Оценка средних характеристик электронной структуры биологических систем феноменологическими методами Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

удк 547.96.004.13

М. Ю. Доломатов, Н. В. Калашченко, С. В. Дезорцев, Р. А. Хисамутдинов, Т. М. Ошнякова, М. С. Павлова

Оценка средних характеристик электронной структуры биологических систем феноменологическими методами

Башкирский институт социальных технологий г. Уфа, ул. Р. Зорге, 12 Башкирский государственный медицинский университет 450000, г. Уфа, ул. Ленина, 3 Уфимская государственная академия экономики и сервиса 450077, г. Уфа, ул. Чернышевского, 145

В экспериментах с аминокислотами показана возможность использования феноменологической спектроскопии в УФ- и видимой области для оценки эффективных электронных характеристик биологических жидкостей по спектрам поглощения их водных растворов. В отличие от обычного метода, биологические жидкости рассматриваются как единое целое, без разделения на характеристические частоты и длины волн индивидуальных функциональных групп компонентов в составе биохимической системы.

Ключевые слова: спектр поглощения, аминокислоты, электронная феноменологическая спектроскопия, биологические жидкости.

Оценка характеристик электронной структуры биологически активных веществ часто используется в биологических, медицинских и фармацевтических исследованиях фундаментального и прикладного характера. Наиболее полно изучены электронные характеристики различных белков и пептидов крови, а также отдельных физиологически активных веществ 1-3. Однако эти исследования не дают представления об электронном строении таких объектов, как биологические жидкости. Ввиду сложности и многокомпонентности состава последних, для изучения их физико-химических свойств необходимо определение средних эффективных характеристик на основе системного подхода.

Для решения проблемы оценки электронной структуры биологических жидкостей нами предложено использовать принципиально новый подход — электронную феноменологическую спектроскопию 4. Основная идея развиваемого подхода состоит в рассмотрении биологической жидкости как единой неделимой мно-

гокомпонентной системы, поглощающей электромагнитное излучение. Предполагается, что интегральные спектральные характеристики этой системы несут информацию о состоянии происходящих в ней биохимических процессов как едином целом.

Закономерности, связывающие интегральные спектральные характеристики вещества (интегральную силу осцилляторов) в ближней УФ- и видимой областях электромагнитного спектра с эффективными потенциалами ионизации (ЭПИ) и сродством к электрону (СЭ) были обнаружены в работах 4-5. Они подтверждены в дальнейших исследованиях различных атомарных, углеводородных 6 и полифункциональных соединений (красителей и серусодер-жащих органических соединений) 7 8. Средние электронные характеристики биологических жидкостей определяются по уравнению:

Л

E = a + ß9 = a + ßj lgkxdX, (1)

Л

где Е — средняя энергия граничной орбитали, эВ;

в — интегральная сила осцилляторов (ИСО), 10-7 • (% об.)-1;

Aj, A-2 — границы спектра в УФ и (или) видимой области, нм;

а и ß — эмпирические коэффициенты, определяемые статистическими методами для каждого вида сложной системы, эВ и эВ • 107 • (% об.);

kA — коэффициент поглощения, (% об.)-1 • см-1 [А.С. №1636734 СССР от 23.03.1991]

Интегральная сила осцилляторов (ИСО) является интегральной характеристикой

Дата поступления 19.04.06 42 Башкирский химический журнал. 2006. Том 13. Жо№5

и определяется как площадь под кривои поглощения, рассчитанная методом трапециИ:

9 = | ^^Л-г Л

Лп- Л0 П

+ Ь^И 1дМ,

(2)

АЕ = р^А9 = р

Л2 Л2 11де2 (Л) 1де1(Х) ^Л

Л Л

(3)

где £1 и £2 — молярные коэффициенты экстинкции системы в начальном и конечном состоянии,

Для биологических жидкостей окончательное выражение для расчета изменения эффективных характеристик электронной структуры имеет вид:

ае = в+в-1д—■ Л+р-[^(Л)^Л-р- [^Л)• dЛ.

