CC BY
15УДК 544.252.4 + 544.016 + 544.18
Н. В. Жарникова1, А. И. Смирнова1, Н. И. Гиричева1, В. Г. Баделин 2, Н. В. Усольцева1
ВЛИЯНИЕ ДОБАВОК АМИНОКИСЛОТ И ОЛИГОПЕПТИДОВ НА ФОРМИРОВАНИЕ ЛИОТРОПНОЙ ГЕКСАГОНАЛЬНОЙ ФАЗЫ В ВОДНЫХ РАСТВОРАХ ДОДЕЦИЛСУЛЬФАТА НАТРИЯ
'Ивановский государственный университет, ул. Ермака, 39, 153025 Иваново, Россия. E-mail: nv_usoltseva@mail.ru 2Институт химии растворов им. Г. А. Крестова РАН (ИХР РАН) ул. Академическая, д. 1, 153045 Иваново, Россия
Исследовано влияние добавок аминокислот (аланина) и олигопептидов (глицилглицина, глицилглицил-глицина и аланилаланина) на формирование лиотропной гексагональной мезофазы в водных растворах до-децилсульфата натрия (SDS). Впервые установлено, что в тройных системах «SDS - олигопептид - вода» происходит сдвиг формирования гексагональной мезофазы в область более низких концентраций SDS по сравнению с бинарной системой «SDS - вода». Для трехкомпонентной системы с аланином такого эффекта не наблюдается и гексагональная лиомезофаза формируется при концентрациях SDS, близких к бинарной системе. Интерпретация данных проведена на основе представлений о влиянии гидрофильно-липо-фильного баланса на кривизну поверхности мицелл. Квантово-химические расчеты для тройной системы «SDS - аланин - вода» подтверждают, что при одновременном сосуществовании в системе трех компонентов (SDS, воды и аланина) энергия связывания аланина с полярной группой SDSлишь немного превышает значение связывания SDS с водой.
Ключевые слова: додецилсульфат натрия, аминокислота, олигопептид, бинарные и тройные системы, лиотропный мезоморфизм, квантово-химические расчеты.
DOI: 10.18083/LCAppl.2019.1.14
N. V. Zharnikova1, А. I. Smirnova1, N. I. Giricheva1, V. G. Badelin2, N. V. Usol'tseva1
EFFECT OF AMINO ACID AND OLIGOPEPTIDE ADDITIVES ON FORMATION OF LYOTROPIC HEXAGONAL PHASE IN AQUEOUS SOLUTIONS OF SODIUM
DODECYL SULPHATE
Ivanovo State University, 39 Ermak St., Ivanovo, 153025, Russia. E-mail: nv_usoltseva@mail.ru 2G. A. Krestov Institute of Solution Chemistry of the Russian Academy of Sciences, 1 Academicheskaya St., Ivanovo, 153045, Russia
The effect of amino acid (alanine) and oligopeptides (glycylglycine, glycylglycylglycine and alanylalanine) on the formation of lyotropic hexagonal mesophase in aqueous solutions of sodium dodecyl sulfate (SDS) was studied. For the first time, it was established that for the «SDS - oligopeptide - water» ternary systems there is a shift of the hexagonal mesophase to a region of lower SDS concentrations compared to the «SDS - water» binary system. For the three-component system with alanine, such effect was not observed. The data were interpreted on the basis of ideas about the effect of hydrophilic-lipophilic balance on the curvature of the micelle surface. Quantum-chemical calculations performed for the «SDS - alanine - water» ternary system confirm that, while the three components (SDS, water and alanine) coexist in the system, the binding energy of alanine with the polar group of SDS only slightly exceeds the one of SDS with water.
Key words: sodium dodecyl sulfate, amino acid, oligopeptide, binary and ternary systems, lyotropic meso-morphism, quantum-chemical calculations.
© Жарникова Н. В., Смирнова А. И., Гиричева Н. И., Баделин В. Г., Усольцева Н. В., 2019
Введение
Разработка физико-химических принципов создания нового класса антибиотиков (антимикробных пептидов) постоянно находится в центре внимания исследователей. Антимикробные пептиды решают проблему резистентности традиционных антибиотиков (так называемый «кризис антибиотиков»). Кроме того, антимикробные пептиды активны против раковых клеток и могут также участвовать в биохимических процессах, таких как инактивация нуклеиновых кислот и цитоплазматиче-ских белков. Исследование взаимодействия между пептидной и мембранной структурами, определение стехиометрии образуемых ими комплексов имеют первостепенное значение для понимания механизма доставки антибиотиков в клетки-мишени, дизайна новых лекарственных форм, детализации фармакодинамики и кинетики. В последнее десятилетие интенсивно проводятся экспериментальные и теоретические исследования соединений, входящих в состав пептидных антибиотиков, и физико-химических характеристик их взаимодействия с ли-пополисахаридами (ЛПС) как компонентами биологических мембран [1-6]. В настоящее время антимикробные пептиды находятся в центре исследований во многих областях естественных наук. Вместе с тем нет единого представления об особенностях влияния молекулярной структуры антимикробных пептидов и баланса гидрофобных и электростатических взаимодействий между антимикробным пептидом и его мишенью на проявление избирательной активности этих синтетических соединений. Развитие представлений о пространственной организации и механизмах функционирования
таких сложных макромолекул, как мембранные ли-пополисахариды и антимикробные олигопептиды, невозможно без экспериментальных данных о физико-химических свойствах растворов исходных компонентов, без оценки термодинамических параметров связывания между ними и влияния модификации структуры на характер их взаимодействия. Согласно современным представлениям, ключевым моментом активности природных антимикробных пептидов является степень их связывания с липопо-лисахаридами бактериальных мембран. До сих пор отсутствует ясное понимание влияния особенностей строения молекул на селективность подобных взаимодействий и их антимикробную активность. В последние годы появились работы, касающиеся взаимодействия ЛПС с различными классами ам-фифильных молекул, к числу которых принадлежат белки, аминокислоты, пептиды, полиамины и др. [4, 7]. Поэтому изучение взаимодействия антимикробных пептидов с липополисахаридами бактериальных мембран с использованием модельных соединений актуально. Именно на примере аминокислот/пептидов как базовых структурных блоков пептидных антибиотиков могут быть изучены особенности взаимодействия различных функциональных групп с природными липополисахаридами или их моделями [5, 8-10], что создаст теоретическую основу для направленного синтеза нового класса антимикробных препаратов на основе олигомеров взамен классическим антибиотикам.
