Журнал физической химии, 2021, T. 95, № 11, стр. 1696-1704

Объемные свойства растворов

Кажущийся мольный объем Ura (^φV) вычислен с использованием экспериментальных данных по плотности и уравнения:

где ρ₀ и ρ – плотности растворителя и раствора (г см^–3), m – моляльная концентрация Ura (моль кг^–1), М – молекулярная масса Ura. Растворителем в бинарных водных растворах (Ura–буфер) является буферный раствор, а в тройных системах (Ura – аминокислота–буфер) – буферный раствор аминокислоты (His) (с фиксированной концентрацией 0.0125 моль кг^–1). На рис. 1 представлены концентрационные зависимости кажущихся мольных объемов Ura ^φV = f(m) в бинарной и тройной системах, соответственно, при разных температурах. Форма полученных изотерм может свидетельствовать о связывании растворенных веществ в комплекс [23, 31, 32]. Определена стехиометрия образуемого молекулярного комплекса, фиксируемая по максимуму на концентрационной зависимости кажущегося мольного объема Ura в трехкомпонентной системе урацил–аминокислота–буфер (рис. 1б). Максимальные значения ^φV приходятся на концентрацию m_Ura = = 0.0249 моль кг^–1, которая соответствует молярному соотношению 1His : 2Ura. Зависимости стехиометрии образуемого комплекса от температуры не обнаружено.

Концентрационные зависимости ^φV = f(m) хорошо аппроксимируются полиномами второй и третьей степени, соответственно, для бинарной (Ura–буфер) и тройной (Ura–Phe–буфер) систем:

где ^φV° – предельное значение кажущегося молярного объема, равное парциальному молярному объему при бесконечном разбавлении, B₁, B₂ и $B_{1}^{'}$, $B_{2}^{'}$, $B_{3}^{'}$ – постоянные коэффициенты. Получены положительные значения ^φV°, которые увеличиваются с ростом температуры (табл. 3). При образовании комплекса между His и Ura происходит вытеснение электрострикционно сжатых молекул воды, находящихся в гидратных сферах цвиттерионов His и молекул Ura, в объем раствора, что приводит к расширению общего объема раствора при более высокой температуре.

Кажущиеся мольные объемы переноса (Δ_tr^φV°) при бесконечном разбавлении для Ura из буфера в буферный раствор аминокислоты вычислены по соотношению:

Наблюдаемые положительные значения Δ_tr^φV° могут быть обусловлены эффектами дегидратации растворенных веществ и, прежде всего, отражать уменьшение электрострикционного сжатия молекул воды, находящихся в гидратных оболочках реагентов, при их вытеснении в объем раствора в процессе образования комплекса между His и Ura [33, 34]. Согласно модели перекрывания гидратных сфер Гэрни [35, 36], отрицательные изменения объема предполагают ион-гидрофобные и гидрофобно-гидрофобные взаимодействия Ura с His, тогда как ион-гидрофильные и гидрофильно-гидрофильные взаимодействия дают положительные вклады. Иными словами, взаимодействия между регентами, обусловленные, преимущественно, электростатическими силами и водородными связями, сопровождаются увеличением объема (${{\Delta }_{{{\text{tr}}}}}V_{\varphi }^{0} > 0$), а его понижение (${{\Delta }_{{{\text{tr}}}}}V_{\varphi }^{0} < 0$) имеет место в случае участия во взаимодействии неполярных групп (гидрофобные силы)] [31, 32, 37]. Между компонентами (Ura и His) исследуемой тройной системы возможны следующие взаимодействия: (1) цвиттерион-гидрофильные взаимодействия между зарядными группами ${\text{NH}}_{3}^{ + }{\text{/CO}}{{{\text{O}}}^{ - }}$ аминокислоты (АК) и гидрофильными группами (>C=O, >NH) урацила; (2) гидрофильно-гидрофильные взаимодействия между полярными фрагментами His и гидрофильными группами Ura; (3) гидрофильно-гидрофобные взаимодействия между полярными/неполярными группами аминокислоты и неполярными/полярными группами нуклеинового основания (НО); (4) гидрофобно-гидрофобные взаимодействия между неполярными фрагментами АК и гидрофобными группами НО. Два первых типа взаимодействия дают положительные вклады в ${{\Delta }_{{{\text{tr}}}}}V_{\varphi }^{0}$, а третий и четвертый типы приводят к отрицательным значениям ${{\Delta }_{{{\text{tr}}}}}V_{\varphi }^{0}$ [23, 38]. Полученные положительные изменения объема $\Delta V_{{{\text{tr}}}}^{^\circ }$ свидетельствуют о том, что в растворах Ura в присутствии His взаимодействия первых двух типов доминируют в условиях существующей конкуренции между различными типами взаимодействий в исследуемых растворах. Таким образом, можно предположить, что комплексы His с молекулами Ura могут быть образованы за счет цвиттерион-гидрофильных взаимодействий и образования водородных связей, что согласуется с литературными данными [39].

