CC BY
306
ХИМИЯ
Вестн. Ом. ун-та. 2014. № 4. С. 69-75.
УДК 544.723
Е.С. Чиканова, А.А. Осенняя, О.А. Голованова
ИЗУЧЕНИЕ АДСОРБЦИИ АМИНОКИСЛОТ НА БРУШИТЕ
Изучен процесс адсорбции ряда аминокислот (Ser, Glu, Gly, Asp, Ala, Arg, Tyr), входящих в состав ротовой жидкости, на двуводном гидрофосфате кальция (аналог минерала брушита Са2НРО4'2Н2О). Установлено, что во всех случаях взаимодействие описывается в рамках мономолекулярной адсорбции Лэнгмюра (r2 = 0,97 - 0,99). Получен ряд по уменьшению поверхностно-активных свойств аминокислот: Gly > Tyr > Glu > Arg > Asp > Ala > Ser.
Ключевые слова: адсорбция, аминокислоты, брушит (двуводный гидрофосфат кальция), биогенная и патогенная кристаллизация, органо-минеральные агрегаты.
Введение
Образование патогенных минералов в организме человека является результатом сложных и разнообразных метаболических процессов.
Существуют мнения, согласно которым в основе процессов минерализации в организме человека лежит адсорбционное взаимодействие связанных в белковые молекулы и свободных аминокислот с неорганическими компонентами биожидкостей и формирующимися фазами [1; 2]. Это делает актуальным исследования, направленные на выяснение закономерностей адсорбции аминокислот, основных строительных блоков белков, на неорганической составляющей большинства физиогенных и патогенных новообразований - ортофосфатах кальция.
На ранних этапах формирования патогенных агрегатов различной локализации часто наблюдается кристаллизация двуводного гидрофосфата кальция СаНРО4'2ШО, аналога природного минерала брушита, который часто встречается в составе патогенных минеральных образований, в частности зубных и слюнных камнях [2]. Осаждение брушита на начальных стадиях патогенного минералообразования в ротовой полости, а также присутствие в составе формирующихся агрегатов органической составляющей обусловливает актуальность работ по изучению взаимодействия различных по своей природе компонентов.
Цель данной работы - изучение адсорбционного взаимодействия ряда аминокислот и брушита.
Методика эксперимента
Для проведения эксперимента были синтезированы образцы порошкообразного брушита в соответствии с уравнением (концентрации исходных реагентов - 100 ммоль/л, рН = 5.50 ± 0.05):
Ca(NOa)2 + (NH4)2HPO4 + 2Н2О ^ CaHPO4-2№0 j + 2NH4NO3. (1)
Поученные твердые фазы анализировались методами РФА (Дрон-3, «метод порошка»), ИК-спектроскопии МНПВО (ФТ-02), оптической микроскопии (Микромед, ув. х 120).
Далее проводимый эксперимент состоял из двух этапов: 1) установление времени адсорбционного равновесия; 2) исследование адсорбции аминокислот на брушите.
Выбор аминокислот осуществляли исходя из их физиологического содержания в ротовой жидкости (табл. 1) [3].
Растворы аминокислот готовили перед адсорбционным экспериментом методом отдельных навесок кристаллического вещества, все реактивы брали класса ч.д.а. В опытах использованы L-изомеры, которые присутствуют в биологических системах.
