Термодинамика протолитических равновесий в водных растворах пептидов и реакций комплексообразования иона никеля (II) с α- аланином и DL-α- аланил-DL-валином тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

На правах рукописи

КРУТОВА Ольга Николаевна

ТЕРМОДИНАМИКА ПРОТОЛИТИЧЕСКИХ РАВНОВЕСИЙ

В ВОДНЫХ РАСТВОРАХ ПЕПТИДОВ И РЕАКЦИЙ КОМПЛЕКСООБРАЗОВАНИЯ ИОНА НИКЕЛЯ (II) С а- АЛАНИНОМ И ЭЫх- АЛАНИЛ-ОЬ-ВАЛИНОМ.

02.00.04—физическая химия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Иваново-2004

Работа выполнена на кафедре аналитической химии Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Ивановский государственный химико-технологический университет».

Научный консультант : доктор химических наук, профессор

Научный руководитель :

кандидат химических наук, доцент. Кочергина Людмила Александровна. Официальные оппоненты:

доктор химических наук, профессор. Кобенин Владимир Алексеевич доктор химических наук, профессор. Колкер Аркадий Михайлович Ведущая организация: Ивановский государственный университет.

Защита состоится июня 2004 г. в аудитории Г-205 на заседании диссертационного совета К 212.063.01 в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ивановский государственный химико-технологический университет» по адресу : 153000, г. Иваново, пр.Ф. Энгельса, 7.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ГОУВПО "ИГХТУ" по адресу: 153000 г.Иваново, пр. Ф. Энгельса, д. 10.

Автореферат разослан ¿г мая 2004г.

Васильев Владимир Павлович.

Ученый секретарь диссертационного совета

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ Термохимические исследования растворов пептидов немногочисленны, ограничены, как правило, одним значением ионной силы и температуры. Получение термодинамических характеристик реакций ступенчатой диссоциации ЭХ-а-аланил-ОХ-валина, р-аланил-р-апанина, а- аланил-Р-аланина, а также стандартных энтальпий образования 0,Ь-а- аланил-ОХ-вапина и продуктов его диссоциации в водном растворе, делает возможным проведение строгих расчетов равновесий в системах, содержащих эти соединения. Работы, посвященные изучению калориметрии реакций комплексообразования никеля с 0,Ь~-а-аланил -0,Ь-валином, вообще отсутствуют. Представляет интерес определить энтальпийные и энтропийные характеристики реакций комплексообразования иона №2+с 0,Ь-а-аланил-0,Ь-валином, сравнить с термодинами-ческимй характеристиками процессов образования комплексов а-апанина с ионом никеля(И) и получить стандартные термодинамические характеристики процессов образования комплексов, что важно для выявления особенностей комплексообразования "металлов жизни" с биолигандами. ЦЕЛЬ РАБОТЫ Целью настоящей работы является установление основных закономерностей влияния температуры, а также природы и концентрации "фонового" электролита на равновесия ступенчатой диссоциации в водных растворах дипептидов. Определение энтальпий ионизации РХ-а- аланил-0,Ь-валина, Э-аланил-р-аланина, а-аланил-р-апанина методом прямой калориметрии. Потенциометрическое определение ступенчатых констант ионизации а-аланил-р-аланина. Получение надежных стандартных термодинамических характеристик реакций кислотно-основного взаимодействия в растворах указанных дипептидов. Калориметрическое определение энтальпий образования 0,Ь-а- аланил-ОХ-валина и продуктов его диссоциации в водном растворе. Определение тепловых эффектов процессов комплексообразования аланил-ОХ-валина и

а- аланина с ионом никеля(Н).

НАУЧНАЯ НОВИЗНА Впервые определены тепловые эффекты ступенчатой ионизации 0,Ь-а- аланил-0,Ь-валина, Р-апанил-Р-аланина, а- ала-нил-Р-апанина прямым калориметрическим методом при нескольких значениях ионной силы (КЬЮз, Ь'1>10з) и температуры. Рассчитаны стандартные термодинамические характеристики взаимодействия протона с указанным рядом лигандов. Определены стандартные энтальпии образования ОХ-а- аланил-ОХ-валина и продуктов его диссоциации в водном растворе. Получены теплоты комплексообразования 0,1_-а- ала-

нил-0,Ь-вапина и а- аланина с ионом никеля (И) в широком концентрационном интервале.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ Данные по термодинамическим характеристикам реакций кислотно-основного взаимодействия в растворах дипептидов в стандартном состоянии и практически важных солевых растворах необходимы в различных отраслях народного хозяйства, где находят применение эти соединения: фармакологии, медицине, пищевой и косметической промышленности, сельском хозяйстве, для разработки, обоснования и оптимизации технологических процессов с участием этих соединений и их комплексов с металлами. Информация о протолитиче-ских равновесиях в растворах этих соединений может быть использована для изучения термодинамических свойств более сложных белковых систем и для нужд биотехнологии. Полученные результаты имеют значение для проведения целенаправленного синтеза новых комплексных биосоединений.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ Отдельные разделы диссертации докладывались на IX Международной конференции молодых ученых по химии и химической технологии (г. Москва . 1995).; I Региональной межвузовской конференции по актуальным проблемам химии, химической технологии и химического образования (г. Иваново. 1996.); I Всероссийской конференции молодых ученых по современным проблемам теоретической и экспериментальной химии (г. Саратов. 1996.); Vil International Conférence The problems of solvation and complex formation in solutions. (Ivanovo, 1998.); II Международной конференции «Актуальные проблемы химии и химической технологии». Химия-99(г. Иваново, 1999).

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

ОБЬЕМ РАБОТЫ Диссертационная работа изложена на 15*0 страницах машинописного текста, содержит 30 рисунков, 39 таблиц, состоит из следующих разделов: введения, главы, посвященной обзору литературы, пяти глав, включающих экспериментальный материал и его обсуждение, итоговые выводы; списка цитируемой литературы, содержащего 123 наименования работ отечественных и зарубежных авторов и приложений.

II. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Первая глава включает обзор имеющихся в литературе данных о структуре и физико-химических свойствах низкомолекулярных пептидов и их растворов. Приведены литературные данные по константам ступенчатой диссоциации D,L-a- аланил-0,Ь-валина, Р-аланил-Р-апанина, а- ала-

нил-р-аланина. Проведен анализ литературных данных по константам устойчивости координационных соединений иона никеля (П) с D,L-a- апа-нил-0,Ь-валином и а- аланином и теплотам образования этих соединений. Отмечено незначительное количество надежных калориметрических измерений, отсутствие данных о зависимости тепловых эффектов от ионной силы, а для D,L-a- аланил-0,Ь-валина - полное отсутствие калориметрических измерений.

КАЛОРИМЕТРИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Тепловые эффекты измеряли в калориметре с изотермической оболочкой и автоматической записью кривой калориметрического опыта. Калибровку калориметра проводили электрическим током. Датчиком температуры служил термистор КМТ-14. Температура изотермической оболочки поддерживалась с точностью ±0,005К. Рабочий объем калориметрической ячейки составлял 40,02мл. Согласование экспериментально полученных теплот растворения КС1(к)В воде и теплот нейтрализации сильной кислоты сильным основанием с наиболее надежными литературными данными свидетельствует об отсутствии заметной систематической погрешности в работе калориметрической установки.

ПОТЕНЦИОМЕТРИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Для определения констант диссоциации использовали метод потен-циометрического титрования. Для этого измеряли ЭДС цепи, состоящей из стеклянного и насыщенного хпорсеребряных электродов. Точность измерения составляла ±0,01 мВ. Температуру в потенциометрической ячейке поддерживали с точностью ±0,01 К. Перед опытом и после снятия каждой кривой титрования потенциометрическую установку колибровапи с помощью стандартных растворов HMOj и КОН (концентрации 0,01 моль/л).

1.ТЕРМОДИНАМИКА РЕАКЦИЙ КИСЛОТНО-ОСНОВНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В РАСТВОРАХ DL-a-АЛАНИЛ- DL-ВАЛИНА. Значительное различие в константах ступенчатой диссоциации DL- а-аланил-ОЬ-валина: СН3

/

N Н j+-CH-C—N—СН—С Н

I II' I I \

СНз О Н СОО" СНз позволяет провести независимое определение тепловых эффектов ионизации биолиганда по каждой ступени.

При определении теплового эффекта диссоциации частицы H2L+ учитывали, что в системе протекают следующие процессы:

НЬ*-Н+ = 1Г (1)

НЬ* + Н+ = Н2Ь+ (2)

Н20 - Н* = ОН" (3)

Использовались две независимые методики: а) измеряли теплоты взаимодействия раствора пептида (рН,1СХ =5.7, с концентрацией 0,5783моль/кг раствора) с 0,1М раствором НЖ>з и соответствующие теплоты разведения раствора пептида в растворе фонового'электролита (ЮЮз и иЬЮз), причем рН раствора электролита составлял также 5,7.6) определяли теплоты взаимодействия 0,02М раствора дипептида с рН„сх=3.4, являвшегося калориметрической жидкостью, с раствором Н>Юд (концентрация раствора 1,23б8моль/кг раствора). После смешения растворов величины рН были близки к значению 2,2. Также были учтены необходимые поправки на энтальпии разведения раствора азотной кислоты в растворах фонового электролита.