М4

1 Л л

Анализ размерности ИСО проводился на основе главного закона спектрометрии — закона Бугера — Ламберта — Бэра 13' 14:

Л

Л

где п — число исследуемых точек спектра в области поглощения излучения;

М — средняя числовая молекулярная масса системы, г/моль;

в — интегральная сила осцилляторов, 10-7 • (% об.)-1

ЭПИ и ЭСЭ определяются на основе ИСО по уравнению (1), ИСО является мерой взаимодействия всех компонентов вещества, поглощающих в исследуемом диапазоне длин волн, и характеристикой его реакционной способности 6. Электронные состояния вещества через спектр связаны с его физико-химическими свойствами 12. В работах 9-11 нами сделаны выводы о связи эффективных характеристик электронной структуры крови, плазмы и сыворотки человека с его состоянием в норме и патологии.

Цель исследования — разработать принципы определения эффективных электронных характеристик таких сложных биологических систем, как кровь, плазма и сыворотка человека методами электронной феноменологической спектроскопии. Задачи исследования заключаются в нахождении значений коэффициентов в уравнении (1) для биологических жидкостей.

Очевидно, что изменение состояния организма вследствие процессов обмена, протекающих в биохимической системе, всегда сопровождается изменением ее средней электронной энергии, связанной с ИСО. Оценим, как связано изменение этой энергии с изменениями интегральных характеристик спектра:

1 = 1о10

1С

или

1д1°\ = е 1С,

(5)

(6)

где 1о — интенсивность падающего света;

I — интенсивность света, прошедшего через образец,

£ — молярный коэффициент погашения (экстинкции), л • моль-1 • см-1;

I — толщина измеряемого образца, см;

С — молярная концентрация раствора, моль/л

По теории размерности 15 для концентрации и толщины поглощающего слоя:

[С] =

моль л

[Ь] = [см].

Молярный коэффициент экстинкции 14

по определению 14 имеет размерность

[е] =

моль л

•[см]1 =

л

моль см

Соответственно, из определения ИСО и формулы (2) d9 = е •dЛ :

[9] =

л

моль • см см3 103

[нм] =

л

моль м 10-2

3

[м] 10-9 =

•10-7 =

моль В общем виде:

см

моль

•10-

[9] =

V

моль _

Таким образом, ИСО пропорциональна мольному объему частиц, взаимодействующих с электромагнитным излучением.

л • моль 1 • см 1

Для нахождения приближенного значения коэффициентов а и в для биологических жидкостей в уравнении (1) было проведено моделирование изменения интегральных феноменологических характеристик водных растворов биологических жидкостей в зависимости от состава. Учитывая, что общее содержание полипептидов в плазме крови достигает 9—11% мас., в качестве модельных веществ были выбраны аминокислоты 16' 17. Кроме того, аминокислоты белков вносят существенный вклад в поглощение электромагнитного излучения плазмой и сывороткой крови 14' 16' 18.

Для работы взяли 6 аминокислот марки «хч» (Д-аргинин, ¿-валин, ¿-а-аланин, Д,Ь-метионин, Д,Ь-серин, Д,£-триптофан). Методику проведения модельного эксперимента максимально приблизили к отработанным условиям исследования водных растворов

9 10

плазмы и сыворотки крови человека 9 . Из навесок по 0.5 г каждой аминокислоты приготовили исходные растворы концентрацией 1% мас. в дистиллированной воде 19. Ра-

створы аминокислот различного состава с числом компонентов от одного до шести готовили путем смешения равных объемов одно-компонентных растворов аминокислот с концентрацией 0.2 г/л. Спектры растворов определяли в УФ- и видимой области в интервале 180—820 нм с шагом 20 нм.

Полученные спектры непрерывны во всем интервале длин волн и имеют значительное количество пиков различной интенсивности (рис. 1). Пик в области 200 нм относится к растворителю. По сравнению со спектрами

растворов индивидуальных аминокислот спектры смесей имеют более плавный характер и отражают наличие двух и более аминокислот в растворе (сохраняются все основные пики, присутствующие в спектрах индивидуальных растворов соответствующих аминокислот). Во всех системах с участием триптофана наблюдается его значительный вклад в общее поглощение раствора 18. С увеличением числа аминокислот в растворе наблюдается приближение формы спектра к среднему спектру плазмы доноров 9.

