Комплексообразование L-гистидина с изомерами пиридинкарбоновой кислоты в водном буферном растворе при 298.15 К: калориметрическое изучение
- Авторы: Тюнина Е.Ю.1, Межевой И.Н.1
-
Учреждения:
- Институт химии растворов им. Г. А. Крестова, РАН
- Выпуск: Том 99, № 1 (2025)
- Страницы: 89-96
- Раздел: ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ РАСТВОРОВ
- Статья получена: 17.04.2025
- Статья одобрена: 17.04.2025
- Статья опубликована: 17.04.2025
- URL: https://ogarev-online.ru/0044-4537/article/view/288135
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0044453725010081
- EDN: https://elibrary.ru/EIKIBI
- ID: 288135
Цитировать
Полный текст
Аннотация
Методом калориметрии растворения исследованы особенности взаимодействия гетероциклической аминокислоты L-гистидина (His) со структурными изомерами пиридинкарбоновой кислоты: пиколиновой (PA), никотиновой (NA) и изоникотиновой (INA) кислотами в фосфатном буфере, рН 7.4 при Т = 298.15 К. Определены термодинамические параметры: константы связывания, энтальпии комплексообразования, энергии Гиббса и энтропии. Установлено, что для His и пиридинмонокарбоновых кислот образование водородных связей и электростатические взаимодействия являются основной силой, определяющей образование комплексов между ними в буферном растворе, о чем свидетельствуют большие отрицательные значения энтальпии, а также положительные значения энтропии. Стабильность полученных комплексов зависит от структурной изомерии пиридинкарбоновой кислоты и повышается в ряду: PA < NA < INA. Показано, что основной вклад в стабилизацию образуемых комплексов вносит энтальпийная составляющая свободной энергии Гиббса комплексообразования.
Полный текст
ВВЕДЕНИЕ
В последние годы внимание исследователей привлекают взаимодействия между модельными соединениями белков и фармакологически активными веществами, которые лежат в основе процессов их переноса в организме человека, а также важны при разработке новых биотехнологий по производству инновационных лекарственных форм. В исследованиях, посвященных подобным взаимодействиям, чаще всего фиксируется изменение различных физико-химических свойств (вязкости, плотности, скорости ультразвука, др.) растворов, содержащих в основном алифатические аминокислоты при добавлении лекарственных средств, без рассмотрения возможности образования межмолекулярных комплексов [1–3]. Ощущается недостаток исследований по термодинамике взаимодействия аминокислот, содержащих полярные или заряженные боковые цепи, с биологически активными соединениями (лигандами) в условиях жидких сред с физиологическими значениями рН.
L-Гистидин, His (или 2-амино-3-(4-имидазолил)пропионовая кислота) – одна из 20 наиболее распространенных природных аминокислот в живых организмах. В отличие от алифатических аминокислот, не имеющих полярных боковых групп, молекула His содержит имидазольное кольцо в боковой цепи, которое потенциально способно взаимодействовать с лигандом, наряду с концевыми α-амино- и α-карбоксильной группами. Гистидин играет жизненно важную роль в профилактике различных заболеваний, таких как астма, цирроз печени, хронические заболевания почек, сердечно-сосудистые заболевания [4, 5]. Структура и химический состав гистидина служат основой для многих активных центров ферментов, ионных каналов и металлопротеинов [5].
Три изомерные молекулы пиколиновой (пиридин-2-карбоновой) кислоты, никотиновой (пиридин-3-карбоновой) кислоты и изоникотиновой (пиридин-4-карбоновой) кислоты представляют собой производные пиридина и имеют фармакологическое значение благодаря своим химическим и биологическим свойствам. Пиридинкарбоновые кислоты (PyCOOH) и их производные широко применяются в качестве витаминов группы В, химиотерапевтических средств для улучшения обмена веществ, антигиперлипидемических агентов для снижения уровня холестерина, противотуберкулезных препаратов и т. д. [6–8]. Имеющиеся в литературе результаты исследований взаимодействия производных пиридина с различными металлами и органическими соединениями [9–12] показали, что реакционная способность карбоксильной группы зависит от ее расположения в пиридиновом кольце. Ранее [13–15] нами изучена термодинамика взаимодействия изомеров пиридинмонокарбоновой кислоты с такими аминокислотами, как L-аспарагиновая кислота (Asp) и L-аспарагин (Asn) в водных растворах, и L-лизин (Lys) в буферном растворе, которые содержат в алкильной боковой цепи полярные группы кислотного, нейтрального и оснóвного характера, соответственно. Настоящая работа направлена на дальнейшее изучение факторов, определяющих образование комплексов между изомерами PyCOOH и гетероциклической аминокислотой L-гистидином в водном буферном растворе. Структуры исследуемых соединений приведены на рис. 1.