© Е.С. Чиканова, А.А. Осенняя, О.А. Голованова, 2014
70
Е.С. Чиканова, А.А. Осенняя, О.А. Голованова
Таблица 1
Аминокислотный состав слюны в норме и в условиях камнеобразования, масс. %
Аминокислота Нормальное содержание Камнеобразование в полости рта
Серин 0.0128 ± 0.0032 0.0215 ± 0.0065
Глутаминовая кислота 0.0108 ± 0.0033 0.0400 ± 0.0205
Глицин 0.0092 ± 0.0022 0.0188 ± 0.0095
Аспарагиновая кислота 0.0076 ± 0.0011 0.0248 ± 0.0087
Аланин 0.0070 ± 0.0019 0.0193 ± 0.0073
Аргинин 0.0038 ± 0.0011 0.0166 ± 0.0099
Тирозин 0.0036 ± 0.0009 0.0143 ± 0.0080
Адсорбцию на поверхности адсорбента из раствора определяли по разности концентраций растворенной аминокислоты до и после контакта при температуре 298 К. Для определения содержания аминокислот в жидкой фазе использовали анализ, основанный на переводе аминокислот в растворимые медные соли и их последующем фотометрическом определении [4].
Для определения времени адсорбционного эксперимента одинаковый во всех сериях объем раствора аминокислоты с кон-
центрацией 0.020 моль/л и рассчитанной добавкой NaCl (для доведения величины ионной силы системы до значения 0.1 моль/л) приливали к навескам брушита массой 0.5000 ± 0.0002 г. Корректировку значения рН до 6.50 ± 0.05 проводили с помощью раствора NaOH (20 %) и/или HCl (1:1). После этого адсорбционные сосуды плотно закрывали, встряхивали 20 мин и оставляли для взаимодействия адсорбата и адсорбента. Изучение проводили при разном времени контакта: т = 0-72 ч. По истечении заданного периода твердую фазу отделяли от раствора фильтрованием.
Для исследования процесса адсорбции концентрации аминокислот варьировали в пределах от 0.002 до 0.030-0,035 моль/л.
Твердые фазы, отделенные от растворов после адсорбции, высушивали на воздухе и анализировали методом ИК-спектроскопии и МНПВО (ФТ-02).
Результаты и обсуждения
Анализ РФА, оптической микроскопии и ИК-спектроскопии показал, что в составе твердой фазы присутствуют сигналы, характерные для фазы двуводного гидрофосфата кальция (брушита) (рис. 1-3).
Изучение адсорбции аминокислот на брушите
71
Рис. 2. ИК-спектр образца брушита, полученного осаждением из системы с С(Са2+, НРО42-)исх = 50 мМ (48 ч)
Рис. 3. Микрофотография синтезированных кристаллов брушита (ув. х 120)
Известно, что молекулы аминокислот имеют в своем составе полярные группировки -NH2, -NH3+, -COOH, -СОО-, -OH, за счет которых они могут взаимодействовать с активными центрами поверхности кристаллического вещества. Так, авторы [5; 6] показывают, что аминокислоты проявляют поверхностно-активные свойства относительно ортофосфатов кальция. На этом основании в условиях контакта водного раствора аминокислот с твердой фазой СаН-РО4'2ШО вероятно концентрирование органических молекул на поверхности кристаллов брушита. Согласно теориям [7], описывающим адсорбционные явления, в определенный момент концентрация адсорбата в объеме жидкой фазы и поверхностном слое адсорбента будет оставаться неизменной и изучаемая система будет находиться в равновесии.
Для определения времени установления такого состояния и проведения адсорбционного эксперимента на первом этапе исследования проведена серия опытов при разных временах контакта растворов аминокислот с концентрацией 0.020 моль/л с брушитом. Согласно полученным данным
(рис. 4), концентрация аминокислот в поверхностном слое кристаллов двуводного гидрофосфата кальция повышается при увеличении времени контакта адсорбата и адсорбента от 0 до 40 ч. В условиях более длительного взаимодействия компонентов системы изменение значения адсорбции не наблюдается. На этом основании для дальнейших экспериментов время проведения адсорбции выбрано равным 48 ч.
Данные ИК-спектроскопии также подтверждают факт адсорбции аминокислот (рис. 5). На спектрах всех твердых образцов через 72 ч адсорбции появляются спектры, характерные для этой группы веществ: в области 2800-3000 см-1 проявляются полосы, соответствующие колебаниям связей С-Н в метиленовых группировках, полосу колебаний при 1660-1610 см-1 следует рассматривать как суммарную, отражающую колебания связей С=О, N-H и О-Н в молекулах аминокислоты и ОН-ионов в составе основного фосфата кальция.
