авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |

Термодинамика образования молекулярных комплексов в водных растворах аминокислот, пептидов, нуклеиновых оснований и макроциклических соединений

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи



КУЛИКОВ Олег Вячеславович




ТЕРМОДИНАМИКА ОБРАЗОВАНИЯ МОЛЕКУЛЯРНЫХ КОМПЛЕКСОВ В ВОДНЫХ РАСТВОРАХ АМИНОКИСЛОТ, ПЕПТИДОВ, НУКЛЕИНОВЫХ ОСНОВАНИЙ И МАКРОЦИКЛИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ




02.00.04 физическая химия






Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора химических наук






Иваново - 2005

Работа выполнена в Институте химии растворов РАН

Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор

Иванов И.И.

доктор химических наук, профессор

Петров П.П.

доктор химических наук, профессор

Сидоров С.С.

Ведущая организация Ивановский государственный химико-

технологический университет

Защита состоится «Х» _________ 2005 года в ___ часов на заседании

диссертационного совета Д 002.106.01 в Институте химии растворов

РАН по адресу: 153045, г. Иваново, ул. Академическая, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИХР РАН.

Автореферат разослан «Х» ___________ 2005 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Ломова Т.Н.














ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность работы.

Проблемы изучения межмолекулярных взаимодействий и комплексообразования в системах содержащих сольватированные биомолекулы и макроциклические лиганды актуальны для фундаментальной химии и представляют значительный практический интерес.

Все известные направления использования синтетических макроциклических соединений – краун-эфиров и природных циклодекстринов основаны на их уникальной способности к избирательному комплексообразованию с катионами и нейтральными молекулами. Выбор молекул "гостей" макромолекулами-хозяевами обусловливается принципом комплементарности и составляет основу протекания многих биохимических процессов, таких как ферментативный катализ, мембранный транспорт, взаимодействия антиген-антитело и т.п. Принцип «молекулярного узнавания» является определяющим при использовании краун-соединений и их производных для разделения биомолекул (например, аминов и аминокислот) и для создания новых комплексных соединений обладающих уникальными свойствами.

Несмотря на важность таких объектов, они изучены в основном структурными методами в кристаллическом состоянии, и механизм взаимодействий до сих пор не ясен. В литературе имеется лишь ограниченное количество работ, посвященных анализу термодинамических аспектов «молекулярного узнавания» в растворах, роли растворителя и сольватации реагентов, по-видимому, из-за отсутствия соответствующих экспериментальных методик определения термодинамических характеристик сложных комплексных взаимодействий, включающих как слабые силы, так и силы, приводящие к образованию супрамолекулярных комплексов.



Поэтому комплексное физико-химическое исследование природы, энергетики и механизма межчастичного взаимодействия широкого ряда биомолекул с макроциклическими лигандами, обладающими различной структурой полостей и характером связывания молекул гостей, является актуальным как с точки зрения развития химии супрамолекулярных соединений, так и приоритетных направлений биохимии, биотехнологии, фармакологии.

Цель работы. Целью настоящей работы является установление общих закономерностей в термодинамике реакций молекулярного комплексообразования в водных растворах модельных биологических и макроциклических соединений с различной химической природой полости.

Для ее выполнения необходимо решение следующих задач:

- провести экспериментальное термодинамическое исследование энергетики межмолекулярных взаимодействий в водных растворах содержащих ряд аминокислот, пептидов, пищевых кислот, нуклеиновых оснований и макроциклических лигандов (краун-эфиры, криптанды, циклодекстрины);

- провести обобщение термодинамических характеристик реакций комплексообразования с позиций сольватационного подхода;

- адаптировать физико-математический формализм для расчета термодинамических характеристик (энтальпийной (H), энтропийной (S) составляющих, энергии Гиббса (G) и энтальпийных коэффициентов hxy ) при изучении «слабых» и «сильных» взаимодействий в тройных растворах, содержащих модельные биологические и макроциклические соединения;

- определить способность рассматриваемых макроциклических соединений к избирательному связыванию («молекулярному узнаванию») модельных биомолекул в кристаллическом состоянии и в воде и выявить роль «слабых» нековалентных и специфических сил при взаимодействии;

- на основе данных ЯМР-спектроскопии выявить особенности молекулярного механизма взаимодействия изучаемых молекул.

