1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Журнал физической химии
  4. T. 96, № 4, 2022

Журнал физической химии, 2022, T. 96, № 4, стр. 597-601

Константы протолитических равновесий в водном растворе гидразона пиридоксаль-5'-фосфата и L-тирозина

Е. С. Розанов a, К. В. Граждан a, *, А. Н. Киселев b, Г. А. Гамов a

a Ивановский государственный химико-технологический университет
Иваново, Россия

b Институт химии растворов им. Г.А. Крестова РАН
Иваново, Россия

* E-mail: grazhdan_kv@isuct.ru

Поступила в редакцию 12.10.2021
После доработки 12.10.2021
Принята к публикации 14.10.2021

Полный текст (PDF)

Аннотация

Спектрофотометрическим методом при 25.0 ± 0.1°C и близкой к нулю ионной силе определены константы протолитических равновесий в водном растворе гидразона пиридоксаль-5'-фосфата и L-тирозина. Полученные константы согласуются с литературными данными по схожим соединениям.

Ключевые слова: гидразон, пиридоксаль-5'-фосфат, L-тирозин, константы протолитических равновесий, спектрофотометрия

Пиридоксаль-5'-фосфат (далее PLP) – основная биокаталитически активная форма витамина B6, которая, наряду с другими витамерами B6, используется в качестве лекарственного средства [1]. Ферменты, в состав которых входит PLP, катализируют множество биохимических реакций, включая трансаминирование, дезаминирование, биосинтез нейротрансмиттеров и др. [2, 3]. L-тирозин – биологически активный энантиомер аминокислоты, входящей в состав белков множества живых организмов. Тирозин входит в состав ферментов, во многих из которых именно тирозину отведена ключевая роль в ферментативной активности и её регуляции. В составе ферментов соединение участвует в липидном обмене, регулирует аппетит, улучшает синтез меланина, нормализует работу надпочечников, гипофиза, щитовидной железы [4].

Гидразоны витамина В6, образующиеся при сочетании PLP (альдегида) с гидразидами, также привлекают внимание исследователей, благодаря своей биологической активности, которая включает антимикобактериальное [5], антипролиферативное [6] и антиоксидантное действие [7]. Эти гидразоны могут рассматриваться также в качестве потенциальных хелатирующих агентов для выведения из организма ионов тяжелых металлов [8], а их металлокомплексы с двухзарядными катионами d-металлов (например, с Cu2+) как заменители ферментов, вовлеченных в нейтрализацию активных форм кислорода. Как было недавно установлено, гидразоны витамина В6 и пиридинкарбогидразидов являются эффективными хелатирующими лигандами по отношению к ионам Cu(II), Zn(II) [8, 9], Ni(II), Co(III) [8, 10]. Таким образом, во-первых, хелатирующие агенты могут использоваться в качестве противоядия при интоксикации солями тяжелых металлов, а во-вторых, они могут лишать патогенных микроорганизмов ионов металлов, необходимых им для роста.

В растворах процессы комплексообразования и кислотно-основного взаимодействия часто являются конкурирующими. Количество и расположение в молекуле гидразона присоединенных протонов значительно влияет на его способность присоединять ионы металлов. В связи с этим, при исследовании координационных равновесий (то есть устойчивости образующихся комплексов) необходимо изучить кислотно-основные свойства лиганда. Более того, константы протонирования связаны с фармакокинетическими характеристиками потенциальных лекарственных средств, и потому определение их является одним из требований, предъявляемых при разработке новых фармацевтических препаратов [11].

Структурная формула гидразона пиридоксаль-5'-фосфата и L-тирозина (далее PLP-LTyr) приведена на рис. 1.

Рис. 1.

Структурная формула гидразона.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Гидразон PLP-LTyr синтезировали из пиридоксаль-5'-фосфата и L-тирозина по методике, описанной в работе. Успешность синтеза и чистота гидразона были подтверждены сравнением 1H, 13C ЯМР-спектроскопии и 1H, 13C HSQC спектров [12].

Гидроксид натрия марки “х.ч.” и хлорную кислоту марки “ч.” применяли без предварительной очистки, концентрации определяли по стандартным методикам [13]. Растворы готовились на бидистиллированной воде (κ = 3.6 мкСм/см3, pH 6.6).

В водных растворах PLP находится в виде цвиттер-ионов с протонированным атомом азота гетероцикла [14, 15], как и другие аналогичные производные пиридина (например, пиридоксин [16–18]). При растворении в воде гидразон, как и пиридоксаль-5'-фосфат, депротонируется по фосфатной группе с отщеплением двух протонов [19].

В ходе эксперимента был проведен ряд титрований частично нейтрализованного гидроксидом натрия раствора гидразона PLP-LTyr хлорной кислотой со снятием оптических спектров поглощения на спектрофотометре Shimadzu UV1800 в интервале длин волн 200–500 нм.

