Термодинамические характеристики и закономерности взаимодействия аминокислот и пептидов с основаниями нуклеиновых кислот, их производными и -циклодекстрином в воде тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

со СП

t=r О} ..

^ На правах рукописи

«■т

oj JIAilLUEB Павел Викторович

с.

Т Е РАЮ Д И НАМ И Ч ЕС К13 Е ХАРАКТЕРИСТИКИ И ЗАКОНОМЕРНОСТИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ АМИНОКИСЛОТ И ПЕПТИДОВ С ОСНОВАНИЯМИ НУКЛЕИНОВЫХ кислот, ИХ ПРОИЗВОДНЫМИ И Р-ЦНКЛОДЕКСТРННОМ

В ВОДЕ.

02.00.04—физическая химия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

ИВАНОВО— Ш8

Работа выполнена в Институте химии растворов Российской Академии наук.

Научный р у к о в о д и т е л ь:

кандидат химических наук, старший научный сотрудник

Научный консультант;

доктор химических наук, доцент

Официальные оппоненты:

доктор химических наук, профессор

доктор химических наук, профессор

Ведущая организация:

Ивановский Государственный Университет.

Защита состоится « .44. » MQ Я . . . 1998 г. в 1000 часов на заседании диссертационного совета Д 003.46.01 Института химии растворов РАН, г. Иваново, 153045, ул. Академическая, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института химии растворов РАН.

Автореферат разослан « 40.» апреля. 199^г.

Куликов О. В. Шармии В. А.

Андрианов В. Г. Яблонский О. П.

Ученый секретарь диссертационного совета

Т. Н. ЛОМОВА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы.Проблема физико-химического исследования механизма взаимодействия, молекулярного узнавания и сольватации биологически активных •молекул является актуальной для биофизической химии и представляет интерес для фармакологии. Указанные молекулы участвуют практически во всех процессах, протекающих в живом организме. Исследования взаимодействий аминокислот с нуклеиновыми основаниями в водных растворах представляются перспективными в качестве модельных для исследования таких фундаментальных биохимических реакций, как взаимодействие пептид - нуклеиновая кислота. Многие лекарственные препараты, в частности антибиотики, содержат пиримидиновые нуклеиновые основания и ароматические кольца аминокислот. Циклодекстрнны служат хорошими моделями активных центров ферментов. Высокая селективность этих процессов и их каталитический эффект определяются комплементзрностью взаимодействующих биомолекул и природой образующихся специфических связен. Однако, кроме достаточно сильного коматексообразования, большое значение для понимания механизма н движущих сил биохимических реакций имеют слабые взаимодействия и влияние растворителя (сольватация).

Цель работы .Состоит в изучении энергетики взаимодействия аминокислот и пептидов с основаниями нуклеиновых кислот и их производными, а также с макро-цнклическими лигандами (такими, как циклодекстрины) в воде. На основе полученных экспериментальных и теоретических данных предполагалось:

- получить энтальпийные характеристики взаимодействия указанных бно-молекул между собой и на их основе выявить роль слабых и специфических сил во взаимодействии;

- рассчитать термодинамические характеристики комплексообразования в случаях, где оно имеет место. На основе литературных и полученных экспериментальных термодинамических данных определить механизм, согласно которому происходит ассоциация;

- выявить влияние природы, структуры и сольпагного состояния изученных соединений на молекулярное узнавание друг друга;

- применить формализм теории масштабной частицы для сферической и сфероцилиндрической моделей молекул растворяемого вещества при расчете изменений термодинамических функций взаимодействия аминокислот, пептидов к оснований нуклеиновых кислот с растворителем.

Научная новизна.Впервые определены термодинамические характеристики взаимодействия широкого ряда аминокислот (16 аминокислот) и пептидов со всеми основаниями нуклеиновых кислот, растворимыми в воде. Предложен термодинамический подход, основанный на формализме МакМиллана - Манера и расчетах термодинамических функций комплсксообразовяиия, который позволил комплексно изучить как слабые, так и сильные взаимодействия, приводящие к ассоциации. Получены новые данные об энергетике и механизме взаимодействий в модельных биологических системах. Формализм теории масштабной часгицы для сферической н сфероцилиндрической моделей растзорчемого вещества применен для расчета изменений термодинамических функций взаимодействия модельных биомолекул с водой. •

Практическая ценность заключается в том, что установленные закономерности взаимодействия широкого ряда биомолекул помогут глубже понять природу процессов, происходящих в биологических системах и заложить научную основу для создания нового класса супрамолекулярных материалов. Кроме того, предложенный метод расчета изменений термодинамических функций взаимодействия может использоваться при расчете указанных функций для более сложных систем.

