CC BY
29
УДК 621.315.5
С. С. Попова, Н. А. Окишева, Т. О. Рябухова
АДСОРБЦИОННО-ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ ПОВЕДЕНИЕ АМИНКОКИСЛОТ НА ГРАФИТИРОВАННОМ МЕДНОМ Си(С) - ЭЛЕКТРОДЕ
Ключевые слова: аминокислоты, потенциодинамические кривые.
Исследовано влияние природы аминокислот на их адсорбционно-электрохимическое поведение на графитированном медном электроде в циклическом потенциодинамическом режиме. Показано, что валин и аспарагиновая кислота обладают наиболее высокой диффузной подвижностью в адсорбированном состоянии и обеспечивают наибольшую скорость электрохимических превращений при переходе в область водородной и, соответственно, кислородной деполяризации. Сделан вывод об определяющем влиянии размеров молекул аминокислот и кислотности среды.
Key words: amino acids, potentiometric curves.
The effect of amino acids on the nature of the adsorption-electrochemical behavior of graphite on a copper electrode in a cyclic potentiodynamic mode. It is shown that the valine and aspartic acid have the highest mobility to diffuse the adsorbed state and provide the greatest rate of electrochemical reactions at the transition to a hydrogen and respectively oxygen depolarization. It is concluded that the effect of amino acids determines the size of the molecules and the acidity of the medium.
Введение
Известно, что обязательными компонентами творожной сыворотки, наряду с сывороточными белками, лактозой, катионами металлов переходного ряда, являются аминокислоты[1-3]. Для всех аминокислот характерно преобладание гидрофильной гидратации цвиттер-ионов над гидрофобной гидратацией белковых цепей. По аминокислотному составу белки сильно различаются между собой (табл. 1): от 140 мг / 100 г сыворотки для глутаминовой кислоты до 80 мг / 100 г сыворотки в случае аспарагиновой кислоты и лейцина, содержание цистеина лежит в пределах 10 мг / 100 г сыворотки [4,5]. Для сравнения в бобах нута [4] содержание аминокислот возрастает в 10-50 раз. Таким образом пренебрегать влиянием адсорбционно-электрохимического поведения
аминокислот на реакционную способность белков нельзя. При исследовании адсорбционно-электрохимического поведения растворов аминокислот на Р1-электроде на фоне №С1 [4] было обнаружено, что с введением метионина, лейцина или валина плотность тока и соответственно количество адсорбированного вещества 9адс на Р-электроде заметно снижаются в водородной области и увеличиваются в области потенциалов адсорбции-десорбции кислорода. Введение глутаминовой кислоты или глицина вызывает обратный эффект, который усиливается с увеличением рН раствора (табл. 2,3). Если учесть, что аминокислоты ведут себя в растворе как амфолиты, то обнаруженный эффект можно объяснить увеличением длины цепи углеводородного радикала Я и ослаблением активности КН3+ - центра в ряду:
Гли Вал Лей Глу
Н- (СИзЪСИ- (СИзЪСИ- HOOC-СН2- СН2-
СН2-
При подкислении подавляется кислотного центра (-СОО-), что
Мет H3C-S-СН2-СН2-влияние облегчает
превращение аминокислоты через ион-радикал КН3 [7,8] (табл. 3). Присутствие серы в Я-цепи метионина вызывает снижение перенапряжения выделения водорода, а в анодной области плотность тока возрастает в 5-6 раз, по сравнению с плотностью тока, фиксируемой в растворах с глицином [6]. Появление в конце Я-цепи второй карбоксильной группы в случае глутаминовой кислоты мало сказывается на кинетике процесса в водородной области, а в кислородной области поведение Глу подобно Мет, т.е. преобладает влияние длины Я-цепи. Восстановленная форма аминокислоты в адсорбированном состоянии медленно обменивается с её окисленной формой в растворе. При замене Р1-электрода на графит скорость процесса возрастает в 2 раза [6].