Одним из наиболее используемых модельных соединений является додецилсульфат натрия (5Ю5) с гидрофобной углеводородной цепью С12 и небольшой отрицательно заряженной головной группой (рис. 1) [11].
Гидрофильная
молекула АФ
мицелла
Рис. 1. Схематическое представление строения молекулы модельного соединения - БОБ
Fig. 1. Schematic representation of the model compound - SDS
Имеющиеся в литературе данные по влиянию различных аминокислот, например глицина, DL-аланина и др., на фазовое поведение ПАВ касаются лишь предмицеллярных и мицеллярных областей [5, 12, 13]. Опубликованные работы, как правило, посвящены изучению влияния различных веществ и сорастворителей на критическую концентрацию мицеллообразования. Исследований в более концентрированных областях, где формируются лио-тропные мезофазы, до наших работ не проводилось. Ранее в работе [14] нами было показано, что введение аминокислоты глицина ^1у) в водную систему БВБ приводит к преимущественному взаимодействию глицина с полярными группами БВБ, что понижает содержание воды в системе, необходимое для формирования гексагональной фазы. Данный вывод был также подтвержден результатами квантово-химиче-ских расчетов, которые показали, что при конкуренции молекул воды и глицина за связывание с гидрофильной частью БВБ преимущество имеет глицин [14, 15]. Связывание глицина с головной группой БВБ влечет увеличение размера гидрофильного фрагмента ПАВ в его условной молекулярной форме «обращенного конуса» (рис. 1). Площадь поверхности на полярную группу в надмолекулярном ассоциате при
этом возрастает, что должно повысить кривизну поверхности мицеллы и, соответственно, уменьшить ее радиус, снизить ККМ и концентрацию формирования гексагональной фазы [11].
Целью нашей работы явилось продолжение ранее начатых нами исследований по влиянию особенностей строения добавок аминокислот/оли-гопептидов на формирование лиотропных жидкокристаллических фаз в тройных системах «SDS -аминокислота/олигопептид - вода».
Эксперимент
Материалы и методы исследования
Для приготовления трехкомпонентных систем использовали додецилсульфат натрия (SDS) (Sigma-Aldrich, CAS 151-21-3), глицилглицин (Gly-Gly) (Sigma, CAS 556-50-3) и глицилглицилглицин (Gly-Gly-Gly) (Sigma, CAS 556-33-2), L-аланин (Ala) (Reanal, Hungary, CAS 56-41-7), L-аланил^-аланин (Ala-Ala) (Reanal, Hungary, CAS 1948-31-8) (рис. 2) и воду (бидистиллят). SDS, аминокислота и олиго-пептиды использовались без дополнительной очистки.
