Журнал физической химии, 2021, T. 95, № 1, стр. 140-146
Адсорбция аминокислот на поверхности диоксида титана
Н. Н. Власова a, *, О. В. Маркитан a
a Национальная академия наук Украины, Институт химии поверхности им. А.А.Чуйко
Киев, Украина
* E-mail: natalie.vlasova@gmail.com
Поступила в редакцию 24.01.2020
После доработки 20.03.2020
Принята к публикации 14.04.2020
Аннотация
Адсорбция аспарагиновой и глутаминовой кислот из водных растворов на поверхности нанокристаллического диоксида титана представлена как образование комплексов двух типов: внешнесферных электростатических и внутрисферных ковалентных. Константы устойчивости адсорбционных комплексов обоих типов рассчитаны на основании экспериментальных зависимостей адсорбции от рН и ионной силы растворов с использованием модели комплексообразования на поверхности Штерна.
Наноразмерные материалы находят все большее применение в различных отраслях науки, техники, медицины [1–3]. Благодаря набору уникальных свойств диоксид титана широко используется в биомедицине [4], что делает особенно необходимыми знания о его взаимодействиях с биообъектами [5–7]. Контакты между биомолекулами и твердыми телами сложны, поскольку они включают в себя образование разных по природе связей с участием многочисленных группировок биомолекул и функциональных групп поверхности твердого тела. Исследование взаимодействий поверхности оксидов с мономерными молекулами – аминокислотами, нуклеотидами, моносахаридами, из которых состоят соответствующие биополимеры, могут стать основой для установления механизма на молекулярном уровне. Кроме того, закрепление на поверхности нанооксидных материалов таких молекул, как протеины, пептиды, аминокислоты, может привести к созданию новых биологически совместимых технологических материалов.
Первые термодинамические данные об адсорбции аминокислот на поверхности диоксида титана были получены для лизина [8]. Для изучения сродства аминокислот к поверхности TiO2 чаще всего использовали спектроскопические методы [9–11]. Несмотря на то, что результаты таких исследований описывают взаимодействия между диоксидом титана и аминокислотами качественно, они позволили составить представление об адсорбции аминокислот. Например, ИК-исследования адсорбции глутаминовой и аспарагиновой аминокислот показали, что первая образует на поверхности оксида титана, по крайней мере, два отличающихся по структуре комплекса, в то время как аспарагиновая кислота адсорбируется в виде одного комплекса [10, 11]. В то же время в литературе практически отсутствуют количественные исследования адсорбции аминокислот из водных растворов в зависимости от изменяющихся параметров, таких как рН, ионная сила и т.п.
Цель настоящего исследования – определение адсорбционной способности диоксида титана по отношению к аминокислотам и получение количественных характеристик их взаимодействия на основе теории комплексообразования на поверхности.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
В работе использовали нанокристаллический порошок диоксида титана (nanopowder, Aldrich) с удельной поверхностью 62 ± 5 м2/г (Nova 1200, Quantachrome), который, по данным рентгенофазового анализа, представляет собой анатаз с размером частиц 30 нм, что соответствует величине, заявленной производителем (<25 нм).
Аминокислоты (“ч.д.а.”, Reanal) и хлорид натрия (“ч.д.а.”, Merck) использовали без дополнительной очистки. Для установления необходимых значений рН растворов и суспензий применяли стандарт-титры HCl и NaOH (Titrisol, Merck). Все растворы и суспензии готовили на бидистиллированной воде.
Для изучения адсорбции аминокислот были приготовлены серии суспензий, которые отличались значениями рН (интервал 2–9), концентрацией фонового электролита (0.01 или 0.1 М NaCl), содержали 5 г/л диоксида титана и 1 ммоль/л аминокислоты. Выдерживали суспензии в течение 2 ч, этого времени было достаточно для достижения адсорбционного равновесия, проверяли значение рН и отделяли твердую фазу центрифугированием (8000 об./мин, 20 мин). Из равновесных растворов отбирали три пробы по 5 мл, и в каждой проводили определение концентрации аминокислоты по интенсивности поглощения продукта реакции с нингидрином при 570 нм [12]. Предварительно для каждой аминокислоты были построены калибровочные графики. Величины адсорбции аминокислоты (мкмоль/г) определяли по разности исходной и равновесной концентрации.