Апробация работы .Основное содержание диссертации опубликовано в 19 печатных работах. Результаты исследований были представлены и обсуждались на И Международном симпозиуме "Макроциклические лиганды для создания новых материалов" (Буэнос-Айрес, Аргентина, 1994), VI Международной конференции по калориметрии и термическому анализу (Закопане, Польша, 1994), I Международной конференции по бнокоординационной химии, (Иваново, 1994), VI Международной конференции "Проблемы сольватации и комллексообразования в растворах" (Иваново, 1995), 13 Семинаре по межмолекулярному взаимодействию и конформациям , молекул (Тверь, 1997), Международной конференции по термодинамике экспериментальной калориметрии и термическому анализу (Закопане, Польша, 1997) и др.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, экспериментальной части, обсуждения результатов, итогов работы и списка цитируемой литературы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

В первых трех главах литературного обзора дана общая характеристика физико - химических свойств аминокислот, пептидов, оснований нуклеиновых кислот н циклодекстринов, а также их водных растворов. Особое внимание уделено результатам теоретических и экспериментальных исследований взаимодействия оснований нуклеиновых кислот и циклодекстринов с аминокислотами и пептидами в различных средах. Рассмотрено влияние гидратации на процесс взаимодействия указанных биомолекул между собой. В четвертой главе сделан обзор основных термодинамических теорий сольватации модельных биомолекул и подробно рассмотрен подход, основанный на применении коэффициентов парных взаимодействий для изучения слабых взаимодействий в водных растворах.

В экспериментальной части дано описание калориметрической установки, схемы поддержания температуры в термостате, схемы измерения изменения температуры в реакционном сосуде и схемы калибровки электрическим током. Дана характеристика используемых реактивов и способа их очистки и подготовки к работе. Описана методика обработки экспериментальных данных и оценки погрешностей. Относительная погрешность измерений тепловых эффектов растворения находилась в пределах 0.6-2%. Энтальпийные коэффициенты парных и тройных взаимодействий рассчитывались с использованием формализма МакМиллана-Майера, а термодинамические функции комплексообразования - но программе НПАТ, алгоритм которой основан на численной минимизации критерчальной функции.

Термодинамические характеристики гидратации аминокислот и пептидов, рассчитанные на основе сфероцилиндрической модели масштабной частицы.

Согласно формализму теории масштабной частицы (ТМЧ), для создания в расторнгеле полости необходимого размера и формы требуется затратить определенное количесто работы:

А„1/ = Л • Г • 1п( р0)

где р„ - вероятность наблюдения полости в растворе.

В соответствии со сфероцилиндрической моделью молекулы растворяемого вещества:

1п(А) = Нх +Л|о •'♦Ли + + А» *г' + А,, • + А„ • /■'

где г - радиус и / - длина цилиндрической оси молекулы растворяемого вещества, а коэффициенты А, зависят от давления, температуры, плотности растворителя и геометрических параметров образованной полости. Нами было принято, что растворенные молекулы описываются сфероцилиндрической, а молекулы растворителя (воды) - сферической моделью. С помощью реитгеноструктурных данных были определены / и г и получены выражения для А,, и, соответственно, выражения для изменений термодинамических функций образования полости (свободной энергии Гиббса, энтальпии, энтропии, теплоемкости и объема).

I

-120-

I -160

-200

-240'

50

I

100

—I—

150

■ |

200

Д V /сш3 то!"1

Рисунок I. Зависимость энтальпии внинодейстшгя от объема полости для сфсроциливдри чсской модели молекул растворчсшго естества: 1- глицин, 2- Ъ-а-алапнп, 3-а-алашш, 4- Ь валки, 5- ОЬ-иорвалин, б- Ь-леЙцни, 7- ПЬ-парлсНцпн, 8- ОЬ-а-акиномасляная кислота, 9 диглнцнн, 10- тряглиция,-11- ЛН9Л2ШШ, 12- глнцнл-Ь-лейшш, 13- Ь-фсгшлалашш, 14- I, пролпи, 15- Ь-тршггофал, 16- Ь-тирозяв, 17- Ь-гпстидпп, 18- ОЬ-серпн, 19- Ь-трсотш, 20- Ь аспарагнн, 21-Ь-глутямин.

Используя найденные значения изменений функций образования полости и литературные данные о величинах изменений функций сольватации, были рассчитаны значения изменений функций взаимодействия:

Эмпирические корреляции, связывающие термодинамическую характеристику взаимодействия растворяемого вещества с растворителем и размером растворяемой молекулы (или размером полости, ею занимаемой) позволяют проверить аддитивность вкладов мгжмолскулярных взаимодействий для различных групп молекул, отличающихся по своей физико - химической природе. Обнаружены две линейных зависимости изменения энтальпии взаимодействия от объема полости для алифатических аминокислот и пептидов, имеющих только неполярные боковые радикалы (рис.1), причем одна (I), имеющая отрицательный наклон, относится к L-стереоизомерам, а другая (И), имеющая положительный наклон - к DL- стереоизо-мерам аминокислот. Очевидно, что имеется различие между процессом гидратации . L- н DL- изомеров аминокислот. Аминокислоты, содержащие в боковой цепи полярные группы ( гидроксильную, окси- и аминогруппы)- DL-серин, L-треоиин и L-аспарагин - образуют еще одну линейную зависимость (III), из которой выпадает только точка для L-глутамина. Для ароматических аминокислот, таких как L-гиствдин, L-фенилаланин, L-трилтофан и L-тирозин, также характерна линейная корреляция, которой не подчиняется только L-пролин. Во всех указанных случаях увеличение размера полости, образуемой аминокислотой в воде, приводит к уменьшению отрицательного вклада в изменение энтальпии гидратации (или.энтальпий-ного вклада взаимодействия растворенное вещество - растворитель). Анализ зависимостей энтальпийного, объемного и теплоемкостного вкладов взаимодействий позволил выделить несколько групп соединений, отличающихся характером гидратации.