Таблица 1 - Содержание аминокислот в творожной, подсырной сыворотке и нуте
Содержание, мг/100 г
Аминокислота Подсырная Творожная Бобы нута
Аспарагиновая 81,8 80,0 2422,0
кислота
Валин 46,2 4з,1 865,0
Лейцин 81,8 85,1 1465,0
Метионин 13,8 14,9 270,0
Таблица 2 - Характеристика радикалов Я аминокислот, выбранных для исследования
Амино кисло Дли на, нм Структурная формула боковой Объем нм3 Q * ^макс
та группы
Валин 0,40 (СНз)2СН- 0,0863 0,12
Лейцин 0,53 (СН3)2СН-СН2- 0,1134 0,18
Метион 0,69 Н3С — S - СН2 - 0,1121 0,9
ин СН2 -
*степень заполнения поверхности на Pt электроде в щелочном растворе [6]
адсорбцию и последующее электрохимическое
Таблица 3 - Влияние рН на адсорбцию и на потенциал Еокс электроокисления аминокислот на платиновом электроде [6]
Целью настоящей работы было исследование влияния состава и строения радикала R в молекулах аминокислот: валине, лейцине, метионине и аспарагиновой кислоте на графитированном медном электроде в области потенциалов адсорбции -десорбции от -2 до +2 В, за пределами которой преобладают процессы выделения водорода (отрицательнее -2 В) и соответственно кислорода (положительнее +2 В). Изоэлектрические точки валина и лейцина составляют 5,97 и 5,98, для метионина 5,75, то есть достаточно близки. В этом соотношении выбранные нами для исследования аминокислоты (табл. 1) не должны оказывать сколько-нибудь заметного влияния на характер поведения белков в электрическом поле. Количественное соотношение также не является определяющим. По содержанию в подсырной или творожной сыворотке (табл. 1) выбранные для исследования аминокислоты располагаются в ряд (в порядке возрастания): лейцин (83,5±1,5) > аспарагиновая кислота (81±1,0) >валин (44,6±1,5) >> метионин (14,4±0,5).
Экспериментальная часть
Рабочая поверхность исходного Cu-электрода подвергалась предварительному механическому шлифованию наждачной бумагой марки (ГОСТ 10054-80), химическому обезжириванию в растворе состава, г/л: Na2CO3 - 40, Na3P04 ■ 12Н2О - 40, NaOH - 40 (т = 110 с), травлению в растворе состава, г/л: HCl - 50 (т = 110 с), тщательной промывке в бидистилированной воде. Идентичность состояния поверхности медных электродов оценивали по воспроизводимости величины бестокового стационарного потенциала в рабочем растворе электролита [5]. Нерабочую поверхность электрода покрывали кислостойким лаком МЛ-92. На рабочую поверхность наносили путем механического натирания токопроводящий слой графита. Рабочая (видимая) поверхность электродов составляла 3 см2.
Исследование адсорбционно-
электрохимического поведения аминокислот проводили в циклическом потенциодинамическом режиме в диапазоне потенциалов от -2 до + 2 В (относительно хлорсеребряного электрода сравнения) при скоростях развертки потенциала: 80, 40, 20, 10 и 4 мВ/с на потенциостате П-5848. Циклические потенциодинамические кривые регистрировали с помощью самопишущего потенциометра КСП-4 на диаграммную ленту. Скорость движения диаграммной ленты составляла при скоростях развертки vp потенциала 80 и 40 мВ/с
- 54 000 мм / час; при ур= 20 и 40 мВ/с - 5400 мм/час; при ур= 4 мВ/с снижали до 540 мм/час.
Результаты и их обсуждение
Согласно полученным нами данным, в случае Си(С)-электрода изменение скорости развертки не сказывается на ходе ЦПДК (рис.1, а-г). При всех скоростях развертки потенциала в анодной области потенциалов положительнее 0,0В (относительно ХСЭ) для всех исследованных аминокислот характерны высокая обратимость процесса: кривые прямого и обратного хода практически совпадают. При этом диапазон плотностей тока не зависит от скорости развертки потенциала и уменьшается в ряду аминокислот:
Валин > Аспарагиновая кислота >> Метионин >>Лейцин
Если обозначить перечисленные аминокислоты общей формулой (КН2)КСООИ, то можно отметить, что удлинение углеводородного радикала Я и появление в нем гетероатома в значительно большей степени способствует дезактивации процесса в анодной области потенциалов, чем появление в нем второй карбоксильной группы. Плотность тока, достигаемая при потенциале реверса Е = 2 В, снижается соответственно рассматриваемому ряду почти на порядок:
~ 4,5 >3,7 > 2,1 > 0,5 мА/см2
Малая длина радикала, меньший объем молекулы (табл.2) обусловливают более высокую диффузионную подвижность молекул валина в адсорбционном слое и особенно значительно в сравнении с метионином, в молекулах которого появляется гетероатом серы, что приводит к заметному смещению области потенциалов адсорбции кислорода в область более отрицательных значений, т.е. к снижению перенапряжения процесса и позволяет говорить об увеличении адсорбционной активности кислорода в рассматриваемом ряду аминокислот. При этом увеличение рН приводит к заметному увеличению количества электричества, отвечающего процессу восстановления-окисления адсорбированной
аминокислоты, что согласуется с ранее полученными данными на платине (табл. 3) [6]. Обнаруженный эффект можно объяснить тем, что с увеличением длины цепи углеводородного радикала Я ослабевает активностьКН3+-центра и облегчается адсорбция и последующее электрохимическое превращение аминокислот через ион-радикал МИ3+. Таким образом, определяющими являются размеры молекул аминокислот и кислотность среды. В катодной области отмеченные закономерности сохраняются. Влияние диффузии молекул в адсорбированном слое возрастает, становится определяющим.