Для интерпретации и количественной обработки экспериментальных данных по адсорбции аминокислот в зависимости от рН и ионной силы нами использованы базовая модель комплексообразования на поверхности Штерна [13] и программа GRFIT [14]. При моделировании адсорбционных кривых по программе GRFIT составлялась матрица компонентов, взаимодействие которых приводит к образованию всех частиц в системе. К материальным компонентам относятся гидроксильные группы оксида титана, ионы фонового электролита, адсорбат (в исходной форме) и протоны. Кроме того, матрица компонентов дополняется электрическими составляющимися: ехр0 и ехр1, которые соответствуют величинам зарядов частиц в плоскости 0 и 1 [13]. В матрице представлены реакции протонирования и ионизации функциональных групп поверхности, их взаимодействия с ионами Na+ и Cl–, а также ионизации аминокислот. Константы равновесия реакций образования комплексов на поверхности, отмеченные звездочкой (*), подбираются при обработке экспериментальных данных с помощью программы GRFIT. В качестве исходного компонента аминокислоты может быть выбрана любая его форма, присутствующая в растворе. Выбор исходного компонента аминокислоты определяется диаграммой распределения. В изученном интервале рН исходным компонентом может быть цвиттер-ион или анион аминокислоты.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Общим признаком, характерным для всех аминокислот, входящих в состав белков (исключение составляет пролин), является наличие свободной карбоксильной группы и незамещенной аминогруппы у α-углеродного атома. Они отличаются количеством и природой заместителей в боковой цепи. Большинство аминокислот содержит углеводородные заместители различной степени гидрофобности, среди них – аланин, лейцин, валин и другие, аминокислоты с ароматическими заместителями – фенилаланин, тирозин, и гетероциклическим заместителем – триптофан. К аминокислотам с положительно заряженными (при рН 7) боковыми заместителями относятся гистидин, лизин, орнитин, аргинин, в молекулах которых присутствуют оснóвные группы – имидазольное кольцо, аминогруппы или гуанидиновая группировка. В состав молекул аспарагиновой и глютаминовой кислот входят дополнительные карбоксильные группы в β- и γ-положениях соответственно, вследствие чего их относят к кислым аминокислотам.
Аминокислоты в твердом состоянии и в водных растворах существуют в виде диполярных или цвитттер-ионов, т.е. карбоксильная группа ионизирована, а аминогруппа протонирована [15]. В полностью протонированной форме неполярной аминокислоты первым отщепляется протон карбоксильной группы, образуется цвиттер-ион, затем при рН > 9 отщепление протона NH$_{3}^{ + }$-группы приводит к образованию аниона.
Мы проверили способность нескольких аминокислот – глицина, гистидина, тирозина, триптофана, аспарагина, глутамина, аспарагиновой и глутаминовой кислот – сорбироваться на поверхности диоксида титана из водных растворов. Оказалось, что в заданных экспериментальных условиях заметной была адсорбция только двух последних аминокислот, которые содержат дополнительные карбоксильные группы. Последовательность отщепления протонов для этих кислых аминокислот определяется рядом: α-COOH, β- или γ-COOH, NH$_{3}^{ + }$ (табл. 1). В зависимости от рН аспарагиновая и глутаминовая кислоты существуют в растворах в нескольких формах: в кислой среде они присутствуют в виде катиона H3L+, при повышении рН ионизируется α-карбоксильная группа и образуется цвиттер-ион H2L±, потом ионизируется дополнительная карбоксильная группа с образованием моноаниона HL–, вследствие отщепления протона от протонированной аминогруппы в растворе появляется дианион L2–. На рис. 1 представлена диаграмма распределения различных форм глутаминовой кислоты, для аспарагиновой кислоты диаграмма выглядит примерно так же.
Таблица 1.