гидрофобная часть
гидрофильная часть
-1
е © ^O-S-O Na
O
Sodium dodecyl sulfate (SDS)
O
O Gly
OH
O
Gly-Gly
HO N^OH
O
H2N^X
Or
H O
Gly-Gly-Gly
HO N^OH
O CH3 h O
' O CH3
Ala-Ala
NH2 Ala
Рис. 2. Структурные формулы додецилсульфата натрия (SDS) и исследуемых добавок: аминокислот глицина (Gly), аланина (Ala) и олигопептидов - глицилглицина (Gly-Gly), глицилглицилглицина (Gly-Gly-Gly),
аланилаланина (Ala-Ala)
Fig. 2. Structures of sodium dodecyl sulfate (SDS) and studied amino acids: glycine (Gly), alanine (Ala) and oligopeptides: glycylglycine (Gly-Gly), glycylglycylglycine (Gly-Gly-Gly), alanylalanine (Ala-Ala)
Трехкомпонентные системы SDS - амино-кислота/олигопептид - H2O готовили аналогично приготовлению бинарных систем путем растворения необходимого количества SDS (его концентрация варьировалась от 16 до 48 мас. %) в соответствующем количестве насыщенного раствора аминокислоты/олигопептида (по массе). Ограниченный концентрационный диапазон был выбран с учетом того, что целью эксперимента было установление момента формирования двулучепре-ломляющей гексагональной лиомезофазы: 1) при переходе из изотропной мицеллярной фазы (в виде двухфазной области), 2) при формировании однофазного района гексагональной фазы. Выбранный концентрационный диапазон гарантированно перекрывает области существования ми-целлярного изотропного раствора, двухфазной области сосуществования гексагональной фазы с изотропом и перехода к однофазной области гексагональной лиомезофазы. Массовые проценты использовали в связи с тем, что фазовые диаграммы, известные из литературы для бинарной системы SDS - H2O, упоминаются только в массовых процентах [16, 17]. Насыщенные растворы аминокислоты/олигопептидов готовили, исходя из их максимальной растворимости в 100 г воды при 25 °С: глицилглицин - 18,48 г, глицилглицилглицин - 4,705 г [18], аланин - 16,65 г [19], аланилаланин -10 г [20]. Полученные смеси диспергировали в течение нескольких дней при комнатной температуре, а также подвергали ультразвуковой гомогенизации при температуре не выше 30 °С.
Трехкомпонентные системы SDS - Gly-Gly -H2O, SDS - Gly-Gly-Gly - H2O, SDS - Ala - H2O и SDS - Ala-Ala - H2O исследовали методом поляризационной оптической микроскопии (микроскоп «Leitz LaborLux 12 Pol», оснащенный термосистемой фирмы «Mettler FP-82»). Микрофотографии текстур получали при помощи цифровой камеры-окуляра DCM800. Для поддержания постоянства
концентрации растворителя образцы запаивали между предметным и покровным стеклами при помощи двухкомпонентной эпоксидной смолы. Тем-пературно-концентрационная зависимость фазового состояния указанных систем исследовалась в диапазоне концентраций SDS от 16 до 48 мас. % и температурном диапазоне от 22 до 80 °С. Образцы не нагревали выше 80 °С для предотвращения закипания и нарушения герметичности запаянных ячеек. Указанный метод является оптимально информативным для изучения и построения диаграмм фазового состояния лиотропных многокомпонентных систем [14, 21].
Результаты и их обсуждение
На рисунке 3 представлены упрощенные псевдобинарные фазовые диаграммы исследуемых трех-компонентных систем «SDS - аминокислота/олиго-пептид - H2O». Фрагмент бинарной фазовой диаграммы (рис. 3, а) согласуется с литературными данными [16]. Система SDS - Gly - H2O (рис. 3, b) была исследована нами ранее [14].
Лиотропный мезоморфизм системы SDS - Gly-Gly -H2O
В трехкомпонентной системе SDS - Gly-Gly -H2O (рис. 3, с) гексагональная (Hex) лиомезофаза с типичной текстурой (рис. 4) появляется при 20 мас. % SDS (при этом мольное соотношение компонентов «SDS : Gly-Gly : вода» составляет 1:7:11) и, сосуществуя с изотропной жидкостью, наблюдается в виде двухфазного района (Hex+Iso) до 24 мас. % SDS (соотношение компонентов 1:6:9). Таким образом, для начала формирования Hex-мезофазы в этой системе на 1 моль SDS необходимо 11 молей воды. Однофазный район Hex-фазы в этой трехкомпонентной системе появляется, начиная с концентрации 26 мас. % SDS (при этом соотношение мольных компонентов «SDS : Gly-Gly : вода» составляет 1:5:8).
80
70
га 60-
g. 50-1
40
30-
20-
12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 SDS мас. % Gly-Gly+H2O
80-
70-
O
60-
50-
40-
30-
20-
IP
Iso Hex+Iso Hex f
Ц
20 24 28 32 36 40 44 48 SDS мас. % Gly-Gly-Gly+H2O
b
a
e f
Рис. 3. Псевдобинарные диаграммы фазового состояния исследуемых систем: a - бинарная система SDS - Н2О [14]; b - тройная система SDS - Gly - Н2О [14]; c - тройная система SDS - Gly-Gly - Н2О ; d - тройная система SDS - Gly-Gly-Gly - Н2О; e - тройная система SDS - Ala - Н2О; f - тройная система SDS - Ala-Ala - Н2О. • - изотропная фаза (Iso), ■ - гексагональная фаза (Нех), ▼ - двухфазный район (Hex+Iso)
Fig. 3. Pseudobinary phase diagrams of the studied systems: a - SDS - Н2О system [14]; b - SDS - Gly - Н2О system [14]; c - SDS - Gly-Gly - Н2О system; d - SDS - Gly-Gly-Gly - Н2О system; e - SDS - Ala - Н2О system; f - SDS - Ala-Ala - Н2О system • - isotropic phase (Iso), ■ - hexagonal phase (Нех), ▼ - biphasic region (Hex+Iso)
Рис. 4. Текстура Hex-фазы системы SDS - Gly-Gly - H2O (24 мас. % SDS), T = 22 °C, поляризаторы скрещены, х 100
Fig. 4. Texture of Hex-phase of SDS - Gly-Gly - H2O system (24 wt. % of SDS), T = 22 °C, crossed polarizers, х 100
Рис. 5. Двухфазный район (Hex+Iso) системы SDS - Gly-Gly-Gly - H2O (28 мас. % SDS), T = 22 °C, поляризаторы скрещены, х 100
Fig. 5. Biphasic region (Hex+Iso) of SDS - Gly-Gly-Gly - H2O system (28 wt. % of SDS), T = 22 °C, crossed polarizers, х100
Лиотропный мезоморфизм системы SDS - Gly-Gly-Gly - H2O
Для трехкомпонентной системы c соответ-свующим трипептидом: SDS - Gly-Gly-Gly - H2O (рис. 3, d), было установлено, что Hex лиомезофаза начинает формироваться при 24 мас. % SDS, сосуществуя с изотропной жидкостью в виде двухфазного района (Hex+Iso) (рис. 5) до концентрации SDS 30 мас. %. Таким образом, для начала формирования лиомезофазы в этой тройной системе на 1 моль SDS требуется 9 молей воды. По сравнению с соответствующим дипептидом (Gly-Gly) трипептид (Gly-Gly-Gly), введенный в систему, сдвигает двухфазный район (Hex+Iso) вправо (на 4 мас. %). Образование однофазного района лиомезофазы в трех-компонентной системе SDS - Gly-Gly-Gly - H2O происходит, когда концентрация SDS достигает 32 мас. % (мольное соотношение компонентов «SDS : Gly-Gly : вода» - 1:3:6).
