Термодинамика образования молекулярных комплексов в водных растворах аминокислот, пептидов, нуклеиновых оснований и макроциклических соединений 02. 00. 04 физическая химия

Вид материала

Подобный материал:

1 2 3 4 5

Таблица 20. Величины химических сдвигов ()^а в спектрах ЯМР ¹Н - и -циклодекстринов в присутствии оснований нуклеиновых кислот при температуре 298.15 К (m_α-ЦД = 0,15 моль·кг^-1, m_β-ЦД = 0,02 моль·кг^-1).

Протон	 / м.д.
	Cyt Ura Ade Caf
	-ЦД -ЦД -ЦД -ЦД -ЦД -ЦД -ЦД -ЦД
Н(1) 0.00 0.02 0.02 0.02 0.00 -0.01 0.00 -0.01 Н(2) 0.01 0.03 0.04 0.03 0.00 0.02 0.00 0.00 Н(3) 0.00 0.01 0.00 0.01 0.00 -0.03 -0.01 -0.03 Н(4) 0.01 0.03 0.03 0.03 0.00 0.00 -0.01 -0.01 Н(5) 0.01 0.03 0.01 0.03 -0.01 -0.06 -0.01 -0.05 Н(6) 0.00 0.01 0.01 0.14 0.00 -0.01 -0.01 0.00

Как следует их данных табл. 20, молекула Caf глубже проникает в полость -ЦД, в то время как взаимодействие с -ЦД является более поверхностным. Наибольшее значение  для молекулы Caf получено для протонов Н(1) (рис.13) как в случае с - (=0.61 м.д.), так и -ЦД (=0.62 м.д.). Таким образом, СН₃-группа Caf проникает в макроциклическую полость. Пиримидиновые нуклеиновые основания цитозин и урацил образуют комплексы только с -ЦД. Комплекс -ЦД/Ura более устойчив по сравнению с -ЦД/Cyt, что подтверждается термодинамическими константами комплексообразования и химическими сдвигами протонов находящихся на внешней поверхности циклодекстрина. Краун-эфир, полость которого гидрофильна, не способен к комплексообразованию с нуклеиновыми основаниями.

На основе анализа взаимодействий 18-краун-6, - и -ЦД с основаниями нуклеиновых кислот можно выделить, что макроциклы с гидрофильной полостью и гидрофобной наружной поверхностью не образуют комплексов с указанными биомолекулами. Наличие относительно гидрофобной полости у ЦД, ее размер и структурные особенности самих молекул-гостей являются основными факторами, определяющими избирательность комплексообразования нуклеиновых оснований с - и -ЦД.

7. Роль растворителя в процессе молекулярного узнавания биомолекул.

В процессе комплексообразования макроциклических лигандов с модельными биомолекулами значительную роль играет влияние растворителя, вклад которого отражается в наличии линейного энтальпийно–энтропийного компенсационного эффекта. Для реакций комплексообразования АК с 18-краун-6 и циклодекстринами обнаружено, что значения _cH и _cS связаны регрессионным уравнением:

Δ_cH(Дж·моль^-1) = - 6214 + 266 · Δ_cS(Дж·моль^-1·К^-1)

Приведенное уравнение, рассчитанное на основе полученных нами данных, представляет собой энтальпийно – энтропийную компенсацию с компенсационной температурой 264 К. Регрессионное уравнение не является случайным и имеет высокий коэффициент корреляции (0.97).

Из приведенного регрессионного уравнения вытекает существование двух областей пространства, разделяющих изученные лиганды – более отрицательные значения _cH и _cS относятся к 18-краун-6, а более положительные – к β-ЦД. Кроме того, видно, что точки, относящиеся к одинаковым АК, но разным лигандам, находятся в диаметрально противоположных концах графика (L-Phe и L-His).

Характер комплексообразования в отсутствие влияния среды для систем 18-краун-6 + АК (энтальпийно стабилизированные комплексы) и для систем -ЦД + АК (энтропийно стабилизированные комплексы) различен. Тем не менее наличие единого линейного энтальпийно – энтропийного эффекта свидетельствует, что управляющий фактор - влияние растворителя, а энергетика взаимодействия хозяин – гость играет меньшую роль в комплексообразовании.

