Калориметрическое изучение межмолекулярных взаимодействий в гетерогенной системе "сывороточный альбумин человека+органический растворитель+вода" тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

о;\

1 у № ®

На правах рукописи

СИРОТКИН ВЛАДИМИР АЛЕКСАНДРОВИЧ

КАЛОРИМЕТРИЧЕСКОЕ ИЗУЧЕНИЕ МЕЖМОЛЕКУЛЯРНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ В ГЕТЕРОГЕННОЙ СИСТЕМЕ "СЫВОРОТОЧНЫЙ АЛЬБУМИН ЧЕЛОВЕКА + ОРГАНИЧЕСКИЙ РАСТВОРИТЕЛЬ + ВОДА"

02.00.04 - физическая химия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Казань - 1996

Работа выполнена на кафедре органической химии Казанского государственного университета

Научные руководители: доктор химических наук,

профессор Б. Н. Соломонов

кандидат химических наук, старший научный сотрудник М. Д. Борисовер

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор В. Д. Федотов

доктор химических наук, профессор Г. А. Добреньков

Ведущая организация: Институт химической физики РАН

Защита состоится 9 апреля 1996 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 063.3703 в Казанском государственном технологическом университете по адресу. 420015, г. Казань, ул. К.Маркса, д.68, зал заседаний Ученого Совета.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Казанского государственного технологического университета.

Отзывы на автореферат направлять по адресу 420015, г. Казань, ул. К.Маркса, д.68, КГТУ, ученому секретарю диссертационного совета Д.063.37.03.

Автореферат разослан "6 1996 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета, I

кандидат химических наук1—^--^/ А. Я. Третьякова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Интенсивно развивающиеся в последнее десятилетие исследования в области ферментативного катализа в органических средах с низким содержанием воды свидетельствуют о широких возможностях управления химическими реакциями посредством варьирования природы органического растворителя: подавление побочных гидролитических реакций; возможность проводить с помощью ферментов процессы, не протекающие в их присутствии в водной среде; повышенная термостабильность белкового катализатора, функционирующего десятки часов в органических растворителях при температурах 100-120°С; высокие рето- и энантиосеяективность, достигающие 95-100% - таков список основных преимуществ, которые могут быть достигнуты, если водное окружение белка заменить на органический растворитель. Очевидно, что понимание природы влияния среды на состояние фермента и ферментативные превращения требует детального анализа межмолекулярных взаимодействий (ММВ), реализующихся в столь сложных системах.

• С одной стороны, дам осуществления белками их биологической функции, и, в частности, ферментативной активности, принципиальное значепие имеет наличие некоторого количества воды, связанной белком. Поэтому изучение адсорбции воды на белках в органических средах с низкой влажностью представляет значительный интерес для понимания роли воды в формировании функционально активной структуры белковой макромолекулы.

• С другой стороны, изучение "реакции" белковой молекулы на органическое окружение представляет общий интерес и с точки зрения исследования факторов, определяющих состояние нативной структуры белка и ее стабильность.

Поэтому анализ межмолекулярных эффектов в сложных гетерогенных системах, содержащих белок, органический растворитель (и, практически всегда, воду), чему и посвящена диссертационная работа, представляет собой важную научную проблему, решение которой представляется нам актуальным.

Целью настоящей работы является

• исследование энергетики образования гетерогенных систем "белок + органический растворитель + вода";

• изучение термодинамики адсорбции воды на суспендированном в органических средах белке;

• определение вклада адсорбции воды в энергии, выделяющиеся при внесении белка в органические растворители с различным содержанием воды.

Научная новизна работы. Впервые проведено калориметрическое определение энтальпий образования гетерогенных систем "Оелок + органический растворитель + вода". Накоплен значительный объем данных о способности

белка связывать воду в широком интервале активностей воды в органических растворителях. На основании этих данных впервые произведена количественная экспериментальная оценка вклада адсорбции воды на белке в энтальпию образования системы "белок + органический растворитель + вода". В работе впервые показано, что сольватация воды играет определяющую роль во влиянии природы растворителя на термодинамические параметры адсорбции воды на белке в органических средах. Кроме того, впервые обнаружено, что при внесении белкового препарата в органический растворитель, наряду с адсорбцией воды, могут протекать процессы, связанные с изменением взаимодействий белок-белок. Эти процессы сопровождаются значительным увеличением поверхности белка, доступной для адсорбции воды, и тепловыми эффектами, зависящими от природы органического растворителя.

