Термодинамика процессов комплексообразования ионов кальция с аминокислотами в водном растворе

                                                             На правах рукописи

 

 

КУРОЧКИН ВЛАДИМИР ЮРЬЕВИЧ

 

 

 

 

 

ТЕРМОДИНАМИКА ПРОЦЕССОВ КОМПЛЕКСООБРАЗОВАНИЯ ИОНОВ КАЛЬЦИЯ С АМИНОКИСЛОТАМИ В ВОДНОМ РАСТВОРЕ

 

02.00.04 – физическая химия

 

 

 

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата химических наук

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Иваново – 2011

 

Работа выполнена на кафедре  аналитической химии Государственного образовательного учреждения высшего  профессионального образования  «Ивановский государственный химико-технологический  университет»

 

Научный руководитель:	кандидат химических наук, доцент Черников Виктор Владимирович
Официальные оппоненты:	доктор химических наук, профессор Козловский Евгений Викторович   доктор химических наук, профессор Щербаков Владимир Васильевич
Ведущая организация:	Тверской государственный университет

 

 

Защита состоится  «  » февраля 2011 г. в   час. на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.063.06 при Ивановском государственном химико-технологическом университете по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 7.

Тел. (4932) 32-54-33  факс (4932)  32-54-33   e-mail: dissovet@isuct.ru

 

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «ИГХТУ» по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 10.

 

Автореферат разослан «    »  января  2011г.

Ученый секретарь совета                                                     Егорова Е.В.

 

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА  РАБОТЫ

Актуальность Аминокислоты играют важную роль в процессах метаболизма в живых организмах. Особый интерес представляет исследование свойств α-аминокислот, которые участвуют в построении молекул белка и выполняют ряд уникальных функций в процессах жизнедеятельности. В основе биохимической активности аминокислот лежит их способность участвовать в процессах комплексообразования с различными катионами металлов, в том числе и кальция(II), обладающего высокой биологической активностью. Кальций является основным строительным материалом для роста и развития костной ткани организма. Исследование взаимодействия иона кальция с аминокислотами представляет несомненный научный и практический интерес, так как позволяет глубже проникнуть в суть биологических процессов. Зная величины термодинамических характеристик в системах аминокислота – Са²⁺ можно проводить строгие термодинамические расчеты с участием этих соединений в реальных системах.

В качестве объектов исследования был выбран ряд  различных по строению α-аминокислот: L-лейцин, L-серин, L-глутамин, L-аспарагин, L-гистидин, DL-фенилаланин, DL-триптофан, L-глутаминовая кислота, в состав которых входили различные функциональные группировки. Представляет интерес выяснить, как влияет природа заместителя на характер комплексообразования иона кальция с аминокислотами, на термодинамику данного процесса.

Следует отметить, что имеющиеся в литературе данные по устойчивости комплексов перечисленного ряда аминокислот с ионом кальция  весьма ограничены и противоречивы. Данные по энтальпиям и энтропиям реакций взаимодействия иона Са²⁺ с выбранными аминокислотами отсутствуют, хотя важность этих величин бесспорна.

Работа выполнена при поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (госконтракт №02.740.11.0253) и Аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» на 2009-2010 годы (проекты №2.1.1/5593 и №2.1.1/5594).

Цель работы Установить влияние различных функциональных группировок, входящих в состав аминокислот, и размера молекул на термодинамические характеристики процессов комплексообразования L-лейцина, L-серина, L-глутамина, L-аспарагина, L-глутаминовой кислоты, L-гистидина, DL-фенилаланина, DL-триптофана с ионом кальция в водном растворе. Выявить особенности координации аминокислот с ионом кальция в составе комплекса.