Рис. 1. Структура исследуемых соединений.
Метод калориметрии растворения использован для исследования взаимодействия реагентов при Т=298.15 К в фосфатном буфере, рН 7.4. В этих условиях наблюдается диссоциация α-COOH-группы и протонирование α-NH2-группы молекулы L-гистидина, а имидазольное кольцо в его боковой цепи депротонировано [16], и, следовательно, His существует преимущественно в цвиттерионной форме (HL±), при этом вероятность наличия катионной формы (H2L+) составляет менее 5%. Как было показано ранее [14, 17], никотиновая (NA), пиколиновая (PA) и изоникотиновая (INA) кислоты в буферном растворе с рН 7.4 принимают форму анионов (L–). Роль имидазольной группы в боковой цепи His будет проанализирована путем сравнения полученных результатов с данными по комплексообразованию Lys с теми же изомерами PyCOOH в буферном растворе [15]. Будет также рассмотрено изменение способности His к взаимодействию с PyCOOH при расположении карбоксильной группы в 2-, 3-, 4-положениях в пиридиновом кольце. Будут определены термодинамические характеристики комплексообразования (lgKc, ΔcGo, ΔcHo, ΔcSo), которые позволят обсудить движущие силы, участвующие во взаимодействии His с исследуемыми молекулами пиридин-монокарбоновых кислот в буферном растворе.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
В работе использовали L-гистидин (Sigma-Aldrich, Japan, CAS63-91-2, >0.99), никотиновую кислоту (Sigma-Aldrich, Germany, CAS59-67-6, ≥0.98), пиколиновую кислоту (Aldrich, CAS98-98-6, ≥0.99) и изоникотиновую кислоту (Aldrich, CAS55-22-1, 0.99). Аминокислоту и изомеры пиридинкарбоновой кислоты сушили при 356 К в вакуумном шкафу в течение 48 ч непосредственно перед использованием. Исследования проводили в водном буферном растворе при рН 7.4, что приближает среду к условиям реальных биологических систем. Значения рН растворов фиксировали цифровым рН-метром Mettler Toledo, модель Five-Easy. Все растворы приготовлены весовым методом, используя весы Sartorius-ME215S (с точностью взвешивания 1×10–5 г). Погрешность приготовления растворов нужной концентрации не превышала ±2×10–4 моль кг–1.
Энтальпии растворения кристаллического L-гистидина (фиксированная навеска) в буферных растворах, содержащих разную концентрацию пиридинкарбоновой кислоты, измерены на калориметре с изотермической оболочкой и емкостью реакционного стакана 60 см3 при температуре 298.15±0.01 К. Схема экспериментальной установки и описание термометрической процедуры приведены в [18, 19]. Данные калибровки калориметра и расчет погрешности измерений представлены в дополнительных материалах к статье [20]. Относительная стандартная погрешность в измерениях энтальпий растворения составляла не более 0.7%.
Калориметр был протестирован путем измерения энтальпии растворения хлористого калия (KCl) (Sigma-Aldrich, CAS7447-40-7, степень чистоты 99.5 мас. %) в H2O при Т=298.15 К, рекомендованного в качестве стандарта в работах [21–23]. Наши значения (ΔsolHo = 17.23±0.07 кДж моль–1) при бесконечном разбавлении находятся в хорошем согласии с рекомендованными литературными данными (ΔsolHo = 17.25±0.04 кДж моль–1 [23] и (17.22±0,04) кДж моль–1 [21, 22]). Кроме того, сравнение полученных нами ранее значений энтальпий растворения некоторых аминокислот в воде с данными других авторов показало, что наши значения ΔsolHo =14.25±0.06 кДж моль–1 для глицина [24], ΔsolHo = –3.22±0.02 кДж моль–1 для L-пролина [20] и ΔsolHo =14.30±0.08 кДж моль–1 для L-гистидина [25] при бесконечном разбавлении в воде согласуются с литературными значениями (14.23±0.02 кДж моль–1) [26], (–3.25±0.03 кДж моль–1) [27] и (14.32±0.06 кДж моль–1) [27] соответственно, что дополнительно подтверждает достоверность результатов, полученных нами на данном калориметре.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Экспериментальные значения энтальпии растворения гистидина в буферных растворах, содержащих изоникотиновую и пиколиновую кислоты переменной концентрации, представлены в табл. 1; там же для сравнения приведены данные для никотиновой кислоты, полученные нами ранее [25]. Как видно из табл. 1, эндотермичность процесса растворения аминокислоты уменьшается с ростом концентрации пиридинмонокарбоновой кислоты в буферном растворе.