Температурные зависимости парциальных мольных объемов ^φV° урацила в буфере и буферном растворе аминокислоты, представленные на рис. 2, описываются уравнением:

где α, β и γ – константы, T – температура. Значения (∂^φV°/∂T)_p и (∂^2φV°/∂T²)_p были получены путем дифференцирования уравнения (5). В табл. 3 приведены рассчитанные первые производные (∂^φV°/∂T)_p, положительные значения которых указывают на высвобождение электрострикционно сжатой воды из гидратных сфер His и Ura в раствор в процессе их связывания в комплекс, что сопровождается увеличением объема системы. Показано, что величины (∂^φV°/∂T)_p проявляют тенденцию к повышению с температурой как в бинарной (Ura–буфер), так и в тройной (Ura–His–буфер) системах.

На основе использования уравнения Хеплера [40]:

можно количественно оценить воздействие растворенных веществ на структру растворителя. Положительный знак второй производной (∂^2φV°/∂T²)_p свидетельствует о структурно-образующей способности растворенного вещества, а его отрицательная величина указывает на структурно-разрушающие свойства в водном растворе. В нашем случае значения (∂^2φV°/∂T²)_p составляют 0.0029 см⁶ моль^–2 K^–2 для Ura в водном буферном растворе и 0.0265 см⁶ моль^–2 K^–2 для Ura в водном буферном растворе, содержащем His. Полученные результаты показывают, что растворение полярного вещества Ura в буферном растворе, по-видимому, индуцирует структурирование окружающих молекул воды в соответствии с моделью гидрофобной гидратации [41]. В случае растворов Ura в буфере, содержащем аминокислоту, также наблюдается стабилизация структуры растворителя вследствие процессов ассоциации. При этом можно предположить, что буферные системы с Ura и His более структурированы, чем буферные растворы урацила.

Теплоемкостные свойства растворов

Значения кажущейся молярной теплоемкости урацила (^ϕC_p) в буфере и буферном растворе с гистидином определены из экспериментальных данных удельной теплоемкости с использованием уравнения (7):

где с_p и $с_{p}^{^\circ }$ – удельные теплоемкости, соответственно, раствора и растворителя (Дж К^–1 г^–1), m – моляльная концентрация растворенного вещества Ura (моль кг^–1), M – молярная масса Ura (г моль^–1). Значения ^ϕC_p урацила получены как функция его концентрации при постоянной концентрации аминокислоты (0.0125 ± 0.0002 моль кг^–1). Погрешность определения ^ϕC_p не превышает 2%.