Научно-практическая значимость. Полученные зависимости между термодинамическими параметрами адсорбции воды на белке в органических средах и характеристиками сольватирующей способности растворителей по отношению к воде позволяют прогнозировать особенности термодинамики адсорбции воды на белке в различном окружении. Кроме того, на основании полученных в настоящей работе результатов могут быть предложены рекомендации для выбора наиболее оптимальных условий при проведении ферментативного катализа в органических средах.

Апгюбаштя работы. Основные результаты работы были доложены и обсуждены на итоговой конференции Казанского государственного университета (Казань, 1994 г.), 5 Всесоюзном совещании "Проблемы сольватации и комплексообразования в растворах." (Иваново, 1991 г.), 1 Украинско-Польском симпозиуме по водородной связи. (Одесса, 1992 г.), 3 Российской конференции "Химия и применение неводных растворов." (Иваново, 1993 г.), 11 Семинаре по межмолекулярному взаимодействию и конформациям молекул. (Пущино-на-Оке,

1993 г.), 12 Международном семинаре по межмолекулярному взаимодействию и конформациям молекул. (Харьков, 1994 г.), 1 Международной конференции по биокоординационной химии. (Иваново, 1994 г.), 12 Международной конференции ИЮПАК по физической органической химии. (Падуя, Италия.

1994 г.), 6 Международной конференции "Проблемы сольватации и комплексообразования в растворах". (Иваново. 1995г.).

Публикации. По материалам работы опубликовано шесть статей и тезисы шести докладов.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, выводов, списка цитируемой литературы и приложения. Диссертация изложена на 166 страницах, содержит 23 таблицы, 33 рисунка. Список литературы содержит 190 ссылок.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первые четыре главы (литературный обзор') посвяацены обсуждению современных представлений о внутри- и межмолекулярпых взаимодействиях, определяющих состояние и свойства белков в системах "белок + органический растворитель + вода". Анализ литературных данных показывает, что, несмотря на впечатляющие успехи в использовании ферментов для проведения реакций в органических средах, в литературе весьма ограничены сведения о термодинамических характеристиках, описывающих состояние белка, суспендированного в органическом растворителе с низким содержанием воды, и процесс его взаимодействия с водой в органическом окружении.

Изучение суспензий белков в органических средах представляет серьезную проблему для многих традиционных методов исследования. В частности, поскольку суспензии протеинов являются гетерогенными системами, получение информации о состоянии белков в органических средах с помощью различных форм спектрального исследования, широко использующихся для изучения состояния белковой макромолекулы и процесса взаимодействия вода-белок в водных растворах и частично щдратированных порошках и пленках, в значительной степени затрудено. В связи с этим, как отмечается в литературном обзоре, особое значение приобретают калориметрические методы исследования, с помощью которых может быть получена непосредственная информация об энергетике процессов, реализующихся при внесении белков в водно-органические смеси, и влиянии природы органической среды на эти процессы.

Изотермы адсорбции (из которых, как Правило, получают термодинамические характеристики процесса взаимодействия вода-белок) воды на белках в органических средах немногочисленны и удостоверяют обычно лишь факт адсорбции. Из этих данных трудно судить о механизме адсорбции воды, наличии особых точек на изотермах адсорбции и влиянии природы органического окружения. Поэтому систематическое определение изотерм адсорбции воды на белках, суспендированных в органических растворителях, представляет несомненную ценность.

Анализ литературных данных показывает, что определенный прогресс в понимании причин, управляющих поведением белков в органических средах, может быть достигнут при экспериментальном разделении вкладов различных ММВ в термодинамические функции образования систем "белок + органический растворитель + вода", в частности, при сочетании калориметрических и сорбционных измерений.

В пятой главе (постановка задачи и экспериментальная часть') представлена программа исследований и обсуждается выбор экспериментальных методов.