Термодинамика и механизм взаимодействия пиримидиновых оснований нуклеиновых кислот и их производных с аминокислотами в воде.

Значение рассчитанных коэффициентов hxy парных взаимодействий пиримидиновых оснований нуклеиновых кислот и их производных с аминокислотами приведены в таблице 1. На основании этих данных можно выделить три группы соединений, для которых характер h^ различен. К первой группе относятся системы, для которых hxy аномально велики и отрицательны; вторую группу образуют системы, для которых коэффициенты парных взаимодействий велики и положительны; наконец, к третьей группе можно отнести все остальные изученные системы. Для них hxy имеют сравнительно небольшие по абсолютной величине значения.

Аномально отрицательные значения Кху на основе наших и литературных рентгеноструктурных данных объясняются образованием ассоциатов между этими молекулами, сопровождающимся значительным экзоэффектом за счет специфических сил ( я-я - электронных взаимодействий, Н-связей и др.). Термодинамические функции ассоциации приведены в таблице 2. Комплексообразование Ura и Thy с Тгр и Cyt с His определяется взаимодействием электронодонорных индольных систем указанных аминокислот с пиримидииовыми кольцами НО при условии их комплементарное™. Для систем Ura + Pro и Thy + Pro можно говорить о возможности об-

разованпя слабых ассоциатов за счет связывания между цвиттерионом и боковыми группами НО (№1, СО) вследствие благоприятных конфигураций. В случае системы ига + Илг» НС1 наиболее вероятным способом взаимодействия является кислотно -основное взаимодействие между боковой группой лизина и атомами кислорода урацила.

30- □ Cyt

е Ade

А Caf

-10

^Nïyt

H/kJmof

FiicyiioK 2. Зависимость коэффициентов парных взаимодействий (h,,) оснований нуклеиновых кислот с аминокислотами в воде от эпт&лытий гидратации аминокислот (Д6}1|г1Г).

Значения коэффициентов парных взаимодействий в случае взаимодействия НО с Asn, Gin, Asp и Glu сильно отличаются для изученных оснований (для Ura онн велики и положительны, а для Thy к Cyt - велики и отрицательны). Взаимодействие указанных АК с Thy может осуществляться за счет кислотно-основного взаимодействия между цвиггериогогон NH3+ группой АК н атомами 0(2) и 0(4) тимина, а взаимодействие с Cyt - за счет кислотно-основного взаимодействия между цвитте-рионной СОО' группой АК и атомами N(3) и N(4) цитозшга. В случае Ura можно сказать, что взаимодействию препятствуют стерические затруднения и главный вклад в значения hxy вносит эндотермический эффект диссоциации карбокенлатных групп АК, чем и объясняются большие положительные значения hxy.

Коэффициенты парных взаимодействий для систем Cyt + I'he и Cyt + Тгр ано-. мально велики и положительны, что обусловлено эндотермическим эффектом дегидратации гидрофобных боковых групп АК при взаимодействии с Cyt. Таким обра-

зом, можно сделать вывод, что при наличии стерического соответствия между АК и НО экзотермический эффект взаимодействия преобладает над эндотермическим эффектом дегидратации. В случае отсутствия указанного соответствия главный вклад в значения Ьху вносит эффект дегидратации. Эти примеры ярко демонстрируют возможности белково-нукпеинового узнавания на уровне их составных элементов.

Коэффициенты парных взаимодействий для остальных изученных систем (Табл. 1) имеют сравнительно небольшие по абсолютной величине положительные и отрицательные значения, что исключает возможность комплексообразовання. В случае, когда существует линейная зависимость Ь<у (Д^Н) (рисунок 2), можно говорить о наличии слабого взаимодействия между молекулами растворенного вещества, которое сопровождается их частичной дегидратацией. Нами обнаружена линейная зависимость парных коэффициентов взаимодействия АК с Сух. от энтальпий гидратации АК. Существование такой зависимости говорит о том, что для указанных молекул влияние растворителя на процесс взаимодействия является управляющим фактором.

Д. Н(СОО')/kcalmol'1

Рисунок 3. Зависимость коэффициентов парных взаимодействии (h,}) Ura с аминокислотами в воде !>т энтальпий диссоциация цвиттерионны! карбоксилатпых групп амияокнелот А«„Н).

AdiHH(NH3+) /kcal mot"'

Рисунок 4. Зависимость коэффициентов парных вмяиодеИстввй (h,,) Tby с аминокислотами в воде от энгальппП диссоциации итгттерношшх аммонийных групп ампкокяслот (AjijJi).