Измерения проводились в интервале рН от 3 до 13. В этом диапазоне возможно протекание реакций:

(1)
${{{\text{H}}}^{ + }} + {{{\text{L}}}^{{3 - }}} \rightleftarrows {\text{H}}{{{\text{L}}}^{{2 - }}},$
(2)
$2{{{\text{H}}}^{ + }} + {{{\text{L}}}^{{3 - }}} \rightleftarrows {{{\text{H}}}_{{\text{2}}}}{{{\text{L}}}^{ - }},$
(3)
$3{{{\text{H}}}^{ + }} + {{{\text{L}}}^{{3 - }}} \rightleftarrows {{{\text{H}}}_{{\text{3}}}}{\text{L}},$
где L3– – депротонированный по трем ступеням гидразон.

В ходе планирования эксперимента при помощи программного обеспечения KEV [20] были подобраны концентрационные условия для определения констант протолитических равновесий гидразона.

Для определения константы равновесия (1) раствор гидразона PLP-LTyr с концентрацией 0.00025 моль/л, нейтрализованный 0.002 моль/л NaOH, титровался 0.0054 моль/л раствором хлорной кислоты.

Для определения констант равновесий (2) и (3) раствор гидразона PLP-LTyr с концентрацией 0.00025 моль/л, нейтрализованный 0.0005 моль/л NaOH, титровался 0.0034 моль/л раствором HClO4. Результаты спектрофотометрического титрования также обрабатывали в KEV [20].

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Примеры полученных спектров поглощения растворов гидразона PLP-LTyr с различной кислотностью, использовавшиеся для расчета констант кислотно-основных равновесий, приведены на рис. 2.

Рис. 2.

Пример спектрофотометрического титрования гидразона PLP–LTyr. Стрелками показаны изменения оптической плотности при разных длинах волн по мере добавлений HClO4 к гидразону.

Примеры индивидуальных спектров форм растворов гидразона PLP-LTyr приведены на рис. 3. Из этих данных видно, что спектры максимально ионизированного и однократно протонированного гидразона схожи между собой, однако, протонирование увеличивает интенсивность светопоглощения во всем спектральном диапазоне. Это может указывать на то, что в исследуемом гидразоне первый протон присоединяется не к иминному атому азота, как в его аналогах [19, 21], а к фосфатной группе, т.к. известно, что протонирование кислород- и азотсодержащих функциональных групп существенно влияет на спектр поглощения хромофорной системы [22, с. 239]. При присоединении второго и третьего протона к гидразону, светопоглощение в интервале 360–430 нм ослабевает, следовательно, протонирование может идти по атомам азота или гидроксогруппе в положении 3 остатка PLP. Аналогичные спектральные изменения при протонировании наблюдались и ранее [19].

Рис. 3.

Электронные спектры поглощения различных протонированных форм гидразона пиридоксаль-5'-фосфата и L-тирозина: L3– – 1, HL2– – 2, H2L– – 3, H3L – 4.

Логарифмы констант равновесия рассчитывались при помощи программы KEV: Constant Evaluator [20]. Данная программа производит расчет констант равновесий на основании заданных общих концентраций участников реакции и спектров поглощений в каждой точке титрования. KEV реализует статистический подход к решению задач равновесия, поэтому его можно широко применять в различных системах с получением более точного и надежного результата (по сравнению с традиционными графическими методами).

Полученные логарифмы констант протолитических равновесий приведены в таблице 1 вместе с литературными данными по родственным гидразонам. Данные по гидразонам пиридоксаль-5'-фосфата и гидразида изоникотиновой кислоты (PLP-INH), пиридоксаль-5'-фосфата и гидразида фурановой кислоты (PLP-F2H), пиридоксаль-5'-фосфата и гидразида тиофен-2-карбоновой кислоты (PLP-T2H), пиридоксаль-5-фосфата и гидразида тиофен-3-карбоновой кислоты (PLP-T3H), пиридоксаль-5'-фосфата и гидразида пиразиновой кислоты (PLP-TZAH), указанные в таблице 1, взяты в работе [19].

Таблица 1.  

Логарифмы констант протолитических равновесий

Гидразон PLP–INH PLP–F2H PLP–T2H PLP–T3H PLP–PZAH PLP–LTyr*
$\lg {{\beta }_{1}}$ 11.37 11.43 11.47 11.48 11.36 11.04 ± 0.08*
$\lg {{\beta }_{2}}$ 19.60 19.72 19.75 19.31 19.62 20.20 ± 0.11*
$\lg {{\beta }_{3}}$ 23.81 23.79 24.24 24.15 24.26 23.68 ± 0.12*

* Данные, полученные в настоящей работе.

Как видно из данных таблицы 1, значения констант протолитических равновесий гидразона PLP-LTyr близки к значениям, полученным для родственных гидразонов на основе PLP.

По полученным константам построена диаграмма долевого распределения частиц в зависимости от pH (рис. 4). На этой диаграмме можно выделить интервал рН, близкой к 6–6.5 ед., в котором преобладает одна форма гидразона PLP-LTyr – H2L–. За пределами этого диапазона в растворе присутствуют одновременно минимум две формы гидразона, что необходимо учитывать при исследовании координационных равновесий с его участием. Следует также отметить, что соединение PLP-LTyr растворяется тем лучше, чем в большей степени оно диссоциирует, следовательно, при рН, равной физиологическому значению, гидразон будет малорастворим.