Основой проведенного исследования внутри- и межмолекулярных взаимодействий САЧ в органических растворителях явилось калориметрическое измерение тепловых эффектов, выделяющихся при внесении белкового препарата с известной влажностью (в настоящей работе 10.1 %, г воды/г сухого белка) в различные органические среды и водно-органические смеси и содержащих бругго-информацию о процессах, реализующихся при образовании гетерогенных систем "белок + органический растворитель + вода". Определение энтальпий образования таких систем (энтальпий смачивания) было выполнено на микрокалориметре ВТ-215 "8е1агат".

Для изучения термодинамики адсорбции воды на белке в органических средах, были использованы следующие два подхода:

1) Определение изотерм адсорбции воды на белке, помещенном в водно-органические смеси, при помощи электрохимического титрования воды в среде отработанного реактива Фишера.

2) Калориметрическое измерение тепловых эффектов, выделяющихся при гидратации белкового препарата, суспендированного в органических растворителях с различным содержанием вод ы.

Сочетание этих двух подходов - прямого измерения адсорбции воды на белке и определение тепловых эффектов адсорбции - создало возможность количественного анализа термодинамических параметров адсорбции воды на белке в органических средах и оценки вклада адсорбции в общую энергию образования гетерогенной системы.

В экспериментальной части также излажены методики очистки и осушки растворителей, калориметрического эксперимента, определения влажности растворителей и белка, суспендированного в органических средах, характеристика объекта изучения - сывороточного альбумина человека (САЧ). Определение растворимости САЧ в органических растворителях и бинарных водно-органических смесях производилось на спектрофотометре "Бресок! М-40" измерением оптической плотности фильтрата, полученного после выдерживания белкового препарата в изученных средах, при 260-320 нм. Результаты спектрофотометрического эксперимента свидетельствуют об отсутствии растворимости САЧ в этих средах. Все измерения были проведены при 298 К.

В_шестой_главе (обсуждение результатов-) обсуждение ведется в

соответствии с основной идеей работы: определение термодинамических характеристик гетерогенной системы "белок + органический растворитель + вода" и установление их взаимосвязи со структурой молекул растворителя и содержанием воды в системе.

В настоящей работе была использована такая группа органических сред, в которой, с одной стороны, характеристики сольватирующей способности растворителя по отношению к воде изменяются в широком интервале, а, с

другой стороны, представители этой группы органических растворителей способны образовывать гомогенные бинарные водно-органические смеси в широком интервале составов (выполнение этого условия необходимо при проведении калориметрического эксперимента).

Описание экспериментальных данных с помощью изотермы Ленгмюра для мономолекулярной адсорбпии

Изотермы адсорбции воды на САЧ и зависимости энтальпий смачивания белка от содержания воды в 1,4-диоксане, пиридине, бутаноле-1, пропаноле-1, ацетонитрнле, диметилсульфоксиде (ДМСО), этаноле и метаноле, полученные нами, приведены на рис. 1 и 2. Для описания калориметрических и сорбционных данных на рис. 1 и 2 была применена модель Ленгмюра в следующей форме: А = А0( ^¡¿w >»18*100 + А * (1)

AHtot = A0Ah( --в0) + const (2)

где AHtot (Дж/г)- энтальпия образования гетерогенной системы "САЧ + органический растворитель + вода" (энтальпия смачивания); К (л/моль) и Ah (Дж/моль) - константа равновесия и энтальпия реакции (3) соответственно; Cj (моль/л) - равновесная концентрация воды в растворителе; Aq (моль воды/г сухого САЧ) - количество воды в заполненном монослое; А* (моль воды/г сухого белка) - этот параметр введен для проверки отклонения от нуля изотермы адсорбции при Сдг=0 моль/л, он соответствует количеству воды, связанной с САЧ настолько прочно, что эта вода не участвует в сорбционном равновесии в изученном интервале концентраций воды; 0О - доля сорбционных центров, занятых водой в исходном препарате белка; AqAIi (Дж/г) - энергия образования монослоя; const - постоянная, отражающая возможный вклад в энтальпию смачивания САЧ, не связанный с адсорбцией воды (Дж/г); 18 - относительная молекулярная масса воды (г/молъ).

Согласно модели Ленгмюра, адсорбция воды на белке, находящемся в водно-органическом растворителе, протекает в соответствии со следующей схемой (ур. 3):

сорбционный центр + Н2О ¿It сорбционный комплекс (3).