Поставлены  следующие задачи:

- потенциометрическим методом определить константы устойчивости иона кальция с L-лейцином, L-серином, L-глутамином, L-аспарагином, L-глутаминовой кислотой, L-гистидином, DL-фенилаланином, DL-триптофаном при нескольких значениях ионной силы (I = 0,5; 1,0; 1,5; KNO₃) и Т=298 К;

- калориметрическим методом определить энтальпии реакций комплексообразования исследуемого ряда аминокислот с ионом Са²⁺ при I = 0,5 (KNO₃) и Т=298 К;

- выявить основные закономерности в термодинамических характеристиках процессов комплексообразования иона кальция с аминокислотами;

- сопоставить термодинамические характеристики реакций комплексообразования иона кальция с некоторыми биолигандами, при переходе от простых, по своей структуре, карбоновых кислот к более сложным молекулам - аминокислотам и комплексонам.

 Научная новизна работы

Впервые определены величины констант устойчивости комплексов кальция(II) с цвиттер-ионной формой L-лейцина, L-серина, L-аспарагина, L-глутамина, DL-фенилаланина, DL-триптофана и анионной формой DL- фенилаланина. Существенно дополнены данные по величинам констант устойчивости образования комплексов состава CaL¹, и комплексов кальция(II) с цвиттер-ионной формой L-гистидина и моноанионной формой L-глутаминовой кислоты.

В работе впервые получены основные термодинамические характеристики комплексообразования иона кальция с рядом аминокислот при I = 0,5 (KNO₃) и Т = 298 К.

Установлено, что дополнительные функциональные группы, входящие в состав лиганда, повышают устойчивость протонированных комплексов CaHL², в то время как увеличение размера молекул лиганда приводит к обратному действию. В меньшей степени подобные зависимости прослеживаются для комплексов состава CaL, что связано со стерическими особенностями координации.

Практическое значение

Полученные  в настоящей работе данные могут быть использованы в качестве справочного материала и включены в базу термодинамических данных.

С помощью  полученных данных работы становится возможным проведение математического  моделирования равновесий в многокомпонентных  системах с участием кальция(II) и аминокислот, а также прогнозирование поведения систем в широком интервале значений ионной силы, концентраций и рН.

Результаты, представленные в настоящей работе, востребованы в таких областях как медицина и фармакология, поскольку с их помощью становится возможным разработать методики для целенаправленного синтеза новых комплексных соединений, составляющих основу лекарственных препаратов.

Личный вклад  автора Экспериментальная часть работы, обработка результатов исследования выполнена автором лично. Постановка целей и задач исследования, выбор экспериментальных методик,  обсуждение полученных результатов, оформление материалов для публикации научных статей и тезисов докладов выполнено под руководством Черникова В.В.

Апробация работы Отдельные разделы диссертации докладывались на CCIV Международной Чугаевской конференции по координационной химии (г. Санкт-Петербург. 2009.); XVII Международной конференции по химической термодинамике в России RCCT 2009 (г. Казань. 2009.), III и IV Региональной конференции молодых ученых «Теоретическая и экспериментальная химия жидкофазных систем» (Крестовские чтения) (г. Иваново. 2008, 2009 гг.).

Публикации  По теме диссертационной работы опубликовано 2 статьи в журналах перечня ВАК и тезисы 4 докладов на научных конференциях.

Объём работы Диссертационная работа изложена на 113 страницах машинописного текста, содержит 15 рисунков, 42 таблиц, состоит из следующих разделов: введения,  главы, посвященной обзору литературы, глав, включающих экспериментальный материал и его обсуждение, основных итогов работы, списка цитируемой литературы, содержащего 120 наименований работ отечественных и зарубежных авторов, и приложения.

 

Основное  содержание работы

В первой главе дана краткая характеристика и биологическая значимость объектов исследования – иона кальция, L-лейцина, L-серина, L-аспарагина, L-глутамина, L-глутаминовой кислоты, DL-гистидина, L-фенилаланина, DL-триптофана. В табл. 1 приведены структурные формулы вышеназванных аминокислот.

Таблица 1

Структурные формулы исследуемых  аминокислот

Название	Структура	Название	Структура
Лейцин		Глутаминовая кислота
Серин		Гистидин
Аспарагин		Фенилаланин
Глутамин		Триптофан

 

 

Приведены литературные данные по константам протолитических равновесий в растворах указанных аминокислот. На основании критического анализа литературных данных выбраны наиболее вероятные значения констант кислотно-основного взаимодействия аминокислот в водных растворах.

