CC BY
22
УДК 547.458.8
МЕЖМОЛЕКУЛЯРНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В СИСТЕМЕ «ЯБЛОЧНЫЙ ПЕКТИН - L-ГИСТИДИН»
© А. Ф. Сагитова1, Р. Х. Мударисова2*, О. С. Куковинец1, Л. И. Ахметшина1
'Башкирский государственный университет Россия, Республика Башкортостан, 450017 г. Уфа, ул. Мингажева, 100.
2Уфимский институт химии УФИЦ РАН Россия, Республика Башкортостан, 450054 г. Уфа, пр. Октября, 71.
^ Тел.: +7 (347) 228 62 65.
Email: mudarisova@anrb.ru
Спектральными методами изучено взаимодействие яблочного пектина с L-гистидином. Установлен состав (1:1), константы устойчивости и строение комплексного соединения. Рассчитаны стандартные термодинамические характеристики (AH°; AG°; AS0) комплексо-образования. Показано, что комплексообразование характеризуется отрицательными значениями энтальпии и положительными значениями энтропии, т.е. связывание пектина с аминокислотой определяется энтальпийной составляющей (АИ° < 0, AS° > 0) и протекает самопроизвольно (AG° < 0). Обнаружено, что комплексообразование происходит с участием карбоксильных групп основной цепи пектина и азотсодержащих групп гистидина. Исследовано влияние модифицирования пектина аминокислотой на его сорбционные свойства по отношению к ионам меди (II). Модифицированный пектиновый сорбент сохраняет высокую сорбци-онную способность. Определены оптимальные условия сорбции (pH 6.0, T 20 °C, C (Cu2+) = 101 моль/л). Установлено, что сорбция ионов Cu2+ описывается уравнением Ленгмюра.
Ключевые слова: комплексообразование, сорбция, константы устойчивости.
Введение
В последнее время привлекают внимание полисахарид-аминокислотные производные, в которых аминокислота присоединена к полимеру разными типами химических связей [1-2]. Химическая фиксация лекарственных субстанций на полисаха-ридной матрице позволяет создавать препараты пролонгированного действия с низкой токсичностью и необходимым балансом липофильно-гидро-фильных свойств. Среди полимеров-носителей, которые могут быть использованы для этой цели, наибольший интерес представляют пектиновые полисахариды. Наличие гидроксильных и карбоксильных групп в молекуле пектинов предопределяет очень важное их свойство - комплексообразование с органическими субстанциями [3-4]. Пектины обладают широким спектром физиологической активности, которая определяется их высокомолекулярной природой, обусловливающей склонность к агрегации в водных растворах, и наличием галакту-ронового кора, с которым связаны свойства пектинов как природных ионообменных материалов [56]. Среди незаменимых аминокислот выделяется гистидин (ГС), который входит в состав активных центров многих ферментов и является предшественником в биосинтезе гистамина [7]. Это одна из важнейших аминокислот, которая способствует росту и восстановлению тканей, а также в большом количестве содержится в гемоглобине. Следует отметить, что внимание, которое уделяется полимерным комплексам с трифункциональными аминокислотами, такими как гистидин, определяется
яблочный пектин, гистидин, медь (II),
также и теоретическим интересом в связи с выяснением влияния на состав и строение образующихся соединений функциональных групп аминокислот. Возможность различных способов координации трифункциональных аминокислот обусловливает многообразие образующихся комплексов различного строения и свойств, которые также будут зависеть от взаимного расположения функциональных групп в аминокислоте.
Целью данной работы является изучение взаимодействия L-гистидина с яблочным пектином, выявление влияния структуры комплексообразова-теля и полимерной матрицы на эффективность их взаимодействия и сорбционные свойства.
Экспериментальная часть
В экспериментах использовали яблочный пектин (П) товарной марки Unipectine XPP 240 с молекулярной массой 26000 Da и степенью этерифици-рования 66%, L-гистидин марки «хч» использовали без дополнительной очистки и высушивали перед взятием навесок до постоянной массы при 333 К, CuSO4•5H2O марки «х.ч.»,. ИК-спектры образцов записывали на спектрометре Shimadzu IR-Prestige-21 (700-3600 см-1, вазелиновое масло). УФ-спектры водных растворов соединений снимали в кварцевых кюветах толщиной 1 см на спектрофотометре UV-VIS SPECORD M-40.