Для количественной проверки модели с помощью нелинейного регрессионного анализа были найдены параметры уравнений 1 и 2, описывающие начальные участки зависимостей на рис. 1 и экспериментальные данные для всех точек на

60

а

I <30 5 *Г а й

о

в И О 16

-30

-60

Рис.

о0

к.

4 •

• ■

40

30

S §

20 10 0

ю

и

0 2 4 6 8 концентрация воды, моль/л

§ 30 jl Рис. 16

1 V

S но ■

-30

-60

О 2 4 6 8 10 концентрация воды, моль/л

60Т

I ч

-зо -

-60

Рис. 1в

Т 40

30

+2° т

BES

ю

0 2 4 6 8 концентрация воды, моль/л

Ъ -I

I 25-1

т V

§ к Ч Sjlo--

-25

-50

Рис. 1г

Ч-1-1-н

н

0 2 4 6 8 10 концентрация воды, моль/л

0

Рис. 1. Зависимости энтальпий смачивании САЧ ДН1о1 (•) и содержания воды на белке А (о) от равновесной концентрации воды С„в а)диоксане, б) пиридине, в) бутанале-1, г) нропаноле-1 при 298 К. Сплошные линии проведены в соответствии с модельными уравнениями 1 и 2.

рис. 2. Результаты расчета (с указанием стандартной ошибки определения параметров) приведены в таблице 1. Затем с использованием этих параметров по уравнениям 1, 2 были рассчитаны зависимости ДН^ от С^ и А от С^, представленные на рис. 1 и 2 сплошными линиями. Хорошее соответствие экспериментальных и расчетных кривых на рис. 1 и 2. означает, что, хотя белок и является сорбентом, для которого можно ожидать различные внутри- и межмолекулярные превращения, при относительно низких концентрациях воды в растворителях тепловые эффекты, выделяющиеся при внесении препарата САЧ в водно-органические смеси, и адсорбция воды на белке описываются моделью Ленгмюра для мономалекулярной адсорбции.

0 2 4 6 8

концентрация воды, моль/л

0 5 10 15 концентрация воды, моль/л

я -60

э ^

са и а Л

§ 5 ¡б"90

-120

Рис. 2в

Рис. 3

0 2 4 6 8 котщецтрация воды, моль/л

0 2 4 6 8 концентрация воды, моль/л

Рис. 2. Зависимости энтальпий смачивания САЧ дН(о£ (.) и содержания воды на белке А (о) от равновесной концентрации воды СуВ а) ацетонитриле, б) метаноле (ДН1о( - Д) и этаноле, в) ДМСО при 298 К Сплошные линии проведены в соответствии с модельными уравнениями 1 и 2. В ДМСО контур тепловыделения имеет сложный вид (вставка на рис. 3).

Рис. 3. Зависимость эндотермических вкладов в энтальпии смачивания САЧ (.) от концентрации воды в ДМСО при 298 К. На вставке к рис. 3 представлен способ определения эндотермических вкладов, соответствующих десорбции воды с препарата САЧ. Расчетная кривая проведена в соответствии с модельным уравнением 2.

Таблица 1

Параметры, описывающие калориметрические и сорбционные данные в соответствии с моделью Ленгмюра, для САЧ, суспендированного в водно-органических смесях. _

м, Растворитель Параметры модельных уравнений 1 и 2

К а) -AoAh Ао.18.100 А*

л/моль Дж/г %,г/г %, г/г

1 1,4-Диоксан 2.5± 0.4 3.8±0.6 77.6±2.9 11.7+0.4 0.5±0.3

2 Бутанол-1 2.5±0.8 2.6±0.5 54.9±1.8 12.7±0.8 0.1±0.6

3 Пропанол-1 1.5±0.3 54.0±2.3 _ -

4 Пиридин 2.б±0.5 49.4±2.4 - -

5 jjmco6> 1.2±0.3 20.1+1.0 - -

5 ДМСОв> 0.16±0.08 «0 23.4±5.4 -0.6Ю.6

6 Метанол 0.05±0.02 17.2±3.6 - -

7 Этанол 0.09±0.03 0.19±0.07 28.7+2.9 26.6±2.4 0.8±0.7

8 Ацетонитрил 1.0±0.1 1.1+0.6 142.8±3.0 28.6+4.1 3.2±2.3

а) Первое значение К, соответствующее данному растворителю, получено из калориметрических данных; второе значение К определено из изотермы адсорбции воды, б) Параметры получены при описании модельным уравнением 2 зависимости эндотермических вкладов в энтальпии смачивания САЧ от концентрации воды в ДМСО (рис. 3). в) Параметры рассчитаны при использовании модели Ленгмюра для описания изотермы адсорбции воды на САЧ в ДМСО (рис. 2в), определенной по завершении суммарного теплового эффекта.

