Термодинамика образования молекулярных комплексов в водных растворах аминокислот, пептидов, нуклеиновых оснований и макроциклических соединений 02. 00. 04 физическая химия
| Вид материала | Автореферат |
- Координационная химия и реакционная способность смешанных ацидопорфириновых комплексов, 804.83kb.
- Влияние состава водно-органических растворителей и буферных систем на энтальпийные, 372.37kb.
- Координационные взаимодействия глюкозамина, хитозана и их гидрохлоридов с ионами d-металлов, 403.45kb.
- Рабочая программа дисциплины (модуля) «математический анализ», 424.74kb.
- Рабочая программа дисциплины (модуля) «Уравнения математической физики», 266.58kb.
- Рабочая программа дисциплины (модуля) «Линейная алгебра и аналитическая геометрия», 275.82kb.
- Спецкурс «Химия нуклеиновых кислот и основы генной инженерии» для студентов 4 курса, 23.84kb.
- Теоретическое и экспериментальное изучение взаимодействия комплексов металлов, 374.68kb.
- Координационные свойства комплексов меди и марганца с β-октаалкилпорфиринами и их мезо-фенильными, 305.31kb.
- Образовательная программа 240100 Химическая технология и биотехнология Дисциплина Химия, 54.66kb.
На правах рукописи
КУЛИКОВ Олег Вячеславович
ТЕРМОДИНАМИКА ОБРАЗОВАНИЯ МОЛЕКУЛЯРНЫХ КОМПЛЕКСОВ В ВОДНЫХ РАСТВОРАХ АМИНОКИСЛОТ, ПЕПТИДОВ, НУКЛЕИНОВЫХ ОСНОВАНИЙ И МАКРОЦИКЛИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
02.00.04 – физическая химия
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
доктора химических наук
Иваново - 2005
Работа выполнена в Институте химии растворов РАН
Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор
Иванов И.И.
доктор химических наук, профессор
Петров П.П.
доктор химических наук, профессор
Сидоров С.С.
Ведущая организация Ивановский государственный химико-
технологический университет
Защита состоится «Х» _________ 2005 года в ___ часов на заседании
диссертационного совета Д 002.106.01 в Институте химии растворов
РАН по адресу: 153045, г. Иваново, ул. Академическая, 1.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИХР РАН.
Автореферат разослан «Х» ___________ 2005 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Ломова Т.Н.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.
Актуальность работы.
Проблемы изучения межмолекулярных взаимодействий и комплексообразования в системах содержащих сольватированные биомолекулы и макроциклические лиганды актуальны для фундаментальной химии и представляют значительный практический интерес.
Все известные направления использования синтетических макроциклических соединений – краун-эфиров и природных циклодекстринов основаны на их уникальной способности к избирательному комплексообразованию с катионами и нейтральными молекулами. Выбор молекул "гостей" макромолекулами-хозяевами обусловливается принципом комплементарности и составляет основу протекания многих биохимических процессов, таких как ферментативный катализ, мембранный транспорт, взаимодействия антиген-антитело и т.п. Принцип «молекулярного узнавания» является определяющим при использовании краун-соединений и их производных для разделения биомолекул (например, аминов и аминокислот) и для создания новых комплексных соединений обладающих уникальными свойствами.
Несмотря на важность таких объектов, они изучены в основном структурными методами в кристаллическом состоянии, и механизм взаимодействий до сих пор не ясен. В литературе имеется лишь ограниченное количество работ, посвященных анализу термодинамических аспектов «молекулярного узнавания» в растворах, роли растворителя и сольватации реагентов, по-видимому, из-за отсутствия соответствующих экспериментальных методик определения термодинамических характеристик сложных комплексных взаимодействий, включающих как слабые силы, так и силы, приводящие к образованию супрамолекулярных комплексов.
Поэтому комплексное физико-химическое исследование природы, энергетики и механизма межчастичного взаимодействия широкого ряда биомолекул с макроциклическими лигандами, обладающими различной структурой полостей и характером связывания молекул гостей, является актуальным как с точки зрения развития химии супрамолекулярных соединений, так и приоритетных направлений биохимии, биотехнологии, фармакологии.
Цель работы. Целью настоящей работы является установление общих закономерностей в термодинамике реакций молекулярного комплексообразования в водных растворах модельных биологических и макроциклических соединений с различной химической природой полости.
Для ее выполнения необходимо решение следующих задач:
- провести экспериментальное термодинамическое исследование энергетики межмолекулярных взаимодействий в водных растворах содержащих ряд аминокислот, пептидов, пищевых кислот, нуклеиновых оснований и макроциклических лигандов (краун-эфиры, криптанды, циклодекстрины);
- провести обобщение термодинамических характеристик реакций комплексообразования с позиций сольватационного подхода;
- адаптировать физико-математический формализм для расчета термодинамических характеристик (энтальпийной (ΔH), энтропийной (ΔS) составляющих, энергии Гиббса (ΔG) и энтальпийных коэффициентов hxy ) при изучении «слабых» и «сильных» взаимодействий в тройных растворах, содержащих модельные биологические и макроциклические соединения;
- определить способность рассматриваемых макроциклических соединений к избирательному связыванию («молекулярному узнаванию») модельных биомолекул в кристаллическом состоянии и в воде и выявить роль «слабых» нековалентных и специфических сил при взаимодействии;
- на основе данных ЯМР-спектроскопии выявить особенности молекулярного механизма взаимодействия изучаемых молекул.
Научная новизна работы.
Впервые проведено термодинамическое и структурное исследование комплексообразования пептидов с краун-эфирами в водном растворе и супрамолекулярные соединения пептид/краун/вода выделены в виде кристаллогидратов. Показана возможность образования молекулярных комплексов в водных растворах аминокислот, пищевых кислот, нуклеиновых оснований с циклодекстринами основанных на избирательности взаимодействия изученных соединений (принципах «молекулярного узнавания»). Предложены термодинамические критерии, позволяющие классифицировать взаимодействие как слабое или приводящее к молекулярному комплексообразованию.
Показано, что комплексообразование ряда биомолекул с двумя классами макроциклических лигандов: краун-эфирами и циклодекстринами имеет различный молекулярный механизм. Впервые исследована высокая избирательная способность циклодекстринов к комплексообразованию с нуклеиновыми основаниями и пищевыми кислотами, обусловленная возможностью взаимодействия как внутри полости, так и на поверхности циклодекстрина.
Впервые для изучения таких систем предложен термодинамический метод, основанный на физико-математическом формализме вириальных разложений избыточных энтальпий растворов и расчетах термодинамических функций образования, позволяющий комплексно изучать как слабые, так и сильные специфические взаимодействия, приводящие к образованию молекулярных комплексов в растворах биологических и макроциклических соединений с ограниченной растворимостью.
На основе комплексного анализа полученных экспериментальных данных выявлено влияние природы, строения и сольватации молекул реагирующих веществ на межмолекулярные взаимодействия в растворах содержащих различные функциональные биомолекулы и макроциклические соединения. Выявленные закономерности позволяют прогнозировать термодинамические характеристики взаимодействия исследованных классов молекул.