Таблица 1. Энтальпии растворения L-гистидина (His) в водных буферных растворах пиридинкарбоновых кислот (NA, INA, PA) при 298.15 К
Hisа – NA – буфер [25] | Hisа – INA – буфер | Hisа – PA – буфер | |||
mNA, моль кг–1 | ΔsolHm(s+L), кДж моль–1 | mINA, моль кг–1 | ΔsolHm(s+L), кДж моль–1 | mPA, моль кг–1 | ΔsolHm(s+L), кДж моль–1 |
0.000 | 8.68 | 0.000 | 8.68 | 0.000 | 8.68 |
0.0032 | 7.74 | 0.0038 | 5.25 | 0.0064 | 6.61 |
0.0064 | 6.83 | 0.0057 | 3.34 | 0.0129 | 5.29 |
0.0096 | 6.10 | 0.0095 | 2.41 | 0.0193 | 4.36 |
0.0161 | 4.86 | 0.0133 | 1.05 | 0.0321 | 2.42 |
0.0224 | 3.35 | 0.0211 | –1.14 | 0.0448 | 0.59 |
0.0288 | 2.04 | 0.0284 | –2.25 | 0.0576 | –0.81 |
0.0321 | 1.39 | 0.0354 | –3.41 | 0.064 | –1.25 |
0.0416 | –0.10 | 0.0438 | –4.69 | 0.0832 | –2.54 |
0.0520 | –1.82 | 0.0521 | –5.31 | 0.104 | –3.26 |
0.0640 | –3.40 | 0.064 | –5.62 | – | – |
0.0768 | –3.77 | – | – | – | – |
а mHis=0.0064 моль кг–1.
На основании экспериментальных значений энтальпии растворения His в буфере, ΔsolHm(s), и в буферном растворе с добавками лиганда, ∆solHm(s+L), (где L – PyCOOH) определены энтальпии переноса, ∆trH, аминокислоты из буфера в буферный раствор лиганда по соотношению:
(1)
Полученное значение разности энтальпий (∆trH) можно рассматривать как энтальпию, пропорциональную энтальпии комплексообразования His с изомерами PyCOOH. Об образовании комплекса His с NA, PA, INA можно судить по зависимости значений ∆trH от концентрации пиридинкарбоновой кислоты (PA, INA). Как видно из рис. 2, концентрационные зависимости энтальпий переноса ∆trH=f(mL) носят нелинейный характер. Для сравнения на рис. 2 также представлены результаты, полученные для системы (His + NA + буфер) в предыдущей работе [25]. Для исследованных систем энтальпии переноса снижаются с увеличением концентрации пиридинкарбоновой кислоты до достижения практически постоянных значений. Такое поведение возникает в результате связывания лигандов (NA, PA, INA) гистидином и позволяет предположить существование в исследуемых системах взаимодействий, приводящих к образованию комплекса.
Рис. 2. Зависимости энтальпий переноса L-гистидина (His) из буфера в буферный раствор изомеров пиридинкарбоновой кислоты (1 – INA, 2 – NA, 3 – PA) от концентрации PyCOOH при Т = 298.15 К. Моляльность аминокислоты mHis=0.0064 моль кг–1.
Полученные калориметрические данные (ΔsolHm, ∆trH) были обработаны с помощью компьютерной программы “HEAT” [28], в которой поиск неизвестных параметров (lgKc, ∆Hc0) сводится к численной минимизации функционала F по искомым параметрам:
(2)
где ∆Hi – тепловой эффект i-й реакции, n – число опытов, wi – весовые множители, которые рассчитываются как wi=А/(δ∆Hi)2 (где А – коэффициент, выбираемый из условия ∑wi=n, т. е. сумма весов равна числу опытов; δ∆Hi – абсолютная погрешность измерения ∆Hi). Поскольку кислотно-основные равновесия, в которых участвуют реагенты в растворах, могут вносить определенный вклад в значения искомой величины (lgKс и ∆сHo), то тепловые эффекты и константы равновесия реагентов [17, 29–33] дополнительно вводились в вычислительную программу при расчете термодинамических параметров комплексообразования.