Определение энтальпий адсорбции воды на белке

Сопоставление энтальпий смачивания (AHtot, Дж/г) и изменений в содержании воды на белке в ходе суспендирования (ДА, %), соответствующих одной и той же концентрации воды в'органическом растворителе, показало, что эти величины связаны линейно. Тангенс угла наклона этих линейных зависимостей соответствует энтальпии адсорбции воды на САЧ, суспендированном в органическом растворителе, (Ah в ур. 2), а свободный член - вкладу, не связанному с адсорбцией воды в энтальпии образования систем "САЧ + органический растворитель + вода" (const в ур.2). Параметры полученных

линейных зависимостей для диоксана, бутанола-1, ацетонитрила и этанола приведены в табл. 2.

Таблица 2

Растворитель Ah, кДж/моль const, Дж/г Sn г п

Диоксан -11.9+1.7 0.8±1.5 2.4 0.994 6

Бутанол-1 -7.4+1.1 0.4+0.9 1.1 0.997 5

Ацетонитрил -9.0+1.5 44.7±4.9 10.5 0.973 7

Этанол -1.5±0.4 -21.8±0.8 0.5 0.987 6

Влияние природы органического растворителя на способность белка сорбировать воду

Органические растворители, использованные в настоящей работе, по влиянию на адсорбцию воды на белке в них могут быть условно разделены на две группы. В первую группу входят диоксан, пиридин, бутанол-1, пропанол-1 -растворители, в которых способность белка сорбировать воду из газовой фазы и органической среды при низких активностях воды близка. В качестве примера на рис. 4 проведено сопоставление изотермы адсорбции воды на САЧ в диоксане с литературными данными по адсорбции паров воды на бычьем сывороточном альбумине. В этой группе растворителей до активности не более 0.5 адсорбция воды на белке - единственный процесс, который вносит вклад в тепловые эффекты образования суспензий "САЧ + органический растворитель + вода". Об этом свидетельствует близость нулю параметра const из ур. 2 для диоксана и бутанола-1 (табл. 2). Выше активности воды 0.5 в первой группе растворителей наблюдаются резкое увеличение в содержании воды на белке и падение энтальпий смачивания САЧ, приводящие к отклонениям от модели Лентмюра (рис. 4 и 5).

В растворителях второй группы - ацетонитриле, ДМСО, метаноле и этаноле - способность белка сорбировать воду значительно выше, чем в первой группе органических сред или из газовой фазы при низких активностях воды (рис. 4). Калориметрические изотермы для второй группы представляют собой зависимости ленгмюровского типа, выходящие на уровень энтальпии растворения САЧ в воде (рис. 2, табл. 3). В растворителях второй группы, наряду с адсорбцией воды, протекает процесс, сопровождающийся увеличением поверхности белкового препарата, доступной для адсорбции воды, по сравнению с первой группой органических сред (количество воды на САЧ в монослое для второй ipynrni растворителей - 24-5-29 %, а для первой группы - 11+12% (табл. 1)), и существенным по величине тепловым эффектом, зависящим от природы

0.2

0.4 0.6

активность воды

0.8

Рис. 4. Сопостав изотерм адсорбции ж ацетонитриле (П), Д (Д), диоксане (•) на (данные, получении настоящей работе) изотермы адсорбции ] воды на бь сывороточном альб> (о) [ВиД Н.В. 1АСБ, при 298 К

1

Рис. 5. Зависимости энталт смачивания САЧ дН^ активности воды а^, в диоксане (о), б) пиридине в) буганоле-1 (•). Штрихе линии проведены соответствии с модсльш уравнениями 1 и 2.

1

активность воды

Табл

Энтальпии образования гетерогенных систем "САЧ+органичс растворитель+вода" в различных водно-органических смесях (а,г=0.70*0." энтальпия растворения САЧ в воде при 298 К (Дж/г).