Таким образом, данные, представленные на фазовых диаграммах (рис. 3, а, b, c, d), свидетельствуют, что все добавки на основе глицина сдвигают двухфазный район (Hex+Iso) в область низких концентраций SDS по сравнению с двухкомпонент-ной системой SDS - H2O. При этом в ряду Gly -
Gly-Gly - Gly-Gly-Gly аминокислота (Gly) и дипеп-тид (Gly-Gly) действуют значительно сильнее, чем соответствующий трипептид (Gly-Gly-Gly).
С целью установления влияния структуры добавок аминокислот и олигопептидов на формирование лиомезофаз в водных системах SDS нами также были исследованы тройные системы с аминокислотой - аланином (Ala) и соответствующим ей дипеп-тидом (Ala-Ala). По своей структуре аланин отличается от глицина наличием боковой метильной группы, соединенной с a-атомом углерода амино-карбоновой группировки.
Лиотропный мезоморфизм системы SDS - Ala -H2O
Как следует из фазовой диаграммы, представленной на рис. 3, е, в тройной системе с аланином SDS - Ala - H2O Нех-лиомезофаза появляется в виде двухфазного района (Hex+Iso) при концентрации 38 мас. % SDS (мольное соотношение компонентов «SDS : Ala : вода» составляет 1:5:3) (рис. 6, a). Однофазный район гексагональной лиомезофазы (рис. 6, b) наблюдается, начиная с концентрации 46 мас. % SDS (соотношение молей компонентов «SDS : Ala : вода» - 1:3:2).
Рис. 6. Микрофотографии текстур системы SDS - Ala - H2O: a - двухфазный район Hex+Iso (40 мас. % SDS); b - гексагональная фаза (46 мас. % SDS), T = 22 °C, поляризаторы скрещены, х 100
Fig. 6. Textures of SDS - Ala - H2O system: a - biphasic region Hex+Iso (40 wt. % of of SDS); b - hexagonal phase (46 wt. % of SDS),
T = 22 °C, crossed polarizers, х 100
Лиотропный мезоморфизм системы SDS - Ala-Ala - H2O
Замена аминокислоты (Ala) на соответствующий дипептид (Ala-Ala) приводит к сдвигу областей существования лиомезофазы влево (рис. 3,f), аналогично трехкомпонентной системе SDS - Gly-Gly-Gly - H2O. При этом двухфазный район (Hex+Iso)
(рис. 7, a) наблюдается при концентрациях SDS от 24 до 28 мас. % (мольное соотношение компонентов «SDS : Ala-Ala : вода» изменяется от 1:5:9 до 1:7:4, соответственно). Район однофазной Нех-лио-мезофазы (рис. 7, b) наблюдается при концентрациях SDS выше 30 мас. % (мольное соотношение компонентов SDS : Ala-Ala : вода - 1:4:6).
Рис. 7. Микрофотографии текстур системы SDS - Ala-Ala - H2O: а - двухфазный район Hex+Iso (24 мас. % SDS); б - гексагональная фаза (30 мас. % SDS). T = 22 °C, поляризаторы скрещены, х 100
Fig. 7. Texture of SDS - Ala-Ala - H2O system: a - biphasic region Hex+Iso (24 wt. % of SDS); b - hexagonal phase (30 wt. % of SDS). T = 22 °C, crossed polarizers, х 100
При анализе мольных соотношений компонентов в тройных системах, содержащих добавки аминокислот: глицина (изученного нами ранее [14]) и аланина, а также соответствующих олигопептидов: глицилглицина, глицилглицилглицина и ала-
Обращает внимание тот факт, что количество молей воды для достижения двухфазного района (Hex+Iso) в бинарной системе SDS - H2O (при этом соотношение молей SDS к воде составляет 1:27) (рис. 3, а) примерно в два раза выше, чем в тройной системе с глицином (SDS - Gly - H2O) (1:13) (рис. 3, b). Добавление дипептида (Gly-Gly) снижает количество молей воды, необходимое для начала формирования Hex-фазы, в 2,5 раза (рис. 3, с), а трипеп-тид (Gly-Gly-Gly) - в 3 раза (рис. 3, d). Такая же тенденция наблюдается и при формировании однофазного района Hex-фазы в системах с добавками на основе глицина: количество воды снижается в 2, 2,5 и 3 раза при добавлении аминокислоты, дипептида и трипептида, соответственно.