Расчет равновесного состава для исследуемых систем с учетом различных стехиометрических схем взаимодействия показал наилучшее соответствие условию минимизации соотношения (2) в случае образования комплекса состава His/2L, где L = NA, INA, PA. Процесс комплексообразования между цвиттерионом His (HX±) и анионной формой лиганда (A–) можно представить схемой:
(3)
Энергия Гиббса и энтропия комплексообразования вычислены с помощью термодинамических соотношений:
(4)
(5)
В табл. 2 представлены термодинамические параметры (lgKc, ∆cGo, ∆cHo, T∆cSo), которые получены при стандартных условиях (p = 1.01×105 Па, T = 298.15 K) и относятся к процессу взаимодействия реагентов, взятых предполагаемо в стандартном состоянии, то есть обладающих свойствами как в бесконечно разбавленном растворе. Учитывая низкие моляльные концентрации использованных в экспериментах реагентов, а также их органическую природу, указанные термодинамические параметры можно рассматривать как соответствующие таковым для стандартного состояния. Данные в табл. 2 свидетельствуют о том, что в буферном растворе (рН 7.4) гетероциклическая аминокислота His образует с изомерами пиридинкарбоновой кислоты молекулярные комплексы состава 1:2, имеющие константы связывания средней силы.
Таблица 2. Термодинамические характеристики комплексообразования L-гистидина (His) с пиколиновой (PA), никотиновой (NA) и изоникотиновой (INA) кислотами в водном буферном растворе, рН 7.4, Т = 298.15 К
Комплекс | lgКс | ΔcGo, кДж/моль | ΔcHo, кДж моль–1 | TΔcSo, кДж моль–1K–1 |
His:2PA | 3.03±0.01 | –17.27±0.12 | –16.05±0.23 | 1.23±0.29 |
His:2NA* | 3.16±0.01* | –18.02±0.06* | –14.32±0.25* | 3.69±0.42* |
His:2INA | 4.14±0.01 | –23.60±0.10 | –15.27±0.21 | 8.33±0.31 |
*Данные взяты из [25].
Анализ полученных результатов показывает, что значения ΔcGo отрицательны для всех систем. Значения lgKc образуемых комплексов His/2PyCOOH повышаются в ряду изомеров PA→NA→INA. Аналогичная последовательность наблюдается и для полученных значений TΔcSo (тенденция к увеличению) и ΔcGo (тенденция к снижению). Более стабильный комплекс His/2INA образуется при нахождении карбоксильной группы (COO–) в 4-положении в пиридиновом кольце, а ее смещение в 3- и 2- места приводит к понижению способности NA и PA изомеров образовывать комплексы с His. Следует отметить, что при растворении пиридинкарбоновых кислот в буфере (рН 7.4) образующиеся в процессе депротонирования анионы (PyCOO–) при 2- и 4- расположении (COO–) группы в пиридиновом кольце стабилизируются путем делокализации отрицательного заряда по сопряженной системе, включающей гетероатом (N), в отличие от 3-пиридинкарбоновой кислоты, в которой COO– группа не сопряжена с гетероатомом [9]. Взаимодействие между His и изомерами NA, PA, INA происходит через перекрывание их гидратных сфер и сопровождается дегидратацией исходных веществ. Очевидно, что расположение отрицательно заряженной карбоксильной группы ближе к атому азота с неподеленной парой электронов приводит к изменению гидратных состояний, а также кислотных свойств указанных изомеров PyCOOH, что приводит к изменению реактивности веществ.
Значения энтальпии ∆сHo и энтропии ΔcSo включают вклады: от процессов образования комплексов между реагентами вследствие нековалентных взаимодействий, от дегидратации растворенных веществ при их взаимодействии, от гидратации образуемых комплексов и реорганизации растворителя. Преобладание тех или иных процессов обусловливают отрицательные или положительные значения энтальпии и энтропии комплексообразования [34, 35]. Молекулы исследуемых соединений His, NA, PA, INA содержат зарядные центры (COO–/NH3+, COO–), гидрофильные (>C=O, >N, -NH) и гидрофобные группы. В образовании комплекса могут участвовать такие взаимодействия, как силы Ван-дер-Ваальса, водородные связи, электростатические и гидрофобные взаимодействия. В буферных растворах (pH 7.4) отрицательно заряженная карбоксильная группа COO– в молекулах изомеров PyCOOH участвует в электростатических взаимодействиях с концевыми зарядными (COO–, NH3+) группами цвиттерионной формы His. Полярные группы основной цепи, а также два атома азота в имидазольном кольце боковой цепи гистидина и полярные (C=O, Npyr) группы пиридинкарбоновых кислот могут участвовать в образовании водородных связей, а имеющиеся неполярные углеводородные группы в их молекулах – в гидрофобных и ван-дер-ваальсовых взаимодействиях. Кроме того, исследуемые реагенты His, NA, PA, INA содержат имидазольное и пиридиновые кольца, которые могут взаимодействовать посредством π-стэкинга. Полученные большие отрицательные значения ΔcHo и положительные значения ΔcSo свидетельствуют о том, что основной вклад в стабилизацию комплексов His/2PyCOOH в растворах с pH 7.4 вносят электростатические силы и водородные связи наряду с существующими гидрофобными и, возможно, стэкинг взаимодействиями [34].