Диоксан Пиридин Бутанол-1 Ацетонитрил Этанол Вода

-38.0±2.7 -39.2±2.1 -49.0±4.1 -40.3±2.5 -38.5+3.8 -43.5:1

органического окружения (параметр const из ур. 2 в табл. 2). Природа этого процесса, реализующегося при суспендировании САЧ в органических средах, пока не ясна. По-видимому, увеличение доступной поверхности белкового препарата при его суспендировании является результатом изменения взаимодействий белок-белок. И в этой связи имеет смысл говорить о "трансформации" белкового препарата.

На основании данных, представленных на рис. 2, 4 и 5 и в таблицах 1-3, может быть высказано следующее предположение: по-видимому, существует общая причина, отвечающая как за отклонения от модели Ленгмюра в растворителях первой группы, так и за вклад, не связанный с адсорбцией воды в эвггалыши смачивания в растворителях второй группы. Наряду с адсорбцией воды на белке, суспендированном в органических средах, может протекать дополнительный процесс, приводящий к увеличению поверхности белкового препарата. Если во второй группе такая "трансформация" белкового препарата может реализовыватъся и при низких активностях воды, то в первой группе растворителей для осуществления этого процесса необходимо достижение некоторой активности воды, порядка 0.5 (рис. 4,5). Его реализация в этих водно-органических смесях приводит к возрастанию поверхности адсорбции и резкому изменению энтальпий смачивания САЧ. Из-за гидратации белкового препарата эти изменения отрицательны. В ходе этого процесса состояние САЧ как в растворителях первой, так и второй групп приближается к состоянию белка в водном растворе. Об этом свидетельствует близость энтальпий смачивания белка в первой и второй группе органических растворителей с высоким содержанием воды и энтальпии растворения САЧ в воде (табл. 3).

Параметры уравнений 1 и 2, соответствующие двум группам растворителей, различающихся по влиянию на способность белка сорбировать воду из органической среды, в табл. 1 разделены штриховой линией.

Мы проанализировали влияние природы среды на параметры ур. 1 и 2, опираясь на термодинамические данные по сольватации воды в различных растворителях. Используя данные по адсорбции паров воды на белковом препарате, мы оценили значения К, соответствующие первой группе растворителей в табл. 1. Для этого было применено ур. 4, позволяющее рассчитать концентрационную константу равновесия из термодинамической:

К = C*yw*Vra (4)

где С - константа мономолекуяярной адсорбции паров воды на белке. Это значение было рассчитано в рамках модели БЭТ из изотермы адсорбции паров воды на препарате бычьего сывороточного альбумина. В ахтивностной шкале она равна 11.25. Vm - мольный объем растворителя, см^/моль, yw - коэффициент активности воды при бесконечном разбавлении. Уравнение 4 основано на

предположениях, что (а) только сольватация воды определяет величины К и что (б) данные по термодинамике сольватации воды при бесконечном разбавлении учитывают этот эффект. Рассчитанные по ур. 4 значения К равны 6.0, 5.7, 3.4, 2.4 и 0.24 л/моль для диоксана, буганола-1, пропанола-1, пиридина и ДМСО, соответственно. Как видно из табл. 1, хорошее соответствие между расчетной и экспериментальной константами равновесия было получено только для пиридина. В остальных случаях наблюдается расхождение между расчетными и экспериментальными величинами.

Следует, однако, отметить, что существует определенная тенденция в расхождении между экспериментальными константами равновесия и значениями К, рассчитанными по ур. 4. Для того чтобы подчеркнуть эту тенденцию, мы рассчитали отношение В между расчетной и экспериментальной константами равновесия. Эта величина В была сопоставлена с коэффициентами активности воды ууг в диоксане, бутаноле-1, пропаноле-1, пиридине и ДМСО и было получено следующее соотношение (ур. 5):

1ёВ = (-0.27±0.06) + (0.83±0.09)*1^ (5)

Коэффициент корреляции 11=0.985; стандартное отклонение 5о=0.10; п=5. Как можно видеть из ур. 5, существует хорошая корреляция между отклонением экспериментального значения К от величины рассчитанной по ур. 4 и термодинамической гидрофильностью растворителей. Ненулевая величина тангенса угла наклона ур. 5, вероятно, связана с неточностью предположений (а) и (б). По-видимому, разница в сольватации сорбционного центра и ленгмюровского сорбционного комплекса может влиять на угловой коэффициент ур. 5. Кроме того, мы рассматривали значения К, определенные в интервале концентраций воды, а коэффициенты активности воды при предельном разбавлении. Следовательно, такая разница в условиях определения переменных может также вносить свой вклад в ненулевой наклон линейной зависимости 5.