Формула | Ионная сила | рK1 | рK2 | рK3 |
---|---|---|---|---|
аспарагиновая кислота |
0.01 M | α-COOH 1.93 |
β-COOH 4.07 |
NH$_{3}^{ + }$ 10.00 |
0.1 M | 1.93 | 3.95 | 9.76 | |
глутаминовая кислота |
0.01 M | α-COOH 2.33 |
γ-COOH 4.40 |
NH$_{3}^{ + }$ 9.95 |
0.1 M | 2.33 | 4.28 | 9.71 |
Взаимодействие аминокислот с диоксидом титана в водных растворах электролита, в соответствии с положениями теории комплексообразования на поверхности [16], было интерпретировано как образование адсорбционных комплексов. Теория комплексообразования на поверхности находит количественное выражение в нескольких моделях, которые отличаются представлениями о строении двойного электрического слоя. Согласно базовой модели Штерна, функциональные группы оксида на поверхности раздела фаз в зависимости от рН присутствуют в виде нейтральных (≡TiOH), протонированных (≡TiOH$_{2}^{ + }$) и ионизированных (≡TiO–) частиц, которые частично связаны с ионами фонового электролита с образованием внешнесферных комплексов – ионных пар (≡TiOH$_{2}^{ + }$Cl– и ≡TiO–Na+). В кислой среде гидроксильные группы в основном протонированы, при рН выше точки нулевого заряда (рНpzc 6.5) преобладают ионизированные группы [17]. Поверхность подразделяется на две плоскости, одна из которых обозначается символом 0, в ней непосредственно происходит адсорбция потенциал-определяющих ионов и сильно сорбирующихся веществ. Во второй плоскости, обозначенной символом 1, располагаются противоионы фонового электролита и слабосорбирующиеся вещества. Частицы, расположенные в этих плоскостях, определяют величину и знак заряда поверхности. Константы равновесия реакций протонирования и ионизации гидроксильных групп, а также их взаимодействия с ионами электролита были определены нами ранее по данным потенциометрического титрования суспензий диоксида титана [17]:
На рис. 2 представлены результаты изучения адсорбции аспарагиновой и глутаминовой кислот в зависимости от рН и ионной силы. Величины адсорбции глутаминовой кислоты больше, чем аспарагиновой. На адсорбционных кривых наблюдаются максимумы, положения которых по шкале рН соответствуют константам ионизации карбоксильных групп в боковом заместителе аминокислоты. При увеличении ионной силы растворов величины адсорбции несколько увеличиваются. На этом же рисунке приведены концентрации протонированных групп диоксида титана при тех же значениях рН и ионной силы. Для аспарагиновой кислоты наблюдается полное соответствие концентраций протонированных групп и адсорбированной кислоты. В случае глутаминовой кислоты концентрации адсорбированного вещества несколько выше. Такое сопоставление позволяет предположить, что образование адсорбционных комплексов обусловлено электростатическими взаимодействиями протонированных групп поверхности и анионных форм аминокислоты. Возможно, такие взаимодействия реализуются только при наличии дополнительной карбоксильной группы. Во-первых, адсорбция аспарагиновой и глутаминовой кислот увеличивается по мере ионизации дополнительной карбоксильной группы. Во-вторых, нейтральные аминокислоты, а также аспарагин и глутамин – производные аспарагиновой и глутаминовой кислот, в которых карбоксильная группа замещена на амидную, не сорбируются в аналогичных условиях на поверхности диоксида титана. В молекуле обычной аминокислоты карбоксильная и аминогруппа прикреплены к одному и тому же атому углерода, что делает их притяжение и отталкивание протонированными функциональными группами диоксида титана равновероятными.
Сопоставление формы адсорбционной кривой с диаграммой распределения показывает, что адсорбция возрастает по мере увеличения в растворе содержания цвиттер-ионной формы аминокислоты. Было предположено, что аминокислота в виде цвиттер-иона взаимодействует с функциональными группами поверхности оксида титана. Наилучшее воспроизведение адсорбционной кривой, рассчитанной по программе GRFIT, реализуется в предположении протекания на поверхности следующей реакции:
Образующийся адсорбционный комплекс является внешнесферным, анион аминокислоты связан с протонированными группами оксида титана электростатически. В табл. 2 приведены рассчитанные константы равновесия этой реакции. Константу равновесия реакции можно пересчитать в константу комплексообразования или устойчивости поверхностного комплекса, если учесть константы протонирования гидроксильных групп ≡TiOH и ионизации аминокислоты. Сравнение полученных констант показывает, что глутаминовая кислота образует более устойчивый адсорбционный комплекс, хотя она отличается всего лишь одним звеном СН2.
Таблица 2.