Показано, что экзотермический эффект взаимодействия исследуемой аминокислоты с изомерами пиридинкарбоновой кислоты преобладает над эндотермическим эффектом их дегидратации. Выявлено влияние положения карбоксильной группы в пиридиновом кольце изомеров PyCOOH на значения ΔcHo. Наблюдается снижение экзотермичности процесса комплексообразования His с PyCOOH в последовательности: PA > INA > NA, симбатной уменьшению константы диссоциации Kа,1 СООН-группы (увеличению рKа,1) указанных изомеров пиридинкарбоновой кислоты. По-видимому, это происходит за счет преобладания положительного вклада, обусловленного дегидратацией растворенных веществ и гидрофобными взаимодействиями [34].
Энтальпийный вклад благоприятно влияет на образование комплексов His с пиридинмонокарбоновыми кислотами. Величина энтальпии ΔcHo определяется несколькими эффектами, среди которых разрыв водородных связей между молекулами воды при растворении реагента (реорганизация растворителя), дегидратация исходных молекул при взаимодействии и гидратация образуемого комплекса. Первые два эффекта дают эндотермические вклады, а третий – экзотермический вклад в величину ΔcHo. Необходимо отметить, что гидратное состояние растворенных веществ оказывает влияние на способность к связыванию аминокислоты с изомерами PyCOOH. Представляло интерес сравнить энтальпии сольватации изомеров PyCOOH в водном растворе (при отсутствии данных для буферного раствора). На основе использования имеющихся литературных данных по энтальпиям растворения (∆solHm∞) никотиновой, пиколиновой и изоникотиновой кислот в водных растворах [36–38] и энтальпиям сублимации (∆subHmo) [39] определены энтальпии их сольватации при 298.15 К по соотношению:
(6)
Полученные значения молярной энтальпии сольватации при бесконечном разбавлении (∆solvHm∞) для PA, NA, INA в воде отрицательны (табл. 3) и становятся менее экзотермичными в ряду: INA > NA > PA. В той же последовательности уменьшается константа (lgKc) образования комплексов His/2PyCOOH (табл. 2).
Таблица 3. Значения стандартной молярной энтальпии сублимации (∆subHmo), молярной энтальпии растворения (∆solHm∞) и молярной энтальпии сольватации (∆solvHm∞) при бесконечном разбавлении в водном растворе пиколиновой (PA), никотиновой (NA) и изоникотиновой (INA) кислот при Т = 298.15 К
PyCOOH | ∆subHmo а, кДж моль–1 | ∆solHm∞, кДж моль–1 | ∆solvHm∞, кДж моль–1 |
PA | 92.7±0.5 | 16.02±0.25б | –76.68±0.76 |
NA | 105.2±0.6 | 14.27±0.39в | –90.93±0.94 |
INA | 111.3±0.6 | 15.18±0.25г | –96.12±0.86 |
а Данные из [39]; | б Данные из [37]; | в Данные из [36]; | г Данные из [38] |
Очевидно, несмотря на то что на образование комплекса His с PA затраты на энергию дегидратации меньше, чем с двумя другими изомерами, и сам процесс является более энтальпийно выгодным, однако энтропийный вклад и конфигурационная упаковка комплекса являются, по-видимому, неблагоприятными факторами, которые приводят к наименьшей устойчивости His/2PA-комплекса. Более того, молекула пиколиновой кислоты имеет три наиболее стабильных конформера (один с внутримолекулярной водородной связью и два без водородной связи), никотиновая кислота может существовать в двух конформациях, различающихся ориентацией карбоксильной группы, и только один стабильный конформер описан для изоникотиновой кислоты [40]. По-видимому, все эти факторы определяют различную способность указанных выше изомеров PyCOOH к образованию комплексов с His.