Об этом говорит появление петли гистерезиса, размеры которого увеличиваются с увеличением скорости развертки (рис.1, а-г). Наиболее высокая степень обратимости процесса адсорбции характерна для лейцина, для которого
Аминокислота рН 2,0 рН 7,0 рН 12,0
^адс F В ^адс F В ^адс F В
Валин <0,01 - 0,03 0,73 0,12 0,235
Метионин - 0,95 0,13 0,80 0,90 0,350
зафиксирована наиболее низкая плотность тока: в превышает 0,4-0,5 мА/см , а в катодной она ещё
анодной точке реверса величина потенциала ip не
ниже: ipK = 0,1 мА/см .
■
:i>X> i iOOO 2000 SOOO
E, глВ
f -----...
—■— Лсйцни
/ —Acnapamicoe-in
-MK.WH.H.,
Рис. 1 - ЦПДК для графитированного медного Си(С) электрода при различных скоростях развертки потенциала мВ/с: а - 4, б - 8, в - 20, г - 4
Наиболее высокие значения 1раи 1рки соответственно 1макск в области гистерезисной петли обнаружены на графитированном Си(С)-электроде в растворе валина.
Таким образом, полученные нами данные на Си(С) электроде подтвердили, что валин и аспарагиновая кислота отличаются наиболее высокой диффузионной подвижностью в адсорбированном состоянии и обеспечивают наиболее высокую скорость электрохимических превращений при переходе в область водородной или соответственно кислородной деполяризации.
Литература
1. Г. Малер, Ю. Кордес, Основы биологической электрохимии. - Мир, Москва, 1970. 567 с.;
2. Д.А. Фридрихсберг, Курс коллоидной химии. Химия, Ленинград, 1984. 386 с.;
3. Ю.Б. Егорова, Ю.С. Тремсина, В.И. Севастьянова, ЖФХ, 72, 6, 1138-1142 (1998);
4. И.Л. Казанцева, Ю.А. Тырсин, Нут. Перспективы использования в производстве функциональных продуктов. Саратов, СГТУ, 2013. 164 с;
5. Ф.А. Армстронг, Электрохимия, 38, 1, 58-73 (2002);
6. В.В. Мещеряков, С.С. Попова, Г.А. Распопова, В.А. Боброва, Актуальные проблемы электрохимической технологии. Сб. статей молодых ученых. Саратов, СГТУ, 2000. С. 244-248.
7. В.К. Абросимов, В.В. Лявданский, Г.А. Крестов, Изв. вузов. Химия и химическая технология. - 1981. Т. 24. вып.9 С.784-786
8. В. К. Абросимов, Р. В. Чумакова, ЖФХ, 72, 6, 994 -997(1998).
© С. С. Попова - д.х.н., профессор кафедры химических технологий, Энгельский Технологический Институт (филиал) Саратовский Государственный Технический Университет им. Гагарина Ю.А.»; Н. А. Окишева - канд. хим. наук, доцент кафедры «Естественные и математические науки» того же унверситета, [email protected]; Т. О. Рябухова - канд. хим. наук, доцент кафедры «Естественные и математические науки» того же университета.
© S. S. Popova - Dr. in chemistry, Engels Technological Institute (Branch) of Saratov State Technical University, professor of Department of Chemical Technology, N. A. Okisheva - Ph.D. in chemistry, associate professor of Natural and Mathematical Sciencechair of the same University, [email protected]; T. O. Ryabukhova - Ph.D. in chemistry, associate professor of Natural and Mathematical Science chair of the same University.