Реакции на поверхности | Аспарагиновая | Глутаминовая | ||
---|---|---|---|---|
0.01 М | 0.1 М | 0.01 М | 0.1 М | |
≡ТiOH + H2L± ↔ ≡TiOH$_{2}^{ + }$HL– | 4.68 | 4.85 | 5.30 | 5.44 |
≡TiOH$_{2}^{ + }$ + HL– ↔ ≡TiOH$_{2}^{ + }$HL– | 3.55 | 3.60 | 4.50 | 4.52 |
≡ТiOH + H2L± ↔ ≡TiOHL± + Н2O | 1.62 | 1.68 | 1.85 | 1.90 |
≡ТiOH + ≡TiOL– + H+ + Н2O | –1.62 | –1.48 | –0.93 | –0.80 |
≡ТiOH + HL– ↔ ≡TiOL– + Н2O | 2.45 | 2.47 | 3.47 | 3.48 |
В литературе адсорбция аминокислот на поверхности оксида титана [9–11, 18, 19] в основном трактуется как образование комплексов с ковалентной связью, хотя спектроскопические данные, которые приводят для обоснования такого предположения, не кажутся однозначными. На возможность образования комплексов с ковалентными связями указывает бóльшая концентрация адсорбированной глутаминовой кислоты по сравнению с концентрацией протонированных групп ≡TiOH$_{2}^{ + }$ (рис. 2). Если предположить образование внутрисферных аминокислотных комплексов на поверхности оксида титана, то для моделирования адсорбционных кривых необходимо учесть протекание следующих реакций:
(1)
$\begin{gathered} \equiv {\kern 1pt} {\text{TiOH}} + {\text{HOOC}}{\kern 1pt} --{\kern 1pt} {\text{R}}{\kern 1pt} --{\kern 1pt} {\text{CH}}({\text{CO}}{{{\text{O}}}^{--}},{\text{NH}}_{3}^{ + }) \leftrightarrow \\ \leftrightarrow \; \equiv {\kern 1pt} {\text{TiO}}{\kern 1pt} --{\kern 1pt} {\text{C}}( = {\kern 1pt} {\text{O}}){\kern 1pt} --{\kern 1pt} {\text{R}}{\kern 1pt} --{\kern 1pt} {\text{CH}}({\text{CO}}{{{\text{O}}}^{--}},{\text{NH}}_{3}^{ + }) + {{{\text{H}}}_{{\text{2}}}}{\text{O}}, \\ \end{gathered} $(2)
$\begin{gathered} \equiv {\kern 1pt} {\text{TiOH}} + {\text{HOOC}}{\kern 1pt} --{\kern 1pt} {\text{R}}{\kern 1pt} --{\kern 1pt} {\text{CH}}({\text{CO}}{{{\text{O}}}^{--}},{\text{NH}}_{3}^{ + }) \leftrightarrow \\ \leftrightarrow \; \equiv {\kern 1pt} {\text{TiO}}{\kern 1pt} --{\kern 1pt} {\text{C}}( = {\kern 1pt} {\text{O}}){\kern 1pt} --{\kern 1pt} {\text{R}}{\kern 1pt} --{\kern 1pt} {\text{CH}}({\text{CO}}{{{\text{O}}}^{--}},{\text{N}}{{{\text{H}}}_{2}}) + \\ + \;{{{\text{H}}}_{{\text{2}}}}{\text{O}} + {{{\text{H}}}^{ + }}. \\ \end{gathered} $В табл. 2 эти уравнения реакций представлены в упрощенном виде, цвиттер-ионная форма аминокислоты HOOC–R–CH(COO–, NH$_{3}^{ + }$) обозначена как H2L±.
В таком предположении были обработаны все экспериментальные данные по адсорбции аминокислот в зависимости от рН и ионной силы. Учет этих двух реакций приводит к наилучшему соответствию рассчитанных и экспериментальных адсорбционных кривых. Константы равновесия реакций представлены в табл. 2.
Константу равновесия реакции (1), которая не сопровождается выделением протонов, можно рассматривать как константу устойчивости соответствующего комплекса на поверхности. Реакция (2) протекает с выделением протона, поэтому для пересчета ее константы равновесия в константу комплексообразования мы обработали экспериментальные данные по программе GRFIT, используя в качестве исходного компонента анионную форму аминокислоты.
В табл. 3 представлены два варианта матриц частиц, образующихся в растворе и на поверхности при адсорбции аминокислоты, которые отличаются исходным компонентом аминокислоты. Первые девять частиц одинаковы для обоих исходных компонентов. Частицы, содержащие аминокислоту (10–13), которые находятся в равновесии в водном растворе, и образующиеся на поверхности (14, 15), отличаются стехиометрией по протонам и величинами констант равновесия соответствующих реакций.
Таблица 3.