Что касается добавок аланина и аланилала-нина, то для появления Hex-фазы в виде двухфазного района (Hex+Iso) также требуется меньшее количество молей воды по сравнению с бинарной системой SDS - H2O (1:27). Так, добавка 5 моль аланина снижает количество молей воды в 9 раз (1:3), а такая же добавка соответствующего дипептида -в 3 раза (1:9) (табл. 1). Таким образом, содержание воды в системе в условиях начала формирования гексагональной фазы (Hex+Iso) при добавлении аминокислоты (Ala) значительно снижается по сравнению с бинарной системой, а при добавлении
нил-аланина, было установлено, что начало формирования гексагональной фазы и ширина области существования двухфазного района (Нех+^о) в значительной степени зависят от молекулярной структуры введенной добавки (табл. 1).
дипептида (Ala-Ala) снова увеличивается. Аналогичное поведение наблюдается и при формировании однофазного района Hex-лиомезофазы: добавка Ala в 10 раз снижает количество молей воды, а Ala-Ala - только в 3 раза. Это не повторяет тенденцию, которая наблюдалась в тройных системах с добавками на основе глицина.
Учитывая, что основным «строительным» элементом лиотропных фаз, являющихся моделями биологических мембран, выступают не молекулы, а их надмолекулярные ансамбли (в случае SDS - мицеллы), мы попытались интерпретировать происходящий сдвиг формирования гексагональной фазы на основе тех процессов, которые протекают в системах разбавленных растворов SDS с водой, аминокислотами и олигопептидами. В работе [5] было изучено влияние аминокислот глицина, аланина, валина и лейцина на мицеллообразование додецил-сульфата натрия в водных растворах. Было выявлено, что рост гидрофобности аминокислот в ряду глицин - аланин - валин - лейцин приводит к уменьшению критической концентрации мицелло-образования (ККМ) SDS в водных растворах. Такой же эффект наблюдали авторы в работе [22]. Они показали, что в ряду вода - глицин - аланин - гли-цилглицин ККМ (SDS) уменьшается с 0,0081 до 0,0045 моль/кг (табл. 2). В то же время степень
Таблица 1. Лиомезоморфизм и мольные соотношения компонентов исследуемых систем Table 1. Lyotropic mesomorphism and molar ratios of components of the studied systems
Система мас. % SDS мезофаза SDS, моль Д, моль H2O, моль
SDS - H2O[16] 37 Hex+Iso 1 - 27
44 Hex 1 - 20
SDS - Gly - H2O[14] 20 Hex+Iso 1 12 13
24 Hex 1 10 10
SDS - Gly-Gly - H2O 20 Hex+Iso 1 7 11
26 Hex 1 5 8
SDS - Gly-Gly-Gly - H2O 24 Hex+Iso 1 4 9
32 Hex 1 3 6
SDS - Ala - H2O 38 Hex+Iso 1 5 3
46 Hex 1 3 2
SDS - Ala-Ala - H2O 24 Hex+Iso 1 5 9
30 Hex 1 4 6
Д - третий компонент (Gly, Gly-Gly, Gly-Gly-Gly, Ala, Ala-Ala)
ионизации в (ЗВЗ) увеличивается в такой последовательности: раствор ЗВЗ в воде - 0,33, в растворе глицина - 0,39, в растворе аланина - 0,42, в растворе глицилглицина - 0,60. При увеличении температуры с 298,15 до 313,15 К наблюдается повышение значений ККМ (ЗВЗ), и это связано с ослаблением гидрофобного взаимодействия не только между ЗВЗ, аминокислотами и дипептидом, но также и между молекулами ЗВЗ.
Аналогичные закономерности были выявлены также для ЗВЗ в водных растворах глицина, глицилглицина и глицилглицилглицина. С ростом числа атомов углерода в ряду 01у - 01у-01у - 01у-
01у-01у гидрофобные взаимодействия между неполярными группами аминокислот и ПАВ растут [8, 23]. Показано, что добавление амфифильных биологически активных веществ (0!у, 0!у-0!у, 0!у-0!у-0!у) вызывает увеличение склонности молекул ПАВ к агрегации в растворах, что приводит к изменению ККМ. Таким образом, ККМ ЗВЗ в тройных системах уменьшается с увеличением гидрофобного характера их молекул от 01у к 01у-01у-01у. Соответственно это может быть также основой снижения концентрации ЗВЗ при формировании ансамблей мицелл в виде лиотропной гексагональной фазы [11].