Отсутствие линейной зависимости hiy (Дку&Н (ЛК)) в случае взаимодействия АК с Ura, 6-azaUra н Thy объясняется тем, что влияние растворителя на процесс взаимодействия не является доминирующим фактором. Так как возможность взаимодействия боковых групп АК с урацилом и тимином для большинства АК не была обнаружена; сделан вывод о преобладании кислотно-основного взаимодействия между цвиттерионнымн группами АК и боковыми группами урацила и тпмина (NH, СО), о чем свидетельствуют линейные корреляции, обнаруженные для зависимости Ьху(Л&5Н) СОО" - групп АК (рис.3) в случае Ura и Нху(Л^5,Н) Nli3+ - групп АК (рис.4) в случае Thy.

Итак, можно сделать вывод, что характер взаимодействия АК с Cyt и Ura (Thy) различен. Взаимодействие Ura и Thy с АК локализовано вблизи заряженных групп цвиттериона и контролируется кислотно-основным взаимодействием между цвиттерионнымн группами аминокислоты и боковыми группами (NH, СО) нуклеинового основания. Для слабого взаимодействия Cyt с АК обнаружена сильная зависимость энтальпии взаимодействия от гидратационного состояния молекул аминокислот.

Таблица 1. Зитальпийные коэффициенты парных взаимодействий (кДж кг моль-2) основании нуклеиновых кислот с аминокислотами и пептидами в воде при 298.15 К.

АК Ura Thy Cyt Ade Caf

Gly 3.3(0.4) -8.2(0.7) -1.8(0.7) 1.1(1.7) 0.4(0.3)

L-a-Ala • -9.6(0.6) -4.3(0.8) 10.7(1.9) 1.9(0.2) 0.5(0.4)

L-Val 2.8(0.4) 0.1(0.8) 2.1(0.3) 2.1(1.3)

I,-Leu 2.9(1.8) 7.8(2.6) -3.1(0.7) 2.7(0.1)

L-Pro -8.5(0.3) -23.2(0.4) 2.5(0.2) 1.9(1.3) 3.1(0.3)

DL-Mct 14.5(0.9) -2.1(0.2) 3.7(0.8) 2.5(0.9)

L-His 5.7(1.9) -9.6(2.8) -23.7(0.9) -46.9(7.9)

L-Phe -3.6(0,9) -27.0(6.5) 28.0(9.4) -4.7(3.5) -21.3(3.1)

L-Trp -49.3(2.0) -73.2(3.4) 37.8(12.8) -61.4(2.0) -248.3(7.1)

DL-Thr -0.6(0.7) 5.3(3.2) 5.8(2.3) -2.2(1.0) -0.8(0.2)

L-Asn 7.9(1.9) -23.7(4.6) -8.1(0.3) -16.2(3.0)

L-Gln -11.7(1.5) -3.2(0.3) -6.7(0.4)

L-Lys.HCl -18.7(1.6) -12.5(1.3) -0.1(0.4) -30.6(0.8)

L-Arg.HCJ 5.7(0.9) -21.2(3.3) -2.1(1.0)

L-Asp 135.1(7.5) -43.0(7.6) 137.7(9.8) -83.5(2.8)

L-Glu 32.0(2.5) -85.1(17.0) -12.1(1.1) -69.1(6.3)

Digly -3.6(2.8) -6.2(0.5) -7.3(1.9) -4.1(2.3)

Trigly -4.7(3.2) -1.2(1.9) -2.2(3.2) -0.8(0.8)

Diala -3.4(1.5) -6.4(0.8) -3.4(1.5) -4.2(3.1)

- в скобках } казаны величины погрешности, рассчитанные по критерию Стыодев-та с учетом 95% доверительной вероятности.

Таблица 2. Термодинамические функции комплсксообразовапиа оснований нуклеиновых кислот с аминокислотам!] в воде при 293.15 К.

Соединение K« кг моль"1 A,G кДж моль'1 ACH кДж моль'1 AtS Джмоль'1 К"'

Ura

i,-Pro L-Trp L-LysoIICl 4.8(1.6) . 6.9(9.8) 32.2(10.9) -3.9(1.3) -8.2(2.7) -8.6(2.9) -5.3(1.5) -3.5(1.2) -2.5(0.9) -4.8(1.6) 15.5(5.2) 20.6(6.9)

Cyt

L-llis L-Asp 30.5(4.0) 71.1(7.0) -2.8(0.3) -5.4(0.9) -8.5(1.1) -10.6(1.3) 19.0(3.0) 17.0(1.8)

Thy

L-Pro L-Trp L-Asp 10.9(3.2) 18.1(6.3) 31.6(9.5) -5.9(1.8) -7.2(2.2) -8.6(2.6) -7.7(2.3) -11.0(3.7) -12.2(4.1) -5.9(1.8) -12.9(3.9) -12.3(3.7)

Ade

L-Lys.HCl L-His 17.1(5.7) 4.2(8.1) -7.0(2.4) -7.9(2.6) -6.2(2.1) -7.3(2.4) 2.9(1.0) 2.0(0.8)

>

L-Trp 7.4(9.1) -8.2(2.7) -7.8(2.6) 1.4(0.5)

L-Asp 4.2(4.0) -3.6(1.2) -34.6(11.2) -104.0(35.0)

L-Glu 62.7(21.3) -10.3(3.4) -4.3(1.4) 19.9(6.6)

Caf

L-Phe 10.0(3.2) -5.7(1.7) -6.9(2.1) -4.1(1.2)

L-Trp 18.5(4.4) -7.2(1.7) -37.4(9.0) -101.3(24.3)

Термодинамика и механизм взаимодействия пуриновых оснований с аминокислотам» в воде.