Это показывает важную роль воды как растворителя и как участника реакций в биологических системах. Поэтому при изучении процессов «молекулярного узнавания» в водной среде необходимо учитывать ее влияние.

ИТОГИ РАБОТЫ.

Впервые с позиций сольватационного подхода проведено обобщение большого массива экспериментальных данных, полученных соискателем или при его непосредственном участии, по термодинамике реакций образования молекулярных комплексов в водных растворах аминокислот, пептидов, пищевых кислот, нуклеиновых оснований и макроциклических соединений.

1. При исследовании термодинамических характеристик гидратации модельных биологических (аминокислоты, пептиды) и макроциклических молекул (краун-эфиры, криптанд(222)) установлено, что

- концентрационные зависимости избыточных свойств растворов пептидов описываются трехступенчатой моделью ассоциации,

- изученные краун-эфиры в воде проявляют гидрофобные свойства, и для их объемных свойств выполняется правило групповых вкладов структурных фрагментов молекул.

2. На основе термодинамических, рентгенографических и данных ЯМР-спектроскопии показано, что как в водном растворе, так и в кристаллическом состоянии, цвиттерионная амино группа является реакционным центром комплексообразования аминокислот (АК) и алифатических пептидов с 18К6. Обнаружено участие боковых полярных и алифатических групп только некоторых аминокислот в дополнительных взаимодействиях с макроциклическим кольцом.

3. Показано, что удлинение глицин- и аланин- содержащих молекул пептида способствует их комплексообразованию с 18-краун-6 вопреки одновременному усилению экзотермичности гидратации пептида. Это может быть связано с возрастанием роли процессов контролируемых энтропийной составляющей, особенно при гидратации молекулярных комплексов.

В отличие от краун-эфира 18-краун-6 при взаимодействии АК с криптандом(222) в воде обнаружена дополнительная стабилизация комплекса за счет участия боковых полярных групп АК в процессе комплексообразования.

4. Анализ термодинамических функций комплексообразования показал, что циклодекстрины (ЦД) проявляют способность более избирательно взаимодействовать с АК, чем 18-краун-6, образуя комплексы только с ароматическими АК. Причем для системы b-ЦД+АК установлена линейная зависимость энтальпии комплексообразования от энтальпии гидратации АК.

5. Впервые выделены в кристаллическом состоянии супрамолекулярные комплексы пептид/18-краун-6/вода и изучена их уникальная слоистая структура и физико-химические свойства. Обнаружено, что структура кристаллических комплексов состоит их чередующихся полярных и неполярных областей, а эффекты «молекулярного узнавания» проявляются как в растворах, так и в кристаллическом состоянии.

6. При взаимодействии пищевых кислот с циклодекстринами экспериментально установлено, что комплекс включения реализуется в случае с аскорбиновой кислотой (аналогично, как с фенилаланином и триптофаном), а комплексы ЦД с лимонной кислотой образуются за счет взаимодействий между полярными группами молекулы-гостя и ОН-группами ЦД, находящимися на внешней стороне молекулы.

Показано, что слабые взаимодействия олигосахаридов с аскорбиновой кислотой характеризуются нарастанием экзотермичности процесса при переходе от моно- (глюкоза) к ди- сахаридам (сахароза) и далее к циклоамилозам (b-ЦД).

7. Показано, что в зависимости от природы аминокислот, их взаимодействие с основаниями нуклеиновых кислот характеризуется как слабое, сопровождающееся частичной дегидратацией молекул, или как сильное, приводящее к образованию ассоциатов. Для слабого взаимодействия цитозина с аминокислотами обнаружена зависимость энтальпии взаимодействия от гидратного состояния молекул АК.

Сделано предположение, что взаимодействие тимина и урацила с аминокислотами и глицинсодержащими олигопептидами локализовано вблизи заряженных групп АК и контролируется слабым кислотно-основным взаимодействием между цвиттерионными группами АК и боковыми группами (NH, CO) нуклеинового основания.

Выделены две группы АК, характер взаимодействия которых с пуриновыми основаниями (аденином и кофеином) различен. Для неполярных и алифатических АК преобладающим является эндотермический эффект их дегидратации, а для ароматических, полярных и заряженных АК – экзотермический эффект их взаимодействия с НО, приводящий в ряде случаев (Lys, His, Trp, Phe, Asp и Glu) к образованию комплексов. Таким образом, показано, что способность к комплексообразованию с аминокислотами у пуринов выше, чем у пиримидинов.

8. Обнаружено, что взаимодействия 18-краун-6 с основаниями нуклеиновых кислот являются слабыми и не сопровождаются комплексообразованием, в то время как ЦД избирательно взаимодействуют с основаниями нуклеиновых кислот. a-ЦД образует комплексы включения только с пиримидиновыми нуклеиновыми основаниями урацилом и цитозином, b-ЦД - только с пуриновыми основаниями – аденином, кофеином. Кофеин вступает в комплексообразование как с a-, так и с b-ЦД.

На примере взаимодействия циклодекстринов с пиримидиновыми и пуриновыми основаниями впервые показана высокая избирательность комплексообразования («молекулярное узнавание»), которая определяется прежде всего принципом структурного соответствия, а также наличием гидрофобной полости.

На основе сдвигов в ЯМР-спектрах протонов циклодекстринов предложены качественные критерии образования поверхностных комплексов (пиримидиновые основания) и соединений включения (пуриновые основания).

9. Полученные данные об энергетике молекулярного комплексообразования обладают предсказательной силой и позволяют прогнозировать термодинамические и структурные характеристики новых супрамолекулярных материалов (систем).

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

Куликов О.В., Козлов В.А., Маленкина Л.И., Баделин В.Г. – Теплоемкости аминокислот и пептидов и избыточные характеристики их водных растворов, Сборник научных трудов ИХНР АН СССР, Иваново, 1989, с.36-42
V.G.Badelin, O.V.Kulikov, V.S.Vatagin, E.Utzig, A.Zielenkiewicz, W.Zielenkiewicz, G.A.Krestov – Physico-chemical properties of peptides and their solutions, Thermochim.Acta, 1990, v.169, p.81-93
Куликов О.В., Баделин В.Г., Крестов Г.А. – Термодинамическое и спектроскопическое исследование межмолекулярной ассоциации в водных растворах дипептидов, Биофизика, 1991, т.36, вып.3, с.394-398
Куликов О.В., Баделин В.Г., Крестов Г.А. – Особенности гидратации и межмолекулярных взаимодействий в растворах дипептидов, ЖФХ, 1991, т.65, №9, с.2389-2396
Куликов О.В., Баделин В.Г., Крестов Г.А. – Температурные зависимости теплоемкостных и объемных характеристик растворов дипептидов в смеси вода-диметилсульфоксид, Изв.Акад.Наук. Серия Химическая, 1992, №4, с.805-812
O.V.Kulikov, A.Zielenkiewicz, W.Zielenkiewicz, V.G.Badelin, G.A.Krestov – Excess enthalpies of aqueous solutions of small peptides at 25 C., J.Solut.Chem., 1992, v.21, N 10, pp. 1-17
J. Lipkowski, O.V.Kulikov, W.Zielenkiewicz – Complexation of peptides with crown ethers. Strucrure and thermal behaviour of ternary compounds: 18-crown-6/glycil-glycine/water and 18-crown-6/L-α-alanil-L-α-alanine/water. Supramolecular Chemistry, 1992, v.1, pp.73-79
O.V.Kulikov, W.Zielenkiewicz, E.Utzig, G.A. Krestov – Complexation of peptides with crown ethers. Part 1. Composition and thermal behaviour of compounds consisting of oligopeptides and some crown ethers. Thermochim. Acta, 1993, v.213, pp.103-113
W.Zielenkiewicz, O.V.Kulikov, G.A. Krestov – Excess enthalpies of aqueous solutions of small peptides at 308.15 and 318.15 K. Characteristics of solute-solute interactions. Bull.Polish Academy of Sci. Chemistry, 1992, v.40, N 4, pp.293-305
Куликов О.В., Лапшев П.В. – Применение теории масштабных частиц к исследованию гидратации аминокислот и пептидов. Ж.Химической термодинамики и термохимии, 1992, т.1, №2, с.167-176
Куликов О.В., Баделин В.Г., Крестов Г.А. – Термодинамическое и спектроскопическое исследование комплексообразования дипептидов с диметилсульфоксидом в их водных растворах. Биофизика, 1993, т.38, вып.2, с.213-221
W.Zielenkiewicz, O.V.Kulikov, I.Kulis-Cwikla – Excess enthalpies and apparent molar volumes of aqueous solutions of crown ethers and cryptand(222). J.Solution Chem., 1993, v.22, N 11, p.963-973
O.V.Kulikov, W.Zielenkiewicz, E.Utzig – Complexation of peptides with crown ethers.Part 2. Thermokinetic behaviour of hydrated compounds consisting of α-amino acids, peptides and 18-crown-6. Thermochim.Acta, 1994, v.237, pp.333-345
O.V.Kulikov, W.Zielenkiewicz, G.A. Krestov – Enthalpies of interaction of some amino acids and peptides with crown ethers in water at 25 C. Thermochim. Acta, 1994, v.241, p.1-16
O.V.Kulikov, P.V.Lapshev, E.V.Parfenyuk – The role of weak and specific forces in the interaction of amino acids with cytosine, uracil and caffeine. Mendeleev Commun., 1995, N 2, pp.72-74
A.Zielenkiewicz, O.V.Kulikov, H. Piekarski, W.Zielenkiewicz – Thermodynamic investigations of interactions in aqueous solutions of glycine and some small peptides with caffeine and 1,3-dimethyluracil at 298.15 K. Thermochim.Acta, 1995, v.256, pp.237-248
O.V.Kulikov, G.A.Krestov – Thermodynamics and mechanism of complexation of peptides with 18-crown-6 in water. Pure & Applied Chemistry, 1995, v.67, N 7, pp.1103-1108
