CC BY
10УДК 541.8:541.13
И.Н. Межевой, В.Г. Баделин, Е.Ю. Тюнина
ЭНТАЛЬПИЙНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАСТВОРЕНИЯ ЦИСТЕИНА В ВОДНЫХ РАСТВОРАХ ДОДЕЦИЛСУЛЬФАТА НАТРИЯ
(Институт химии растворов им. Г.А. Крестова РАН) e-mail: [email protected]
Методом калориметрии растворения измерены энтальпии растворения (AsolHm) L-цистеина в водных растворах додецилсульфата натрия при изменении его концентрации до 0.05 моляльности. Определены стандартные значения энтальпии растворения (AsoiH°) и энтальпийные коэффициенты парных взаимодействий (hxy) аминокислоты с додецилсульфатом натрия в воде при 298.15 К. Обсуждение полученных данных проведено на основе рассмотрения различных типов взаимодействий в растворах и влияния природы растворенных веществ на термохимические характеристики растворения аминокислот (L-цистеина, L-аланина, L-серина).
Ключевые слова: аминокислоты, додецилсульфат натрия, энтальпии растворения, растворы, калориметрия
Исследование взаимодействий белков с амфифильными молекулами в жидких средах имеет большое значение не только для биохимических процессов in vivo, но и для разработки новых технологий в области фармакологии, медицины, косметологии, а также для выделения и очистки мембранных белков и липидов [1]. Среди амфифильных веществ, молекулы которых содержат гидрофобную углеводородную цепь и гидрофильную группу, широко известен додецилсуль-фат натрия (CH3(CH2)nOSO3Na). Физико-химические свойства растворов подобных веществ зависят от их структуры и параметров состояния системы, а также от присутствия других соединений. Аминокислоты являются структурными блоками белков и в водных растворах существуют в виде цвиттерионов (+NH3-CH(-R)-COO-). Наличие в структуре этих биомолекул зарядных терминальных групп (-COO-, -NH3 ) и боковых радикалов (R) различной степени гидрофобности оказывает влияние на их взаимодействия с додецилсульфа-том натрия. В последние годы наблюдается интенсификация исследований систем, содержащих модельные соединения белков и амфифильные молекулы [1, 2]. Вместе с тем, существует отставание в области термодинамических аспектов их взаимодействия в растворах. Предполагается, что гидрофобные и электростатические взаимодействия дают основные вклады в процесс ассоциации белков с додецилсульфатом натрия (SDS) в водных растворах. Для более глубокого понимания механизмов взаимодействий и структурных изменений, происходящих в трехкомпонентных системах, необходимо детальное термодинамическое
изучение модельных соединений белков (аминокислот, пептидов) в растворах стабилизирующих и денатурирующих агентов [3, 4].
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Измерения интегральных энтальпий растворения L-цистеина в водных растворах (SDS) проводили на сконструированном нами герметичном четырехампульном калориметре переменной температуры с изотермической оболочкой [5]. Концентрации аминокислоты варьировались в интервале 0,007 - 0,008 моль/кг, а SDS - 0 - 0,05 моль/кг. Величины энтальпий растворения AsoiHm аминокислоты в исследованной концентрационной области не зависят от концентрации биомолекулы, поэтому за стандартные значения AsolH0 приняты средние арифметические значения тепловых эффектов растворения AsolHm из 2-3 измерений. L-цистеин (Aldrich, 97%) перед экспериментом подвергали перекристаллизации из смеси вода-этанол, сушили под вакуумом при 343 К в течение 48 ч. Додецилсульфат натрия (Sigma-Aldrich, > 99%) использовали без дополнительной очистки. Водно-смешанные растворители готовили весовым методом.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
С целью оценки влияния природы бокового радикала аминокислот на энтальпийные характеристики растворения в водных растворах SDS проведено обобщение собственных (L-цистеин (Cys)) и литературных (L-аланин (Ala), L-серин (Ser) [6]) экспериментальных данных. На рисунке представлены зависимости энтальпий растворения
Л^Н аминокислот Cys, Ser, Ala, содержащих различные функциональные группы в боковой цепи, от концентрации додецилсульфата натрия.