Можно выделить две группы аминокислот, характер взаимодействия которых с аденнном и кофеином различен (табл.1). В первую группу, для которой hxy имеют слабо положительные значения, входят неполярные: Pro, Met и алифатические АК: Gly, Ala, Leu, Val. Ко второй группе (h,y отрицательны) можно отнести ароматические: Phe, His, Тгр, полярные: Asn, Gin и заряженные AK: Lys*HCl, Asp, Glu. В случае аминокислот второй группы можни сказать, что преобладающим является экзо-эффект их взаимодействия с Ade и Cat. Нами не обнаружено зависимости между hXJ и AjisH цвиттериониых групп (N11}', СОО") аминокислот. Это позволяет сделать вывод, что взаимодействие АК с адеиином осуществляется за счет боковых групп АК, а концевые карбоксилатные и аминогруппы, в основном, не участвуют во взаимодействии, как это было найдено для Ura и Thy.

Для исследованных водных растворов обнаружена ассоциация Ade с Lys*HCl, His, Тгр, Asp и Glu н Caf с Phe и Тгр, термодинамические характеристики которой приведены в табл.2. В целом, основываясь на результатах проведенных нами исследований, можно сказать, что комплексообразующая способность пуринов выше, чем пиримидинов. В случае систем Ade + Lys»HCl, Ade + Asp и Ade + Glu наиболее вероятным способом ассоциации является кислотно-основное взаимодействие между карбоксилатной СОО" группой и атомами N(1) и N(3) аденина. Существенное влияние гидратации на комплексообразование Ade с АК демонстрируется обнаруженным линейным энтальпийно-энтропийным компенсационным эффектом, который описывается следующим уравнением: ДсЯ(./.тоГ') =-8161 + 235Д{.Я./»тоГ| • К'1)

Термодинамика и механизм взаимодействия оснований нуклеиновых кислот и их производных с пептидами в лоде.

Как видно из приведенных данных (табл.1), энтальпийные коэффициенты парных взаимодействий являются отрицательными для всех исследованных систем пептид - нуклеиновое основание в водных растворах, что позволяет говорить о преобладании энтальпийно благоприятного экзотермического эффекта взаимодействия указанных веществ над эндотермическим эффектом их дегидратации. Взаимодействие Ura и 6-azaUra с глицинсодержащими пептидами происходит за счет кислотно-основного взаимодействия между NH группами нуклеинового основания и карбоксилатной группой пептида и усиливается с ростом числа глицильных остатков (рис.5). Напротив, кислотно-основное взаимодействие NH3+ группы глтшнсодер-жащих пептидов с СО группами Thy ослабевает при увеличении числа глшошьйых. остатков. Также, из рисунка 5 видно, что в случае взаимодействия Ade н Cyt с ука-

Рисунок 5. Зависимость коэффициентов парных вэанмодействнй (h,,) глициисодержашпх пептидов с основаниями нуклеиновых кислотв воде от числа глицнльиых остатков (п).

занными пептидами значение hxy не зависит от числа глицнльных групп пептида, что позволяет судить о том, пептидная (-C0-NH-) и метиленовая группы (СН2) не играют основной роли во взаимодействии пептидов с Ade н Cyt. При расчете величин вкладов боковых метиленовых групп пептидов во взаимодействие были получены бли-^ие к нулю значения. Это свидетельствует о том, что боковые метилено-вые группы пептидов не влияют на взаимодействие НО-пептид.

Термодинамика и механизм взаимодействия ß-циклодекстрнна с неполярными и ароматическими аминокислотами в воде.

Линейный энтальпннно - энтропийный компенсационный эффект.

Рассчитанные коэффициенты парных взаимодействий hxy для. взаимодействия ß-циклодекстрина (далее ß-ЦД) с аминокислотами в воде (Табл. 3) имеют различный характер для следующих групп соединений. К первой группе можно отнести системы ß-ЦД + глицин, ß-ЦД + L-oc-аланин, ß-ЦД + L-валин и ß-ЦД + L-пролин. Для них коэффициенты парных взаимодействий имеют сравнительно небольшие по абсолютной величине положительные и отрицательные значения, характерные для слабого взаимодействия между растворенными молекулами, сопровождающегося частичной дегидратацией (эндотермический процесс), без образования ассоциатов

за счет специфических взаимодействий. В этом случае взаимодействие растворенных веществ друг с другом управляется влиянием растворителя. Ко второй группе можно отнести соединения, для которых величины парных коэффициентов взаимодействия с Р-ЦД аномально велики н положительны (Ь-лейцин, Ь-феннлаланин и Ь-гистидин). Эти особенности можно объяснить только "включением" дополнительного эндотермического эффекта дегидратации, возникающем при достаточно близком взаимодействии больших гидрофобных боковых групп упомянутых аминокислот с гидрофобной полостью Р-ЦД. В случае Ь-фенилаланина и Ь-гистидина становится

Таблица З.Энтальпнйные коэффициенты парных взаимодействий р-ннклодекстрина (1) с аминокислогшш (у) а воде при 298Л5К.