Таблица 2. Значения ККМ и степени ионизации (Р) SDS в воде и 0,10 m водных растворах Gly, Ala и Gly-Gly при температуре 298,15 K [22]
Table 2. Values of critical micelle concentration CMC and ionization degree of SDS in water and in 0,10 m aqueous solutions of glycine, alanine and glycylglycine at 298,15K [22]
Вода Gly Ala Gly-Gly
ККМ, моль*кг-1 0,0081 0,0076 0,0065 0,0045
P 0,33 0,39 0,42 0,60
Квантово-химические расчеты
Для интерпретации полученной нами закономерности по влиянию добавок аминокислот на уменьшение ККМ и концентрации формирования конденсированных фаз (гексагональной лиомезо-фазы) мы обратились к данным квантово-химиче-ских расчетов для комплексов ЗВЗ с глицином и водой [14, 15], а также аланином и водой [24].
В работах [14, 15] было показано, что ЗВЗ с глицином образует более прочные комплексы, чем с водой (рис. 8, а). Был сделан вывод о том, что при одновременном существовании в системе ЗВЗ, Н2О и 01у поверхность мицеллы, представленная гидрофильной частью додецилсульфата натрия, будет склонна к преимущественному взаимодействию с глицином, а не с водой.
Аминокислота аланин в зависимости от ее конформации может образовывать с SBS комплексы разного строения (аминокислота в цвиттер-ионной форме - I zw и в молекулярной форме - II mol) [24]. В каждом из этих комплексов возникает одинаковый фрагмент, состоящий из иона Na+ и четырех атомов кислорода, с близкими расстояниями Na+...О. Комплекс SBS...Ala (I zw) имеет б0льшую вероятность к реализации, чем менее прочный комплекс SBS.Ala (II mol). На рис. 8, b представлена устойчивая структура комплекса I zw, в котором аминокислота находится в цвиттер-ионной форме и образует межмолекулярную водородную связь N-H...O.
«Se
с
вГФ
"Л-
НС
"У"....../^-у:-'
2 552 2.«87® £ 2.459
2.561
ь
a b
Рис. 8. Оптимизированные структуры комплексов (цвиттер-ионная форма): а - DDSNa...Gly (II zw) [14, 15]; b - SDS...Ala (I zw) [24]
Fig. 8. Optimized structures of complexes (zwitter-ionic form):
a - DDSNa...Gly (II zw) [14, 15]; b - SDS.Ala (I zw) [24]
Энергии образования комплексов I zw и В таблице 3 приведены значения энергий об-
II mol, составляющие 27,3 и 19,6 ккал/моль, вычис- разования комплексов Екомп для додецилсульфата
лены по уравнению: натрия с водой и с аминокислотами: глицином [14,
Екомп = - [E(SDS...Ala) - E(SDS) - E(Ala)]. 15] и аланином [24].
Таблица 3. Энергии образования устойчивых комплексов (ккал/моль) SDS...H2O, SDS...Gly, SDS...Ala и геометрические характеристики межмолекулярных водородных связей
Table 3. Formation energy (kcal/mol) of SDS...H2O, SDS.Gly, SDS.Ala complexes and geometric characteristics of intermolecular hydrogen bonds
Комплекс AE, ккал / моль R(O...H), Â D-H...O,0 *
SDS...H2O (П)[14- 15] 20,2 1,754 166,162
SDS. Gly (II zw)[H 15] 48,3 1,667 162,9
SDS... Ala (I zw)[24] 27,3 1,675 164,2
* D=N - донор водородной связи
Исходя из величин энергии образования комплексов SDS...Ala и SDS...H2O, значения которых близки (27,3 ккал/моль и 20,2 ккал/моль, соответственно) (табл. 3), можно сделать вывод о том, что в тройной системе SDS - Ala - H2O энергия связывания аланина с полярной группой SDS лишь немного превышает значение связывания SDS с водой. Поэтому «конкуренция» за взаимодействие с SDS выражена гораздо слабее по сравнению с глицином.
Выводы
Таким образом, в тройных системах «додецил-сульфат натрия - олигопептид - вода» впервые показан сдвиг формирования гексагональной мезофазы в область более низких концентраций додецилсуль-фата натрия в системах с насыщенными водными растворами дипептидов глицилглицина и аланилала-нина, а также трипептида - глицилглицилглицина по сравнению с бинарной системой «додецилсульфат натрия - вода». Однако для трехкомпонентной системы «додецилсульфат натрия - аланин - вода» такого эффекта не наблюдается и гексагональная лио-мезофаза формируется при концентрациях SDS, близких к бинарной системе «SDS - вода».
В изученных системах проявляется общая тенденция снижения соотношения количества молекул аминокислот/олигопептидов на 1 молекулу додецил-сульфата натрия для начала формирования гексагональной лиотропной мезофазы, представленная в ряду: Gly > Gly-Gly > Ala-Ala > Gly-Gly-Gly > Ala.
