Комплексообразование L-гистидина с изомерами пиридинкарбоновой кислоты в водном буферном растворе при 298.15 К: калориметрическое изучение

Обложка

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:

ΔtrH=ΔsolHms+L  ΔsolHm(s). (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:

F=i=1nwιΔHiexpΔHitheor2, (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:

HX±+2A=HX±2AKc=[HX±2A]/[ HX±][A-]2. (3)

Энергия Гиббса и энтропия комплексообразования вычислены с помощью термодинамических соотношений:

ΔcGo=RTlnKc, (4)

ΔcGo=ΔcHo TΔcSo. (5)

В табл. 2 представлены термодинамические параметры (lgKc, ∆cGo, ∆cHo, TcSo), 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:

ΔsolvHm=ΔsolHmΔsubHmo. (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, TcSo) 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

  1. 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
  2. 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
  3. 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
  4. 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
  5. Li Sh., Hong M. // J. Am. Chem. Soc. 2011. V. 133. P. 1534. https://dx.doi.org/10.1021/ja108943n
  6. 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
  7. Zhang Y. // Annu. Rev. Pharmacol. Toxicol. 2005. V. 45. P. 529. https://doi.org/10.1146/annurev.pharmtox.45.120403.100120
  8. 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
  9. Marinković A.D., Drmanić S.Ž., Jovanović B.Ž. et al. // J. Serb. Chem. Soc. 2005. V. 70. P. 557.
  10. 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
  11. 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
  12. Lugo M.L., Lubes V.R. // J. Chem. Eng. Data. 2007. V. 52. P. 1217. https://doi.org/10.1021/je6005295
  13. 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
  14. 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
  15. Tyunina E.Yu., Mezhevoi I.N. // Ibid. 2023. V. 180. P. 107020. https://doi.org/10.1016/j.jct.2023.107020
  16. 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
  17. 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].
  18. 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
  19. 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
  20. Smirnov V.I., Badelin V.G. // Thermochim. Acta. 2015. V. 606. P. 41. http://dx.doi.org/10.1016/j.tca.2015.03.007
  21. Wadsö I., Goldberg R.N. // Pure Appl. Chem. 2001. V. 73. P. 1625.
  22. 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.
  23. Archer D.G. // Phys. Chem. Ref. Data. 1999. V. 28. P. 1. https://doi.org/10.1063/1.556034
  24. Баделин В.Г., Смирнов В.И., Межевой И.Н. // Журн. физ. химии. 2002. Т. 76. № 7. С. 1299.
  25. 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
  26. Palecz B. // J. Therm. Anal. Calorim. 1998. V. 54. P. 257.
  27. Palecz B. // J. Am. Chem. Soc. 2005. V. 127. P. 17768.
  28. 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].
  29. Chemistry and biochemistry of the amino acids. / Ed. By G.C. Barret, Chapman and Hall, London-N.Y.; 1985.
  30. Pettit L.D. // Pure Appl. Chem. 1984. V. 56. P. 247.
  31. 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.]
  32. Nagal H., Kuwabara K., Carta G. // J. Chem. Eng. Data. 2008. V. 53. P. 619. https://doi.org/10.1021/je700067a
  33. Ashton L.A., Bullock J. // J. Chem. Soc. Faraday Trans. Part 1. 1982. V. 78. P. 1177.
  34. Ross P.D., Subramanian S. // Biochemistry. 1981. V. 20. P. 3096. https://doi.org/10.1021/bi00514a017
  35. Castronuovo G., Niccoli M., Varriale L. // Tetrahedron. 2007. V. 63. P. 7047. https://doi.org/10.1016/j.tet.2007.05.014
  36. 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.
  37. 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]
  38. 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]
  39. Sabbah R., Ider S. // Can. J. Chem. 1999. V. 77. P. 249. https://doi.org/10.1139/cjc-77-2-249
  40. 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
  41. Haj-Zaroubi M., Schmidtchen F.P. // Chem. Phys. Chem. 2005. V. 6. P. 1181. https://doi.org/10.1002/cphc.200400559

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
2. Рис. 1. Структура исследуемых соединений.

Скачать (65KB)
3. 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.

Скачать (72KB)

© Российская академия наук, 2025

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).