Раствор х+у Ь,, (ДА» К г» М ОЛ Ь'2) РН

(1-1 !Д + глинии 3778(435) 5.48(0.05)

Р-ЦД + Ь-а-алаиип -1868(930) 6.02(0.1)

Р-ОД+ Ь-валнн 4192(1587) 5.97(0.05)

Р-ЦД + Ь-пролнн 1482Г19) 6.02(0.1)

Р-ЦД + ОЬ-мстнонин 6393(1735) 6.00(0.05)

Р-ЦД +■ Ь-ленцнн 43300(3465) 4.46(0.15)

Р-ЦД + Ь-фенилалашш 72470(4409) 5.95(0.05)

р-ЦД + Ь-гистиднн 18328(1632) 7.6-7.9(0.1)

р-ЦД + Ь-триптофан -111035(3012) 6.08(0.15)

р-ЦД Ь Ь-тнрочнн -326033(49000) 6.06(0.15)

возможным образование слабых ассоциатов с Р-ЦД за счет благоприятного энтропийного вклада. Это типично энтропийно стабилизированные ассоциаты. Взаимодействие р-ЦД с Ь-триптофаном и Ь-тирозином имеет другую природу, т.к. соответ-свующие величины достаточно большие и отрицательные (Таблица 3). Оно сопровождается образованием комплексов с зкзоэффектом от сильных взаимодействий (Таблица 4).

Тсблица 4.Константы равновесия, изменения свободной энергии Гиббса, энтальпии н эитро-пин комплексообразования аминокислот с (З-циклодекстрином в воде при 298.15К.

Аминокислота К, 1Сг»моль"' Дев кДж*моль"' Д(Н кДж»моль"' Ас8 Дяс^моль'вК"1

Ь-фенилаланнн Ь-гнстидин Ь-триптофан Ь-тироят 7.4(4.7) 30.5(8.0) 42.0(14.0) 184.5(92.0) -4.9(1.6) -8.5(2.8) -9.3(3.1) -12.9(4.3) 25.4(3.0) 2.1(0.2) -6.9(2.3) -3.9(1.4) 101.8(33.6) 35.4(11.7) 7.9(2.6) 30.1(9.9)

В процессе комплексообразования макроциклических лигандов с модельными биомолекулами значительную роль играет влияние растворителя, вклад которого отражается в существовании линейного энтальпийно-энтропийного компенсационного эффекта. Указанный эффект был обнаружен для комплексообразования АК с 18-краун-6 эфиром и Р-ЦД и описывается уравнением:

м

Д, И (J • mol ') = -6161 + 264 » Д, S (J . mol'1 • A')

Необходимо отметить тот факт, что уравнение описывает единый компенсационный эффект для взаимодействия двух различных лигандов с аминокислотами в воде (полость краун-эфира гидрофильна, а циклодекстрина - гидрофобна). График, демонстрирующий указанное соотношение, предстаален на рисунке 6. Рисунок 6 показывает, что существуют две области пространства, разделяющие изученные ли-ганды - более отрицательные значения Л^Н и A^S относятся к I8K6, а более положительные значения Д^Н и AcS - к р-ЦД. Кроме того, видно, что точки, относящиеся к одинаковым АК, но разным макроцнклическим лигандам, находятся в диаметрально противоположных концах графика (Phe и His).

AS /J mol"1 К"1

с

Рисунок б. Энгальшшно-энгрониГшы» комтквщкптый эффект для взаимодействия ({-циклодекстрина » эфира 18-крауп-6 с аминокислотами о воде.

Считая, что возникновение компенсационного эффекта в воде объясняется физико-химическнмн свойствами Н-связен, можно сказать, что значения энтальпин взаимодействия будут определяться энергетическим балансом связей, образованных участниками реакции до и после взаимодействия, причем приоритетное место среди них занимают Н-связи. С другой стороны, процесс реорганизации молекул воды, который вносит основной вклад в изменение значений энтропии комплексообразова-ння, является перераспределением Н-связей. Таким образом, значения ДСН и ДсБ контролируются переустройством водородных связей, которое происходит в про-

цессе взаимодействия "хозяин-гость". Другими словами, любое уплотнение межмолекулярных связей (энтальпийный фактор) компенсируется потерей степеней свободы (энтропийный фактор). В соответствии с изложенным механизмом возникновения линейного энтальпийно-энтропийного компенсационного эффекта, результаты, полученные нами, можно интерпретировать следующим образом. Характер комплексообразования в отсутствие влияния среды для систем 18Кб + АК (энтальпийно стабилизированные комплексы) и для систем Р-ЦЦ + АК (энтропийно стабилизированные комплексы) имеют различный характер. При включении во взаимодействие сольвзтирующих свойств воды управляющим фактором становится влияние рзстворнтеля, а энергетика взаимодействия хозяин-гость играет незначительную роль в комплексообразовании. Это подтверждается наличием единого для 18К6 и Р-ЦЦ линейного энтальпийно-энтропийного эффекта (рис.6).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Определены энтальпии растворения урацнла, б-азаурацила, тимина, цитозина, аденина, кофеина и р-циклодекстриил в водных растворах широкого ряда аминокислот и пептидов при 25°С и рассчитаны энтальпинные коэффициенты их взаимодействий в воде (на основе формализма МакМиллана-Майера), а также термодинамические функции (К, ДсН, ДсБ) их ассоциации.