Состав образующихся соединений при взаимодействии яблочного пектина с гистидином определяли спектрофотометрическими методами изо-молярных серий и мольных отношений [8]. Сум-
марная концентрация полисахарида и аминокислоты в изомолярной серии составляла Г10-4моль/л. Молярные отношения [ГС]:[П] варьировали от 50:1 до 1:20. В сериях растворов с постоянной концентрацией пектина, равной 1 • 10-4 моль/л, концентрацию гистидина изменяли от 1 •Ю-5 до 1 •Ю-3 моль/л. Ионную силу поддерживали постоянной, равной 0.1 моль/л (№С1, х.ч.). Методика получения комплекса: полисахарид в количестве 5.5 осново-ммоль растворяли в 20 мл воды. Гистидин в количестве 5.5 ммоль растворяли в 20 мл воды и доводили рН до 7.0. К раствору полисахарида при интенсивном перемешивании прикапывали раствор аминокислоты при комнатной температуре. Реакцию проводили в течение 3 часов. По окончании реакции продукт выделяли осаждением этиловым спиртом, переосаждали снова из воды в спирт, осадок отделяли и промывали 3 раза спиртом, затем диэтиловым эфиром и высушивали под вакуумом.
Изучение процесса сорбции ионов меди (II) осуществляли в статических условиях из водных растворов сульфата меди (II) при перемешивании и термостатировании (298 К). Для получения кинетических кривых сорбции в серию пробирок помещали навески сорбента по 0.1 г, заливали их 2 мл водного раствора сульфата меди (II) с концентрацией 1-10-1 моль/л и выдерживали от 15 до 60 мин. Начальная концентрация (С0) ионов меди (II) составляла 1 •Ю-2 моль/л. Через каждые 15 мин. раствор отделяли от сорбента фильтрованием и определяли в нем текущую концентрацию ионов меди (Ст) методом йодометрического титрования. Сорбционную емкость (Ат) сорбентов в каждый данный момент времени рассчитывали по формуле: А^ОтО^/т. В условиях установившегося равновесия в системе определяли равновесную концентрацию ионов металла в растворе (Ср) и рассчитывали равновесную сорбционную емкость (Ар): Ар = (С0-Ср)^/т. Степень извлечения определяли следующим образом: а = (Со-СрИ00%/Со.
При исследовании влияния рН среды необходимую величину рН в области значений 1-12 создавали 0.1М H2SO4 и 0.1М NaOH и контролировали по рН-метру "АНИОН 4100". Для каждого опыта использовали свежеприготовленные растворы. Влияние температуры на сорбцию ионов Си2+ исследовали в интервале от 273 К до 333 К при перемешивании и термостатировании в течение 60 мин. при заданной температуре. По окончании опытов раствор отделяли от сорбента фильтрованием и определяли в нем текущую концентрацию ионов металла. Для получения изотерм сорбции использовали уравнения Ленгмюра и Фрейндлиха. Уравнение Ленгмюра представлено в виде: 1/Ал = 1/А + 1/Ам^Ср, где К - концентрационная константа сорбционного равновесия, характеризующая интенсивность процесса сорбции, л/моль; Ср - равновесная концентрация металлов в растворе; Ам -величина предельной емкости адсорбента. Изотерма Фрейндлиха описывается уравнением в виде
степенной функции: Аф = Ь^С п, где Ь и п - постоянные.
Относительная погрешность экспериментов рассчитывалась на основании данных равновесных и кинетических опытов, в которых каждая точка представляет собой среднее значение из трех параллельных опытов [9]. Погрешность эксперимента не превышала 5-7%. Анализы (измерения и расчеты) выполнялись на оборудовании ЦКП «Химия» УфИХ РАН.
Рис. 1. Зависимость оптической плотности от рН водных растворов.
1-ГС, 2-П+ГС. [С] =-2-10"5моль/л, 25оС, 1 = 1 см, Х=206 нм.