При определении тепловых эффектов диссоциации частицы Н1Д были измерены теплоты взаимодействия раствора пептида (концентрация 0,5783 моль/кг раствора, рН=5,7) с 0,02М раствором КОН. Равновесный состав растворов в условиях каждого опыта рассчитывали на РС Реп-1шт-150 с использованием программы "{Ш81Г.

Изменение энтальпии в процессе диссоциации частицы Н2Ь+ ( по первой методике) находили по уравнению: . •

Д„15Н(Н2Ь> - (ДптоН - Д(шН ) / шни =(А[ Ь"]/СНи) хДН, + +(Д[Н2Ь+]/Сни) хДН2 + (Д[ОН']/Сни) хАНз (4)

а по второй методике - по соотношению:

Д<||5Н(Н2Ь> - (ДП11ХН - Д^Н ) / шныоз =(А[ Ь"]/С ИЫОз) хДН, + +(Д[Н21/]/С ,.1Н03) хДН2 + (Д[ОН"]/С нмоз) *ДЬЬ (5)

где, А[ Ь~], Д[Н2Ь+],Д[ОН~] - разница между конечными и исходными концентрациями соответствующих частиц.

Полнота протекания реакции протонирования частицы НЬ* по первой методике составила 97-98%, следовательно, вкладами других реакций можно пренебречь.

Тепловые эффекты диссоциации бетаинового протона ОЬ-а-аланил-ОЬ-валина (Д(|,8Н(НЬ *)) рассчитывали по уравнению:

Д(1,<Н(НЬ*) - ( Л)ШЛ.Н, - Д(ЫН ) /а,+ ДН„, (6)

где а|- полнота процесса нейтрализации пептида (<Х|>99.9%) Значения тепловых эффектов ступенчатой диссоциации пептида (Табл.1.) при нулевой ионной силе находили по уравнению, с одним индивидуальным параметром:

ДГН, - Дг2уР(1) = ДГН,° + Ы . (7)

где ДГН,- и ДГН,° - тепловой эффект процесса при фиксированном значении ионной силы и при нулевой ионной силе (кДж/моль), соответственно; Аг2—разность квадратов зарядов продуктов реакции и исходных веществ; х?(1)-функция ионной силы, рассчитанная теЬретически; Ь-эмпи-рический коэффициент; 1-значение ионной силы.

Температурная зависимость тепловых эффектов диссоциации частиц Н2Ь+ и НЬ4 оказалась линейной. Величина ДгСр] в процессе ионизации карбоксильной группы дипептида составляет около -70 Дж/мольК и практически не зависит от ионной силы раствора. При диссоциации аминогруппы пептида величина ДГСР2 близка к нулю.

Таблица 1.

Стандартные термодинамические характеристики процессов

ионизации DL- а- аланил-РЬ-валина в водном растворе.

Процесс Т,К рК° АгН°, кДжУмоль ArG°, кДж/моль -A,S°, Дж/(мольК)

H->L+ = HL* + Н+ 288 3,10+0,03 -1,33±0,25 I 17,02±0,15 63,7±1,0

298 3,10±0,02 -2,23±0,24 17,69+0,10 66,8±0,9

308 3,10±0,03 -2,88±0,26 18,36+0,15 68,9±1,0

HL4 = L" + Н+ 288 8,82±0,03 46,66±0,38 47,34±0,15 2,4± 1,4

298 8,43±0,02 46,79±0,40 47,3610,10 1,9±1,3

308 8,28±0,03 47,08+0,40 | 47,38±0,15 0,9± 1,4

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОВЫХ ЭФФЕКТОВ КИСЛОТНО-ОСНОВНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В ВОДНЫХ РАСТВОРАХ В-АЛАНИЛ-В-АЛАНИНА.

. Структурная формула Р-апанил -(3-аланина:

NH3+-CH2-CH2-C~N-CH2-CH.—ООО"

II I

О н

Тепловой эффект диссоциации частицы H2L/ определяли с использованием следующей методики: измеряли теплоты взаимодействия раствора Р-апанил -Р-аланина ( концентрация раствора 0,8568 моль/кг раствора рН„сх= 6,5) с 0,1 М раствором HNOj.

При определении тепловых эффектов нейтрализации Р-апанил -р-аланина в системе рассматривали следующие процессы:

(-Н20)+ H^ + OH^L" (8)

( Н20) + HL* - ОН" = H,L+ (9)

Н20-0Н" = Н+ (10)

Были измерены теплоты взаимодействия водного раствора пептида (концентрация раствора 0,8568 моль/кг раствора) с 0,02М раствором КОН, а также соответствующие теплоты разведения раствора пептида в растворах фоновых электролитов (КМ03 и ЬПчЮз), причем значения рН растворов электролитов были равны 6,5. Изменение энтальпии находили по уравнению:

Д,н,Н(НЬ*)= [ (Д|ШХН - Д(|„Н ) / тни =(Л[ Ь-]/Сни) *ДН8 + +(Д[Н2Ь+]/Сни) хДН9+ (Д[Н+]/СИи) хАН|о] + АН№ (11)

Причем, вклад второго и третьего слагаемого не превышал погрешности определения величин АН.

Таблица 2.

Стандартные термодинамические характеристики процессов ионизации (}-апанил-Р-аланина в водном растворе.

Процесс Т,К

АгНи, кДж/моль

ArG°, кДж/моль

-ArS°,

Дж/(мольК)

H?L = HL + Н+

288 4,02±0,03 3,66±0,25 22,25+0,15 64,5±1,0

298 4,02±0,02 2,42±0,28 22,9310,11 68,8±1,0

308 4,02±0,03 1.10±0,35~ 23,62±0,15 73,1 ±1,1

HL* = L" + 288 9,88±0,04 47,10±0Д5~ 54,48+0,16 . 25,6+1,4

298 9,59±0,03 | 47.24±(^28~ 54,74±0.15 25,1±1,3

Н

308

9,33±0,04 [ 47,58±0,30 55,00±0,16 24,1 ±1,3 Измерения проводили при значениях ионной силы раствора 0.5; 1.0; 1.5 и температурах 288, 298 и 308К на фоне КИОз и ЫЬЮз.Можно отметить некоторую тенденцию к увеличению эндотермичности процессов диссоциации Р-аланил-Р-аланина с ростом концентрации УМОл в большей мере, чем с ростом концентрации ЮЮ^ Стандартные термодинамические характеристики процессов ионизации р-аланил-р-аланина (табл.2) полу-чепы в настоящей работе впервые.

З.ТЕРМОДИНАМИКА ПРОТОЛИТИЧЕСКИХ РАВНОВЕСИЙ В ВОДНЫХ РАСТВОРАХ а-АЛАНИЛ-В-АЛАНИНА.

Константы ступенчатой диссоциации а-аланил-Р-аланина: N Н з' -СН—С—Ы—С Н2—СН2-СОО'

CHj О Н

были определены методом потенциометрического титрования пептида растворами КОН и HNOi при 298К и значении ионной силы 0,5 (KNO.0

Обработку экспериментальных данных проводили по программе РНМЕТР, реализованной на PC Pentium-] 50, позволяющей находить константы равновесий из результатов потенциометрических исследований. Значения констант диссоциации а-апанил-Р-аланина при 298,15К и значении ионной силы 0,5 (KNO.i) составили: рК|= 3,32±0,05; рК>=8,14±0,03.

Калориметрические измерения проводили при 298К и значениях ионной силы раствора 0,5; 1,0; 1,5 (KNO3). При определении теплового эффекта нейтрализации HL* в ампуле был раствор а-апанил-р-аланина (0,8652 моль/кг раствора, рН=5,7), калориметрической жидкостью служил 0,02М раствор КОН. Для определения теплового эффекта диссоциации частицы H2L+ измеряли теплоты взаимодействия раствора а-аланил-р-апа-нина с 0,1М раствором HNOj. На основании полученных данных были рассчитаны стандартные термодинамические характеристики ступенчатой диссоциации а-аланил-Р-аланина (табл.3).

Таблица 3.

Стандартные термодинамические характеристики. процессов ионизации а-аланил-Р -апанина в водном растворе (Т=298К).

Процесс рК° ДгН°, дго°, -ArS°, I

кДж/моль кДж/моль Дж/(мольК)

H2L+ = HL* + Н+ 3,32±0,05 0,762±0,15 18,95±0,15 60,1+1,0

HL* = L- + H+ 8,37±0,03 46,51 ±0,3 5 47,77+0,11 4,2+1,4 1

4.0ПРЕДЕЛЕНИЕ СТАНДАРТНЫХ ЭНТАЛЬПИЙ ОБРАЗОВАНИЯ РЬ-а-АЛАНИЛ-РЬ-ВАЛИНА И ПРОДУКТОВ ЕГО ДИССОЦИАЦИИ В ВОДНОМ РАСТВОРЕ.