2. Формализм теории масштабных частиц для сфероцилиндрической модели молекул растворенного вещества применен для разработки метода расчета термоди-нам'-ческих функций взаимодействия аминокислот и пептидов с растворителем.

3. Обнаружены линейные зависимости изменений термодинамических функций взаимодействия от объема полости для Ь- и 01.- изомеров аминокислот и пептидов, полярных и ароматических АК, что говорит о различном характере их гидратации. Сделан вывод о преимуществе сфероцилиндрической модели для описания растворов аминокислот и пептидов.

4. Показано, что в зависимости от природы аминокислот, их взаимодействие с основаниями нуклеиновых кислот и их производных характеризуется как слабое, сопровождающееся частичной дегидратацией молекул, или сильное, приводящее к образованию ассоциатов за счет водородных связей и я-я-электронных взаимодействий.

5. Для слабого взаимодействия цитозина с аминокислотами обнаружена ярко выраженная зависимость энтальпии взаимодействия от гидратационного состояния молекул аминокислот.

6. Показано, что взаимодействие большинства боковых групп аминокислот с ура-цилом, 6-азаурацнлом и тимином, а также процесс их дегидратации не вносят определяющего вклада в значения энтальпийных коэффициентов парных взаимодействий. Предположено, что взаимодействие тимина, урацила и его производных с аминокислотами локализовано вблизи заряженных групп цвитгериона и контролируется слабым кислотно-основным взаимодействием между цвиттери-онными группами аминокислоты и боковыми труппами (N11, СО) нуклеинового основания.

7. Выделены две группы аминокислот, характер взаимодействия которых с адени-ном и кофеином различен. Для неполярных и алифатических АК преобладающим является эндотермический эффект их дегидратации, а для ароматических, полярных и заряженных АК - экзотермический эффект их взаимодействия с нуклеиновым основанием. Обнаружены ассоциаты Ade с Lys*HCl, His, Trp, Asp и Glu и Caf с Phe и Trp и показано, что способность к комплексообразованию с АК у пуринов выше, чем у пнримидинов.

8. При взаимодействии всех изученных пептидов с основаниями нуклеиновых кислот экзотермический эффект взаимодействия указанных веществ преобладает над эндотермическим эффектом их дегидратации. Взаимодействие Ura и 6-azaUra с глнцинсодержащими пептидами происходит за счет кислотно-основного взаимодействия между NH группами нуклеинового основания и карбокенлатной группой пептида и усиливается с ростом числа глицильных остатков. Напротив, кислотно-основное взаимодействие NH/ группы глицинсодержащих пептидов с СО группами Thy ослабевает при увеличении числа глицильных остатков.

9. Методом калориметрии изучена термодинамика взаимодействия Р- циклодекст-рина с неполярными и ароматическими аминокислотами в воде и на основе данных об энтальпнйных коэффициентах взаимодействия обнаружены три возможных типа взаимодействий. Это слабое, управляемое растворителем взаимодействие, энтропийно стабилизированная ассоциация и энтальпийно благоприятное комплексообразование вследствие специфических сил.

Ю.Огмечено, что комплексообразующая способность к АК у 18-краун-6 эфира значительно выше, чем у p-циклодекстрина, а комплексообразование этих лигандов с одними и теми же АК имеют диаметрально противоположную природу с термодинамической точки зрения. Показано наличие энтальпийно-эктропнйной компенсации, описываемой общим уравнением: Á;H(J *тоГ') = -6161 + 264 • ДtS(J»nor' » К'*) с коэффициентом корреляции 0.97.

Осиошюе содержание диссертации изложено в работах:

1. Куликов О.В., Лапшев П.В., Баделин В.Г. Использование теории масштабных частич. для расчета объемных и энергетических свойств водных растворов аминокислот и пептидов.//Тезисы докладов V Всесоюзного совещания "Проблемы сольватации и комгслексообразования в растворах", 9-11 окг. 1991 г. - Иваново, 1991.-С.212.

2. Куликов О.В., Лапшев П.В. Применение теории масштабных частиц к исследованию гидратации аминокислот и пептндовУ/Ж. химической термодинамики и термохимии. - 1992. - Т.34, N2. - С.167-176.

3. Kulikov О.V., Lapshev P.V., Parfenyuk E.V. The role of weak and specific interactions between biological and macrocyclic compounds in the process of complex formation: thermodynamic aspects.//2nd International Symposium on Macrocyclic Ligands for the Design of New Materials. 9 Aug. - 1 Sept. 1994. - Buenos-Aires, Argentina, 1994. -Abstracts.-P.13.