Квантово-химические расчеты показали, что взаимодействие Gly с SDS является преимущественным по сравнению с водой. В отличие от этого
энергия связывания аланина с полярной группой SDS лишь немного превышает значение связывания SDS с водой. Последнее, в свою очередь, будет влиять на кривизну поверхности мицеллы значительно меньше, чем в случае с глицином. Поэтому формирование гексагональной фазы в системе с глицином происходит при меньших концентрациях SDS по сравнению с системой, содержащей аланин.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (гранты № 15-43-03003 рцентра и № 18-03-01032а) и частично грантом Министерства образования и науки РФ № 16.103 7.2017/4.6.
Список литературы / References
1. Giuliani A., Pirri G., Bozzi A., Di Giulio A., Aschi M., Rinaldi A.C. Antimicrobial peptides: natural templates for synthetic membrane-active compounds. Cell Mol. Life Sci., 2008, 65 (16), 2450-2460.
DOI: 10.1007/s00018-008-8188-x.
2. Travkova O.G., Moehwald H., Brezesinski G. The interaction of antimicrobial peptides with membranes. Adv. Coll. Inter. Sci., 2017, 247, 521-532.
DOI: 10.1016/j.cis.2017.06.001.
3. Ali A., Tariq M., Patel R., Ittoo F.A. Interaction of glycine with cationic, anionic, and nonionic surfactants at different temperatures: a volumetric, viscometric, refractive index, conductometric, and fluorescence probe study. Colloid Polym. Sci. 2008, 286 (2), 183-190. DOI: 10.1007/s00396-007-1750-5.
4. Antimicrobial Peptides: Methods and Protocols / Ed. by A. Giuliani, A.C. Rinaldi. Humana Press, Springer Science+Business Media, LLC, New York, USA, 2010, 424 p.
5. Chauhan M.S., Chauhan R.S., Rana D.S., Umar A. Effect of temperature on micellar properties of sodium do-decyl sulfate in aqueous solutions of some amino acids (Glycine, Alanine, Valine and Leucine). Adv. Sci. Lett., 2012, 7, 43-51. DOI: 10.1166/asl.2012.3317.
6. Magotra U., Sandarve, Gupta V., Sharma M. Interactions of L-alanine with anionic, cationic and nonionic surfactants at different temperatures: A volumetric and viscometric study. Journal of Chemical and Pharmaceutical Research. 2014, 6 (6), 809-815.
7. Ермак И. М., Давыдова В. Н. Взаимодействие бактериальных липополисахаридов с растворимыми белками макроорганизма и поликатионами // Биологические мембраны. 2008. Т. 25, № 5. С. 323-342. [Yermak I.M., Davydova V.N. Interaction of bacterial lipopolysaccharides with host soluble proteins and po-lycations. Biochem. Moscow Suppl. Ser. A, 2008, 2 (4), 279-295. DOI: 10.1134/S1990747808040016].
8. Смирнов В. И., Баделин В. Г. Термодинамические характеристики растворения глицина, глицил-гли-цина и глицил-глицил-глицина в водных растворах додецилсульфата натрия при Т = 298,15 K // Журнал физической химии. 2017. Т. 91, № 9. С. 1496-1499. DOI: 10.7868/s0044453717090321. [Smirnov V.I., Badelin V.G. Thermodynamic characteristics of the dissolution of glycine, glycylglycine, and glycylglycylgly-cine in aqueous solutions of sodium dodecyl sulfate at Т = 298.15 K. Russian Journal of Physical Chemistry A, 2017, 91 (9), 1681-1684.
DOI: 10.1134/S0036024417090291].
9. Баделин В. Г., Межевой И. Н., Тюнина Е. Ю. Энтальпии взаимодействия глицина, L-цистеина и гли-цил-глицина с додецилсульфатом натрия в водных растворах // Журнал физической химии. 2017. Т. 91, № 3. С. 483-486. DOI: 10.7868/S0044453717030025. [Badelin V.G., Mezhevoi I.N., Tyunina E.Y. Measuring the enthalpies of interaction between glycine, L-cyste-ine, glycylglycine, and sodium dodecyl sulfate in aqueous solutions. Russian Journal of Physical Chemistry A, 2017, 91 (3), 521-524.
DOI: 10.1134/S0036024417030025.]
10. Hossain M.S., Biswas T.K., Kabiraz D.Ch., Islam Md. N., Huque M.E. Studies on sodium dodecylsulfate in aqueous and in aqueous amino acid solutions: Volumetric and viscometric approaches. J. Chem. Thermodynamics, 2014, 71, 6-13.
DOI: 10.1016/j.jct.2013.11.022.
11. Усольцева Н. В. Жидкие кристаллы: лиотропный мезоморфизм : учеб. пособие. Иваново : Иван. гос. ун-т, 2011, 316 с. [Usol'tseva N.V. Liquid crystals: lyotropic mesomorphism. Ivanovo : IvSU, 2011, 316 p. (in Russ.)].
12. Арутюнян Н. Г., Арутюнян Л. Р., Григорян В. В., Арутюнян Р. С. Влияние аминокислот на критическую концентрацию мицеллообразования поверхностно-активных веществ различной природы // Коллоидный журнал. 2008. Т. 70, № 5. С. 715-717. [Arutyunyan N.G., Arutyunyan L.R., Grigoryan V.V.,
Arutyunyan R.S. Effect of aminoacids on the critical micellization concentration of different surfactants. Colloid Journal, 2008, 70 (5), 666-668. DOI: 10.1134/S1061933X08050177].