Для определения стандартных энтальпий образования ОЫх-ала-нил-ОЬ-валина и продуктов его диссоциации в водном растворе измеряли тепловые эффекты растворения кристаллического пептида в воде и в водных растворах КОН при 298К.

Стандартные энтальпии образования дипептида при различных разведениях рассчитывали по уравнению:

Д,Н0(Н1Лр-р,пН30,298К) = ДгН°(Н1Лк,298К) +Д5о1Н(Н1Лк,298К) (12)

• где ДеН^НЬ^к, 298К) - стандартная энтальпия образования кристаллического 0,Ь-а-аланил-0,Ь-валина.

Стандартную энтальпию образования цвиттер-иона пептида в гипотетическом недиссоциированном состоянии при конечном разведении в водном растворе находили по уравнению: ДГН0(Н1Д р-р, пН20, гип., недисс., 298 К) = ДГН°(НЬ±, р-р, пН20,

298К) - a(H2L+)-Aa5SH°(HL±) + a(L")-AussH°(L-)

(13)

где a(H2L+), a(L") - доли частиц H2L*, L" соответственно; Д^^НЬ*), Д155Н(1_Г)-тепловые эффекты ступенчатого протонирования частицы L".

Стандартную энтальпию образования пептида в гипотетическом не-диссоциированном состоянии при бесконечном разведении (первая методика) находили экстраполяцией величин, полученных по уравнению (13), на нулевое значение моляльности раствора.

Для определения стандартной энтальпии образования L" в водном растворе, по второй методике, была поставлена серия опытов по определению теплоты растворения пептида в растворах щелочи (ArH*SOi), при соотношении эквивалентов 1:2. Расчетом равновесных составов при этих условиях показано, что ccl..>99.9%. Тепловой эффект растворения пептида при 1=0 рассчитывали по уравнению(7) с учетом того, что Д2?=0.

Используя полученную при экстраполяции величину и справочные данные, рассчитали стандартную энтальпию образования аниона пептида по уравнению: AfH°(L~, р-р, Н20, станд.с.,298К) = AfH0(HL±, к, 298К) + ДгН°(ОИ", р-р Н20, станд. е., 298К) + ДГН*50| -ДгН°(Н20,ж.,298К) (14)

AfH°(HL±, к, 298К) была определена в нашей лаборатории, по те-плотам сгорания пептида, методом бомбовой калориметрии.

Стандартную энтальпию образования HL* (вторая методика) находили по уравнению:

AfH°(HL±, р-р, Н20, станд. е., гип. недисс., 298К) = = ДГН°(1Г, р-р, НА станд. е., 298К) - Д,,5Н°(Н1Л 298 К) (15) Значения стандартных энтальпий образования цвиттер-иона 0,Ь-а-ала-нил-0,Ь-валина, полученные по двум методикам, удовлетворительно согласуются между собой. В качестве наиболее вероятной принята средневзвешенная величина по результатам двух независимых определений (табл.4).

Таблица 4.

Стандартные энтальпии образования D,L-а-иланил-Т>,Ь-аалипа и продуктов его диссоциации в водном растворе.

Частица HL* H2L+ L"

Состояние

р-р, Н20, станд. е., гип. недисс. р-р, Н20, станд. е., гип. недисс. р-р, Н20, станд. с.

ДГН°(289К) (кДж/моль)

-854,0+1,9 (±0,2) -859,2± 1,9 -858,2±1,9 -813,8±1,9

^погрешность в теплоте растворения

5.0ПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК РЕАКЦИЙ ОБРАЗОВАНИЯ КОМПЛЕКСОВ а-АЛАНИНА С ИОНОМ НИКЕЛЯ 01) В ВОДНОМ РАСТВОРЕ.

Комплексообразование N¡(11) с а-аланином сопровождается реакциями кислотно-основного взаимодействия с участием ионов металла и л и ганда.

N¡2+ + Ala" = NiAla* Ni2+ + 2Ala" = NiAla3

Ni + 3Ala" = N¡Ala.r Ni2+ + H20 = N¡OH+ + H+

H+ + Ala" = HAIa* H-,0 = OH- + H+

Вклад каждого из этих процессов в измеряемый тепловой эффект определялся на основе строгого расчета ионных равновесий в растворе до и после проведения калориметрического опыта.

Таблица 5.

Термодинамические характеристики процессов образования

Процесс I IgP ^compO, кДж/моль —ДсотрН, кДж/моль AcompS, Дж/(мольК)

Ni2+ + Ala" 0 5.90+0.08 33.67±0.38 10.62±0.23 77.3±1.1

0.5 5.22±0.07 29,79±0.40 13.05+0.22 56.1 + 1.3

= N¡Alaf 1.0 5.12+0.08 29.21 ±0.39 14.17±0.20 50.4+1.2

l.b 5.06±0.08 28.87±0.40 15.54±0.19 44.7±1.3

ArH°(N¡Ala+, i>p, НД сганас, гап. недас.Д98К)=-662,1 ±2,5

0 11.14+0.08 63.56±0.40 37.62±0.20 86.3+1.3

N¡2+ + 0.5 10.13±0.07 57.81±0.38 41.35+0.21 55.2±1.2

| 2Ala" = 1.0 9.97±0.08 56.89±0.35 43.19±0.22 45.9+1.2

N¡Ala2 1.5 9.88±0.08 56.38+0.41 44.97+0.20 38.3+1.3

AfH°(NiAla,, p-p, НА ставд.с, гип. недис^98К)=-1288,4±2,5

Ni2+ + 0 14.31+0.1 81.65±0.51 54.77+0.18 90.2+1.6

0.5 13.30±0.09 75.89±0.52 58.02+0.20 60.0±1.7

3Ala" = 1.0 13.14+0.1 74.98±0.50 59.40+0.19 52.3+1.6

NiAIaf 1.5 13.05+0.1 74.46±0.53 61.00±0.20 45.1 + 1.7

AfH°(NiAla," . p-p, ЬЬО, станд.с., гип. недис.,298К)=-1904,81 ±2,5

Тепловой эффект образования частицы N1 определяли в интервале рН 10.1^-9.9 при соотношении концентраций с0МСТШ1П:с0я„Г£ШД = 1:10. Калориметрической жидкостью служил раствор а-аланина с концентрацией 0.05 моль/л; в ампуле находилась точная навеска раствора N¡(N0.1)2 (кон-

центрации 1.3261 моль/кг раствора). Были также измерены теплоты разведения раствора N¡(N03)2 в растворах фонового электролита KN03.

Для определения теплового эффекта образования комплекса NiAIa+ в ампулу загружалась точная навеска раствора КА1а+(концентрация 1.4696 моль/кг раствора) и разбивалась в 0.05 моль/л раствор N¡(N03)2- Были измерены теплоты разведения раствора KAla в растворах K.NO3.

С целью определения теплового эффекта образования частицы NiAIa+ были измерены теплоты взаимодействия раствора, содержащего ионы никеля и апанинат-ионы (в соотношении с0№:с°Л|а = 1:2.5), с раствором апанината калия (концентрация 1.4696 моль/кг раствора). Опыты проводили при 298.15К и значениях ионной силы 0.5; 1.0 и 1.5 (KNOj). Стандартные тепловые эффекты реакций образования апанинатных комплексов никеля(П) были найдены графической экстраполяцией полученных величин ДН(Р|), ДН(Р2), ДН(Рз) к нулевой ионной силе раствора по уравнению^). Результаты представлены в табл. 5.

6.ТЕРМОДИНАМИКА ПРОЦЕССОВ ОБРАЗОВАНИЯ КОМПЛЕКСОВ РЬ-а-АЛАНИЛ-РЬ-ВАЛИНА С ИОНОМ НИКЕЛЯ (II) В ВОДНОМ

РАСТВОРЕ.

Поскольку константы образования комплексов NiPep* и NiPep2 различаются менее чем на четыре порядка, провести независимое определения тепловых эффектов образования комплексов ОЬ-а-аланил-ЭЬ-валина с ионом никеля(П) не представляется возможным. С целью определения энтальпий реакций комплексообразования была использована следующая методика. В калориметрический стакан помещали раствор нитрата ни-келя(П), объемом 40.02 мл с заданным значением ионной силы. В ампуле находился раствор КРер (исходной концентрации 0,4115 моль/кг раствора); при различных соотношениях металл:лиганд. Были также измерены теплоты разведения КРер в растворах фонового электролита.

Опыты проводили при 298К и значениях ионной силы 0.5, 1.0 и 1.5 на фоне нитрата калия. Величину рН контролировали рН-метром 340. Обработку экспериментальных данных вели на компьютере PC Pentium-150 по программе «НЕАТ» с учетом протекания реакций комплексообразования, протолитического взаимодействия лиганда, а также процессов гидролиза иона никеля и диссоциации воды.

Таблица 6.

Термодинамические характеристики образования комплексов №Рер*,

Процесс 18Р АсотрО у 1<Дл</маль д н° 1 д <;0 "сотр1* > и ^сотр° > кДж/моль I Дк/(мольК)

№2+ + Рер" = МРер* 3,98±0,05 22,72+0,29 | 12,47±0,20 | 34,4±!,0

ДгН0(М!Ре[ р-р, ЬЬО, сганц-с., гип. недис,298К)=-878,4±2,5

1Мг+ + 2Рер' = | МРерг 7,42±0,05 42,35±023 20,52±0Д0 73,2±1,0

| ДгН°(Ы'|Рер2, р-р, Н20, станцс, гип. недис^98Ю=-1700,2+2,5

7.КОРРЕЛЯ11ИЯ МЕЖДУ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ПРОЦЕССОВ ИОНИЗАЦИИ И КОМПЛЕКСООБРАЗОВА-НИЯ И СТРУКТУРНЫМИ ОСОБЕННОСТЯМИ ДИПЕПТИДОВ

Анализ полученных термохимических данных позвляет выделить несколько тенденций, характеризующих процессы кислотно-основного взаимодействия в растворах дипептидов.

Прежде всего, отметим влияние температуры на тепловые эффекты ступенчатой диссоциации дипептидов. Можно заметить, что с ростом температуры происходит изменение знака теплового эффекта диссоциации протона карбоксильной группы изученных пептидов.

Температуру 0, при которой тепловой эффект изменяет знак, можно оценить по уравнению (16):

© = 298,15-ДН298,15 /(АС,,) (16)

С увеличением концентрации фонового электролита © сдвигается в область более высоких температур. При диссоциации аминогруппы пептидов наблюдается значительная положительная величина изменения энтальпии, как можно видеть из данных таблиц 1-3, величина АгСр2 близка к нулю; в связи с этим, не следует ожидать изменения знака теплового эффекта Д^|5Н(НЬ±) с ростом температуры. Подобные зависимости были отмечены и для тепловых эффектов диссоциации различных по своей природе функциональных групп, входящих в состав аминокислот и комплек-сонов.

Поскольку особенности строения рассматриваемых объектов наиболее четко проявляются в энтропийных характеристиках, интересно сопоставить изменение энтропии в процессах диссоциации карбоновой кислоты (например, пропионовой) и карбоксильной группы соответствующей аминокислоты и пептида (Р-аланина и Р-апанил-Р-аланина). Можно

отметить, что разница в Д^0 диссоциации цвиттер-иона и нейтральной кислоты, по-видимому, связана с разным вкладом гидратационных равновесий. Цвиттер-ионы. обладающие широко разделенными зарядами, связывают большее количество молекул воды, чем нейтральная кислота. Когда такой цвиттер-ион диссоциирует с отщеплением протона, изменение в количестве "связанной воды" много меньше, чем при диссоциации нейтральных молекул кислоты.

Для пептидов характерно более отрицательное значение ДгБД чем для аминокислот. Это связано с образованием в результате кислотной диссоциации пептидов цвиттер-иона, у которого карбоксильная и аминогруппы расположены на более значительном расстоянии. Ослабление действия индукционного эффекта при переходе от аминокислот к пептидам ведет к ослаблению азот-водородной связи в последних и, как следствие, заряженная амино-группа пептидов может связывать гораздо больше молекул воды, чем амино- группа в аминокислотах. В связи с этим становится понятным, что величина Дг5° при ионизации цвиттер-иона пептида составляет Дг5°([3-А1а-Р-А1а) = -68,8 Дж/мольК, а для аминокислоты лишь Дг8°(Р-А1а)= -30,5Дж/мольК. Неудивительна и наибольшая в этом ряду соединений величина Дг8о(СНлСН2С00Н)=-9б, 1 Дж/мольК, сопровождающая ионизацию пропионовой кислоты.

Аналогичная зависимость наблюдается при переходе от а-формы к Р- форме аминокислот и пептидов, а именно с увеличением расстояния между амино и карбоксильной группами также происходит увеличение ДБ0,. Так, например, ДБ0, ((3-А1а-^-А1а>= -68,8 ±1,0 ДЛмальК, а ДБ0, (а-А1а-а-А1а)= -65,5 ±0,7'Дж\м ол ь К

Аминогруппа р-аланил-р-аланина проявляет более сильные основные свойства (более высокое значение рК20:=9,59), чем аминогруппа р-аланила-мида (рК2°=9,19) и менее сильные чем аминогруппа Р-аланина (рК2°=Ю,19). Единичный отрицательный заряд карбоксильной группы, как аминокислоты, так и пептида, приводит к повышению электронной плотности на аминогруппе и электростатическое притяжение (эффект поля) между аммоний-катионом и карбоксилат-анионом затрудняет отрыв протона от аммонийной группы. В Р-апанил-Р-аланине эти две функциональные группы оказывают друг на друга меньшее влияние, так как расстояние между ними больше чем в р-аланине. В Р-аланиламиде заряд карбоксильной группы нейтрализован путем превращения ее в амид. В связи с этим, единственным эффектом остается оттягивание электронов амидной группы карбонильной.

Для анализа данных по термодинамике реакций кислотно-основного взаимодействия оказывается полезным подход, основанный на представлениях Герни. Следует отметить ряд закономерностей: 1) при отщеплении протона, связанного с атомом азота, величина ДГН ,„ намного превышает по абсолютной величине вклад ДГН3, тогда как при диссоциации протона связанного с атомом кислорода значения (ДГН3) и (ДГН ,,3) сопоставимы друг с другом. 2) при температуре © наблюдается равенство /ДГН3/ = /ДГНИЗ/. Таким образом соотношения между значениями ДГН „3 и ДГН3 может служить признаком процесса, для которого возможно ожидать изменение знака теплового эффекта. 3) изменение теплоемкости в процессах кислотно-основного взаимодействия равно 0, когда соблюдается условие Дг2=0 и /ДгНУ«/ДгНнз/.

Можно разделить протоноакцепторные частицы на два класса в зависимости от величины вклада ЛгН1и = - ЛГС1П . Первый класс характеризуется высоким значением данного вклада. Сюда относятся все частицы, содержащие группу - амино группу. Этот класс называют неэлектростатическим. Значение зависящего от температуру вклада при протонирова-нии частиц этого типа невелико.

У частиц второго класса, протонирование которых происходит через кислород, величина независящего от температуры вклада много меньше и лишь в редких случаях превышает 12кДж/моль.

В нашем случае молекулы дипептидов содержат обе эти группы, протонирование - амино группы происходит очевидно, как у частиц первого класса (ДГН„3 для (3-аланил-(3-аланина составляет 51,81кДж/ моль), а протонирование кислород содержащего фрагмента, как у частиц второго класса (ДГН113 для р-апанил-р-аланина составляет 10,39кДж/моль)

При рассмотрении реакций комплексообразования N¡(11) с ос-ала-нином и ОЬ-а-апанил- ОЬ-валином, можно отметить, что в процессах ступенчатого присоединения лиганда, величина ДГН.) последовательно уменьшается.

Экзотермичность всех изученных процессов комплексообразования возрастает с ростом ионной силы раствора.

ВЫВОДЫ

На основании анализа литературных данных рекомендованы наиболее вероятные значения констант реакций кислотно-основного взаимодействия в растворах Р-аланил-Р-аланина и D.L-a-аланил- DjL-вапина, необходимые для выбора оптимальных условий проведения калориметрического эксперимента, расчета равновесного состава растворов в условиях каждого опыта, а также для интерпретации результатов калориметрических измерений.

Методом потенциометрического титрования определены константы ступенчатой диссоциации 0,Ь-а-аланил-Р-аланина, при температуре 298К и значении ионной силы раствора 0,5, на фоне нитрата калия. Измерены тепловые эффекты ступенчатой ионизации 0,Ь-а-аланил-0,Ь-вапина, р-аланил-р-аланина и 0,Ь-а-аланил-Р-аланина в водном растворе при температурах 288; 298; 308К и нескольких значениях ионной силы, создаваемой KNO3 и Ц>Юз(0,5;1,0;1,5). Проведена строгая математическая обработка экспериментальных данных по универсальным программам "RRSU" и "HEAT" с учетом одновременного протекания нескольких процессов кислотно-основного взаимодействия и комплексообразования в растворе. Отмечено, что экзотермичность всех изученных процессов комплексообразования возрастает с ростом ионной силы раствора.

Тепловые эффекты процессов кислотно-основного взаимодействия в растворах 0,Ь-а-апанил- 0,Ь-валина, р-аланил-р-апанина и D,L-a-апанил-Р-аланина линейно зависят от температуры. Величины ДСР2° в процессе диссоциации аминогруппы пептидов близки к нулю. Теплоты диссоциации карбоксильных групп дипептидов в интервале тем-'ператур 288-325К изменяют знак. Температура, при которой происходит изменение знака теплового эффекта, с ростом ионной силы (на фоне KNO3) увеличивается.

