Термодинамика протолитических и координационных равновесий L-аланина, D,L-триптофана, L-фенилаланина с иономи меди(II) и глицилглицина с ионами никеля(II), кадмия(II) и меди(II) в водном растворе тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.04, кандидат химических наук Емельянов, Андрей Валерьевич

• Емельянов, Андрей Валерьевич
• кандидат химических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат химических наук Емельянов, Андрей Валерьевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

1.1. Классификация, строение и физико-химические свойства аминокислот и низкомолекулярных пептидов.

1.2. Литературные данные по термодинамическим характеристикам протолитических и координационных равновесий в растворах Си2+ с Ь фенилаланином, — триптофаном и Ь-алапином.

1.2.1. Равновесия ступенчатой диссоциации Ь-фенилаланина в водном растворе.

1.2.2. Координационные равновесия иона Си(П) с Ь-фенилалапином в водном растворе.

1.2.3. Термодинамические характеристики реакций комгшексо-образования иона мсди(Н) с 0,Ь-триптофаном в водном растворе.

1.2.4. Термодинамика процессов комплексообразовапия в системе Си(П) - Ь аланин - вода.

1.3. Критический анализ литературных данных по протолитическим и координационным равновесиям в водных растворах глицилглицииа с ионами Сс1(Н), №(Н) и Си(И).

1.3.1. Протолитические равновесия в водном растворе глицилглицина.

1.3.2. Комплексообразование кадмия(П) с глицилглицином в водном растворе.

1.3.3. Термодинамические характеристики процессов комплексо-образовапия в системе никеля(Н) с глицилглицином.

1.3.4. Координационные равновесия в системе ион меди (II) - глицил -глицин - вода.

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

2.1. Описание и основные характеристики калориметрической установки.

2.2. Методика проведения и расчета калориметрического опыта.

2.3. Проверка работы калориметрической установки.

2.4. Рактивы.

ГЛАВА 3. ТЕРМОДИНАМИКА РЕАКЦИЙ КИСЛОТНО-ОСНОВНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ И КОМПЛЕКСООБРАЗОВАНИЯ С

БИОЛИГ АНД АМИ.

3.1. Термодинамика ступенчатой диссоциации Ь-фепилаланила в водном растворе.

3.2. Стандартные энтальпии образования изомеров фенилаланина и продуктов их диссоциации в водном растворе.

3.3. Термохимическое исследование особенностей координационных равновесий в системе Ь-фенилалапин - медь(П) - вода.

3.4. Термохимическое исследование координационных равновесий иона меди(Н) с Б,Ь-триптофаном и Ь-аланином в водном растворе.

3.5. Влияние температуры на термодинамические характеристики реакций ступенчатой диссоциации глицилглицина в водном растворе.

3.6. Определение стандартных энтальпий образования глицилглицина и продуктов его диссоциации.

3.7. Термодинамика координационных равновесий в системах ной кадмия (II) -и никеля (II) - глицилглицин - вода.

3.8. Особенности термохимического исследования координационных равновесий

Си (II) с глицилглицином в водном растворе.

ГЛАВА 4. КОРРЕЛЯЦИЯ МЕЖДУ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ПРОЦЕССОВ ИОНИЗАЦИИ И КОМПЛЕКСООБРАЗОВАНИЯ И СТРУКТУРНЫМИ ОСОБЕННОСТЯМИ БИОЛИГ АНДО.

ОСНОВНЫЕ ИТОГИ И ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Термодинамика протолитических и координационных равновесий L-аланина, D,L-триптофана, L-фенилаланина с иономи меди(II) и глицилглицина с ионами никеля(II), кадмия(II) и меди(II) в водном растворе»

Аминокислоты служат мономерными звеньями, из которых построены белки. Функционирование белка лежит в основе важнейших процессовжизнедеятельности организма: это и обмен веществ, и мышочное сокращение, и нервная проводимость, и жизнь клетки в целом. Аминокилслоты могут служить в качестве модельных соединений более сложных биосистем. Так как все биохимические процессы происходят в водной среде, особенно важным представляется изучение свойств аминокислот в водных растворах.

Важную роль во многих биологических системах играют реакции кислотно-основного взаимодействия и комплексообразования. Выявления основных закономерностей протолитических равновесий в растворах аминокислот имеет существенное значение для понимания механизмов многих биохимических реакций.

В вою очередь, ионы металлов играют огромную роль в живом организме. В сочетание с аминокислотами, белковыми молекулами, пептидами они работают в составе металлоферментов, обеспечивающих нормальный ход множества биохимических реакций, участвуют в процессах накопления и транспорта различных соединений.