13. Ali A., Malik N.A., Uzair S. & Ali M. Conductometric and fluorometric studies of sodium dodecyl sulphate in aqueous solution and in the presence of amino acids. Molecular Physics, 2014, 112 (20), 2681-2693, DOI: 10.1080/00268976.2014.905720.
14. Усольцева Н. В., Смирнова А. И., Жарникова Н. В., Курбатова М. С., Гиричева Н. И., Баделин В. Г. Влияние добавок глицина на формирование лиоме-зофазы водными системами додецилсульфата натрия // Жидк. крист. и их практич. использ. 2016. Т. 16, № 2. С. 70-79. [Usol'tseva N.V., Smirnova A.I., Zharnikova N.V., Kurbatova M.S., Giricheva N.I., Badelin V.G. Effect of glycine on lyomesophase formation by sodium dodecylsulfate - water systems. Liq. Cryst. and their Appl., 2016, 16 (2), 70-79 (in Russ.). DOI: 10.18083/LCAppl.2016.2.70].
15. Гиричева Н. И., Курбатова М. С., Тюнина Е. Ю., Баделин В. Г. Квантово-химическое исследование молекулярного строения комплексов додецилсульфата натрия с глицином и цистеином // Журнал структурной химии. 2017. Т. 58, № 8. 1654-1660. DOI: 10.26902/JSC20170818. [Giricheva N.I., Kurbatova M.S., Tyunina E.Yu., Badelin V.G. Quantum Chemical Study of the Molecular Structure of the Sodium Dodecylsulfate Complexes with Glycine and Cysteine. Journal of Structural Chemistry, 2017, 58 (8), 1604-1610. DOI: 10.1134/S0022476617080182].
16. Kékicheff P., Grabielle-Madelmont C., Ollivon M. Phase Diagram of Sodium Dodecyl Sulfate-Water System: 1. A Calorimetric Study. Journal of Colloid and Interface Science, 1989, 131 (1), 112-132.
DOI: 10.1016/0021-9797(89)90151-3.
17. Чернова Р. К., Шестопалова Н. Б., Волкова Е. В. Влияние некоторых факторов на фазовое разделение в системе додецилсульфат натрия - H2O // Известия Саратовского ун-та. Новая сер. 2013. Т. 13, вып. 1. С. 21-25. [Chernova R.K., Shestopalova N.B., Volkova E.V. Influence of Some Factors on Phase Separation of System Sodium Dodecyl Sulfate - H2O. Proceedings of Saratov University. New Ser., 2013, 13 (1), 21-25 (in Russ.)].
18. http://chemister.ru/Database/properties.php?dbid=1& id=5454.
19. Рабинович В. А., Хавин З. Я. Краткий химический справочник : справочное издание / под ред. А. А. Потехина, А. И. Ефимова. Л. : Химия, 1991. 432 с. [Rabinovich V.A., Havin Z.Ya. Brief chemical reference: Reference book. Leningrad : Chemistry, 1991, 432 p. (in Russ.)].
20. http://ru.foods-additive.com/category/L-Alanyl-L-Ala-nine.htm
21. Dierking I. Textures of Liquid Crystals. Darmstadt: Wiley-VCH Verlag, GmbH & Co. KGaA, Weinheim, 2003, 213 p. DOI: 10.1002/3527602054.
22. Ali A., Ansari N.H. Studies on the Effect of Amino Ac-ids/Peptide on Micellization of SDS at Different Temperatures. J Surfact Deterg, 2010, 13 (4), 441-449. DOI: 10.1007/s11743-010-1221-8.
23. Баделин В. Г., Тюнина Е. Ю., Тарасова Г. Н. Концентрационные зависимости объемных свойств водных растворов додецилсульфата натрия с глицином, диглицином и триглицином в интервале температур 293.15-313.15 K // Журнал физической химии. 2017. Т. 91, № 5. С. 862-869. [Badelin V.G., Tyunina E.Y., Tarasova G.N. Concentration dependences of the bulk properties of aqueous solutions of sodium dodecyl sulfate with glycine, di-glycine and tri-glycine in the temperature range. J. Phys. Chem., 2017, 91 (5), 862-869. (in Russ.).
DOI: 10.7868/S0044453717050065].
24. Курбатова М.С., Гиричева Н.И., Тюнина Е.Ю. Строение и энергии образования комплексов додецилсульфата натрия с аланином и триптофаном // XI Всероссийская школа-конференция молодых ученых «Теоретическая и экспериментальная химия жидко-фазных систем» (Крестовские чтения). 2017. С. 36. [Kurbatova M.C., Giricheva N.I., Tyunina E.Y. Structure and formation energy of sodium dodecyl sulfate with alanine and tryptophan complexes. XI All-Russian School-Conference of Young Scientists «Theoretical and Experimental Chemistry of Liquid-Phase Systems» (Krestov Discussions). 2017, p. 36. (in Russ.)].
Поступила в редакцию 4.02.2019 г.
Received 4 February 2019