Проведен сравнительный анализ стандартных термодинамических характеристик ступенчатой диссоциации пептидов с учетом современных представлений о структуре и физико-химических свойствах этих соединений и их растворов. Отмечено, что при диссоциации пептидов сохраняются основные тенденции, характеризующие протолитические равновесия в растворах аминокислот. Однако, обращает на себя внимание тот факт, что для пептидов характерно более отрицательное значение ArS|°. Сопоставлены изменение энтропии в процессах диссоциации карбоновой кислоты и карбоксильной группы соответствующей аминокислоты и пептида.

7. Впервые определены стандартные энтальпии образования 0,Ь-а-ала-нил- 0,Ь-валина и продуктов его диссоциации в водном растворе по тепловым эффектам растворения пептида в воде и в водных растворах КОН при 298К.

8. Определены энтальпии образования координационных соединений иона Ыг+ с а-аланином и 0,Ь-сх-аланил- 0,Ь-валином. Рассчитаны стандартные термодинамические характеристики этих процессов.

Основное содержание диссертационной работы изложено в следующих работах:

1. Васильев В.П., Кочергина Л.А., Крутова О.Н. Термохимическое исследование реакций кислотно-основного взаимодействия в водном растворе Р -аланил-р-апанина. // Изв. вузов, химия и хим. технология. 2003 т.46. в.6. с. 69-72.

2. Васильев В.П., Кочергина Л.А., Крутова О.Н. Термодинамические парметры процессов ступенчатой диссоциации 0,Ь-а-аланил- 0,Ь-вапина в водных растворах. // Журн.физ. химии. 2003. у.11. N 12.С.2145.

3. Васильев В.П., Кочергина Л.А., Горболетова Г.Г., Попова О.Н. Тепловые эффекты диссоциации глицил-Г-аминомасляной кислоты. //Журн.физ. химии. 1997. т.71. N9. С. 1586.

4. Васильев В.П., Кочергина Л.А., Горболетова Г.Г., Попова О.Н. Стандартная энтальпия образования глицил-Т-аминомасляной кислоты и продуктов ее диссоциации в водном растворе. //Журн.физ. химии. 1999. т.73. N1. С.47.

5. Васильев В.П., Кочергина Л.А., Горболетова Г.Г., Попова О.Н. Теплоты ступенчатой ионизации глицил-Ь-аспарагина в водном растворе. //Журн.физ. химии. 1999. т.73. N4. С.643.

6. Горболетова Г.Г., Кочергина Л.А., Васильев В.П., Попова О.Н. Особенности исследования протолитических равновесий в растворах пептидов. // Тезисы докладов IX Международной конференции молодых ученых по химии и химической технологии . Москва .1995. Ч.2.С.92.

7. Горболетова Г.Г., Кочергина Л.А., Васильев В.П., Попова О.Н. Термодинамика протолитических равновесий в растворах пептидов. // Тезисы докладов I Региональной межвузовской конференции по актуальным проблемам химии, химической технологии и химического образования. Иваново. 1996. С.64.

8. Горболетова Г.Г., Кочергина Л.А., Васильев В.П., Попова О.Н. Стандартная энтальпия образования дипептидов и продуктов их

диссоциации в водном растворе Термодинамика протолитических равновесий в растворах пептидов. // Тезисы докладов I Всеросий-ской конференции молодых ученых по современным проьлемам теоретической и экспериментальной химии. Саратов. 1996. С. 19.

9. O.N. Krutova., L.A.Kochergina, V.P.Vasil'ev. Thermodynamical of stepwise dissociation of P-alanil-P-alanin and DL-cx-alanil-DL-valin. // VI1 International Conference The problems of solvation and complex formation in solutions. Ivanovo, Russian. 1998. Abstracts.p.79.

10. Крутова O.H., Кочергина Л.А., Васильев В.П Стандартные термодинамические характеристики некоторых дипептидов. // Тезисы докладов II Международная конференция «Актуальные проблемы химии и химической технологии». Химия-99. Иваново, 1999, c.l 1.

Подписано в печать 1Ш.0Н г. .Усл.п.л. Уч.изд.л !-03

Формат60x84 1/16.Тираж экз. Заказ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ивановский государственный химико-технологический университет 153000 г.Иваново, пр-т Ф Энгсльса,7 Отпечатано на полиграфическом оборудовании кафедры экономики и финансов ГОУ ВПО «ИГХТУ»

РНБ Русский фонд

2007-4 16882

Введение.

Глава 1. Литературный обзор.

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

1.2. Равновесия ступенчатой диссоциации В,Ь-а-аланил-0,Ь— ва-лина в водных растворах.

1.3. Протолитические равновесия в водных растворах (3-аланил-(3-аланина.

1.4. Равновесия ступенчатой ионизации В,Ь-а-аланил-(3-аланина

1.5. Координационные равновесия в системе никель (II) В,Е-а-аланил-0,Ь-валин в водных растворах.

1.6. Устойчивость комплексов никеля (II) с а-аланином в водных растворах.

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. Реактивы.

Глава 3. Потенциометрическое титрование. ЗЛ.Определение констант диссоциации 0,Ь-а-аланил-|3-аланина в водном растворе.

Глава 4. Термодинамика кислотно-основного взаимодействия в водных растворах пептидов.

4.1.Термодинамика реакций кислотно-основного взаимодействия в растворах D,L-a- аланил -0,Ь-валина.

4.2. Определение тепловых эффектов кислотно-основного взаимодействия в растворах р-аланил-р- аланина.

4.3. Термодинамика протолитических равновесий в водных растворах 0,Ь-а-аланил-р-аланина.

4.4,Определение стандартных энтальпий образования 0,Ь-а-аланил -0,Ь-валина и продуктов его диссоциании в водном растворе.

Глава 5. Термодинамика процессов образования комплексов D^r-a-алапил -ДЬ-валина и a-аланина с ионом никеля (П) в растворе.

5.1. Определение термодинамических характеристик реакций образования комплексов a-аланина с ионом никеля (И) в водном растворе.

5.2.Термодинамика процессов образования комплексов Э,Ь-а-аланил -Э,Ь-валина с ионом никеля (II) в водном растворе.

Глава 6. Корреляция между термодинамическими характеристиками процессов ионизации и комплексообразования и структурными особенностями дипептидов.

Выводы.

Зарождение и существование жизни неотделимо от растворов, и поэтому является вполне очевидным, что разрешение проблем, стоящих перед современной наукой о растворах, во многом определяет прогресс в развитии таких биолого-химических дисциплин, как молекулярная биофизика, молекулярная биохимия, бионеорганическая и биоорганическая химии. Одной из задач этих современных наук является изучение механизма и движущих сил процессов, происходящих в живом организме. Физико-химическое изучение растворов пептидов в связи с этим весьма актуально. Пептиды обладают уникальными свойствами, и все биологические процессы осуществляются при непосредственном участии белков. Они служат регуляторами генетической функции нуклеиновых кислот, в качестве ферментов участвуют во всех стадиях биосинтеза полипептидов, полинуклио-тидов, принимают активное участие во многих процессах жизнедеятельности. Разнообразие и важность функций пептидов общеизвестны. Низкомолекулярные пептиды можно рассматривать, как модельные аналоги более сложных биосистем. Так как все биохимические процессы происходят в водной среде, особенно важном представляется изучение свойств пептидов в растворах.

Живые биологические системы являются открытыми, и протекающие в них реакции относятся к разряду не равновесных. Однако эти динамические, необратимые жизненные процессы происходят внутри организованной или крайне медленно меняющейся структуры. Это дает возможность при рассмотрении молекулярных уровней организации биосистем и механизмов биохимических реакций исходить из условного термодинамического равновесия и использовать приемы и методы равновесной термодинамики. В биохимической термодинамике одним из наиболее часто применяемых методов является калориметрия, то есть именно тот метод, который является основным источником термодинамической информации в физиохимии растворов. Применение этого метода в биологических исследованиях, позволило значительно продвинуться вперед в изучении взаимодействия как между низкомолекулярными веществами (ионы биометаллов, аминокислоты, пептиды и некоторые другие биомолекулы), так и между биополимерами (белки, липиды, полисахариды) в водных растворах. Важную роль во многих биологических системах играют реакции кислотно-основного взаимодействия и комплексообразования. Определение основных закономерностей протолитических равновесий в растворах пептидов имеет существенное значение для понимания механизмов многих биохимических реакций. Изучение процессов комплексообразования связано с необходимостью учета реакций кислотно-основного характера в системе. Исследование этих закономерностей создает фундамент практического использования пептидов в медицине, позволяет создать композиции с заданными свойствами, модифицировать технологические процессы в нужном направлении, разрабатывать новые лекарственные и диагностические средства.