Полученные положительные значения ΔcSo обычно расценивают как свидетельство наличия гидрофобных взаимодействий, существования различных конфигураций комплекса и дегидратации растворенных веществ в процессе комплексообразования [34, 41]. Как видно из табл. 2, значения TΔcSo возрастают в ряду: PA < NA < INA. Следовательно, энтропия комплексообразования становится более положительной при “перемещении” карбоксильной группы из 2- (PА) в 3- (NА) и 4- (INA) положения относительно атома азота пиридинового кольца, что связано, вероятно, с ослаблением стерических препятствий и эффектом релаксации в объем молекул воды из гидратных оболочек реагентов. Полученные результаты свидетельствуют о повышении вклада энтропийного фактора в стабилизацию образуемых комплексов His/2PyCOOH в указанной последовательности.
Сравнение результатов по комплексообразованию L-гистидина и L-лизина [15] с изомерами PyCOOH показало, что устойчивость образующихся комплексов аминокислота/PyCOOH зависит от строения боковых радикалов молекул аминокислот и их ионного состояния в буферном растворе. Лизин (Lys), вследствие наличия ионогенной аминогруппы в боковой цепи, обладает более выраженными оснóвными свойствами, чем His, у которого имидазольная группа является также оснóвной благодаря резонансной делокализации заряда при протонировании в водных растворах. Отметим, что в буферном растворе, рН 7.4, Lys существует преимущественно в катионной форме (H2L+), а вероятность наличия цвиттерионной формы (HL±) составляет менее 4% [15].
Установлено образование в буферном растворе молекулярных комплексов His и Lys с изомерами (NA, INA, PA) со стехиометрией 1:2 и 1:1 соответственно, что сопровождается отрицательными изменениями энтальпии и положительными значениями энтропии. Тенденции изменения термодинамических параметров (lgКс, ΔcHo, TΔcSo) сохраняются при образовании комплексов His и Lys в ряду изомеров пиридинкарбоновых кислот. Вместе с тем, величина констант связывания реагентов больше для гистидина, чем для лизина: lgKc(His) > lgKc(Lys). Катионная форма лизина образует менее устойчивые комплексы с анионной формой изомеров PyCOOH, чем цвиттерионая форма His. Экзотермичность процесса образования комплексов Lys/PyCOOH значительно уменьшается [15] по сравнению с комплексами His/2PyCOOH. При специфическом связывании большую роль играет комплементарность при взаимодействии активных групп аминокислот и пиридинкарбоновых кислот. По-видимому, в буферном растворе более выражено структурное соответствие между изомерами PyCOOH и гетероциклической молекулой His, чем лизина, молекула которого имеет линейную боковую цепь (NH2-CH2-CH2-CH2-CH2-). Это подтверждается и более положительными изменениями энтропии в случае образования комплексов Lys/L, чем His/2L (где L – NA, PA, INA). Показано, что молекулярные комплексы His с NA, INA и PA стабилизированы преимущественно энтальпийным вкладом, а молекулярные комплексы Lys с NA и INA – энтропийным вкладом в свободную энергию Гиббса комплексообразования. Стабильность комплекса Lys с PA определяется балансом между энтальпийной и энтропийной составляющими энергии Гиббса [15]. Полученные результаты подтверждают доминирование электростатических взаимодействий и образование водородных связей среди других типов взаимодействий (гидрофобных, ван-дер-ваальсовых, π-стэкинга) при связывании указанных аминокислот с изомерами пиридинкарбоновой кислоты в комплекс в условиях буферного раствора, рН 7.4.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Методом калориметрии при 298.15 К определены энтальпии растворения гетероциклической аминокислоты L-гистидина в водных буферных растворах (рН 7.4), содержащих структурные 2-, 3- и 4-изомеры пиридинкарбоновой кислоты (PyCOOH) при 298,15 К; рассчитаны термодинамические функции (lgKc, ∆cGo, ∆cHo, T∆cSo) процесса комплексообразования между реагентами. Установлено образование в буферном растворе комплексов His с изомерами (NA, INA, PA) средней силы со стехиометрией 1:2. Показано влияние структурной изомерии пиридинкарбоновой кислоты на стабильность образуемых комплексов с гистидином; значения констант стабильности (lgКс) повышаются в ряду изомеров PyCOOH: PA < NA < INA. Энтропия комплексообразования становится более благоприятной (более положительной) при “смещении” карбоксильной группы из орто- (PА) в мета- (NА) и пара- (INA) положения относительно атома азота пиридинового кольца. Установлено, что экзотермический эффект взаимодействия His с изомерами PyCOOH преобладает над эндотермическим эффектом их дегидратации в буферном растворе. Молекулярные комплексы His с NA, INA и PA стабилизированы преимущественно энтальпийным вкладом в энергию Гиббса комплексообразования. Основными движущими силами процесса образования комплексов His/2PyCOOH являются электростатические взаимодействия и образование водородных связей между цвиттерионами L-гистидина и анионными формами изомеров NA, PA, INA в условиях фосфатного буферного раствора, рН 7.4.