12-,
11-
1098-
А Н,кДж/моль
тем расчета энтальпийных коэффициентов парных взаимодействий (hxy) аминокислот с молекулами поверхностно-активного вещества. Рассчитанные нами значения hxy аминокислот в растворах додецилсульфата натрия представлены в таблице.
Таблица
Энтальпийные коэффициенты парных взаимодействий hxy (кДж-кг-моль-2) аминокислот с додецил-сульфатом натрия в водных растворах при 298.15 К Table. Enthalpie coefficients of pair interactions, hxy (^■kg-mol-2), of amino acids with sodium dodeeyl sulfate in aqueous solutions at 298.15 K
Вещество hxy
L-цистеин 7.03±0.32
L-аланин 10.79±1.02
L-серин 12.02±3.26
0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 т,моль/кг
Рис. Зависимости энтальпий растворения L-цистеина (1), L-серина (2) и L-аланина (3) в смеси вода - додецилсульфат натрия от концентрации SDS при 298.15 К Fig. Dependences of dissolution enthalpies of L-cysteine (1), L-serine (2) and L-alanine (3) in a water - sodium dodecyl sulfate mixtures on concentration of SDS at 298.15 K
Для интерпретации наблюдаемых зависимостей использован модельный подход на основе гидрофильно-гидрофобных типов взаимодействия растворенного вещества и сорастворителя [7]. Полученные энтальпии растворения аминокислот положительны и увеличиваются с ростом концентрации поверхностно-активного вещества. Это происходит вследствие перекрывания гидратных сфер молекул исследуемых веществ и разрушения водородных связей между молекулами воды и карбоксильными и амино-группами аминокислот при их взаимодействии с SDS, что приводит к структурной реорганизации всего раствора. В исследованной концентрационной области доминируют три вида взаимодействий, приводящих к росту эндотермичности растворения биомолекул:
- ион-гидрофобные взаимодействия между цвиттерионами молекул аминокислоты и алкиль-ными группами поверхностно-активного вещества SDS;
- гидрофильно-гидрофобные взаимодействия между гидрофильной боковой цепью молекул L-цистеина и гидрофобной частью молекул доде-цилсульфата натрия;
- гидрофобно-гидрофобные взаимодействия между гидрофобными группами аминокислоты и этиленовой частью молекул SDS.
Межчастичные взаимодействия в трех-компонентных водных системах охарактеризованы в рамках теории МакМиллана-Майера [8] пу-
Все коэффициенты hxy имеют положительные значения в водно-смешанных растворителях. Это означает, что эндотермические процессы, связанные со структурной перестройкой трехкомпо-нентного раствора и высвобождением молекул воды из гидратных оболочек аминокислот и доде-цилсульфата натрия, преобладают над прямыми взаимодействиями сольватированных полярных групп взаимодействующих молекул.
Как видно из таблицы, коэффициенты hxy для аминокислот уменьшаются в ряду Ser > Ala > > Cys. Коэффициент hxy для Ala с неполярной группой -СН3 больше по сравнению с Cys, имеющего полярного бокового заместителя (-SH), что обусловлено эффектами гидрофобной гидратации. Высокий энтальпийный коэффициент для Ser, содержащего полярную группу -OH, по-видимому, связан с преобладанием вклада дегидратации аминокислоты и более сильными гидрофильно-гидрофобными взаимодействиями с молекулами поверхностно-активного вещества.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (Грант №15-43-03003_р_центр_а).
ЛИТЕРАТУРА
1. Ali A., Tariq M., Patel R., Ittoo F.A. // Colloid Polym. Sci. 2008. V. 286. P. 183-190.
2. Koga P.A., Wagay T.A., Ismail K. // J. Sol. Chem. 2015. V. 44. P. 100-111.
3. Кочергина Л.А., Баделин В.Г., Крутова О.Н., Лыткин А.И., Дамрина К.В. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2014. Т. 57. Вып. 8. С. 11-14;
Kochergina L.A., Badelin V.G., Krutova O.N., Lytkin A.I., Damrina K.V. // Izv.Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim.Tekhnol. 2014. V. 57. N 8. P. 11-14 (in Russian).