Настоящая работа посвящена изучению термодинамики протолитических равновесий в растворах D,L-a- аланил-0,Ь-валина, (3-аланил-[3-аланина, 0,Ь-а-аланил-(3-аланина и реакций комплексообразования D,L-a- аланил-0,Ь-валина и а- аланина с ионом никеля (II).

АКТУАЛЬНОСТЬ.

Обзор литературы показал, что термодинамические исследования растворов пептидов немногочисленны, ограничены узким интервалом температур и концентраций. Получение термодинамических характеристик реакций ступенчатой диссоциации D,L-a- аланил-0,Ь-валина, Р-аланил-Р-аланина, D,L-a- аланил-Р-аланина, а также стандартных энтальпий образования 0,Ь-а-аланил-Э,Ь-валина и продуктов его диссоциации в водном растворе, делает возможным проведение строгих математических расчетов в системах, содержащих эти соединения. Такие термодинамические характеристики, как константы диссоциации, изменение энергии Гиб* ■ бса, энтальпии, энтропии, теплоемкости ступенчатой ионизации D,L-a-, аланил-0,Ь-валина, Р-аланил-Р-аланина, 0,Ь-а-аланил-Р-аланина с учетом их структурных особенностей необходимы для более глубокого понимания механизмов реакций, протекающих в растворах пептидов, что, в свою очередь, позволяет получить модель поведения сложных биосистем. v Работ, посвященных изучению термохимии реакций комплексообразования иона никеля (II) с D,L-a- аланил-0,Ь-валином и a-аланином, немного. Представляет интерес определить энтальпийные и энтропийные характеристики реакций комплексообразования 0,Ь-а-аланил-0,Ь-валина и а-аланина с ионом никеля (II) и получить стандартные термодинамические характеристики процессов образования комплексов.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Целью настоящей работы является определение энтальпий иониза ции 0,Ь-а-аланил-0,Ь-валина, р-аланил-р-аланина, 0,Ь-а-аланил-р-аланина методом прямой калориметрии. Изучение влияния температуры, а также природы и концентрации "фонового" электролита на равновесия ступенчатой диссоциации указанных дипептидов. Расчет стандартных термодинамических характеристик реакций кислотно-основного взаимо* действия с их участием. Потенциометрическое определение констант диссоциации 0,Ь-а-аланил~Р-аланина в водном растворе. Калориметрическое А определение энтальпий образования 0,Ь-сс-аланил-0,Ь-валина и продуктов его диссоциации в водном растворе. Определение теплот комплексообразования D,L-a- аланил-0,Ь-валина и а- аланина с ионом никеля (И). Обсуждение и анализ полученных результатов.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА.

Впервые определены тепловые эффекты ступенчатой ионизации 0,Ь-а-аланил-0,Ь-валина, р-аланил-|3-аланина, 0,Ь-а-аланил-р-аланина 4 прямым калориметрическим методом при нескольких значениях ионной силы (KNO3, LiNO}) и температуры. Рассчитаны стандартные термодинамические характеристики реакций взаимодействия протона с указанным рядом лигандов. Определены стандартные энтальпии образования D,L-a-аланил-0,Ь-валина и продуктов его диссоциации в водном растворе. Получены тепловые эффекты процессов комплексообразования D,L-a- ала-нил-0,Ь-валина и а- аланина с ионом никеля (II). * ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ.

Данные по термодинамическим характеристикам реакций кислотно-• основного взаимодействия в растворах 0,Ь-а-аланил-0,Ь-валина, (3-ала-нил-|3-аланина, 0,Ь-а-аланил-|3-аланина в стандартном состоянии и прак-41 тически важных солевых растворах необходимы в различных отраслях народного хозяйства, где находят применение эти соединения: фармаколо гии, медицине, пищевой и косметической промышленности, сельском хозяйстве для разработки , обоснования и оптимизации технологических процессов с участием этих соединений и их комплексов с металлами. Инфор-* мация о протолитических равновесиях в растворах этих соединений может быть использована для изучения термодинамических свойств более сложных белковых систем и для нужд биотехнологии. Найденные значения термодинамических величин могут быть рекомендованы в качестве справочного материала и включены в компьютерную базу данных. Полученные ч результаты имеют значение для проведения целенаправленного синтеза новых комплексных биосоединений.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ.

Отдельные разделы диссертации докладывались на IX Международной конференции молодых ученых по химии и химической технологии (г. МКХТ-95).; I Региональной межвузовской конференции по актуальным проблемам химии, химической технологии и химического образования (г. Иваново.1996.); I Всероссийской конференции молодых ученых по современным проблемам теоретической и экспериментальной химии (г. Саратов. 1996.); Vll International Conference The problems of solvation and complex formation in solutions. (Ivanovo, 1998.); П Международной конференции «Актуальные проблемы химии и химической технологии». Химия-99 (г. Иваново, 1999).

ПУБЛИКАЦИИ.

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

ОБЬЕМ РАБОТЫ.

Диссертационная работа изложена на 150 страницах машинописного текста, содержит 30 рисунков, 39 таблиц, состоит из следующих разделов: введения, главы, посвященной обзору литературы, пяти глав, включающих экспериментальный материал и его обсуждение, итоговые выводы. Список цитируемой литературы, содержащий 123 наименования работ отечественных и зарубежных авторов, приложение.

ВЫВОДЫ

1. На основании анализа литературных данных рекомендованы наиболее вероятные значения констант реакций кислотно-основного взаимодействия в растворах р-аланил-р-аланина и 0,Ь-а-аланил-0,Ь-валина, необходимые для выбора оптимальных условий проведения калориметрического эксперимента, расчета равновесного состава растворов в условиях каждого опыта, а также для интерпретации результатов калориметрических измерений.

2. Методом потенциометрического титрования определены константы ступенчатой диссоциации, 0,Ь-а-аланил-р-аланина, при температуре 298К и значении ионной силы раствора 0.5, на фоне нитрата калия.

3. Измерены тепловые эффекты ступенчатой ионизации 0,Ь-а-аланил-0,Ь-валина, р-аланил-р-аланина и 0,Ь-а-аланил-р-аланина в водном растворе при температурах 288; 298; 308К и нескольких значениях ионной силы, создаваемой KNO3 и 1лЖ)з(0,5;1,0;1,5).

4. Проведена строгая математическая обработка экспериментальных данных по универсальным программам "RRSU" и "HEAT" с учетом одновременного протекания нескольких процессов кислотно-основного взаимодействия и комплексообразования в растворе. Отмечено, что экзотермичность всех изученных процессов комплексообразования возрастает с ростом ионной силы раствора.

5. Тепловые эффекты процессов кислотно-основного взаимодействия в растворах 0,Ь-а-аланил- DJL-валина, Р-аланил-Р-аланина и D,L-a-ana-нил-Р-аланина линейно зависят от температуры. Величины ДСР2° в процессе диссоциации аминогруппы пептидов близки к нулю. Теплоты диссоциации карбоксильных групп дипептидов в интервале температур 288-325 К изменяют знак. Температура, при которой происходит изменение знака теплового эффекта, с ростом ионной силы (на фоне KN03) увеличивается.

Проведен сравнительный анализ стандартных термодинамических характеристик ступенчатой диссоциации пептидов с учетом современных представлений о структуре и физико-химических свойствах этих соединений и их растворов. Отмечено, что при диссоциации пептидов сохраняются основные тенденции, характеризующие протолитические равновесия в растворах аминокислот. Однако, обращает на себя внимание что для пептидов характерно более отрицательное значение ArSi°. Определены стандартные энтальпии образования D,L-a-аланил- D,L-Ba-лина и продуктов его диссоциации в водном растворе по тепловым эффектам растворения пептида в воде и в водных растворах КОН при 298,15 К.

Определены энтальпии образования координационных соединений иона Ni2+ с а-аланином и 0,Ь-а-аланил-0,Ь-валином. Рассчитаны стандартные термодинамические характеристики этих процессов.

1. Якубке Х.-Д., Ешкайт X. Аминокислоты, пептиды, белки. М.: Мир, 1985. С. 455.

2. Тищенко Г.Н. Строение линейных и циклических олигопептидов в кристаллах. // В сб.: Итоги науки и техники. Кристаллохимия. ВИНИТИ, 1979. Т. 13. С. 189-249.

3. Tristram G. R., // Nature, 159, 1947. P. 581.

4. Bailey К., //Chem. Ind., 1950. P. 243.

5. Corey R.B., Pauling L. Fundamental dimensions of polypeptide chains. //Proc. Roy. Soc. London. 1953. В 141. P. 10-20.

6. Tables of Interatomic Distances in Molecules and Ions, Suppl. Spec. Publ. No. 18, The Chemical Society, London, 1965.

7. Полинг Л. Природа химической связи,- М. Гос. изд. хим. лит.,1947.

8. Marsh R.F., Donohue J. //J. Adv. Protein Chem. 1967. 22. P. 235.

9. Ramachandran G.N., Ramakrishnan C., Sasisekharan V. Stereochemistry of polipeptide chain configuration. // J. Mol. Biol. 104, 1976. P. 59.