Анализ полученных данных показал, что концентрационные изменения значений ^ϕC_p урацила в буферном растворе близки к линейным и могут быть выражены уравнением:

а изотермы ^ϕC_p для тройной системы Ura–His–буфер аппроксимируются полиномом второй степени: во всем изученном диапазоне параметров (m, Т). Здесь $^{\phi }C_{p}^{^\circ }$ – предельное значение кажущейся мольной теплоемкости, равное парциальной мольной теплоемкости при бесконечном разбавлении, A₁, $A_{1}^{'}$ and $A_{2}^{'}$ – постоянные коэффициенты. На рис. 3 представлены концентрационные зависимости кажущихся мольных теплоемкостей урацила в изученной области температур, которые носят нелинейный характер в тройной системе Ura–His–буфер в отличие от бинарной смеси Ura–буфер. Следует отметить, что в указанных условиях эксперимента (m, T) наблюдаемые тенденции к понижению значений ^ϕC_p с ростом концентрации Ura и линейный характер полученных зависимостей ^ϕC_p = f(m) для системы Ura-буфер проявляются и для его водных растворов [42, 43]. Как известно [44], если в растворах отсутствуют изменения во взаимодействиях растворенное вещество–растворитель и растворенное вещество–растворенное вещество, то теплоемкостные свойства раствора будут находиться в линейной зависимости от концентрации.

Как видно из табл. 4, значения парциальной молярной теплоемкости ($^{\phi }C_{p}^{^\circ }$) урацила положительны для исследуемых систем и возрастают с температурой в интервале (288.15–313.15) К. По-видимому, нуклеиновое основание (Ura), имеющее в своей структуре гидрофильные и гидрофобные группы, индуцирует структурирование растворителя, как за счет гидрофобной гидратации, так и взаимодействия с растворенной аминокислотой [41, 42]. Увеличение $^{\phi }C_{p}^{^\circ }$ с температурой может указывать на то, что взаимодействия между молекулами растворенных веществ сильнее, чем межмолекулярная водородная связь между молекулами воды.

В исследуемых растворах при изменении концентрации Ura происходят структурные превращения, обусловленные изменениями гидрофобных, гидрофильных и электростатических взаимодействий, приводящих, в конечном итоге, к связыванию Ura с His. Обычно положительный вклад в величину кажущейся молярной теплоемкости растворенного вещества дают эффекты дегидратации и увеличения степеней свободы и интенсивности молекулярных движений, что ведет к разрушению структуры раствора. В то же время, эффекты ассоциации и гидратации, образование более упорядоченных структур, сопровождающиеся уменьшением степеней свободы молекул растворенных веществ, приводят к отрицательному вкладу в значения ^ϕC_p [45, 46]. Как показано на рис. 3, с увеличением концентрации Ura наблюдается понижение значений кажущейся молярной теплоемкости. По-видимому, в случае растворения Ura в водном буферном растворе и водном буферном растворе, содержащем полярную гетероциклическую аминокислоту (His), можно говорить о преобладании вклада от эффекта гидрофобного структурирования среды и образования молекулярного комплекса Ura с His в общую теплоемкость раствора.

Структурные изменения, происходящие в растворе в процессе связывания Ura с His, можно объяснить на основе использования модели Гэрни о перекрывания ко-сфер молекул растворенных веществ, как это было показано выше при интерпретации объемных свойств [36, 47]. Изменение парциальной мольной теплоемкости (${{\Delta }_{{{\text{tr}}}}}C_{p}^{^\circ }$) при переносе Ura из буфера в буферные растворы с аминокислотой определено по соотношению:

Полученные положительные значения ${{\Delta }_{{{\text{tr}}}}}C_{p}^{^\circ }$ (от 2.92 до 4.37 Дж K^–1 г^–1 в интервале от 288.15 до 313.15 К) обычно указывают на то, что в присутствии Ura водные буферные системы His более структурированы, чем буферный растворитель [23, 32, 38, 45, 46]. Образование молекулярного комплекса между Ura и His приводит к потере некоторых степеней свободы, что дает отрицательный вклад в ${{\Delta }_{{{\text{tr}}}}}C_{p}^{^\circ }$, при этом имеет место дегидратация молекул растворенных веществ, что вносит положительный вклад в ${{\Delta }_{{{\text{tr}}}}}C_{p}^{^\circ }$ [47]. Положительные значения ${{\Delta }_{{{\text{tr}}}}}C_{p}^{^\circ }$ свидетельствуют, что взаимодействия полярных гидрофильных групп нуклеинового основания (>C=O, >NH) с цвиттерионными группами (COO^–/${\text{NH}}_{3}^{ + }$) аминокислоты через перекрывание их гидратных сфер и образование водородных связей доминируют над цвиттерион-гидрофобными взаимодействиями между зарядными центрами His и пиримидинового кольца Ura [44, 48]. Как и в случае $\Delta V_{{{\text{tr}}}}^{^\circ }$, значения ${{\Delta }_{{{\text{tr}}}}}C_{p}^{^\circ }$ проявляют тенденцию к возрастанию с повышением температуры.