На следующем этапе работы были получены изотермы адсорбции исследуемых аминокислот на двуводном гидрофосфате кальция (рис. 6).
Для определения моделей, которыми описываются процессы адсорбции изучаемых аминокислот на брушите, проведена обработка экспериментальных данных с позиции теории Лэнгмюра (2) и Фрейндлиха
(3):
Г =
Ъ'С
1+Ь^с'
(2)
где Г» - величина предельной адсорбции, моль/кг; b - константа адсорбционного равновесия; С - равновесная концентрация адсорбата, моль/ л.;
Г = а-Сп, (3)
где а - коэффициент пропорциональности; n - показатель степени, n<1.
Интенсивность Интенсивность
72
Е.С. Чиканова, А.А. Осенняя, О.А. Голованова
Рис. 4. Зависимость величины адсорбции аминокислот на брушите от времени контакта, Т = 298К, рН = 6.50 ± 0.05
Волновое число, см а
Волновое число, см б
Рис. 5. ИК-спектры образцов брушита после адсорбции 72 ч, рН = 6,50 ± 0,05:
а - Ser, б - Gly
Изучение адсорбции аминокислот на брушите
73
! растворе, моль а
растворе, г
растворе, моль/л в
Рис. 6. Изотермы адсорбции аминокислот на брушите при Т = 298К, рН = 6,50 : а - Ser, б - Glu, в - Gly, г - Asp, д - Ala, е - Arg, ж - Tyr
0,05:
б
е
Рассчитанные графически уравнения и коэффициент корреляции зависимостей в линейных координатах изучаемых моделей представлены в табл. 2.
Как видно из табл. 2, все изучаемые аминокислоты имеют хорошую корреляцию в линейных координатах обеих моделей адсорбции, но лучшее значение г2 характерно для изотермы адсорбции в соответствии с
моделью Лэнгмюра, за исключением глицина. Для оценки адекватностей моделей использовали критерий Фишера (табл. 3, 4) [8]. При этом известно, что если Кэксп < Ктабл, модель считается адекватной с заданным уровнем значимости (0.05).
Данные табл. 3 и 4 указывают на то, что дисперсии в случае модели Фрейндлиха являются неоднородными, следовательно, она
74
Е.С. Чиканова, А.А. Осенняя, О.А. Голованова
не является адекватной для всех рассматриваемых аминокислот. Поэтому можно утверждать, что адсорбция аминокислот на брушите подчиняется модели Лэнгмюра, согласно которой между адсорбатом и адсорбентом взаимодействие протекает с образованием мономолекулярного слоя [7]. На формирование последнего в изучаемых
условиях указывают экспериментальные данные. Так, с ростом концентрации аминокислоты в системе величина степени заполнения поверхности адсорбента увеличивается (рис. 6), однако рассчитанные значения Г» свидетельствуют о том, что в условиях эксперимента адсорбция не достигает насыщения.