Результаты расчетов ИСО растворов аминокислот и их смесей в интервале от 240 до 800 нм приведены в табл. 1.

В табл. 2 приведены данные сравнения ПИ цвиттер-ионов, рассчитанных по полуэмпирическому методу РМ-3 с ПИ, полученными в результате оценки ИСО водных растворов аминокислот в ходе модельного эксперимента. Подтверждаются данные о том, что алифатические аминокислоты в водном растворе находятся в виде цвиттер-ионов, а триптофан как гидрофобная аминокислота существует в молекулярной форме. Также были оценены значения СЭ, полученные расчетными методами и на основе анализа интегральных спектров поглощения.

В табл. 3 приводятся значения эмпирических коэффициентов а и в в уравнении (1) для расчета эффективных ПИ и СЭ различных классов органических соединений, представляющих собой сложные многокомпонентные системы по данным 5-8. Значения эмпирических коэффициентов а и в для аминокислот

Спектры растворов аминокислот и средний спектр плазмы доноров

400 500

Длина волны, нм

| Шесть аминокислот Плазма доноров -*— Триптофан -*—Метионин -ж-Метионин+триптофан |

Рис. 1. Сравнение спектров растворов аминокислот с суммарной концентрацией 0.2 г/л со средним спектром раствора плазмы доноров

4

3,5

3

2,5

2

1,5

0,5

0

0

200

700

800

Таблица 1

Значения ИСО для водных растворов аминокислот с концентрацией 0.2 г/л

Качественный состав раствора аминокислот ИСО, 10-7 • (% об.)-1

Серии 671.31

Метионин 699.14

Аргинин 774.82

Аланин 639.35

Валин 703.82

Триптофан 1010.94

Двухкомпонентные смеси: наименьшее значение наибольшее значение среднее значение 641.05 945.71 775.376

Трехкомпонентная смесь (метионин + аргинин + аланин) 736.44

Четырехкомпонентная смесь (метионин + аргинин + аланин +валин) 773.02

Пятикомпонентная смесь (метионин + аргинин + аланин +валин + триптофан) 917.85

Шестикомпонентная смесь (серин + метионин + аргинин + аланин +валин + триптофан) 918.32

Шестикомпонентная смесь с неизвестным количественным составом (серин + метионин + аргинин + аланин +валин + триптофан) 924.90

Таблица 2

Сравнение потенциалов ионизации аминокислот, рассчитанных различными способами

Название аминокислоты Расчет по коэффициентам для углеводородов Расчет методом РМ3 Расчет на основе ИСО по уравнениям для цвиттер-ионов

Молекулы Цвиттер-ионы

ПИ, эВ ПИ, эВ ПИ, эВ ПИ, эВ ПИ, эВ Относительная ошибка, %

Серин 7.90 10.02 9.43 9.55 -0.12 1.31

Аланин 7.97 9.88 10.06 9.30 0.76 7.55

Метионин 9.49 8.99 8.93 8.60 0.33 3.73

Валин 7.82 9.84 9.39 9.85 -0.45 4.81

Аргинин 7.09 9.10 8.71 9.25 -0.54 6.23

Триптофан 5.70 8.47 7.15 6.43 0.72 10.07

Таблица 3

Коэффициенты корреляционных зависимостей для определения параметров электронной структуры для различных классов химических соединений

Класс соединений Характеристика Коэффициенты уравнения (1) Коэффициент

граничных а, эВ в, эВ • моль • л1 • 10-10 корреляции

молекулярных

орбиталей

Гетероатомные и ароматические ПИ 9.495 -2.38 0.85

соединения и углеводороды СЭ 0,11 9.78 0.85

Серусодержащие Тиолы ПИ 9.29 -1.70 0.95

органические СЭ -0.5 2.49 0.89

7 соединения Ненасыщенные ПИ 9.7 2.43 0.93

циклические СЭ -0.05 1.69 0.92

сульфиды

Полифункциональн Цвиттер-ионы ПИ 5.4 18.0 0.91

ые органические СЭ -0.35 27.0 0.72

красители 8 Молекулярная ПИ 10.7 9.0 0.72

форма СЭ 0.42 11,0 0.83

Аминокислоты Молекулярная ПИ 14.11 -6.5 0.68

форма СЭ 0.211 0.6 0.12

Цвиттер-ионы ПИ 15.73 -9.2 0.89

СЭ 7.03 -9.8 0.98

имеют отличия от значений коэффициентов, полученных ранее для других классов органических соединений.