Кроме того, нами были сопоставлены энтальпии образования монослоя (АоДЬ) с энтальпиями сольватации воды при бесконечном разбавлении в изученных средах (АН^^^). Такое сопоставление приведено на рис. 6а и оно

показывает, что эти величины связаны линейно как в первой, так и во второй группе растворителей. Интересно отметить, что отношение величин тангенсов углов наклона линейных зависимостей на рис. 6а близко отношению средних поверхностей адсорбции воды для этих двух групп растворителей (1£ех2/1ёсц=2.5; А2/А1=2.2). Учет поверхности адсорбции воды в обеих группах позволил сравнить энтальпии адсорбции до и после протекания "трансформации" белкового препарата. Сопоставление на рис. 66 показывает, что энтальпии адсорбции воды (ДЬ) и энтальпии сольватации воды связаны

СОЛЫ»

линейно. Все точки, соответствующие энтальпиям адсорбции в растворителях

150 ^120 | 90% 30

I

о -30

Рис.ба

60-

/°МеШ

диоксан

^^ "ВиОН-1

ДМСО/^Ъ' ЕЮН ^ МеОН

дмсо

-+-

4-

15 12 9 6 3

о

-3

Рис.бб

диоксан

дмо

РгОН^г и Р)®/ В)|СЙ1-1

МеШ

У* МсОН ДМСО

-55 -50 -45 -40 -35 -30 ДНсольв (Н20/8), кДж/моль

-55 -50 -45 -40 -35 -30 ДНсольв (Н20/3), кДж/моль

Рис. 6. Зависимости а) энтальпий образования монослоя (АоДЬ) и б) энтальпий адсорбции воды на САЧ (ДЬ) от энтальпий сольватации воды в органических растворителях (ДНсольв(Н20/8)).

а) А0Д11=(256.4±31.6) + (4.7±0.7).ДНсольв(Н20/8), 11=0.967, ¡¡<,=6.1, п=5. (1 группа)

А0ДЬ=(561.9±19.7) + (11.5±0.4).ДНсояьв(Н20/8), К-0.999, 50=4.3, п=4. (2 группа)

б) Д11=(37.9±4.б) + (0.70±0.11).ДНсольв(Н20/3), 11=0.969, 50=0.9, п=5.(1 группа) ДЬ=(37.7±1.3) + (0.77±0.03)»ДНсольв(Н20/8), Я=0.999, бо=0.3, п=4. (2 группа)

второй группы на рис. 66, отклоняются от линейной зависимости, описывающей первую группу, на приблизительно одинаковую величину. Это отклонение, по-видимому, отражает ослабление способности белкового препарата связывать воду после протекания "трансформации".

Угловые коэффициенты линейных зависимостей на рис. 66 близки единице. Это означает, что сольватация воды является главным фактором, определяющим энтальпии адсорбции воды в данном состоянии САЧ. Небольшое отклонение от нуля угловых коэффициентов зависимостей на рис. 66, вероятно, является результатом тех же причин, которые привели к ненулевому значению тангенса угла наклона ур. 5.

В целом, есть основания полагать, что данные по термодинамике сольватации воды позволяют оценить влияние природы растворителя на термодинамические параметры адсорбции воды на белке, суспендированном в органических средах.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ:

1. На основания калориметрического определения энтальпий образования гетерогенных систем "белок + органический растворитель + вода" и измерения изотерм адсорбции воды на САЧ, суспендированного в водно-органических смесях, при 298 К показано, что внесение белкового препарата в органические растворители с различным содержанием воды сопровождается процессами сорбции/десорбции воды.

2. Установлено, что в области относительно низких концентраций воды в органических средах адсорбция воды на САЧ и энтальпии образования систем "САЧ + органический растворитель + вода" подчиняются изотерме мономолекулярной адсорбции Ленгмюра. В соответствии с моделью Ленгмюра были определены термодинамические параметры адсорбции воды на САЧ в бинарных водно-органических смесях. Проведена количественная оценка вклада адсорбции воды в энтальпию образования гетерогенной системы "САЧ + органический растворитель + вода".