Научная новизна работы.

Впервые проведено термодинамическое и структурное исследование комплексообразования пептидов с краун-эфирами в водном растворе и супрамолекулярные соединения пептид/краун/вода выделены в виде кристаллогидратов. Показана возможность образования молекулярных комплексов в водных растворах аминокислот, пищевых кислот, нуклеиновых оснований с циклодекстринами основанных на избирательности взаимодействия изученных соединений (принципах «молекулярного узнавания»). Предложены термодинамические критерии, позволяющие классифицировать взаимодействие как слабое или приводящее к молекулярному комплексообразованию.

Показано, что комплексообразование ряда биомолекул с двумя классами макроциклических лигандов: краун-эфирами и циклодекстринами имеет различный молекулярный механизм. Впервые исследована высокая избирательная способность циклодекстринов к комплексообразованию с нуклеиновыми основаниями и пищевыми кислотами, обусловленная возможностью взаимодействия как внутри полости, так и на поверхности циклодекстрина.

Впервые для изучения таких систем предложен термодинамический метод, основанный на физико-математическом формализме вириальных разложений избыточных энтальпий растворов и расчетах термодинамических функций образования, позволяющий комплексно изучать как слабые, так и сильные специфические взаимодействия, приводящие к образованию молекулярных комплексов в растворах биологических и макроциклических соединений с ограниченной растворимостью.

На основе комплексного анализа полученных экспериментальных данных выявлено влияние природы, строения и сольватации молекул реагирующих веществ на межмолекулярные взаимодействия в растворах содержащих различные функциональные биомолекулы и макроциклические соединения. Выявленные закономерности позволяют прогнозировать термодинамические характеристики взаимодействия исследованных классов молекул.

Практическая значимость.

Полученные результаты и выявленные закономерности позволяют моделировать синтез новых супрамолекулярных соединений обладающих слоистой структурой полярных и неполярных областей в кристаллическом состоянии и закладывают научную основу для создания нового класса супрамолекулярных материалов.

Полученный в работе большой объем экспериментальных данных по термодинамике взаимодействия в тройных растворах, содержащих аминокислоты, пептиды, нуклеиновые основания, пищевые кислоты, краун-эфиры и циклодекстрины, пополняет банк данных по термодинамике и является научной основой для разработки технологий селективного разделения биомолекул, синтеза высокоэффективных лекарственных и пищевых веществ пролонгированного действия.

Выявленные закономерности и механизмы взаимодействия биомолекул с краун-эфирами и циклодекстринами в водных растворах позволяют глубже понять особенности протекания таких биохимических процессов, как мембранный транспорт, ферментативный катализ и т.д. Обнаруженная способность циклодекстринов к молекулярному узнаванию нуклеиновых оснований в водных растворах может найти практическое использование при разработке процессов инкапсулирования и в решении проблем, связанных с повышением растворимости этих соединений в водной среде. В случае изученных взаимодействий циклодекстрина с пищевыми кислотами эффект комплексообразования можно использовать для понижения их кислотности и регулирования органолептических характеристик их растворов.

Апробация работы.

Результаты исследований были представлены и обсуждались на II Международном симпозиуме «Макроциклические лиганды для разработки новых материалов» (Буэнос-Айрес, Аргентина, 1994), VI Международной конференции по калориметрии и термическому анализу (Закопане, Польша, 1994), I Международной конференции по биокоординационной химии (Иваново, 1994) VI Международной конференции «Проблемы сольватации и комплексообразования в растворах» (Иваново, 1995), Международной конференции по термодинамике, экспериментальной калориметрии и термическому анализу (Закопане, Польша, 1997), VII Международной конференции «Проблемы сольватации и комплексообразования в растворах» (Иваново, 1998), 1-ой Международной конференции по супрамолекулярной науке и технологии (Закопане, Польша, 1998), XXII Всероссийском Чугаевском совещании по химии комплексных соединений (Иваново, 1999), VIII Международной конференции «Проблемы сольватации и комплексообразования в растворах» (Иваново, 2001), XX Международной Чугаевской конференции по координационной химии (Ростов-на-Дону, 2001), 2-ом Международном Симпозиуме «Молекулярный дизайн и синтез супрамолекулярных архитектур (Казань, 2002).