Соединения аминокислот с металлами представляют интерес с точки зрения их возможного биологического значения и применения в медицинских целях, например, в виде препаратов, обладающих противомикробным и противовоспалительным действием. Поиск новых лекарственных соединений привел к выявлению роли микроэлементов в организме человека.

В частности, медь является «металлом жизни» и типичным комплексообразователем. Она участвует в процессах антиоксидантной защиты организма, входит в состав тканевого аптиоксидаптного фермента и антиоксидантного белка плазмы крови.

АКТУАЛЬНОСТЬ

Исключительная роль биолигаидов, в частности, аминокислот и пептидов, в практике требует всестороннего изучения термодинамических характеристик растворов этих соединений. Несомненный интерес представляет исследование комплексообразующей способности биолигандов по отношению к ионам «металлов жизни», которая напрямую связана с решением ряда проблем биологии, неорганической биохимии, медицины и некоторых важных вопросов современной координационной химии. Работ, посвященных изучению термодинамики реакций комплексообразования ионов никеля, кадмия и меди с ароматическими аминокислотами и пептидами немного и все они, как правило, выполнены лишь при одном значении температуры и ионной силы раствора. В связи с этим несомненный интерес представляет определение эптальпийных и энтропийных характеристик реакций комплексообразования иона меди(Н) с Ь-фенилаланином и В,Ь-триптофаном и сравнение их с термодинамическими параметрами процессов комплексообразования с Ь-аланином Тщательное термохимическое исследование протолитических и координационных равновесий в растворах биолигандов делает возможным термодинамическое моделирование процессов в системах, содержащих эти соединения

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целыо настоящей работы является установление основных закономерностей влияния температуры, концентрации фонового электролита, а также структурных особенностей лигапда и иона-комплексообразователя на термодинамические характеристики протолитических и координационных равновесий в водных растворах Ь-аланина Ь-фенилаланина, Б,Ь-триптофана и глицилглицина с ионами меди(Н), никеля(Н) и кадмия(Н).

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

Впервые определены тепловые эффекты ступепчатой ионизации фенилаланипа и глицилглицина прямым калориметрическим методом при нескольких значениях ионной силы и температуры. Рассчитаны стандартные термодинамические характеристики взаимодействия протона с исследованными лигандами. Изучены особенности влияния различных по своей природе аминокислот на термодинамику координационных равновесий с ионом меди(П). Определены стандартные энтальпии образования изомеров фенилаланина^ глицилглицина и прдуктов их диссоциации в водном растворе.

Выявлены особенности реакций отщепления протона от азота пептидной группы лигапда при комплексообразовании глицилглицина с различными иопами-комплекообразователями. Впервые рассчитаны стандартные термодинамические характеристики образования моно- и дикоординированпых комплексов меди(И) с глицилглиципом, содержащих депротонированую пептидную группу.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ.

Экспериментальный материал о протолитических и координационных равновесиях в растворах исследованных биолигандов(аминокислот: L-аланина, L-фепилаланина, 0,Ь-триптофана и пептида -глицилглицина), полученный в настоящей работе, может служить основой для исследования термодинамических свойств сложных биомолекул. Высокая точность полученных термодинамических характеристик позволяет рекомендовать их в качестве справочного материала; для составления баз термохимических данных по термодинамике биолигандов и координационных соединений на их основе. Результаты, представленные в настоящей работе, могут быть использованы для разработки, обоснования и оптимизации технологических процессов с участием аминокислот, пептидов и их комплексов с "металлами жизни".

ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА

Вклад автора заключался в постановке исследований, разработке оптимальных методик их проведения, выполнении экспериментальных работ, оценке погрешностей и обсуждении результатов.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

Отдельные разделы диссертации докладывались на VIII Международной конференции «Проблемы сольватации и комплексообразования в растворах»(г.Суздаль 2007); на III Региональной конференции молодых ученых «Теоретическая и экспериментальная химия жидкофазных систем»(Крестовские чтеиия)(г. Иваново 2008 г.) , а также на ежегодных научных конференциях Ивановского государственного химико-технологического университета 2006-2008г.г.

ПУБЛИКАЦИИ

По результатам работы опубликовано 5 статей в ведущих академических журналах и тезисы 7 сообщений на международных и российских конференциях.

ОБЪЕМ РАБОТЫ

Диссертационная работа изложена на 151 странице машинописного текста, содержит 37 рисунков, 41 таблицу; состоит из следующих разделов: введения, главы, посвященной обзору литературы, 3 глав, включающих экспериментальный материал и его обсуждение, итоговые выводы; списка цитируемой литературы, содержащего 170 наименований работ отечественных и зарубежных авторов и приложения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат химических наук Емельянов, Андрей Валерьевич, 2009 год

1. Ленинджер А. Л. Основы биохимии. М.: Мир, 1985. 364 с

2. Досон Р. Справочник биохимика. М.: Мир, 1991. 544 с.