Проведен анализ данных, представленных в литературе, по термохимии  кислотно-основного взаимодействия исследуемого ряда аминокислот. Выбраны наиболее надежные значения величин тепловых эффектов протолитических равновесий исследуемых аминокислот (за исключением L-лейцина) при I = 0,5 и Т = 298 К. Значения энтальпий и констант диссоциации исследуемых аминокислот при данных условиях потребуются в дальнейших расчетах величин ∆H_CaL и ∆H_CaНL.

Дан критический анализ работ по комплексообразованию иона кальция с исследуемыми аминокислотами в водном растворе. Отмечено, что взаимодействие иона кальция с лейцином, аспарагином и глутамином рассмотрено только в единичных работах, с фенилаланином ранее не исследовалось, с серином и глутаминовой кислотой рассмотрено в нескольких работах, однако данные работ существенно расходятся, что требует дополнительных исследований.

В ходе анализа литературных данных по константам устойчивости образования комплексов кальция(II) с рассматриваемыми аминокислотами было отмечено, что во всех работах потенциометрические исследования проводили с индикаторным стеклянным электродом. В зарубежных обзорных статьях, касающихся взаимодействия аминокислот с различными ионами металлов, неоднократно подчеркивается тот факт, что рН-метрическое определение малоустойчивых комплексов нецелесообразно, вследствие малой чувствительности данного метода в подобных системах. Использование кальций-ионоселективного электрода в потенциометрических исследованиях позволило получить, на наш взгляд, более корректные данные во всех рассматриваемых системах.

Во второй главе приводится характеристика использованных реактивов, описывается потенциометрическая и калориметрическая установки, методики проведения потенциометрических и калориметрических исследований, а также проверка работы калориметрической установки по стандартным веществам.

Для определения констант устойчивости аминокислот с ионом кальция использовали метод потенциометрического титрования. Измерения ЭДС цепи

Ag, AgCl│KCl ║ исследуемый раствор ║мембрана│CaCl₂│AgCl, Ag

проводили с помощью прибора «Мультитест ИПЛ-311» с индикаторным кальций - ионоселективным электродом и хлоридсеребряным электродом сравнения. Точность измерения потенциала составляла ±0,1мВ. Температуру в потенциометрической ячейке поддерживали с точностью 25±0,1⁰С.

Термохимические исследования проводили в калориметре с изотермической оболочкой и автоматической записью кривой калориметрического опыта. Калибровку  калориметра проводили электрическим током. Температура изотермической оболочки поддерживалась с точностью 0,005К.

В третьей главе представлена обработка экспериментальных данных потенциометрических исследований и приведено обсуждение полученных результатов. В качестве примера приведена методика расчета констант устойчивости реакций образования L-лейцина с ионом кальция.

1. Комплексообразование иона кальция с L-лейцином

Константы устойчивости реакций образования L-лейцина с ионом Са²⁺ были определены методом потенциометрического титрования смеси раствора L-лейцина и нитрата кальция раствором гидроксида калия при трех значениях ионной силы (0,5, 1,0, 1,5 KNO₃) и Т = 298 К. Соотношение кальций(II) – L-лейцин составляло 1:1, 1:2 и 1:4.

Экспериментальные данные обрабатывались по программе «PHMETR» с учётом следующих процессов:

H+ + Leu‾ = HLeu±	(1.1)
2H+ + Leu‾ =  H2Leu+	(1.2)
H+ + OH ‾ = H2O	(1.3)
Ca2+ + NO3‾ = Ca(NO3)+	(1.4)
Ca2+ + Leu‾ = CaLeu+	(1.5)
Ca2+ + HLeu± = CaHLeu2+	(1.6)
Ca2+ + H2Leu+ = CaH2Leu3+	(1.7)
2Ca2+ + Leu‾ = Ca2Leu3+	(1.8)
Ca2+ + 2Leu‾ = CaLeu2	(1.9)
Ca2+ + Н2О = Ca(OH)+ + Н+	(1.10)