Оценка эффективных характеристик электронной структуры биологически активных жидкостей человека, проводимая с использованием данных электронной феноменологической спектроскопии (интегральной силы осцилляторов), позволяет оценить изменение состава аминокислот вследствие изменения состояния организма. Как показывают эксперименты 9-11, наиболее точную оценку состояния человека можно дать по анализу спектра плазмы.

Таким образом, теоретически и экспериментально обоснована возможность применения электронной феноменологической спектроскопии для расчета ЭПИ и ЭСЭ водных растворов биологически активных веществ по абсорбционным электронным спектрам.

Литература

1. Пюльман Б., Пюльман А. Квантовая биохимия.- М.: Мир.- 1965.- 480 с.

2. Романова Т. А., Кузубов А. А., Краснов П. О., Аврамов П. В. // Биофизика.- 2003.- Т. 48.-№4.- 618 с.

3. Краснов П. О., Романова Т. А., Кузубов А. А. // Материалы конференции «Интеллект -2001».- Красноярск.- 2001.- 6 с.

4. Доломатов М. Ю. Применение электронной спектроскопии в физико-химии многокомпонентных стохастических и сложных молекулярных систем.- Уфа: ЦНТИ.- 1989.- 47 с.

5. Доломатов М. Ю., Мукаева Г. Р. // Журнал прикладной спектроскопии.- 1992.- Т.56, №4.- С. 570.

6. Доломатов М. Ю. Фрагменты теории реального вещества.- М.: Химия.- 2005.- 207 с.

7. Касьянова А. Б., Доломатов М. Ю., Майданов В. В. // Вестник БГУ.- 2001.-№3.- С. 31.

8. Доломатов М. Ю., Майданов В. В., Кобраков К. И., Егорова Л. Р., Станкевич Г. С. // Вестник УГИС.- 2002.- №1 (3).- С. 84.

9. Калашченко Н. В., Доломатов М. Ю., Дезорцев С. В., Попова Е. А., Курманкаева Р. Р. // Башкирский химический журнал.- 2004.-Т.11.- №2.- С. 47.

10. Доломатов М. Ю., Калашченко Н. В., Дезорцев С. В., Корженевский А. А., Попова Е. А., Курманкаева Р. Р. // Башкирский химический журнал.- 2004.- Т.11, №4.- С. 35.

11. Дезорцев С. В., Калашченко Н. В., Доломатов М. Ю. // Вестник АН РБ.- Т. 10, №4.- 2005.- С. 20.

12. Свердлова О. В. Электронные спектры в органической химии.- Л.: Химия, 1985.- 248 с.

13. Рубин А. Б. Биофизика.- М.: Изд-во МГУ, «Наука».- 2004.- Т. 1, 2.- С. 931.

14. Фрайфелдер Д. Физическая биохимия.- М.: Мир.- 1980.- 583 с.

15. Алабужев П. М., Геронимус В. Б., Минкевич Л. М., Шеховцев Б. А. Теории подобия и размерностей. Моделирование.- М: Высшая школа.- 1968.- 206 с.

16. Ленинджер А. Основы биохимии. В 3-х томах.-М.: Мир. 1985.- Т. 1.- 365 с.

17. Кнорре Д. Г., Мызина С. Д. Биологическая химия. — М.: Высшая школа.- 2000.- 480 с.

18. Прищепов А. С., Пилько Е. К. // Журнал прикладной спектроскопии.- 2000.- Т.67, №4.- С. 436.

19. ГОСТ 6709-72. Вода дистиллированная. Технические условия.