Температурные зависимости парциальной мольной теплоемкости ($^{\phi }C_{p}^{^\circ }$) при бесконечном разбавлении описываются полиномом второй степени как для бинарной (Ura–буфер), так и тройной (Ura–His–буфер) систем (рис. 2):

Здесь Т – температура (К), a, b₁ и b₂ – константы. Значения полученных первых производных ${{({{\partial }^{\phi }}C_{p}^{^\circ }{\text{/}}\partial T)}_{p}}$ приведены в табл. 4. Видно, что для исследуемого пиримидинового нуклеинового основания значения ${{({{\partial }^{\phi }}C_{p}^{^\circ }{\text{/}}\partial T)}_{p}}$ положительны, что подтверждает полярный характер молекул Ura [41, 49]. Следует отметить, что для тройной системы Ura–His–буфер наблюдаются более высокие значения ${{({{\partial }^{\phi }}C_{p}^{^\circ }{\text{/}}\partial T)}_{p}}$ по сравнению с бинарной системой Ura–буфер из-за присутствия аминокислоты, содержащей как полярные, так и неполярные фрагменты в молекуле.

Таким образом, методами денсиметрии и ДСК определены плотности и удельные теплоемкости буферных растворов, содержащих урацил и L-гистидин в интервале температур 288.15–313.15 К. Вычислены кажущиеся и парциальные молярные свойства (^φV, ^ϕC_p) урацила, а также предельные кажущиеся молярные свойства переноса Ura из буферного раствора в буферный раствор с аминокислотой. Показано, что функции ^φV = f(m) и ^ϕC_p = f(m) имеют нелинейный характер. Полученные данные позволили обнаружить структурные изменения в водных буферных растворах Ura с His, соответствующие образованию между ними молекулярного комплекса.

Определены параметры ${{({{\partial }^{\phi }}C_{p}^{^\circ }{\text{/}}\partial T)}_{p}}$, (∂^φV°/∂T)_p и (∂^2φV°/∂T²)_p для Ura в водном буферном растворе и водном буферном растворе аминокислоты. Выявленная тенденция в изменении их значений при различных температурах показывает, что буферные системы с Ura и His более структурированы, чем буферные растворы урацила. Полученные результаты показывают, что исследуемое нуклеиновое основание (Ura), имеющее в своей структуре гидрофильные и гидрофобные группы, индуцирует структурирование растворителя, как за счет гидрофобной гидратации, так и вследствие взаимодействия с растворенной гетероциклической аминокислотой (His) в буферном растворе.

Наблюдаемые положительные значения свойств переноса Ura из буфера в буферный раствор с His ($\Delta V_{{{\text{tr}}}}^{^\circ }$, ${{\Delta }_{{{\text{tr}}}}}C_{p}^{^\circ }$) при изученных температурах являются результатом компенсации отрицательных и положительных вкладов в их величину, соответственно, от гидрофобных взаимодействий аполярных фрагментов молекул Ura с His и от ион-гидрофильных взаимодействий цвиттерионов His с полярными группами Ura и образования водородных связей.

Измерения плотности и удельной теплоемкости выполнены на оборудовании центра коллективного пользования “Верхневолжский региональный центр физико-химических исследований” ИХР РАН (http://www.isc-ras.ru/ru/struktura/ckp).