3. Болотин С.Н., Буков Н.Н., Волыпкин В.А., Панюшкин В.Т. Координационная химия природных аминокислот. М.: ЛКИ, 2007. 238 с.

4. Якубе X. Д., Ешкайт X. Аминокислоты, пептиды, белки. М.: Мир, 1985. С455.

5. Corey R. В. Pauling L. Fundamental dimensions of polypeptide chains. //Proc. Roy. Soc. London.1953. В 141. P. 243.

6. Perrin D.D. Complex formation between ferric ion and glycine. // J. Chem. Soc. 1958. P. 3120.

7. Perrin D.D. The stability of iron complexes. Part III. A comparison of 1:1 ferric and ferrous amino-acid complexes. // J. Chem. Soc. 1959. P. 290.

8. Simeon V.L., Weder O.A. On the stability of metal complexes with racemic ligands. // Croat. Chem. Acta. 1966. 38. N3. P. 161.

9. Gergely A., Sovago I., Nagypal I. Equilibrium relation of alpha-aminoacid mixed complexes of transition metal ion.// Inorg Chim. Acta. 1972. V. 6. № 3. P. 435.

10. Ishemitsu Т., Herose S., Sakurai H. Microscopic acid dissociation constants of 3,4-dihydroxyphenylpropionic acid and related compounds, and 3,4-dihydroxyphehylalanine (DOPA).//Talanta. 1977. V. 24. № 9. P. 555.

11. Brookes G., Pettit L. Complex formation and stereoselectivity in the ternary systems copper (II) D/L-histidine- L-amino-acids.// Chem. Soc. Dalton Trans. 1977. P. 1918.

12. Lim M. C. Mixed-ligand complexes of palladium (II). Part 3. Diaqua (ethylenediamine) palladium (II) complexes of L-aminoacids. // J. Chem. Soc.Dalton Trans. 1978. № 7. P. 726.

13. Arena G., Musumeci S., Rizzarelli Potentiometric investigation of simple and mixed complexes of cupric ion in aqueous solution. // Inorg. Chem. 1978. V. 27. №1. P. 31.

14. Muller D., Jozefonovicz J., Petit M. Importance in ligand exchange chromatography of stereoselectivity in the ternary complexes copper (II)-N-substituted L-proline-D/L-a amino acids.// J. Inorg. and Nucl.Chem. 1980. V. 42. № 7. P.1083.

15. Jozefonovicz J., Muller D., Petit M. A. Stereoselectivity in the ternary complexes copper (II)- N-benzyl-L-proline-D- or L-a-amino-acids.// J. Chem. Soc. Dalton Trans. 1980. № 1. P. 76.

16. Nourmand M., Meissami N. Complexes formation between uranium (VI) and thorium (IV) ions with some a-aminoacids.// J. Chem. Soc. Dalton Trans. 1983. №8. P. 1529.

17. Pettit L. D., Bezer M., Steel I. // Copper (II) interaction with tetrapeptides containing proline and phenylalanine. A potentiometric and spectrophotometric study. //J. Inorg. Biochem. 1984. V. 20. № 1. P. 13.

18. Zelano V., Zerbanati O., Ostacoli D. Ternary Cu(II) complex formation with L-Dora or dopamine and valine, leucine, phenylalanine and threonine in aqueous solution. // Ann. Chem. (Ital.). 1988. V. 78. № 5-6. P. 273.

19. Manjula V., Bhattacharya P.K. Interligand interaction in mixed amino acid complexes. // J. Chem. Soc. Dalton Trans. 1989. № 4. P. 567.

20. Bhattacharya P. K., Ullah M.K. Study of ternary complexes of Cu(II) involving aliphatic carboxylic acids and amino acids. // Indian J. Chem. 1990 V. 29a. № 2. P. 150.

21. Davies C. W. // J. Chem. Soc. 1938. P. 2093.

22. Васильев В.П. Приближенный расчет термодинамических констант нестойкости комплексных соединений. // Теор. и экспер. химия. 1966. № 2. С. 353.

23. Васильев В.П. Термодинамические свойства растворов электролитов. М.:Высшая школа, 1982, С.262.

24. Бородин В.А., Васильев В.П., Козловский Е.В. Математические задачи химической термодинамики. Новосибирск: Наука, 1985. 219 с.

25. Izatt R., Wrathall J., Anderson К. Studies of the copper (II) alanine and phenylalanine systems in aqueous solution. Dissociation and formation constants as a function of temperature // J. Phys. Chem. 1961. V. 65. P. 1914.