Диссертация выполнена в соответствии с планами научно-исследовательских работ ИХР РАН по научным темам: «Физическая химия супрамолекулярных комплексов биомолекул с макроциклическими соединениями» 1991-2001 гг. (№гос.рег. 01.9.30 005102) и «Физико-химическое исследование супрамолекулярных комплексов, представляющих интерес для пищевой технологии» 2001-2004 гг. (№гос.рег 01.2.00 1 03068) при финансовой поддержке: Международного научного фонда (Фонд Сороса) – гранты RLQ000, RLQ300; гранта Конкурса-экспертизы 1997 г. научных проектов молодых ученых РАН по фундаментальным и прикладным исследованиям. Часть экспериментальных данных была получена в Институте физической химии ПАН (г.Варшава).

Основное содержание диссертации опубликовано в 1 коллективной монографии, 47 статьях и 17 тезисах докладов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

  1. Физико-математический формализм для исследования термодинамики сильных и слабых взаимодействий в бинарных и тройных растворах биомолекул.

В разделе рассмотрены различные термодинамические подходы к исследованию слабых и специфических взаимодействий в растворах биомолекул. Особое внимание уделено адаптации формализма теории МакМиллана – Майера, основанного на использовании коэффициентов парных и тройных взаимодействий, для описания слабых гетеротактических взаимодействий в водных растворах. Нами разработана система термодинамических критериев, позволяющая классифицировать взаимодействия, имеющие место в растворах, на приводящие к образованию комплексов, и на «слабые» взаимодействия.

В случае комплексообразования между биомолекулами (специфические взаимодействия) возникает необходимость расчета термодинамических функций указанного процесса (kc, cG, cH, cS).

Таким образом, развитый здесь термодинамический подход к исследованию энергетики взаимодействия биомолекул в воде, основанный на вириальных разложениях избыточной энтальпии раствора и расчетах функций ассоциации, позволяет комплексно изучить как слабые, так и сильные взаимодействия, приводящие к ассоциации молекул. Физико-математический формализм и экспериментальные методики апробированы на широком круге систем, включающих растворы аминокислот, пептидов, краун-эфиров, циклодекстринов, нуклеиновых оснований и пищевых кислот. Особое значение имеет применимость данных методик для исследования взаимодействий в растворах с ограниченной растворимостью компонентов. Выводы, полученные на основе термодинамических критериев, подтверждены структурными методами (рентгеноструктурный анализ, ЯМР спектроскопия).





2. Термодинамические характеристики бинарных водных растворов аминокислот, пептидов и макроциклических лигандов.

В этом разделе методами калориметрии и денсиметрии изучены термодинамические характеристики гидратации аминокислот, пептидов, краун-эфиров и криптанда[222], а также взаимодействия растворенных молекул друг с другом.

Оценка влияния гидратационных свойств боковых групп пептидов на процесс молекулярного узнавания проводилась с использованием метода групповых вкладов для полученных нами гомотактических энтальпийных коэффициентов h2. Результаты расчетов показывают, что вклад в коэффициент парных взаимодействий от аланильной группы увеличивается, когда она расположена вблизи аммонийной группы. Влияние заряженной аммонийной группы на сольватную оболочку смежной с ней метильной группы сильнее влияния карбоксилатной группы. Это влияние управляет деструкцией сольватной оболочки и благоприятствует гидрофобной гидратации метильной группы. Таким образом, влияние цвиттерионных заряженных групп на гидрофобное взаимодействие пептид-пептид с участием боковых групп молекул заключается в следующем: аммонийная группа способствует гидрофобному взаимодействию, а карбоксилатная группа препятствует ему.

Эти выводы подтверждаются и для водных растворов трипептидов. Вклады валиновых, лейциновых и метиленовых остатков характеризуют величину гидрофобного взаимодействия между отдельными неполярными группами. Кроме того, существует корреляция между величинами вкладов в h2 от отдельных боковых групп пептидов и Ван-дер-Ваальсовыми объемами этих радикалов (рис.1).