Об авторах
Е. Ю. Тюнина
Институт химии растворов им. Г. А. Крестова, РАН
Автор, ответственный за переписку.
Email: tey@isc-ras.ru
Россия, Иваново, 153045
И. Н. Межевой
Институт химии растворов им. Г. А. Крестова, РАН
Email: tey@isc-ras.ru
Россия, Иваново, 153045
Список литературы
- Zhang J., Zhu C., Ma Y. // J. Chem. Thermodynamics. 2017. V. 111. P. 52. http://dx.doi.org/10.1016/j.jct.2017.02.024
- Chauhan S., Singh K., Kumar K. et al. // J. Chem. Eng. Data. 2016. V. 61. P. 788. https://doi.org/10.1021/acs.jced.5b00549
- Sawhney N., Kumar M., Sharma A.K. et al. // J. Chem. Thermodynamics. 2017. V. 115. P. 156. https://doi.org/10.1016/j.jct.2017.07.040
- Tavallali H., Espergham O., Deilamy-Rad G. et al. // Anal. Biochem. 2020. V. 604. P. 113811. https://doi.org/10.1016/j.ab.2020.113811
- Li Sh., Hong M. // J. Am. Chem. Soc. 2011. V. 133. P. 1534. https://dx.doi.org/10.1021/ja108943n
- Gille A., Bodor E.T., Ahmed K. et al. // Annu. Rev. Pharmacol. Toxicol. 2008. V. 48. P. 79. https://doi.org/10.1146/annurev.pharmtox.48.113006.094746
- Zhang Y. // Annu. Rev. Pharmacol. Toxicol. 2005. V. 45. P. 529. https://doi.org/10.1146/annurev.pharmtox.45.120403.100120
- El-Dean A.M.K., Abd-Ella A.A., Hassanien R. et al. // ACS Omega. 2019. V. 4. P. 8406. https://doi.org/10.1021/acsomega.9b00932
- Marinković A.D., Drmanić S.Ž., Jovanović B.Ž. et al. // J. Serb. Chem. Soc. 2005. V. 70. P. 557.
- Gamov G.A., Kiselev A.N., Alexsandriiskii V.V. et al. // J. Mol. Liq. 2017. V. 242. P. 1148. http://dx.doi.org/10.1016/j.molliq.2017.07.106
- Al-Saif F.A., Al-Humaidi J.Y., Binjawhar D.N. et al. // J. Mol. Struct. 2020. V. 1218. P. 128547. https://doi.org/10.1016/j.molstruc.2020.128547
- Lugo M.L., Lubes V.R. // J. Chem. Eng. Data. 2007. V. 52. P. 1217. https://doi.org/10.1021/je6005295
- Tyunina E.Yu., Krutova O.N., Lytkin A.I. // Thermochimica Acta. 2020. V. 690. P. 178704. https://doi.org/10.1016/j.tca.2020.178704
- Tyunina E.Yu., Krutova O.N., Lytkin A.I. et al. // J. Chem. Thermodynamics. 2022. V. 171. P. 106809. https://doi.org/10.1016/j.jct.2022.106809
- Tyunina E.Yu., Mezhevoi I.N. // Ibid. 2023. V. 180. P. 107020. https://doi.org/10.1016/j.jct.2023.107020
- Чернова Р.К., Варыгина О.В., Березкина Н.С. // Изв. Саратовского ун-та. Нов. Сер. Сер. Химия. Биология. Экология. 2015. Т. 15. № 4. С. 15. https://doi.org/10.18500/1816-9775-2015-15-4-15-21
- Лыткин А.И., Баделин В.Г., Крутова О.Н. и др. // Журн. общей химии. 2019. Т. 89. № 11. С. 1719. [Lytkin A.I., Badelin V.G., Krutova O.N. et al. // Russ. J. Gen. Chem. 2019. V. 89. P. 2235. https://doi.org/10.1134/S1070363219110124].