Результаты и их обсуждение
Взаимодействие гистидина с яблочным пектином изучали методами спектрометрии и рН-метрии. В УФ-спектре гистидина при концентрации аминокислоты 2^10-5 моль/л наблюдается одна интенсивная полоса поглощения при 211 нм, которая относится к п-п-переходу 6-электронной системы ядра (табл. 1). Яблочный пектин при концентрации 2^10-5 моль/л не поглощает в области 200-220 нм. При добавлении пектина к раствору аминокислоты происходит возрастание интенсивности пика поглощения ГС и гипсохромный сдвиг полосы поглощения на 5 нм. Достаточно полную информацию о зависимости процессов комплексообразова-ния от кислотности среды дают кривые А = ДрН), полученные для оптимальной длины волны 206 нм (рис. 1). УФ-спектр водных растворов смеси П с ГС в кислой среде (рН 1.0-3.0) практически идентичен спектру ГС в этих же условиях с незначительным гипсохромным сдвигом полосы поглощения, что говорит о слабом взаимодействии при данных значениях рН. Спектральные изменения в растворах наблюдаются, начиная с рН > 4.0, и сопровождаются гиперхромным эффектом и сдвигом полосы поглощения смеси П и ГС в коротковолновую область спектра. Данные изменения в спектрах, согласно [10], могут быть объяснены образованием комплекса биополимер-аминокислота. Состав и константу устойчивости образующихся комплексов определяли методами изомолярных серий и мольных отношений [8].
Таблица 1
Спектральные характеристики соединений
Соединение
ИК спектр (v см-1)
УФ-спектр, Л, нм
Внешний вид
Пектин
3560-3150 (ОН); 1740-1710 (СООН); 1152-1080 (С-О)
Белый порошок
Гистидин
1631, 1413 (СООН); 3067-3125 (-NH2); 1143-1087 (-NH2); 3125, 3004, 1572 (N=CH)
211
Белый порошок
Пектин-гистидин
3127 (ОН); 1633, 1415 (СООН); 1049-1103 (С-О); 1148-1085 (-NH2); 1593 (N=CH)
206
Бежевый порошок
Таблица 2
Термодинамические характеристики и константы устойчивости комплексов
Азец Т,0К ß«103, AH°298, кДж/моль AS°298, Дж/моль-К AG°298, кДж/моль
л моль 1
Пектин-гистидин
273 297 313
13.3±0.2 11.0±0.2 6.9±0.1
-13.7±0.1
30.6±0.2
-22.7±0.1
Согласно полученным обоими методами результатам, полисахарид образует с аминокислотой комплекс состава 1:1. Из графика зависимости [П]0/(А-А0) от 1/[ГС] по тангенсу угла наклона найдены константы устойчивости комплексов (табл. 2.), где [П]0 - начальная концентрация полисахарида, [ГС] - концентрация аминокислоты, А и А0 - оптические плотности растворов в присутствии и в отсутствии гистидина, соответственно. Из табл. 2 видно, что компоненты системы образуют комплекс средней устойчивости аналогично взаимодействию пектина с ароматическими аминокислотами [3]. Установлено, что понижение температуры процесса приводит к увеличению устойчивости продуктов реакции, что характерно для комплексов на основе полисахаридов с аминосодержа-щими соединениями [11]. Процессы комплексооб-разования характеризуются отрицательными значениями энтальпии и положительными значениями энтропии, т.е. связывание пектина с аминокислотой является энтальпийно-энтропийно благоприятным (ЛН° < 0, Л^ > 0) {табл. 2).
