (9) закреплена на оси (10), имеющей тепловой затвор (6). Стеклянная ампула с реагентом (11) закрепляется в держателе, расположенном на конце мешалки. При смешении растворов, находящихся в стеклянной ампуле и реакционном стакане, протекает химическая реакция. Изменение температуры в ходе реакции фиксируется термистором КМТ-14. Мешалка, корпус защитного чехла термистора и защитного чехла нагревателя выполнены из нержавеющей стали. Калибровочный нагреватель (3) представляет собой манганиновую спираль, имеющую хороший тепловой контакт с корпусом чехла. Теплоотвод по токопроводящим проводам очень мал, вследствие того, что переход от проводников тока большого диаметра к нагревателю осуществляется через спирали медных проводов очень малого сечения, Рисунок 4.2.1. Схематический чертеж ячейки калориметра проходящих сквозь втулки из резины, которые герметично закрывают пространство, где находится константановая спираль и одновременно являются держателями токо-проводящих проводов большого сечения. Сопротивление нагревателя при 25С 119.18 Ом.
Цепь измерения тока при калибровке (рис. 4.2.2.) питается от стабилизатора напряжения постоянного тока П-4105. Рабочий ток устанавливается регулировочным сопротивлением (Rper.)- Для обеспечения стабильного режима работы источника питания во время работы калориметрической установки, постоянный ток непрерывно протекает через тренировочное сопротивление (ЇЦ,Єн.). При замыкании цепи калибровки с помощью реле, ток переключается на цепь калибровочного нагревателя (Кнагр.) и одновременно включается частотомер-хронометр Ф-5137, измеряющий время протекания тока с точностью 1x10 с. При размыкании сети калибровки выключается хронометр. Сила тока в цепи нагревателя измерялась цифровым калибровочным прибором Щ-1518 по падению напряжения на катушке сопротивления Р—321 (10 Ом). Комбинированный прибор Щ-1518 позволяет одновременно измерять как падение напряжения на стандартной катушке сопротивления, так и падение напряжения на нагревателе (Ящр), что дает возможность с высокой точностью рассчитать мощность нагревателя.
Схема калибровки нагревателя электрическим током. Цепь регистрации измерения температуры в калориметрической ячейке представлена на рис. 4.2.3. Сопротивление термистора измеряется мостовой схемой прибора Р-3009, питание которого осуществляется от стабилизатора постоянного тока П-36-1. Изменение сопротивления датчика температуры приводит к разбалансу моста постоянного тока (Р-3009). Ток в измерительной диагонали моста регистрируется самопишущим прибором КСП4-011. Магазин сопротивлений Rg используется для плавной регулировки чувствительности измерительной схемы калориметра и позволяет при любых значениях теплового эффекта в пределах от 0.2 до 100 Дж использовать всю ширину листа самописца.
Схема регистрации температуры ячейки Термостатирование калориметрической ячейки осуществляется с помощью термостата UTU-4. Датчиком температуры является медный термометр сопротивления ТКА-7. Посредством термисторного блока происходит управление мощностью в цепи нагревателя термостата (25 Ом). Мощность в нагрузке регулировалась ЛАТРом и подбиралась опытным путем. Точность поддержания температуры была не менее 5х10_3 К. Работа схемы контролировалась по ртутно-стеклянному термометру с ценой деления 0.01 К.
В реакционный стакан калориметра калиброванной пипеткой вместимостью 50,06 мл заливали раствор одного из компонентов реакции. Второй компонент помещали в стеклянную ампулу. Запаянную ампулу закрепляли в держателе мешалки и реакционный стакан закрывали крышкой. После того, как накидная гайка была завернута, калориметрическую ячейку помещали в водяной термостат для установления заданной Рис. 4.3.1. Кривая калориметрического опыта температуры. Увеличение скорости подъема температуры в реакционном стакане до температуры проведения опыта достигалось включением калибровочного нагревателя. Перед началом проведения калибровки система выдерживалась 20-25 минут для достижения стационарного режима теплообмена. При этом температура калориметрической ячейки была несколько ниже температуры оболочки. В течение 2-4 минут записывали предварительный период калибровки (отрезок "ав" на рис. 4.3.1). Далее в
течение 15-30 секунд через калибровочный нагреватель пропускали ток (отрезок"Ьс"), после чего записывали заключительный период калибровки (отрезок "cd"). В случае измерения эндоэффектов в точке "d" разбивалась ампула, записывался главный период опыта (отрезок "de") и температурный ход заключительного периода опыта. Затем проводилась вторая калибровка электрическим током. При измерении тепловых эффектов средняя температура в опытах и калибровках оставалась постоянной.
Отрезок "рк" прямой, проведенной через середину отрезка "be" (точка г) параллельно оси температуры до пересечения с продолжением температурного хода начального и конечного периодов калибровки, будет истинной величиной перепада температуры с учетом поправки на теплообмен (At) в первой калибровке. Аналогично рассчитывали значения (At) в опыте и во второй калибровке At=Al на рис. 4.3.1.
Тепловые эффекты реакций образования валинатных комплексов никеля(П) в водном растворе
Для проведения сравнительного анализа особенностей протолитических взаимодействий в растворах аминокислот рассмотрим данные по стандартным термодина мическим характеристикам диссоциации глицина [44], DL-a-алинина [34], L-валина и DL-лейцина.