26. Anderson K., W. Greenhalgh., E. Butler. Formation constants and enthalpy and entropy ralucs for the association of II and Cu with glycinate and phenylalanate ions in agueous solutionat 10, 25 and 40° // Inorg. Chem. 1967.V. 6. P. 1056.

27. Christenses J.J., Izatt K.M., Wrarhall D.P. Thermodynamics of Proton Ionization in dilute aqueous solution // J. Chem. Soc. (A). 1969. N8. P. 1212.

28. Rodante F. Thermodynamics of the "standard "a amino-acids in water at 25°C // Thermochim. Acta. 1989. V. 149. P. 157.

29. Anderson K.P., Newell P.A., Izatt R.M. Formation constant, enthalpy, and entropy ralues for the association of alanine with H+ and Cu(II) at 10, 25, 40°// Inorg. Chem. 1966. V. 5. P. 62.

30. Williams D., Yeo P. //J. Chem. Soc. Dalton Trans. 1973 .P. 1925.

31. Gergely A., Nagypal I., Kiss T. // Magyar Kem. Foly. 1974. V. 80. P. 181.

32. Gergely A., ICiraly В., Nagypal I., Kiraly R. // Acta ChBm. Acad. Sci. Hung. 1974. V. 67. P. 133.

33. Arena G., Musumeci S., Rizzarelli E. // Ann. Chem. (Rome). 1978. V. 68. P. 535.

34. Pettit L. Copper (II) interaction with tetrapeptides containing proline and phenylalanine // Pure and Appl. Chem. 1984. V. 56. P. 247.

35. Patel V., Bhattacharya P. // J. Inorg. Biochem. 1984. V. 21. P. 169.

36. Ganteaume M., Decressac M. Thermodynamique de la complexation des metaux de transition par les acides a-amines. I. Etude potentiometrique des sistemes cuirve (Il)-phenylalanine cobalt (II) phenylalanine // Thermochim. Acta. 1984. V. 80. P. 35.

37. Berthon G., Piktas M., Biais M.-J. Part 6. A quantitative study of the copper (II) histidine ternary complexes with leusine, glutamic acid, methionine, tryptophan and alanine // J. Inorg. Biochem.1984. V. 20. P. 113.

38. Arena G., Call R. et al. Thermodynamics of metal complexes with ligand-ligand interaction. Mixed complexes of copper(II) and zinc(II) with adenosine 5'-triphosphate and L-phenylalanine or L-tyrosine // Thermochim. Acta. 1984. V. 74. P. 77.

39. Diez-Caballero R. et al. Потенциометрическое определение констант устойчивости некоторых комплексов цинка (2+) и свинца (2+) // Bull. Soc. Chim. Fr. 1986.1.P. 375.

40. Devi С., Reddy M. Константы образования и термодинамические параметры образования смешаннолигандных хелатов с некоторыми аминокислотами, пирокатехином, 2,2-дипиридилом и 1,10-фенантролином // Ind. J. Chem. 1986. V. 25А. P. 600.

41. Prasad К., Mohan M. // J. Coord. Chem. 1987. V. 16. P. 1.

42. Reddy P., Sudhakar K. // Ind. J. Chem. 1990. V. 29A.P. 1182.

43. Manjula V., Chakraborfy D. // Ind. J. Chem. 1990.V. 29A. P. 577.

44. Chakraborty D., Bhattacharya P. Ternary complexes of substituted catechols and dipeptides copper(II) // J. Inorg. Biochem.1990. V. 39. P. 1.

45. Manjula V., Bhattacharya P. Ternary complexes of catechnol and amino acids // J. Inorg. Biochem. 1991. V. 41. P. 63.

46. Alvarez Salgado J. et al. // An. Quim. 1992. V. 88.P. 167.

47. Patel M., Patel N., Patel M. et al. /// J. Ind. Chem. Soc.1993. V. 70. P. 569.

48. Yogi D., Venkataaiah P. // Ind. J. Chem. 1994. V. 33A.P. 407.

49. Padmavathi е., Satyanarayana // Ind. J. Chem. 1997.V. 36A. P. 1001.

50. Nair M., Arasu P. // Ind. J. Chem. 1997. V. 36A. P. 879.

51. Khaleif S., Anderegg G. // Inorg. ChBm. Acta. 1997. < 3. P. 257.

52. Ullah M.R., Brattacharya P.K. Study of ternary complexes of Cu(II) involving aliphatic carboxylic acids and amino acids // Proc. Indian Acad. Sci. Chim. Sci. 1990. V. 102. №.4. P. 513.54