Комплексообразование полисахарида с ГС подтверждается значительными изменениями в ИК-спектрах (табл. 1). Были исследованы спектры исходных веществ и полученных комплексов с отнесением наиболее важных полос. В ИК-спектре полимерного комплекса по сравнению со спектрами нативного пектина и L-гистидина наблюдаются следующие изменения: резко уменьшается интенсивность полос поглощения (1111) в области 31503560 см-1, характерных для валентных колебаний гидроксильных групп и в области 1710-1740 см-1
для 1111 валентных колебаний карбоксильной группы пектина. Кроме того, исчезают валентные колебания М-Н связи в области 3125-3067 см-1, уменьшается интенсивность деформационных колебаний М-Н группы при 1087 см-1, тогда как интенсивность и положение ПП валентных колебаний карбоксильной группы аминокислоты практически не изменяется. По данным ИК-спектров, в первую очередь, можно предположить, что в координации с полисахаридом участвует азот в положении 3 гетероциклического кольца, о чем свидетельствуют наблюдаемые максимальные изменения в области деформационных колебаний М=СН-фрагмента (1572 см-1) кольца гистидина, полоса поглощения которого сдвигается до 1593 см-1. Нельзя исключить и дополнительное связывание кислородсодержащих групп П с амино-функцией ГС, что подтверждается сглаживанием полос поглощения +ЫН3-группы аминокислоты.в области 23002800 см-1. Таким образом, в данной системе имеет место взаимодействие достаточно сложного характера, учитывая возможность образования различных типов Н-связей у компонентов. Очевидно, формирование комплекса протекает через координацию одной молекулы аминокислоты и одного углеводного звена полисахарида с образованием между ними межмолекулярных водородных связей с участием кислородсодержащих функциональных групп основной цепи пектина и азотсодержащих групп гистидина.
Известно, что модифицирование природных полисахаридов существенным образом может отражаться на их сорбционных свойствах, что позво-
ляет применять их в качестве материалов специального назначения для медицины, сельского хозяйства, фармацевтической и пищевой промышленности [12]. При выборе условий сорбции важную роль играют равновесно-кинетические характеристики. Время установления сорбционного равновесия в гетерофазной системе водный раствор сульфата меди (П)-модифицированный пектин определено из кинетических кривых сорбции катионов меди (II). Установлено, что процесс сорбции происходит за 15 мин, т.е. значительно быстрее, чем для нативного пектина, что может быть обусловлено как появлением новых функциональных групп, способных эффективно связывать ионы металла, так и повышением доступности активных центров биосорбента. При этом величина сорбцион-ной емкости модифицированного биосорбента составляет 0.896 ммоль/г, что соответствует степени извлечения 91.6%. Выявлено что, оптимальным рН среды для извлечения ионов меди (II) из водных растворов, при котором достигается максимум сорбции, является рН, близкий к нейтральным (табл. 3).
Для определения параметров, характеризующих сорбционную емкость модифицированного пектина были получены изотермы сорбции ионов Си2+ из водных растворов сульфата меди (II) (рис. 2). Коэффициент сродства сорбентов к ионам меди (II) и их максимальную сорбционную емкость определяли с помощью сорбционной модели Ленгмюра, где предполагается, что по-
верхность сорбентов энергетически однородна, т.е. каждый ее участок равноценен любому другому в смысле возможности сорбции. Как показывают данные табл. 4 и рис. 2 сорбция катионов меди из водных сред модифицированным пектином хорошо описывается линейной зависимостью в координатах АС = ДА) с высоким коэффициентом корреляции (табл. 4).
Рис. 2. Изотермы сорбции ионов меди (II) биосорбентом П-ГС: 1-по модели Фрейндлиха, 2-по модели Ленгмюра, 3-экспериментальная.
По характеру изученных изотерм можно сделать вывод, что функциональная зависимость сорбции от концентрации катионов меди (II) подчиняется уравнению Ленгмюра.
Таблица 3
Оптимальные условия сорбции ионов меди (II) пектинсодержащими сорбентами
Образец 1 Т, °С | Время достижения равновесия, мин | рН | а^«, % | Сорбционная емкость, ммоль/г
Пектин 20 60 7±0.6 92.4 1.688
П-ГС 20 15 6±0.5 91.6 0.896
Таблица 4
Параметры обработки уравнения Ленгмюра
Сорбент 1/Ада | Я | Ада, ммоль/г 1 К, л/ммоль
Пектин Пектин-гистидин
4.91±0.01 5.00±0.01
0.200 0.380
0.25 1.07
Выводы
1. Методами спектрофотометрии и рН-мет-рии доказано образование комплексного соединения пектин-гистидин средней устойчивости состава 1:1. Обнаружено, что во всех случаях комплексооб-разование контролируется энтальпийной составляющей (АН° < 0, AS° > 0) и протекает самопроизвольно (AG < 0). Установлено, что комплексообра-зование гистидина с пектином осуществляется посредством карбоксильных групп полисахарида и амино-групп аминокислоты.