4. Межевой И.Н., Баделин В.Г. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2012. Т. 55. Вып. 12. С. 42-45;
Mezhevoiy I.N., Badelin V.G. // Izv.Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim.Tekhnol. 2012. V. 55. N 12. P. 42-45 (in Russian).
3
5. Баделин В.Г., Тюнина Е.Ю., Межевой И.Н. // Журн. прикл. химии. 2007. Т. 80. Вып. 5. С. 732-736;
Badelin V.G., Tyunina E. Yu., Mezhevoi I.N. // Russ. J Appl. Chem. 2007. N 5. P. 711-715.
6. Qiu X., Lei Q., Fang W., Lin R. // Thermochim. Acta. 2008. V. 478. P. 54-56.
7. Friedman H.L., Krishnan C.V. Water, a Comprehensive Treatise. Ed. F. Franks. New York: Plenum Press. 1973. V. 3. Chapter 1.
8. McMillan W.G., Mayer J.E. // J. Chem. Phys. 1945. V. 13. P. 276-305.
Лаборатория термодинамики растворов неэлектролитов и биологически активных веществ
УДК 631-41
Д.С. Платонова, Л.Н. Адеева
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ И КИСЛОТНО-ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ГУМИНОВЫХ КИСЛОТ, ВЫДЕЛЕННЫХ ИЗ САПРОПЕЛЯ ОМСКОЙ ОБЛАСТИ
(Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского) e-mail: [email protected], [email protected]
Элементным, CHNS- и рентгенофлуоресцентным анализом исследован химический состав гуминовой кислоты, выделенной из сапропеля. Методом потенциометриче-ского титрования определены кислотно-основные свойства гуминовых кислот. Установлено количество карбоксильных и гидроксильных групп в гуминовой кислоте, значения констант диссоциации функциональных групп, определяющих сорбционные свойства выделенных гуминовых кислот.
Ключевые слова: гуминовая кислота, сапропель, CHNS-анализ, рентгенофлуоресцентный анализ, потенциометрическое титрование, кислотно-основные свойства
ВВЕДЕНИЕ
Химический состав и свойства сапропелей различных месторождений значительно различаются и определяются условиями формирования. Нами исследовался сапропель оз. Пучай, запасы которого имеют промышленное значение. Содержание органических веществ в сапропеле оз. Пучай составляет 54%, минеральных - 46% [1]. Согласно классификации [2], данный сапропель относится к кремнеземистому типу. Сапропель, наряду с углями и торфом, является широко распространенным источником гуминовых кислот (ГК). ГК являются перспективным сырьем для получения разнообразных химических продуктов, в том числе, сорбентов тяжелых металлов для очистки сточных вод благодаря способности ГК к ионному обмену и комплексообразованию. Сорбционные свойства ГК определяются наличием большого числа функциональных групп. Снятые нами ранее ИК спектры выделенных из сапропеля гуминовых кислот [3] показали наличие разнообразных функ-
циональных групп: гидроксильных (3434 см 1), ме-тильных и метиленовых (2922 и 2851 см 1), карбоксильных (1723 см 1) и других, которые обеспечивают сорбционные свойства ГК. Основная роль ГК как ионообменников обусловлена карбоксильными и гидроксильными группами. Карбоксильные и гидроксильные группы определяют кислотно-основные свойства ГК. Цель работы - исследование химического состава и кислотно-основных свойств гуминовых кислот из сапропеля методом потенциометрического титрования для оценки сорбционных возможностей ГК по отношению к ионам металлов.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Гуминовые кислоты выделяли по стандартной методике [3]. Навеска сапропеля обрабатывалась 3.5%-ным раствором щелочи в течение 2 ч при комнатной температуре. Полученный экстракт фильтрованием отделяли от твердой фазы. Осаждение гуминовых кислот из фильтрата осуществляли при рН 1-2 раствором 20%-ной соляной ки-