3. Сопоставление термодинамических параметров адсорбции воды и данных по термодинамике сольватации воды в органических растворителях показало, что сольватация воды играет определяющую роль во влиянии природы среды на адсорбцию воды сывороточным альбумином человека, суспендированным в органических растворителях.

4. При внесении белка в органические растворители, наряду с адсорбцией воды, может иметь место трансформация белкового препарата, приводящая к увеличению поверхности белка, доступной для взаимодействия с водой. Осуществлена оценка вклада такого процесса в энтальпии образования суспензий САЧ в водно-органических смесях, которая указывает на значительное влияние природы органической среды на величину энергии трансформации препарата САЧ.

5. В области высоких концентраций воды в растворителе энтальпии образования гетерогенных систем "САЧ + органический растворитель + вода" близки энталыши растворения САЧ в воде, что указывает на сходство внутри- и межмолекулярных взаимодействий, реализующихся при суспецдировании сывороточного альбумина человека в таких водно-органических смесях и при его растворении в воде.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ:

1. Борисовер М. Д., Сироткин В. А., Соломонов Б. Н. Энтальпии смачивания человеческого сывороточного альбумина в органических растворителях. //Ж. физ. химии. 1992. Т.66. №11. С.3130-3132.

2. Boiisover M. D., Sirotkin V. A., Solomonov B. N. Calorimetric study of human serum albumin in water-dioxane mixtures. // J. Phys. Org. Chem. 1993. Vol. 6. №4 P.251-253.

3. Борисовер M. Д., Сироткин В. А., Соломонов Б. Н. Состояние сывороточного альбумина человека в водно-органических смесях. //Ж. физ. химии. 1994. Т.68. №5. С.882-885.

4. Boiisover М. D., Sirotkin V. A, Solomonov В: N. Water sorption isotherm by human serum albumin in dioxane: comparison with calorimetric data. // J. Phys. Org. Chem. 1995. V.8, P.84-88.

5. Boiisover M. D., Sirotkin V. A, Solomonov B. N. Thermodynamics of water binding by human serum albumin suspended in acetonitrile. // Thermochim. Acta. 1995. V.254,

6. Sirotkin V. A, Boiisover M. D., Solomonov B. N. Heat effects and water sorption by human serum albumin on its suspension in water - dimethyl sulfoxide mixtures. Thermochim. Acta. 1995. V.256, P.175-183.

7. Борисовер M. Д., Сироткин В. А, Соломонов Б. Н. Влияние неводных растворителей на энтальпии смачивания человеческого сывороточного альбумина. // 5 Всесоюзное совещание "Проблемы сольватации и комплексообразования в растворах." Иваново. 1991. С.193.

8. Борисовер М. Д., Сироткин В. А, Соломонов Б. Н. Человеческий сывороточный альбумин в "сухих" органических растворителях: калориметрическое изучение связывания воды. // 1 Украинско-Польский симпозиум по водородной связи. Киев. (Одесса). 1992. С.42.

9. Борисовер М. Д., Сироткин В. А., Соломонов Б. Н. Альбумин, суспендированный в диоксане: связывание воды на белке и роль органического компонента. // 3 Российская конференция "Химия и применение неводных растворов." Иваново. 1993. С.198.

10. Sirotkin V. A, Boiisover М. D., Solomonov В. N. Thermodynamics of water binding by human serum albumin suspended in acetonitrile. // Abstracts of 12^ IUPAC Conference on Physical Organic Chemistry. Padova (Italy). 1994. P.319.

11. Сироткин В. А, Борисовер M. Д., Соломонов Б. Н. Термодинамика адсорбции воды на белке, суспендированном в органических растворителях. // 1 Международная конференция по биокоординационной химии. Иваново. 1994.

12. Сироткин В. А, Борисовер М. Д., Соломонов Б. Н. Что происходит с сывороточным альбумином человека в протонодонорных органических средах? // VI Международная конференция "Проблемы сольватации и комплексообразования в растворах". Иваново. 1995. Ь-47.

Р.47-53.

С.70.