2. Изучены сорбционные свойства комплекса пектин-гистидин по отношению к ионам меди (II). Обнаружено, что модификация биополимера аминокислотой сокращает время достижения равновесия по сравнению с нативным пектином при сохранении высокой сорбционной емкости. Подобраны оптимальные условия для достижения максимальной степени извлечения металла (рН 6.0, Т 20 0С, С (Си2+) = 10-1 моль/л). Выявлено, что функциональная зависимость сорбции от содержания ионов меди (II) в большей степени подчиняется уравнению
Ленгмюра, описывающего сорбционный процесс на
однородных поверхностях.
ЛИТЕРАТУРА
1. Fromm J. R., Hileman R. E., Caldwell E. E. O., Weilerand J. M., Linhardt R. J. Archives of biochemistry and biophisics. Differences in the Interaction of Heparin with Ar-ginine and Lysine and the Importance of these Basic Amino Acids // Binding of Heparin to Acidic Fibroblast Growth Factor 1995. V. 323. №2. P. 279-287.
2. Патент 2448717 РФ. Николаева Л. С., Ершов А. С., Исаев В. А., Ляпина Л. А., Семенов А. Н., Оберган Т. Ю. Способ получения антикоагулянтно-фибринолитического средства на основе гепарина. Опубл. 27.04.2012.
3. Куковинец О. С., Мударисова Р. Х., Володина В. П., Тарасова А. В., Мокина А. З., Абдуллин М. И. Комплексообра- 11. зование яблочного пектина с некоторыми азот- и кислородсодержащими органическими фармакофорами // Химия природных соединений. 2014. №»1. С. 48-51.
4. Минзанова С. Т., Миронов В. Ф., Выштакалюк А. Б., Це- 12. паева О. В., Миронова Л. Г., Рыжкина И. С., Муртази-на Л. И., Губайдуллин А. Т. Комплексы пектинового полисахарида с ацетилсалициловой кислотой // ДАН. 2013. Т. 452. №2. С. 177-180.
Lim B. O., Lee S. H., Choue R. W. Effect of dietary pectin on the production of immunoglobulins and cytokines by mesenteric lymph node lymphocytes in mouse colitis induced with dextran sulfate sodium // Biosci. Biotechnol. Biochem. 2003. V. 67. №8. P. 1706-1712.
Маркин П. А., Попов С. В., Никитина И. Р., Оводова Р. Г., Оводов Ю. С. Противовоспалительная активность пектинов и их галактуронанового кора // Химия растительного сырья. 2010. №1. С. 21-26.
Машковский М. Д. Лекарственные средства. Харьков: Торсинг, 1997. Т. 2. 590 с.
Булатов И. П., Калинкин М. И. Практическое руководство по фотометрическим методам анализа. Л.: Химия. 1986. 432 с. Альберт A., Сержент E. Константы ионизации кислот и оснований. Москва, Ленинград: Химия, 1964. 380 c. Эндрюс Л., Кифер Р. Молекулярные комплексы в органической химии. М.: Мир, 1967. 206 с.
Мударисова Р. Х., Бадыкова Л. А. Термодинамика образования комплексов арабиногалактана с салициловой и п-аминобензойной кислотами в водных растворах // Журнал физической химии. 2016. Т. 90. №3. С. 386-389. Куковинец О. С., Мударисова Р. Х., Абдуллин М. И., Са-гитова А. Ф. Особенности комплексообразования яблочного пектина, модифицированного никотиновой кислотой с ионами меди (II) // Вестник Башкирского государственного университета. Т. 20. №4. С. 1201-1205.
Поступила в редакцию 07.03.2018 г.
INTERMOLECULAR INTERACTIONS IN THE SYSTEM OF APPLE PECTIN - L-HISTIDINE
© A. F. Sagitova1, R. Kh. Mudarisova2*, O. S. Kukovinets1, L. I. Akhmetshina1
1Bashkir State University 100 Mingazhev Street, 450017 Ufa, Republic of Bashkortostan, Russia.