Частица | Компоненты | ||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
TiOH | exp0 | exp1 | Na+ | Cl– | Glu | H+ | lg K | ||
1 | TiOH | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
2 | TiOH$_{2}^{ + }$ | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 5.2 |
3 | TiO– | 1 | –1 | 0 | 0 | 0 | 0 | –1 | –7.8 |
4 | TiOH$_{2}^{ + }$Cl– | 1 | 1 | –1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 6.2 |
5 | TiO–Na+ | 1 | –1 | 1 | 1 | 0 | 0 | –1 | –6.8 |
6 | Na+ | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 |
7 | Cl– | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 |
8 | H+ | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 |
9 | OH– | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | –1 | –13.92 |
Исходный компонент – цвиттер-ион H2L± | |||||||||
TiOH | exp0 | exp1 | Na+ | Cl– | H2L± | H+ | lg K | ||
10 | H2L± | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 |
11 | H3L+ | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 2.33 |
12 | HL– | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | –1 | –4.40 |
13 | L2– | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | –2 | –14.35 |
14 | TiOHL± | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1.85* |
15 | TiOL– | 1 | 0 | –1 | 0 | 0 | 1 | –1 | –0.93* |
Исходный компонент – анион НL– | |||||||||
TiOH | exp0 | exp1 | Na+ | Cl– | HL– | H+ | lg K | ||
10 | НL– | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 |
11 | H2L± | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 4.40 |
12 | H3L+ | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 2 | 6.73 |
13 | L2– | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | –1 | –9.95 |
13 | TiOHL± | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 6.25* |
14 | TiOL– | 1 | 0 | –1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 3.47* |
Сравнение данных, представленных в табл. 2, показывает, что устойчивость комплексов глутаминовой кислоты несколько выше, чем комплексов аспарагиновой кислоты. Комплексы, образованные цвиттер-ионами, характеризуются меньшей устойчивостью, чем комплексы с анионной формой аминокислоты.
Рассчитанные в предположении образования внешне- и внутрисферных комплексов аминокислот адсорбционные кривые представлены на рис. 3. Для обеих аминокислот при разных ионных силах наблюдается достаточно хорошее соответствие экспериментальных и рассчитанных адсорбционных кривых.
Таким образом, установлено, что адсорбция аминокислот на поверхности диоксида титана может быть представлена и количественно охарактеризована как образование внешне- и внутрисферных комплексов, которые формируются за счет электростатических и ковалентных взаимодействий. Исследование адсорбции индивидуальных аминокислот из водных растворов показало, что наличие дополнительных протолитически активных групп увеличивает вероятность закрепления аминокислот на поверхности оксида титана. Аминокислоты в белках соединены между собой пептидными связями с участием α-аминных и карбоксильных групп. Связывание и взаимодействие белков с поверхностью оксидных материалов обусловливают, по-видимому, именно дополнительные функциональные группы кислой или оснóвной природы.
Список литературы
Moyano D.F., Rotello V.M. // Langmuir. 2011. V. 27. P. 10276.
Lee J., Mahendra S., Alvarez P.J.J. // ACS Nano. 2010. V. 4. P. 3580.
Moghimi S.M., Hunter A.C., Murray J.C. // FASEB J. 2005. V. 19. P. 311.
Ai J., Biazar E., Jafapour M. et al. // Int. J. Nanomed. 2011. V. 6. P. 1117.
Stark W.J. // Angew. Chem Int. Ed. 2011. V. 50. P. 1242.
Shemetov A.A., Nabiev I., Sukhanova A. // ACS Nano. 2012. V. 6. P. 4585.
Gagner J.E., Shrivastava S., Qian X. et al. // J. Phys. Chem. Lett. 2012. V. 3. P. 3149.
Okazaki S., Aoki T., Tani K. // Bull. Chem. Soc. Jpn. 1981. V. 54. P. 1595.
Mudunkotuwa I.A., Grassian V.H. // Langmuir. 2014. V. 30. P. 8751.
Roddick-Lanzilotta A.D., McQuillan A.J. // J. Colloid Interface Sci. 2000. V. 227. P. 48.
Giacomelli C.E., Avena M.J., De Pauli C.P. // Langmuir. 1995. V. 11. P. 3489.
McCaldin D.J. // Chem. Rev. 1960. V. 60. P. 39.
Westall J.C., Hohl H. // Adv. Colloid Interface Sci. 1980. V. 12. P. 265.
Ludwig Chr. GRFIT, a Program for Solving Speciation Problems, Evaluation of Equilibrium Constants, Concentrations, and Other Physical Parameters. Internal Report of University of Bern, 1992.
Ленинджер А. Биохимия М.: Мир, 1976. 957 с.
Davis J.A., Kent D.B. // Rev. Mineralog. 1990. V. 23. P. 177.
Vlasova N.N., Markitan O.V., Golovkova L.P. // Colloid J. 2015. V. 77. № 4. P. 425. https://doi.org/10.1134/S1061933X15040213
Jonsson C.M., Jonsson C.L., Sverjensky D.A. et al. // Langmuir. 2009. V. 25. P. 12127.
Parikh S.J., Kubicki J.D., Jonsson C.M. et al. // Langmuir. 2011. V. 27. P. 1778.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Журнал физической химии