10. Ramachandran G.N., Kolaskar A.S., Ramakrishnan C., Sasisekharan V. //Biochem. Etbiophys. acta. 1974. 359. P.298

11. Winkler F. K., Dunitz J. D., The non-polar amide group. //J. Mol. Biol. 59, 1971. P. 169.

12. Brant D.A., Miller W.G.Conformational energy estimates for statistically coiling polypeptide chains. // J. Mol. Biol. 23, 1967. P.47 .

13. Nemetry G., Scheraga H.A., Protein Folding. // Duart. Rew. Biophis.10.1977. P. 239.

14. Ramachandran G.N., Venkatachalam C.M., Stereochemical criterial for polypeptide and protein chain conformations. //Biophys. J.6.1966. P. 849.

15. Ramachandran G.N., Sasisekharan V., Conformation of polypeptide and protein. // Adv. Prot. Chem. 23. 1968. P. 283.

16. Шульц Г., Ширмер Р. Принцыпы структурной организации белков. М.: Мир. 1982. С27.

17. Linderstom-Lang К. U., Sclmellman J. A. Protein stmktiire and enzyme activity. // Academic Press, New York, Yol. 1, 1956, P. 443.

18. Perczel A., Kajtar M., Marcoccia J.F., Csizmadia I.G. The utility of the four-dimensional Ramachandran map for the description of peptide conformations. //J. Mol. Struct. Theochem. 1991. 232. P. 291-319.

19. Grant J.A., Williams R.L., Scheraga H.A., // Biopolymers. 1990. 30. P. 929-949.

20. Masataka K., Karuto Y., Tetsu K., Nobutaka F., Tooru T. // Bull. Chem. Soc. Jap. 1994. 67. N3. P. 648-652.

21. Ramakrishann C., Srinivasan N. Glycyl residues in protein and peptides: An analysis. //Curr. Sci. (India). 1990. 59. N 17-18. P. 851-861.

22. Flettericlc R.J., Tsai Chun Che, Hughes R.E. The crystal and molecular structure of L-alanyl-L-alanine. //J. Phys. Chem. 1971. 75(7). P. 918-922.

23. Liff M.I., Lyu P.C., Kallenbach N.R. Analysis of asymmetry in the distribution of helical residues in peptides by 'H nuclear. //J. Amer. Chem. Soc. 1991. N3. P. 1014-1019.

24. Blout E.R., Bloom S.M. The dependence of the conformation of the synthetic polypeptides on amino acid composition. //J. Amer. Chem. Soc. 1960. N82. P. 3787.

25. Gorbitz C.H. Hydrogen-bond distances and angles in the structures ofamino acids and peptides. //Acta crystallogr. B. 1989. 45. N4. P.390-395. 2 8. Hitchcock D.I. //J. Biol. Chem. 114. 1936. P. 373.

26. Colin E.J., Edsall J.T. Proteins, Amino Acids and Peptides.// Reinliold Publ. Corp., New York, 1943, P.84.

27. Nozaki Y, Tanford С.// J. Biol. Chem. Vol. 246. 1971. P. 2211.

28. Старобинец ГЛ., Капуцкий Ф.Н., Юркштович Т. А. // Журн. физ. химии. 1966. Т. 70, N 7. С.1307-1310.

29. Meirovitch Н., Rackovsky S., Scheraga Н.А. // Mactomolecules. 1980. Vol.13. Р.1398-1405.

30. Meirovitch Н., Scheraga Н.А. // Mactomolecules. 1980. Vol.13. P. 14061414.

31. Pratt L.R; //Annu. Rev. Phus. Chem. 1985. Vol.36. P. 433-449.

32. Биологически активные вещества в растворах. Структура термодинамика реакционная способность. Редактор Кутепов А. М, М.: Наука 2001. С. 184.

33. Волков А.В. Стандартные энтальпии сгорания и образования кислород- и азотсодержащих органических соединений: Дисс. канд. хим. наук. Иваново. 1996. С. 104.

34. Васильев В.П., Кочергина Л.А., Горболетова Г.Г., Попова О.Н. Тепловые эффекты диссоциации глицил-Т-аминомасляной кислоты. //Журн.физ. химии. 1997. т.71. N9. С. 1586

35. Васильев В.П., Кочергина Л.А., Горболетова Г.Г., Попова О.Н. Стандартная энтальпия образования глицил-Т-аминомасляной кислоты и продуктов ее диссоциации в водном растворе. //Журн.физ. химии. 1999. т.73. N1. С.47.

36. Васильев В.П., Кочергина Л.А., Горболетова Г.Г., Попова О.Н. Теплоты ступенчатой ионизации глицил-Ь-аспарагина в водном растворе. //Журн.физ. химии. 1999. т.73. N4. С.643.

37. Васильев В.П., Кочергина JI.A., Крутова ОН. Термохимическое исследование реакций кислотно-основного взаимодействия в водном растворе р-аланил-р-аланина. //Изв.вузов.химия.и хим.технология 2003. т.46. вып.6. С.69-72.

38. Diaz-E.L., Domalski E.S., Colbert J.C. //J. Chem. Thermodyn. 1992. 24. N12. C. 1311-1318.

39. Badelin V.G., Kulikov O.V., Vatagin V.S., Udzig El, Zielenkiewicz A., Zielenkiewicz W., Krestov G.A. Physico-chemical properties of peptides and their solutions//Thennochimica Acta. 1990. 169. P. 81-93.

40. Rodante F., Fantauzzi F. Theraiodynamics of dipeptides. Part II. Influence of methyl groups on the a-free carboxyl and amino groups. Study of a symmetrical system. //Thermochim. acta. 1990. 157. N2. P.279-285.

41. Colin E.J., Edsall J.T. // Proteins, amino acids and peptides, Reinhold Publ. Corp., New York, 1943, p 445.

42. Куликов О.В., Баделин В. Г., Крестов Г.А. // Биофизика 1991. Т.36, N3. С.394-398.

43. Ellenbogen Е. Dissociatic constants of peptides. IV. The isomeric alanylalanines. //J. Amer. Chem. Soc. 1956. 78. C. 369-372.

44. Kresheck G., Benjamin L. //J. Phys. Chem. 1964. 68. P. 2476.

45. Matsumoto M., Amaya K. //Bull. Chem. Soc. Jap. 1983. 56. P.2521.

46. Левушкин Д.А., Баделин В.Г., Крестов Г.А. Энтальпии растворения некоторых аминокислот и пептидов в воде при 298,15 К. Изв. Вузов. Химия и хим. технология. 1993. Т.36. N3. С. 117-118.

47. Murphy К.Р., Gill S.J. Group additivity thermodynamics for dissolution of solid cyclic dipeptides into water. //Thermochim acta. 1990. 172. C. 11-20.

48. Белки. Редакторы: Нейрата Г., Бейли К. И. Иностранной литературы. 1956. С. 166.

49. ДюгаГ., Пенни К. Биоорганическая химия. М.: Мир. 1983. С. 512. 56.Stojanoski К., Zdravkovski Z. On the formation of peptide bonds. //J.

50. Chem. Educ. 1993. 70. N2. P. 134-135. 57.Sanger F., Thompson E. // Biochim. Biophys. Acta. 9. 1952. P.225.

51. Rekharsky M.V., Egorov A.M., Galchenco G.L. Thermochemistry of hydrolytic enzymatic reactions. //Thermochim. Acta. 1987. 112. P. 151160.

52. Kahne D., Still W.C. Hydrolysis of a peptide bond in neutral water. //J. Amer. Chem. Soc. 1988. 110. N22. P. 7529-7534.

53. King E.J. The thermodynamics of ionization of amino acids. IV. The First ionization constants of some glycine peptides. // J. Amer. Chem. Soc. 1957.79. P. 6151.

54. Петров H.B, Борисова А.П., Савич И.А., Спицин В.И. Определение констант устойчивости комплексов никеля с некоторыми дипептидами. //Докл. А. Н. СССР. 1970. 192. С. 574.

55. Davies C.W. The extent of dissociation of salts in water. Part VIII. Au equation for the mean ionic activity coefficient of an electrolyte inwater, and a revission of the dissociation constants of some sulphates. //J. Chem. Soc. 1938. P.2093 2098.

56. Васильев В.П. Приближенный расчет термодинамических констант нестойкости комплексных соединений. //ТЭХ. 1966. 2. С. 353 357.

57. Петров Н.В, Набоков B.C., Жданов Б.В., Савич И.А., Спицин В.И. Константы устойчивости комплексов Ni(II) и Со (И) с дипептидами алифатического ряда. //Журн. физ. химии. 1977. 50. С. 2208-2212.

58. Yamauchi О., Hirano Y., Nalcao Y., Nakahara A.Stability of fused rings in metal chelates.// Can. J. Chem. 1969. 47. P.3441-3445.

59. Sigel H., Prijs В., Martin R. Sigel H., Prijs В., Martin R. Stability of binary and ternary p-alanine containing dipeptide copper (II) complexes.// Inorg. Chim. Acta. 1981. 56. P. 45-49.