Kulikov O.V., Krestov G.A., Zielenkiewicz W. – Enthalpy parameters for interaction of small peptides with 18-crown-6 and aza-18-crown-6 in water at 25 C. J.Solution Chem., 1995, v.24, N 11, pp.1155-1170
Куликов О.В., Зеленкевич В., Куликова С.Р. – Изменение объемов при комплексообразовании аминокислот и пептидов с краун эфирами в воде. ЖФХ, 1996, т.70, №6, с.1026-1030
Parfenyuk E.V., Kulikov O.V. – Enthalpic and volume effects in the interaction of D-glucose with crown ethers in water. Thermochim.Acta, 1996, v.285, pp.253-258
Куликов О.В., Корнилова Н.Ю. – Термодинамические свойства супрамолекулярных комплексов аминокислот и пептидов с 18-краун-6 и криптандом(222). ЖФХ, 1996, т.70, №12, с.2119-2122
Куликов О.В., Лапшев П.В., Парфенюк Е.В. – Энтальпии взаимодействия аминокислот и пептидов с 6-азаурацилом в воде. Биофизика, 1996, т.41, вып.6, с.1157-1162
O.V.Kulikov, P.V.Lapshev – Interactions of b-cyclodextrin with nonpolar and aromatic amino acids in water. Mendeleev Commun., 1996, N 6, p.255-256
Куликов О.В., Лапшев П.В. – Серия. Термодинамические характеристики гидратации аминокислот и пептидов, рассчитанные на основе сфероцилиндрической модели масштабной частицы. 1. Теория. Изв.Вузов. Химия и хим. технология. 1997, т.40, вып.4, с.53-59
Куликов О.В Куликов О.В., Лапшев П.В - Серия. Термодинамические характеристики гидратации аминокислот и пептидов, рассчитанные на основе сфероцилиндрической модели масштабной частицы. 2. Результаты. Изв.Вузов. Химия и хим. технология. 1997, т.40, вып.4, с.59-63
Лапшев П.В., Куликов О.В. – Термодинамика и механизм взаимодействия урацила с аминокислотами в воде//Известия Академии наук. Серия химическая. 1997, №5, с.932-934
Куликов О.В., Терехова И.В. – Термодинамика комплексообразования аминокислот, содержащих различные функциональные группы, с 18-краун-6 в воде.//Координационная химия, 1997, т.23, №12, с.946-949
Куликов О.В., Терехова И.В. – Термодинамика комплексообразования аминокислот и пептидов, содержащих неполярные боковые группы, с 18-краун-6 в воде.//Координационная химия, 1998, т.24, №5, с.395-399
Куликов О.В., Лапшев П.В.,Терехова И.В. – Термодинамические характеристики и механизм комплексообразования некоторых макроциклических лигандов с аминокислотами в воде.//ЖФХ, 1998, т.72, № 4, с.725-729
Лапшев П.В., Куликов О.В. – Термодинамические характеристики взаимодействия цитозина с аминокислотами в воде.//Координационная химия, 1998, т.24, № 6, с.476-479
Куликов О.В., Терехова И.В – Термодинамические особенности взаимодействия дипептидов с макроциклическим эфиром 18-краун-6 в воде.//Координационная химия, 1998, т.24, №11, с.878-880
Терехова И.В., Куликов О.В. – Термодинамические особенности взаимодействия дипептидов с макроциклическим эфиром 18-краун-6 в воде.//Известия Академии наук. Серия химическая, 1999, №12, с.2285-2288
Лапшев П.В., Куликов О.В. – Термодинамика и механизм взаимодействия аденина с аминокислотами в воде.// Известия Академии наук. Серия химическая, 1999, №2, с.289-291
Терехова И.В., Лапшев П.В., Куликов О.В. – Термодинамический анализ селективного взаимодействия α- и β-циклодекстринов с ароматическими аминокислотами в воде.//ЖФХ, 2000, т.74, №11, с.2011-2013
Куликов О.В., Лапшев П.В. – Термодинамические аспекты молекулярного узнавания в растворах модельных биологических и макроциклических соединений.// Глава в коллект. монографии «Биологически активные вещества в растворах: структура, термодинамика, реакционная способность», М.: Наука, 2001, с.184-254
Terekhova I.V., Parfenyuk E.V., Kulikov O.V. – Thermodynamics of the interactions of peptides with α- and β-cyclodextrins.// J.Thermal. Analysis and Calorimetry, 2002, v.68, pp.185-189
Terekhova I.V. and Kulikov O.V. – Thermodynamics of the interactions of ascorbic acid with α- and β-cyclodextrins in aqueous solutions.// Mendeleev Commun., 2002, pp.111-112
Терехова И.В., Куликов О.В. – Взаимодействие неароматических аминокислот с циклодекстринами в водном растворе.// Ж. Общей химии, 2002, т.72, вып.7, с.1165-1167
Терехова И.В., Куликов О.В. – Взаимодействие лимонной кислоты с моно- и олигосахаридами.// ЖФХ, 2002, т.76, №9, с.1601-1605
Terekhova I.V. and Kulikov O.V. – Calorimetric study of the molecular recognition of nucleic acid bases by β-cyclodextrin in aqueous solution.// Mendeleev Commun., 2002, pp.245-246
Терехова И.В., Лапшев П.В., Куликов О.В. – Термодинамика комплексообразования α-циклодекстрина с основаниями нуклеиновых кислот и их производными.//Координационная химия, 2003, т.29, №1, с.78-80
Терехова И.В., Куликов О.В., Агафонов А.В. Объемные изменения происходящие при комплексообразовании 18-краун-6 с аминокислотами в водном растворе.// Ж.Общей химии, 2003, т.73, вып.2, с.336-338