- Баделин В.Г., Тюнина Е.Ю., Межевой И.Н. // Журн. прикл. химии. 2007. Т. 80. № 5. С. 732. [Badelin V.G., Tyunina E.Yu., Mezhevoi I.N. // Russ. J. Appl. Chem. 2007. V. 80. P. 711.] https://doi.org/10.1134/S1070427207050047
- Tyunina E.Yu., Mezhevoi I.N., Dunaeva V.V. // J. Chem. Thermodynamics. 2020. V. 150. P. 106206. https://doi.org/10.1016/j.jct.2020.106206
- Smirnov V.I., Badelin V.G. // Thermochim. Acta. 2015. V. 606. P. 41. http://dx.doi.org/10.1016/j.tca.2015.03.007
- Wadsö I., Goldberg R.N. // Pure Appl. Chem. 2001. V. 73. P. 1625.
- Parker V.B. Thermal properties of univalent electrolytes, vol. 2, Nat. Stand. Ref. Data Ser. Nat. Bur. Stand., US Gov., Washington, DC2, 1965, pp. 66.
- Archer D.G. // Phys. Chem. Ref. Data. 1999. V. 28. P. 1. https://doi.org/10.1063/1.556034
- Баделин В.Г., Смирнов В.И., Межевой И.Н. // Журн. физ. химии. 2002. Т. 76. № 7. С. 1299.
- Tyunina E.Yu., Badelin V.G., Mezhevoi I.N. // J. Mol. Liq. 2019. V. 278. P. 505. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2019.01.092
- Palecz B. // J. Therm. Anal. Calorim. 1998. V. 54. P. 257.
- Palecz B. // J. Am. Chem. Soc. 2005. V. 127. P. 17768.
- Бородин В.А., Козловский Е.В., Васильев В.П. // Журн. неорган. химии. 1982. Т. 27. № 9. С. 2169. [Borodin V.A., Kozlovsky E.V., Vasil’ev V.P. // Russ. J. Inorg. Chem. 1982. V. 27. P. 2169–2172].
- Chemistry and biochemistry of the amino acids. / Ed. By G.C. Barret, Chapman and Hall, London-N.Y.; 1985.
- Pettit L.D. // Pure Appl. Chem. 1984. V. 56. P. 247.
- Васильев В.П., Кочергина Л.А., Гаравин В.Ю. // Журн. общ. химии. 1985. Т. 55. С. 2780. [Vasil’ev V.P., Kochergina L.A., Garavin V.Yu. // Russ. J. Gen. Chem. 1985. V. 55. P. 2780.]
- Nagal H., Kuwabara K., Carta G. // J. Chem. Eng. Data. 2008. V. 53. P. 619. https://doi.org/10.1021/je700067a
- Ashton L.A., Bullock J. // J. Chem. Soc. Faraday Trans. Part 1. 1982. V. 78. P. 1177.
- Ross P.D., Subramanian S. // Biochemistry. 1981. V. 20. P. 3096. https://doi.org/10.1021/bi00514a017
- Castronuovo G., Niccoli M., Varriale L. // Tetrahedron. 2007. V. 63. P. 7047. https://doi.org/10.1016/j.tet.2007.05.014
- Куранова Н.Н. Комплексообразование и кислотно-основные равновесия в водно-органических растворах Cu2+, Fe3+ и никотиновой кислоты: Автореф. дис. … канд. хим. наук. Иваново: ИГХТУ, 2019. 16 с.
- Лыткин А.И., Черников В.В., Крутова О.Н. и др. // Журн. физ. химии. 2020. Т. 94. С. 1904. [Lytkin A.I., Chernikov V.V., Krutova O.N., Krutova E.D. // Russ. J. Phys. Chem. A. 2020. V. 94. P. 2569. https://doi.org/10.1134/S003602442012016X]
- Лыткин А.И., Черников В.В., Крутова О.Н. и др. // Журн. физ. химии. 2020. Т. 94. № 2. С. 1002. [Lytkin A.I., Chernikov V.V., Krutova O.N., Krutova E.D. // Ibid. A. 2020. V. 94. P. 1342. https://doi.org/10.1134/S0036024420070213]
- Sabbah R., Ider S. // Can. J. Chem. 1999. V. 77. P. 249. https://doi.org/10.1139/cjc-77-2-249
- Koczoń P., Dobrowolski J.Cz., Lewandowski W. // J. Molec. Struct. 2003. V. 655. P. 89. https://doi.org/10.1016/S0022-2860(03)00247-3
- Haj-Zaroubi M., Schmidtchen F.P. // Chem. Phys. Chem. 2005. V. 6. P. 1181. https://doi.org/10.1002/cphc.200400559
Дополнительные файлы