60. Irving H., Pettit L.The stabilities of metal complexes of some substituted derivatives of glycine. // J. Chem. Soc., 1963, p. 1546.

61. Martin R., Paris R. Etude deschelates simples et mixtes formes dans le systeme nictkel-glycine-alanin.// Bull. Soc. Chim. Fr., 1964, v.80, p.3170.

62. Jokl V. // ^Chromatography, 1964, v.14, p.71.

63. Sharma V., Mathur H., Kilkarni P. // Indian. J.Chem., 1965 v. 146, p.475.

64. Leussing D., Hanna E. // J. Amer. Chem. Soc., 1966 v.88, p.693;696.

65. Ramel M., Paris M. Etude polarimetrique des complexes metalliques des amino-acides.// Bull. Soc. Chim. Fr., 1967, p. 1359.

66. Anderson K., Greenhalgh W., Butler E. // Inorg. Chem., 1967, v.6, p.1056.

67. Martin R., Mosoni L. // Bull. Soc. Chim. Fr., 1970, p.2917.

68. Gergely A., Kiraly В., Nagypal I., et al // Acta Chim. Acad. Sci. Hung.,1971, v.67, p.133

69. Gergely A., Sovago I., Nagypal I., Kiraly R. // Inorg. Chim. Acta, 1972, v.6, p.435.

70. Joshi J., Bhattacharya P. // Indian. J. Chem., 1975, v.13, p.88.

71. Enea О., Berthon G. // Thermochim. Acta, 1979, v.33, p.311.

72. Orenburg J., Fischer В., Sigel H. Binary and ternary complexes of metal ions, nuceoside 5-monophosphates and amino acids.// J. Inorg. Nucl. Chem., 1980, v.42, p.785.

73. Cole A., Furnival C., Huang Z.-X., Jones D., et al // Inorg. Chim. Acta, 1985, v.l08,p.l65.

74. Rao A., Venkataiah P., Mohan M., et al // J. Coord. Chem., 1989, v.20, p.69.

75. Farkas E., Brown D., Cittaro R., Glass W. // J. Chem. Soc., Dalton Trans., 1993, p.2803.

76. Sovago I., Kiss Т., Gergely A. // Pure & Appl. Chem., 1993, v.65, p.1029.

77. Stack W., Skinner H. // Trans. Faraday Soc., 1967, v.63, p.l 136.

78. Черников B.B. Термодинамика кислотно-основного взаимодействия в водных растворах иминодиянтарной, 1-аминоэтилиден-1,1-дифосфоновой, этаноламин-К,Ы-диметиленфосфоновой кислот. Дисс. канд. хим. наук. Иваново.: ИХТИ, 1988. 161С.

79. Иконников Н.А., Васильев В. П. Определение действительного перепада температуры в термохимическом опыте при использовании калориметра с автоматической записью кривой температура-время. // ЖФХ. 1970. Т.44. N8. С. 1940 1942.

80. Parker W.B. Thermal proporties of aqueous uni-univalent elektrolytes. Washington NSRDS-NBS. 1965. N2. P.342.

81. Коростелев П.П. Приготовление растворов для химико-аналитических работ. М.: Наука. 1964. С.235.

82. Васильев В.П., Бородин В.А., Козловский Е.В. Применение ЭВМ в химико-аналитических расчетах. М.: Высшая школа. 1993. С. И2.

83. Химмельблау Д. Прикладное нелинейное программирование. М.:Мир, 1975. С. 417 .

84. Бугаевский А.А., ДунайБ.А. //Журн.Аналит.Химии. 1971. Т.26. N.2. С.205.

85. Васильев В.П., Шеханова Л.Д. Калориметрическое определение теплоты ионизации воды в присутствии различных электролитов. //ЖНХ. 1974. Т. 19. N11. С.2969-2972.

86. Васильев В.П. Термодинамические свойства растворов электролитов. М.: Высшая школа. 1982. С. 320.

87. Гаравин В.Ю. Термодинамика реакций кислотно-основного взаимодействия в водных растворах имидазола, бензимидазола, гистаминаД-гистидина и а-аланина: Дисс.канд. хим. наук. Иваново. 1985.172с.

88. Васильев В.П., Кочергина Л.А., Гаравин В.Ю. Влияние температуры и солевого фона на термодинамические характеристики кислотно-основного взаимодействия в растворах изомеров аланина. //ЖОХ. 1992. Т. 62. N1. С. 213-218.

89. Термические константы веществ. Справочник под ред. В.П. Глушко и др. М.: ВИНИТИ. 1965-1978.

90. Васильев В.П., Васильева В.Н., Дмитриева Н.Г., Кокурин Н.И. Стандартная энтальпия образования иона Ni2+ в водном растворе при 298,15К. // Журн. неорг. химии, 1984, т. 29, вып.5, с.1123.

91. Васильев В .П., Дмитриева Н.Г., Васильева В.Н., Яшкова В.И. Стандартная энтальпия образования иона никеля (II) в водном растворе при 298,15К. // Журн. неорг. химии, 1986, т. 31, вып.12, с.3044.

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

93. Bjerrum N. // Z.physik.Chem.-1923. v. 106. -р.219. lOO.Gane R, Ingold C.K.//J. Chem. Soc.-1931.-p.2153. 101 .Ingold C.K.//J. Chem. Soc. -1931. -p.2170.102.1ngold C.K., Mohrhenn H.G.//J. Chem. Soc.-1931.-p.2153. 83.

94. Kirkwood J.G.//J.Chem.Phys.-1934. v.2. -p.351.

95. W4.Kirkwood J.G., Westheimer F.H.// J.Chem.Phys.-l 938.V.6. -p.506,513.

96. Beetlestone J.G., Irvine D.H.// Proc.Roy.Soc. -1964. -A 277.-p.401,414.

97. Beetlestone J.G.,Irvine D.H.//J.Chem.Soc.-1964.-p.5086

98. Ю7.Крутов Д.В. Термодинамика протолитических равновесий в водных растворах янтарной, винной, лимонной и этилендитиодиуксусной кислот. Дисс. канд. хим. наук. Иваново: ИГХТУ, 1997.

99. Rahman A., Stillinger F.H. Molecular dynamics study of liquid water. //J.Chem. Phys. 1971. 55. P.3336-3359.

100. Waters W.A. Physical Aspects of Organic Chemistry.Routledge .London. 1-st Edn. -1935. Chap. 9.

101. O.Watson H.B. Modern Theories of Organic Chemistry. Oxford Univ.Press.l-st Edn.-1937.Chap.2.

102. I .Dippy J.F.// Chem. Revs. -1939. v.25. -p.151.

103. Branch G.E.,Calvin M. The Theoriy of Organic Chemistry. Prentice-Hall. New York.-1941.Chap.6.

104. ПЗ.Васильев В.П., Кочергина Л.А., Гаравин В.Ю. //Журн.общ.химии. 1992. Т. 62. N1. С. 213.

105. Кочергина Л.А. Термодинамические характеристики некоторых реакций кислотно-основного взаимодействия в водном растворе: Дисс.канд.хим.наук. Иваново. 1967.149с.

106. Общая органическая химия. Карбоновые кислоты и их произ-водные.-М.:МИР.1983.

107. Yamauchi О., Miyata Н., Nakahara А. // Bull. Chem. Soc. Japan. 1971. 44. p.2716.

108. Горболетова Г.Г. Термодинамика протолитических равновесий в водных растворах D,L-a- аланил-0,Ь-а- аланина, глицил-уаминомаслянной кислоты, глицил- L-аспарагина и D,L-a- аланил- D,L-аспарагина. Дисс. канд. хим. наук. Иваново: ИГХТУ, 1999.

109. Anderson К.Р., Newell Р.А., Izatt R.M. Formation constants, entalpy, and entropy values for the association of alanine with H and Cu at 10,25 and 40°. -Inorgan. Chem., 1966, vol.5, №11, pp.62-65.

110. E. Ellenbogen. // J. Amer. Chem. Soc., 1952 v.74, p.5198.

111. Кутуров M. В. Термодинамика реакций комплексообразования иона никеля (II) с аминокислотами и комплексонами Дисс. канд. хим. наук. Иваново: ИГХТУ, 1983.

112. Васильев В.П. Составляющие термодинамических характеристик реакций кислотно-основного взаимодействия. //ЖНХ. 1984. Т.29. N11. С.2785-2792.

113. Васильев В.П., Кочергина JI.A., Грошева С.Г. Термодинамика реакций кислотно-основного взаимодействия в растворе 0,Ь-треонина. Изв.Вузов. Химия и хим. Технология. 1991.Т.34. N3. С.48-51.

114. Кочергина Л.А., Зеленин О.Ю. Термодинамические характеристики реакций комплексообразования иона Ni2+ с 0,Ь-лейцином.// Журн. физ. химии. 2001. т.75. N 5. С. 794-799.