2Ufa Institute of Chemistry, Ufa Scientific Centre, RAS 71 Oktyabrya Avenue, 450054 Ufa, Republic of Bashkortostan, Russia.
Phone: +7 (347) 228 62 65.
*Email: mudarisova@anrb.ru
The interaction of apple pectin with L-histidine was studied by spectrophotometry methods. The composition (1:1), constants of stability and structure of the complex compound was established. A complex of medium stability was formed. Standard thermodynamic characteristics (AH°; AG0; AS0) of complexation were calculated. In all cases, the complexation is controlled by the component enthalpy (AH° < 0, AS° > 0) and occurs spontaneously (AG° < 0). The complexation of histidine with pectin is based on interaction of carboxylic groups of polysaccharide and amino-groups of amino acid. Sorption properties of pectin-histidine complex with respect to copper (II) ions were studied. The modification of the biopolymer by amino acid reduces the time required to achieve equilibrium compared to native pectin, but keeps its high sorption capacity intact. The optimal conditions were selected to achieve the maximum degree of metal extraction (pH 6.0, T 20 0C, C (Cu2+) = 10-1 mol/l). The functional dependence of sorption on the content of copper ions (II) corresponds to a greater extent to the Langmuir equation describing the sorption process on homogeneous surfaces.
Keyword: complexation, apple pectin, histidine, copper (II), sorption, constants of stability.
Published in Russian. Do not hesitate to contact us at bulletin_bsu@mail.ru if you need translation of the article.
REFERENCES
1. Fromm J. R., Hileman R. E., Caldwell E. E. O., Weile-rand J. M., Linhardt R. J. Binding of Heparin to Acidic Fibroblast Growth Factor 1995. Vol. 323. No. 2. Pp. 279-287.
2. Patent 2448717 RF. Nikolaeva L. S., Ershov A. S., Isaev V. A., Lyapina L. A., Semenov A. N., Obergan T. Yu. Sposob polucheniya antikoagulyantno-fibrinoliticheskogo sredstva na osnove geparina. Opubl. 27.04.2012.
3. Kukovinets O. S., Mudarisova R. Kh., Volodina V. P., Tarasova A. V., Mokina A. Z., Abdullin M. I. Khimiya prirodnykh soedinenii. 2014. No. 1. Pp. 48-51.
4. Minzanova S. T., Mironov V. F., Vyshtakalyuk A. B., Tsepaeva O. V., Mironova L. G., Ryzhkina I. S., Murtazina L. I., Gubaidullin A. T. DAN. 2013. Vol. 452. No. 2. Pp. 177-180.
5. Lim B. O., Lee S. H., Choue R. W. Biosci. Biotechnol. Biochem. 2003. Vol. 67. No. 8. Pp. 1706-1712.
6. Markin P. A., Popov S. V., Nikitina I. R., Ovodova R. G., Ovodov Yu. S. Khimiya rastitel'nogo syr'ya. 2010. No. 1. Pp. 21-26.
7. Mashkovskii M. D. Lekarstvennye sredstva [Medicinal products]. Khar'kov: Torsing, 1997. Vol. 2.
8. Bulatov I. P., Kalinkin M. I. Prakticheskoe rukovodstvo po fotometricheskim metodam analiza [Practical guide to photometric methods of analysis]. Leningrad: Khimiya. 1986.
9. Albert A., Serzhent E. Konstanty ionizatsii kislot i osnovanii [The ionization constants of acids and bases]. Moscow: Leningrad: Khimiya, 1964.
10. Andreus L., Kiefer R. Molekulyarnye kompleksy v organicheskoi khimii [Molecular complexes in organic chemistry]. Moscow: Mir, 1967.
11. Mudarisova R. Kh., Badykova L. A. Zhurnal fizicheskoi khimii. 2016. Vol. 90. No. 3. Pp. 386-389.
12. Kukovinets O. S., Mudarisova R. Kh., Abdullin M. I., Sagitova A. F. Vestnik Bashkirskogo gosudarstvennogo universiteta. Vol. 20. No. 4. Pp. 1201-1205.
Received 07.03.2018.