Концентрационные зависимости избыточных свойств растворов пептидов. Для водных растворов дипептидов различных концентраций предположена трехступенчатая модель ассоциации, связанная с существованием:

-неассоциированных молекул дипептида (разбавленные растворы);

-как неассоциированных, так и ассоциированных форм совместно;

-при высоких концентрациях в основном пептидных ассоциатов.

Изображенная на рисунке 2 линейная зависимость между h3 и числом сольватированных молекул в первой сольватной оболочке ns свидетельствует о том, что значения величин h3, описывающих тройные взаимодействия характерные для достаточно концентрированных растворов, прямо пропорционально зависят от размера сольватной оболочки пептидов в воде. Это подтверждает влияние сольватации на энергетические характеристики «молекулярного узнавания» пептидов в воде.

1- gly-gly(ns=30), 2 – -ala-gly(ns=33), 3 – L--ala0gly(ns=35),

4 – gly-L--ala(ns=35), 5 – -ala--ala(ns=36), 6 – L--ala-L--ala(ns=40),

7 – DL--ala--ala(ns=38), 8 – DL--ala-DL-val(ns=48)

Хиральное узнавание. Значительное внимание при изучении биологических систем отводится хиральному изомеризму. Гидрофобные взаимодействия в разбавленных растворах дипептидов зависят от позиции хирального центра в цвиттерионной молекуле. Различия для хиральных энантиомеров в величинах h2 при 298 К сохраняются и при повышении температуры для L--ala-L--ala, DL--ala-DL--ala L--ala-gly и DL--ala-gly, но DL-изомер имеет более высокое значение h2 при 308 и 318 К по сравнению с L-изомером.

12-краун-4 15-краун-5 18краун-6

-циклодекстрин -циклодекстрин

Рис. 3. Структурные изображения циклодекстринов и краун-эфиров.

Кроме биомолекул нами изучены водные растворы макроциклических лигандов представленных на рис.3, которые были вторым реагентом изучаемых взаимодействий «хозяин-гость».

Краун-эфиры. Полученные нами энтальпийные коэффициенты межмолекулярных взаимодействий «растворенное вещество-растворенное вещество» для краун-эфиров и криптанда[222] в воде представлены в таблице 1. Обнаружена линейная зависимость между значениями энтальпий сольватации краун-эфиров и коэффициентов их парных взаимодействий. Причина существования зависимости лежит в природе гидрофобных эффектов, наличие которых определяется преобладанием неполярных макроциклов в данных растворах.

Таблица 1. Энтальпийные коэффициенты межмолекулярных взаимодействий краун-эфиров и криптанда(222) в воде при 298,15 К.

Соединение h2, Дж·кг·моль-2 h3, Дж·кг2·моль-3 h4, Дж·кг3·моль-4 *, Дж·кг-1
12-краун-4 15-краун-5 18-краун-6 1,10-диаза-18-краун-6- криптанд [222] 3034(1) 4095(9) 5611(10) 2561(86) 7468(20) -407(3) -731(26) -834(30) 5636(510) -1792(86) 94(3) 274(21) 217(22) -6362(800) - 6,1 5,2 4,5 42 33
* (стандартное отклонение) = [(Hэксп – Hрасч)2/N(N-1)]1/2

Анализ вкладов оксиэтиленовых групп в величину h2 и парциальный молярный объем (табл.2) для эфиров 12-краун-4, 15-краун-5 и 18-краун-6 подтверждает этот вывод.

Величины кажущихся молярных объемов включают в себя большое число возможных вкладов. Также как для водных растворов эфиров с открытой цепью, имеет место аддитивность вкладов оксиэтиленовой группы в V0 для описываемых краун-эфиров (табл. 2), что не выполняется для вкладов в h2.

Таблица 2. Вклады этано-оксидных групп (СН2 СН2О-) в энтальпийные коэффициенты парных взаимодействий и кажущиеся молярные объемы для разбавленных водных растворов краун-эфиров при 298,15 К

Вклад (СН2 СН2О-) 12-краун-4 15-краун-5 18-краун-6
h2, Дж·кг·моль-2 V0, см3·моль-1 759(0,1) 37,5(0,1) 819(2) 37,3(0,1) 935(2) 37,2(0,1)


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.