Таблица 2
Уравнения Лэнгмюра и Фрейндлиха для адсорбции аминокислот на брушите
Аминокислота Уравнение Лэнгмюра Уравнение Фрейндлиха
Серин Г = 0.20- 169С , г2 = 0.99 1+169 -С Г = 0.53 - С046, г2 - 0.98
Глутаминовая кислота Г = 0.37- 128С , г2 = 0.99 1+128-С Г = 2.69-С0 60, г2 - 0.97
Глицин Г = 0.68- 120 С , г2 - 0.97 1+120-С Г = 5.26-С0 62, г2 - 0.98
Аспарагиновая кислота Г = 0.29 - 96- с , г2 - 0.99 1+96-С Г = 2.14-С061, г2 - 0.96
Аланин Г = 0.23 - 340 С , г2 - 0.99 1+340-С Г = 0.83 - С0 35, г2 - 0.95
Аргинин Г = 0.34- 181С , г2 - 0.99 1+181-С Г = 2.27-С0 52, г2 - 0.95
Тирозин Г = 0.47- 162 С , г2 - 0.99 1+162-С Г = 3.32 - С0 54, г2 - 0.98
Проверка адекватности модели Лэнгмюра
Таблица 3
Аминокислота ^(Гэксп-Гоасч)2 S2ad S2mn Fэксп Fтабл (0.05)
Ser 2.89E-04 3.61E-05 1.29E-05 2.8
Glu 2.50E-04 3.13E-05 2.15E-05 1.5
Gly 2.28E-03 2.85E-04 9.45E-05 3.0
Asp 5.04E-04 6.30E-05 4.21E-05 1.5 3.2
Ala 4.91E-04 6.14E-05 3.60E-05 1.7
Arg 7.72E-04 9.65E-05 4.42E-05 2.2
Tyr 9.54E-04 1.19E-04 7.43E-05 1.6
Проверка адекватности модели Фрейндлиха
Таблица 4
Аминокислота ^(Гэксп-Грасч) S2ad S2mn Fэксп Fтабл (0.05)
Ser 2.37E-02 2.96E-03 1.292E-05 227.9
Glu 6.64E-03 8.30E-04 2.15E-05 38.6
Gly 1.04E-02 1.31E-03 9.45E-05 13.8
Asp 4.15E-03 5.18E-04 4.21E-05 12.3 3.2
Ala 1.35E-03 1.69E-04 5.60E-05 4.7
Arg 5.55E-03 6.94E-04 4.42E-05 15.7
Tyr 6.28E-03 6.28E-03 7.43E-05 10.6
Сравнивая между собой поверхностноактивные свойства аминокислот по величине предельной адсорбции, их можно расположить в ряд: Gly > Tyr > Glu > Arg > > Asp > Ala > Ser.
Заключение
Таким образом, в работе осуществлен синтез брушита и установлен механизм адсорбции ряда аминокислот (Ser, Glu, Gly, Asp, Ala, Arg, Tyr) на нем, описывающийся в рамках мономолекулярной адсорбции Лэнгмюра (r2 = 0,97-0,99). Получена законо-
мерность по уменьшению поверхностноактивных свойств аминокислот: Gly > Tyr > > Glu > Arg > Asp > Ala > Ser.
ЛИТЕРАТУРА
[1] [1] Dorozhkin S.V. Calcium orthophosphates // Journal of Material Science. 2007. Vol. 42. Р. 1061-1095.
[2] Голованова О. А. Патогенные минералы в организме человека. Омск : Изд-во ОмГУ, 2006. 400 c.
Изучение адсорбции аминокислот на брушите
75
[3] Бельская Л. В. Зубные и слюнные камни - химический состав, генетические особенности : дис. ... канд. хим. наук. М., 2009. С. 77-80.
[4] Филиппович Ю. Б. Практикум по биохимии. М.,
1982. 509 с.
[5] Fleming D. E., Bronswijk W., Ryall R. L. A comparative study of the adsorption of amino acids on calcium minerals found in renal calculi // Clinical science. 2001. № 101. Р. 159-168.
[6] Солоненко А. П., Голованова О. А. Изучение адсорбции глутаминовой кислоты на брушите
// Химия в интересах устойчивого развития. 2013. Т. 21. № 2. С. 227-233.
[7] Малышева Ж. Н., Новаков И. А. Теоретическое и практическое руководство по дисциплине «Поверхностные явления и дисперсные системы». Волгоград: ВолгГТУ, 2008. 344 с.
[8] Вершинин В. И., Перцев Н. В. Планирование и математическая обработка результатов химического эксперимента. Омск : Изд-во ОмГУ, 2005. 216 с.