M

4. Zielenkiewicz W., Zielenkiewicz P., Lapshev P.V., Cichowska G. Evaluation of thermodynamics functions relative to cavity formation in aqueous solutions: Comparison of the results calculated from Scale Partical theory and Sinanoglu formalism for -alcyl-9metyl-adeninesV/6th Conference on Calorimetry and Thermal Analysis. 18-22 Sept. 1994. - Zakopane, Poland, 1994. - Abstracts. - Fl/2. - P.44.

5. Куликов O.B., Лаптев П.В., Парфенюк E.B. Комплексообразование it слабые взаимодействия аминокислот с кофеином, цнтознном, 6-азаурацилом п урацилом в воде.//Тезисы докладов 1-й Международной конференции по биокординациои-ной химии, -22 дек. 1994г. - Иваново, 1994. - С.88.

6. Kulikov О. V., Lapsev P.V., Parfenyuk E.V. The role of weak and specific forses in the interaction of amino acids with cytosine, uracil and caffeine.//Mendeleev Commun. -1995. - N2. - P.72-74.

7. Куликов O.B., Лаптев П.В., Парфенюк E.B. Термодинамика супрамолекулярных комплексов бномолекул с макроцнклическими лигандами.//Тезисы докладов VI Международной конференции "Проблемы сольватации и комплексообразования в растворах", 10-12 окт. 1995г. - Иваново, 1995.-L.27.

8. Лаптев П.В., Куликов О.В. Взаимодействие Р-цнклодекстрина с алифатическими и ароматическими аминокислотами в воде.// Тезисы докладов VI Международной конференции "Проблемы сольватации и комплексообразования в растворах", 1012 окт. 1995г. - Иваново, 1995. - L.29.

9. Zielenkiewicz W., Zielenkiewicz P., Lapshev P.V., Cichowska G. Evaluation of thermodynamics functions relative to cavity formation in aqueous solutions. Comparison to the results calculated from Scale Partical theory and Sinanoglu's theory for alcyl-9metyl-adenines.//J. Thermal Analysis. - 1995. - V.45. - P.775-779.

10.Kulikov O.V., Lapshev P.V. Interactions of |3-cyclodextrin with nonpolar and aromatic amino acids in water.//Mendeleev Commun. - 1996. - V.6. - P.255-256.

П.Куликов O.B., Лапшев П.В., Парфенюк E.B. Энтальпии взаимодействия аминокислот и пептидов с 6-азаурацилом в воде.//Бнофизика. - 1996. - Т.41, вып.6. -С. И 57-1162.

12.Лапшев П.В., Куликов О.В. Термодинамика и механизм взаимодействия урацила с аминокислотами в воде.//Извеспгя Акадамни наук. Серия химическая. - 1997. -Ы5.-С.932-934.

13.Куликов О.В., Лапшев П.В. Серия. Термодинамические характеристики гидратации аминокислот и пептидов, рассчитанные на основе сфероцилиндрической модели масштабной частицы. 1. Теория//Извесгия ВУЗов. Химия и химическая технология. - 1997. - Т40, N4. - С.53-58.

14 Куликов О.В., Лапшев П.В. Серия. Термодинамические характеристики гидратации аминокислот и пептидов, рассчитанные на основе сфероцилиндрической модели масштабной частицы. 2. Результаты.//Известия ВУЗов. Химия и химическая технология. - 1997. - Т.40, N4. - С.59-62.

15.О.В.Куликов, П.В.Лапшев, И.В.Терехова. Термодинамика комплексообразования некоторых макроциклическнх лигандов с аминокислотами в воде.//13й Семинар по межмолекулярному взаимодействию и конформациям молекул, 16-20 июня 1997 г. - Тверь, 1997, - научная программа. - С.23.

16.Lapshev P.V., Kulikov O.V. Thermodynamic characteristics of interactions of cytosine with amino acids in water.//Calorimetry Experimenta! Thermodynamics and Thermal Analysis Conference. 8-13 Sept. 1997,- Cetta' 97, Zakopane, Poland, 1997. -Abstracts. - Sl/P. 15.

17.Куликов O.B., Терехова И.В., Лаптев П.В. Термодинамика межмолекулярных взаимодействий в растворах аминокислот, пептидов и макроциклкчесшх лнган-дов и супрамолекулярные комплексы на их основе.//Тезисы докладов Первой Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы химии и химической технологии", 15-25 сентября 1997 г. - Иваново, 1997. - С.76.

18.ЛапшевП.В., Куликов О.В. Термодинамические характеристики взаимодействия аденина с аминокислотами в воде. //Тезисы докладов Первой Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы химии и химической технологии", 15-25 сентября 1997 г. - Иваново, 1997. -С.77.

19.Куликов О.В., Лапшев П.В., Терехова И.В. Термодинамические характеристики и механизм комплексообразо&ания некоторых мгкроциклических лнгалдов с аминокислотами в воде.//Ж. Физической Химии. - 1998. -Т.72, N4.- С.534-538.

Подписало к печати 7.04. 98г. Формат издания 60x841/10. Псч.л. 1,0.Усл.п.л.О,93. Заказ 958/р. Тираж 80экз.

Типография ГУ КПК,г.Иваново,ул.Ермака,41.