43. Лапшев П.В., Куликов О.В., Терехова И.В. Термодинамика взаимодействия тимина с аминокислотами в воде. // ЖФХ. - 2003, т.77, вып.5, с.943-945

44. Terekhova I.V., Kulikov O.V., Titova E.S. – Enthalpic characteristics of interactions occurring between an ascorbic acid and some saccharides in aqueous solutions // Thermochimica Acta, 2004, 412, pp.121-124

45. Терехова И.В., Куликов О.В., Баранников В.П. Термическая диссоциация супрамолекулярных комплексов на основе 18-краун-6 и аминокислот // Ж.Общей химии, 2004, т.74, вып.8, с.1313-1317

46.Куликов О.В., Терехова И.В., Кумеев Р.С., Альпер Г.А. Термодинамическое и спектроскопическое исследование взаимодействия α-, β- циклодекстринов и 18-краун-6-эфиров с основаниями нуклеиновых кислот // ЖФХ. - 2004. - T. 78. - №9. - C.1694-1699.

47. Терехова И.В., Куликов О.В., Кумеев Р.С., Никифоров М.Ю., Альпер Г.А. исследование методом ЯМР ¹Н комплексообразования α- и β- циклодекстринов с некоторыми биологически активными кислотами. // Координационная химия, 2005, том 31, №3, с. 234-236.

Blog

Протон