Наличие углеводородного радикала в a-положении в структуре аминокислот должно сказываться на величинах изменения энтропии при их диссоциации, поскольку от размера радикала зависит степень гидратации цвиттер-ионов молекул алифатических аминокислот. Изменение энтропии при диссоциации аминогруппы в ряду указанных аминокислот уменьшается по абсолютной величине (A&S2 (Оуг1 -33.5 [44]; AdisS20(Aia)= -35.2 [34]; Ь&2(уаг -25.6 и A Vur -24.9 Дж/(мольК)), что может быть связано с ростом углеводородного радикала и как следствие, большей сольватацией цвиттер-иона лейцина по сравнению с цвиттер-ионом аланина. Выпадение глицина из указанного ряда связано с отсутствием алифатического радикала в соположении. При диссоциации карбоксильной группы наблюдается аналогичная зависимость (AdlsSi0(Aiar-40.4 [34]; AdisS/ )=-42.7 и (AdisS,Veu)=-38.1 Дж/(мольК)).
Величины AdisCp диссоциации амино- и карбоксильной групп аминокислот остаются постоянными в пределах погрешности (например, для диссоциации карбо-кисльной группы имеем: AdiSCpl(Aia)= -55+22 [34]; Д ц8Ср i(Vai)= -55±22 и A jiSCp къеиг —60+15 Дж/(мольК)). Это свидетельствует о том, что указанные соединения в составе молекул имеют группы примерно одинаковые по своей гидрофобности и на величину AfcCp не влияют особенности строения лиганда [95].
Поскольку аминокислоты обладают свойствами карбоновых кислот и оснований, интересно сравнить их с типичными карбоновыми кислотами и основаниями.
Можно отметить несколько характерных особенностей процесса кислотно-основного взаимодействия в растворах аминокислот в отличие от карбоновых кислот и оснований:
1) Наличие протонированной аминогруппы в молекулах глицина (АшвНцау) = 4.43 кДж/моль [44]), аланина (AdjSHi(Aia) = 3.39 кДж/моль [34]), валина (Д Нцуаі) = 0.55 кДж/моль) и лейцина (AdiSH1(LeU) = 1.66 кДж/моль) приводит к более высокой эндотер мичности процесса отрыва протона от карбоксильной группы аминокислот по сравне нию с уксусной кислотой (A iisH(HAc)= -042 кДж/моль [40]). Это можно считать прояв лением индукционного эффекта положительно заряженной аммонийной группы в со ставе молекулы аминокислоты;
2) Эндотермичность кислотной диссоциации метиламина (AdisH(м?гМ/2+ )= 56.04 кДж/моль) [117] примерно на «8-12 кДж/моль больше, чем у протонированной аминогруппы глицина (AdisH2(Giy) = 44.19 кДж/моль [44]), а-аланина (AdiSH2(Aia) = 45.30 кДж/моль [34]), L-валина (Л Ні аі) = 48.63 кДж/моль) и DL-лейцина (AdiSH2(Leu) -47.04 кДж/моль). Уменьшение теплоты диссоциации аминогруппы в аминокислотах, по-видимому, обусловлено достаточно близким расположением двух разноименно заряженных групп в составе молекулы, что связано с электростатическими взаимодействиями между функциональными группами аминокислот (эффект поля);
3) При удлинении углеводородной цепи влияние обоих эффектов ослабевает и энтальпии ионизации амино- и карбоксильных групп аминокислот приближаются к величине теплот диссоциации соответствующих групп метиламина и уксусной кислоты. По данным [3] у а-изолейцина энтальпийные характеристики реакций кислотно-основного взаимодействия уже приближаются к энтальпиям ионизации соответствующих групп уксусной кислоты и метиламина и составляют: AdiSHi(ne) = -0.08 и AdisH2(ne) = 48.45 кДж/моль.
Обращает на себя внимание тот факт, что с удлинением углеводородного радикала, присоединенного к группировке (HOOC-CH(NH2 -), эндотермичность процесса диссоциации карбоксильной группы в ряду глицин - а-аланин - а-валин - а-лейцин монотонно убывает, а для процесса ионизации аминогруппы - монотонно возрастает.
Изменение энтропии в процессах ступенчатой диссоциации аминокислоты отрицательно. Интересно сравнить изменение энтропии в процессах диссоциации уксусной кислоты, глицина и исследованных срединений. Величины AdiSS для процессов диссоциации катион-кислот соответственно равныСД ЗДо -30.1 [44]; AdisSi(Aia)= -40.4 [34]; AdiSSi (Varr -42.7 и AdiSSi (Leur1 —38.1 Дж/(мольК)), а для нейтральной молекулы уксусной кислоты [40] (AdisS = -93.3 Дж/(мольК)). Как можно видеть, из приведенных данных, изменение энтропии при диссоциации каброксильной группы нейтральной кислоты имеет более высокое значение (по модулю) по сравнению с катион-кислотами. Это, по-видимому, связано с различными вкладами гидратационных равновесий. Когда катион-кислота диссоциирует с отщеплением протона изменение в количестве «связанной воды» много меньше, чем при диссоциации нейтральных молекул кислоты [44]. Аналогичная картина наблюдается и для других соединений с заряженной карбоксильной группой [31,33, 34, 35,95]
Таким образом, на протолитические равновесия в растворах биологически важных а-аминокислот влияют два важных фактора - индукционный эффект и эффект поля. В водном растворе, обычной среде протекания биологических реакций, эти эффекты обуславливают большое разнообразие свойств, так что процессы кислотно-основных взаимодействий могут происходить в достаточно широком диапазоне рН. Это важно отметить потому, что белки, построенные из аминокислот, в зависимости от своего аминокислотного состава могут принимать участие в различных кислотно-основных превращениях.
Для анализа термодинамических данных нередко привлекаются представления Герни. Подробно схема Герни для расчета термодинамических характеристик описана в работах [103, 118, 119, 120].