Рис. 4.

Зависимости выхода частиц L3–, HL2–, H2L– и H3L от рН раствора.

Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ (государственное задание, проект № FZZW-2020-0009) с использованием ресурсов Центра коллективного пользования научным оборудованием ИГХТУ (при поддержке Минобрнауки России, соглашение № 075-15-2021-671).

Список литературы

  1. McCormick D.B. Biochemistry of coenzymes / R.A. Meyers (Ed.), Encyclopedia of Molecular Biology and Molecular Medicine, V. 1. VCH. Weinheim, Germany, 1996. P. 396.

  2. di Salvo M.L., Safo M.K., Contestabile R. // Front. Biosci. (Elite Ed.). 2012. V. 4. P. 897. https://doi.org/10.2741/428

  3. Percudani R., Peracchi A. // EMBO Rep. 2003. V. 4 (9). P. 850. https://doi.org/10.1038/sj.embor.embor914

  4. Мнджоян О.Л., Агаджанян Ц.Е. // Хим.-фарм. журн. 1971. № 7. С. 4.

  5. Nogueira T.C.M., dos Santos Cruz L., Lourenço M.C., de Souza M.V.N. // Letters in Drug Design & Discovery. 2019. V. 16. Iss. 7. P. 792. https://doi.org/10.2174/1570180815666180627122055

  6. Richardson D.R., Tran E.H., Ponka P. // Blood. 1995. V. 86. Iss. 11. P. 4295. https://doi.org/10.1182/blood.V86.11.4295.bloodjournal86114295

  7. Hermes-Lima M., Gonçalves M.S., Andrade R.G. // Mol. Cell Biochem. 2001. V. 228. P. 73.https://doi.org/10.1023/A:1013348005312

  8. Гамов Г.А., Завалишин М.Н., Хохлова А.Ю. и др. // Журн. общ. химии. 2018. Т. 88. № 7. С. 1144. DOI: (Gamov G.A., Zavalishin M.N., Khokhlova A.Y. et al. // Russ. J. Gen. Chem. 2018. V. 88. № 7. P. 1436. https://doi.org/10.1134/S107036321807014910.1134/S1070363218070149).https://doi.org/10.31857/S0044457X20010201

  9. Siqueira J.D., Pellegrin S.F., dos Santos S.S. et al. // J. Inorg. Biochem. 2020. V. 204. P. 110950.https://doi.org/10.1016/j.jinorgbio.2019.110950

  10. Gamov G.A., Zavalishin M.N., Khokhlova A.Y. et al. // J. Coord. Chem. 2018. V. 20. P. 3304.https://doi.org/10.1080/00958972.2018.1512708

  11. Manallack D.T. // Perspectives in Medicinal Chemistry. 2007. V. 1. P. 25. https://doi.org/10.1177/1177391X0700100003

  12. Гамов Г.А., Завалишин М.Н. // Журн. неорган. химии. 2021. Т. 66. № 10. Принята к печати.

  13. Пономарёв В.Д. Аналитическая химия, ч. 2. М.: Высш. школа, 1982. 288 с.

  14. Szpoganicz B., Martell A.E. // J. Am. Chem. Soc. 1984. V. 106. Iss. 19. P. 5513. https://doi.org/10.1021/ja00331a020

  15. Limbach H.H., Chan-Huot M., Sharif S. et al. // Biochim. Biophys. Acta. 2011. V. 1814. P. 1426. https://doi.org/10.1016/j.bbapap.2011.06.004

  16. Sanchez-Ruiz J. M., Llor J., Cortijo M. // J. Chem. Soc. Perk. Trans. 2. 1984. P. 2047. https://doi.org/10.1039/P29840002047

  17. Llor J., Munoz L. // J. Org. Chem. 2000. V. 65. P. 27162722. https://doi.org/10.1021/jo991821t

  18. Metzler D.E., Harris C.M., Johnson R.J. et al. // Biochem. 1973. V. 12. Iss. 26. P. 5377. https://doi.org/10.1021/bi00750a022

  19. Gamov G.A., Meshkov A.N., Zavalishin M.N. et al. // J. Mol. Liq. 2020. V. 305. Article number 112822. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2020.112822

  20. Meshkov A.N., Gamov G.A. // Talanta. 2019. V. 198. P. 200. https://doi.org/10.1016/j.talanta.2019.01.107

  21. Echevarría G.R., Basagoitia A., Santos J.G., Blanco F.G. // J. Mol. Cat. A: Chem. 2000. P. 209–215. https://doi.org/10.1016/S1381-1169(00)00266-1

  22. Чекалин М.А., Пассет Б.В., Иоффе Б.А. Технология органических красителей и промежуточных продуктов. Л.: Химия, 1980. 472 с.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Журнал физической химии

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал