1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Журнал физической химии
  4. T. 96, № 12, 2022

Журнал физической химии, 2022, T. 96, № 12, стр. 1766-1770

Влияние структурной и оптической изомерии алифатических дипептидов на энтальпийные характеристики взаимодействия с ксилитом в воде

И. Н. Межевой a, *, Н. М. Громова b

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

b Ивановский государственный химико-технологический университет
Иваново, Россия

* E-mail: inm@isc-ras.ru

Поступила в редакцию 15.04.2022
После доработки 13.05.2022
Принята к публикации 16.05.2022

Полный текст (PDF)

Аннотация

Методом калориметрии растворения получены энтальпии растворения ΔsolHm L-α-аланил–L-α-аланина, DL-α-аланил-DL-α-аланина и β-аланил-β-аланина в водных растворах с ксилитом при концентрации многоатомного спирта до 1 моль/кг р-ля. Рассчитаны стандартные значения энтальпий растворения (ΔsolН0) и переноса (ΔtrН0) дипептидов из воды в водные растворы ксилита. Рассчитанные энтальпийные коэффициенты парных взаимодействий дипептидов с молекулами многоатомного спирта имеют положительные и отрицательные значения. Обнаружено влияние изомерии пептидов на энтальпийные характеристики их взаимодействия с ксилитом в водных растворах. Проведен анализ влияния различных типов взаимодействий в растворах и структурных особенностей биомолекул на термохимические характеристики растворения олигопептидов.

Ключевые слова: дипептиды, ксилит, энтальпия растворения, водный раствор, гидрофобное взаимодействие

Известно, что многоатомные спирты помогают в стабилизации природных конформаций шаровидных белков и моделируют гидрофильную наружную часть клеточной мембраны [1–3]. “Сахарные” многоатомные спирты находят широкое применение как стабилизируюшие и безопасные добавки в пищевой и фармацевтической промышленностях, как заменители сахарозы при заболеваниях диабетом [4]. Комплексное изучение физико-химических и термодинамических параметров взаимодействия пептидов с биомолекулами необходимо для более глубокого понимания механизмов стабилизации белков в растворах и количественной оценки параметров энергии взаимодействия в трехкомпонентной системе [5, 6].

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Измерения энтальпий растворения дипептидов проводили на калориметре переменной температуры с изотермической оболочкой [7]. Объем калориметрической ячейки составил ~110 мл. Для оценки точности и надежности работы калориметрической установки были измерены тепловые эффекты растворения KCl в воде при 298.15 К. Из десяти независимых измерений энтальпий растворения KCl в Н2О получено значение стандартной ΔsolH0 = 17.23 ± 0.06 кДж/моль, которое хорошо согласуется с рекомендуемой величиной в литературе (17.22 ± 0.04 кДж/моль) [8, 9].

Навески пептидов тщательно растирались в ступке для уменьшения времени растворения и высушивалась до постоянной массы. Далее дипептид помещали в тонкостенную стеклянную ампулу, закрывали силиконовой пробкой и взвешивали на весах ВЛР-200 с точностью 1 × 10–4 г. После ампулу запаивали и помещали в ампулодержатель в реакционном стакане. Навески ксилита и растворитель взвешивали также на весах ВЛР-200 с точностью 1 × 10–4 г. После сборки калориметрическую ячейку помещали в блок вторичного термостатирования и система термостатировалась при заданной температуре. Достижение термического равновесия определяли по горизонтальному ходу графопостроителя. После разбития ампулы записывался начальный и конечный период опытов. Затем система в зависимости от теплового эффекта нагревалась или охлаждалась и, после достижения равновесия, проводилась калибровка электрическим током. Калибровка проводилась таким образом, чтобы ход графопостроителя был как можно ближе к ходу во время опыта (Δlоп ∼ Δlк). При этом сила тока выбиралась так, чтобы время калибровки составляло не менее 100 с. Полученные кривые изменения температуры во времени t = f(τ) обрабатывались графическим методом [10] и вычислялся тепловой эффект растворения дипептида.

Концентрация дипептидов варьировалась в интервале 0.006–0.007 моль/кг. Средние арифметические значения из 2–3 полученных величин энтальпий растворения ΔsolНm дипептида в исследованной концентрационной области при моляльностях до 0.01 моль/кг можно принять за стандартные значения ΔsolН0 ввиду низких концентраций биомолекулы и отсутствием концентрационной зависимости [11–13]. Все дипептиды (Reanal, 98+%) перед экспериментом подвергали перекристаллизации из смеси вода–этанол, сушили под вакуумом при 343 К в течение 48 ч. В экспериментах использовали дважды дистиллированную воду. Ксилит (Acros Organics, 99+%) использовали без дополнительной очистки. Растворы готовили весовым методом с точностью до 0.0001 г.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Рассчитанные стандартные энтальпии растворения по ΔsolН0 L-α-аланил-L-α-аланина (Ala-Ala), DL-α-аланил-DL-α-аланина (DL-Ala-DL-Ala) и β-аланил-β-аланин (β-Ala-β-Ala) в растворах воды с ксилитом (Xyl) представлены в табл. 1. Энтальпии переноса дипептидов рассчитывали по формуле:

(1)
$\begin{gathered} {{\Delta }_{{{\text{tr}}}}}{{Н}^{0}}({\text{w}} \to {\text{w}} + {\text{y}}) = {{\Delta }_{{{\text{sol}}}}}{{Н}^{0}}({\text{x}} \to {\text{w}} + {\text{y}}) - \\ --\;{{\Delta }_{{{\text{sol}}}}}{{Н}^{0}}({\text{x}} \to {\text{w}}), \\ \end{gathered} $
где ΔtrН0(w → w + y) – стандартные энтальпии переноса дипептидов из воды в водные растворы ксилита, ΔsolН0(x → w + y) – стандартные энтальпии растворения дипептидов в водном растворе ксилита, ΔsolН0(x → w) – стандартные энтальпии растворения дипептидов в воде.

Таблица 1.  

Стандартные энтальпии растворения ΔsolН0 (кДж/моль) дипептидов в смешанном растворителе вода– ксилит при 298.15 К

L-α-аланил-L-α-аланин DL-α-аланил-DL-α-аланина β-аланил-β-аланин
m –ΔsolН0 m –ΔsolН0 m ΔsolН0
0 10.79 ± 0.06 0 7.29 ± 0.05 0 5.67 ± 0.04
0.1 10.37 ± 0.06 0.1 7.04 ± 0.05 0.1 5.34 ± 0.04
0.2 9.99 ± 0.06 0.2 6.81 ± 0.05 0.2 5.01 ± 0.04
0.3 9.71 ± 0.06 0.3 6.61 ± 0.05 0.3 4.73 ± 0.04
0.4 9.47 ± 0.06 0.4 6.47 ± 0.05 0.4 4.51 ± 0.04
0.5 9.33 ± 0.06 0.5 6.34 ± 0.05 0.5 4.33 ± 0.03
0.6 9.18 ± 0.06 0.6 6.21 ± 0.05 0.6 4.15 ± 0.03
0.7 9.14 ± 0.06 0.7 6.13 ± 0.05 0.7 4.07 ± 0.03
0.8 9.13 ± 0.06 0.8 6.09 ± 0.04 0.8 3.99 ± 0.03
0.9 9.24 ± 0.06 0.9 6.08 ± 0.04 0.9 3.94 ± 0.03
1.0 9.39 ± 0.06 1.0 6.10 ± 0.04 1.0 3.90 ± 0.03

Обозначения: m – моляльность ксилита (моль/кг).

Зависимости энтальпий переноса ΔtrН0 L-аланина [14] и изученных дипептидов из воды в водные растворы многоатомного спирта от мольной доли ксилита (Х2) представлены на рис. 1.

Рис. 1.

Зависимости энтальпий переноса (ΔtrН0) аминокислоты и дипептидов из воды в ее смеси с ксилитом от мольной доли многоатомного спирта (Х2) при 298.15 К: 1 – L-Ala-L-Ala, 2 – DL-Ala-DL-Ala, 3 – L‑Ala [7], 4 – β-Ala-β-Ala.

Как видно из рис. 1, полученные зависимости для L-Ala и дипептидов ΔtrН0 от мольной доли сорастворителя имеют экстремальный характер поведения в исследованном интервале концентраций многоатомных спиртов. Энтальпии переноса определяются различными вкладами с противоположными знаками от конкурирующих в растворе взаимодействий различной природы и процессов гидратации. Для анализа построенных графических зависимостей был использован подход, основанный на анализе модели взаимодействий растворенного вещества и сорастворителя [15]. В трехкомпонентных системах дипептид – ксилит – вода молекулы гидратированных растворенных веществ находятся в непосредственной близости в процессе взаимодействия. В результате происходит частичная дегидратация веществ, что приводит к изменению природы и характера межмолекулярных взаимодействий в трехкомпонентных растворах. Рассчитанные энтальпии переноса для дипептидов будут определяться суммой вкладов теплот растворения с противоположными знаками. Происходящие изменения термохимических величин в многокомпонентной системе можно описать уравнением с несколькими слагаемыми с различными знаками:

(2)
${{\Delta }_{{{\text{tr}}}}}{{Н}^{0}} = --\Delta {{Н}_{1}}--\Delta {{Н}_{2}} + \Delta {{Н}_{3}} + \Delta {{Н}_{4}},$
где ΔН1 – ион-биполярные взаимодействия, происходящие между цвиттерионными центрами дипептидов и аминокислоты и ОН-группами многоатомного спирта; ΔН2 – гидрофильно-гидрофильные групповые взаимодействия между пептидными группами олигопептидов С=О–NH и –ОН-группой полиспиртов, происходящие через образование водородной связи; ΔН3 – гидрофобно-гидрофильные взаимодействия между неполярными областями дипептидов и L-аланина или ксилита и ОН-группами многоатомного спирта или цвиттерионных центров дипептидов и аминокислоты; ΔН4 – гидрофобно-гидрофобные взаимодействия между неполярными областями дипептидов (аминокислоты) и многоатомного спирта.

Первые два типа взаимодействия вносят отрицательный, а третий и четвертый типы − положительные вклады в ΔtrН0 дипептидов из воды в раствор ксилита с водой. Положительные значения ΔtrН0 для DL-α-Ala-DL-α-Ala и L-α-Ala-L-α-Ala во всем интервале составов в растворах ксилита (рис. 1), указывают на преобладание третьего (ΔН3) и четвертого (ΔН4) типов взаимодействий. После прохождения максимума энтальпии переноса плавно уменьшаются, что означает доминирование ион-биполярных и гидрофильно-гидрофильных групповых взаимодействий. Преобладание данных типов взаимодействий особенно проявляется для линейного изомера диаланина с наиболее отрицательными энтальпиями переноса во всем интервале концентраций ксилита. При увеличении концентраций ксилита взаимодействия между полярными группами многоатомного спирта и цвиттер-ионными центрами дипептида становятся более сильными, что приводит к увеличению доли экзо-эффектов в трехкомпонентном растворе. Экстремумы на графиках зависимостей энтальпий переноса дипептидов и L‑аланина при различных мольных долях многоатомного спирта означают, что вклады от гидрофобно-гидрофильных и гидрофобно-гидрофобных групповых взаимодействиях максимальны при соответствующих концентрациях ксилита.

Для количественной оценки межмолекулярных взаимодействий в водных растворах проведен регрессионный анализ в рамках теории МакМиллана–Майера [16] путем расчета энтальпийных коэффициентов парных взаимодействий (hxy) олигопептида с молекулами многоатомных спиртов. Концентрационные зависимости ΔsolН0 = =  f(my) дипептидов в растворах ксилита были обработаны полиномом второй степени:

(3)
${{\Delta }_{{{\text{sol}}}}}{{Н}^{{\text{0}}}} = {{а}_{0}} + {{а}_{1}}{{m}_{{\text{y}}}} + {{а}_{2}}m_{{\text{y}}}^{2},$
где my – моляльная концентрация многоатомного спирта, а0, а1, а2 – коэффициенты аппроксимации, рассчитываемые методом наименьших квадратов.

В результате проведенного расчета были получены регрессионные уравнения для L-α-аланил-L-α-аланина (3), DL-α-аланил-DL-α-аланина (4) и β-аланил-β-аланин (5) в водных растворах ксилита

(4)
$\begin{gathered} {{\Delta }_{{{\text{sol}}}}}{{Н}^{0}} = (--10.79 \pm 0.02) + (4.56 \pm 0.09){{m}_{y}}-- \ldots , \\ R = 0.998,\quad N = 10, \\ \end{gathered} $
(5)
$\begin{gathered} {{\Delta }_{{{\text{sol}}}}}{{Н}^{0}} = (--7.29 \pm 0.01) + (2.68 \pm 0.06){{m}_{y}}-- \ldots , \\ R = 0.999,\quad N = 10, \\ \end{gathered} $
(6)
$\begin{gathered} {{\Delta }_{{{\text{sol}}}}}{{Н}^{0}} = (5.67 \pm 0.02)--(3.62 \pm 0.09){{m}_{y}}-- \ldots , \\ R = 0.999,\quad N = 10. \\ \end{gathered} $

Значения свободных членов уравнений (4)–(6) соответствуют стандартной энтальпии растворения дипептидов в чистой воде, которые хорошо согласуются с нашими и литературными значениями, например: ΔsolH0(L-Ala-L-Ala) = = –10.79 (кДж/моль) [17]; ΔsolH0(L-Ala-L-Ala) = = –11.00 (кДж/моль) [18]; ΔsolH0(DL-Ala-DL-Ala) = = –7.59 (кДж/моль) [19]; ΔsolH0(DL-Ala-DL-Ala) = = –7.29 (кДж/моль) [20]; ΔsolH0(β-Ala-β-Ala) = 5.67 (кДж/моль) [17, 21]. Энтальпийные коэффициенты парных взаимодействий hxy были рассчитаны по уравнению: hxy = a1/2 [22]. Рассчитанные для дипептидов и полученные нами ранее значения для L-aланина [14] в растворах ксилита представлены в табл. 2.

Таблица 2.  

Энтальпийные коэффициенты парных взаимодействий hxy (Дж кг моль–2) аминокислоты и дипептидов с ксилитом в водных растворах при 298.15 К

L-аланин β-аланил−β-аланин L-α-аланил-L-α-аланин DL-α-аланил-DL-α-аланин
–216 ± 18 [14] –1810 ± 47 2280 ± 44 1341 ± 28

Полученные энтальпийные коэффициенты парного взаимодействия hxy имеют отрицательные значения, за исключением стереоизомеров диаланина. Это означает, что прямые гидрофильно-гидрофильные групповые взаимодействия между цвиттерионами биомолекул и ксилитом преобладают над дегидратацией компонентов раствора. Гидрофобная гидратация и гидрофобные взаимодействия существенно влияют на получаемые термодинамические характеристики растворения и играют важнейшую роль в системах с аминокислотами, олигопептидами и белками [23, 24]. Вокруг неполярных метильных групп молекулы воды более сильно связаны друг с другом и энергии для разрыва межмолекулярных связей при взаимодействии биомолекул требуется несколько больше [25]. Цвиттер-ионные молекулы за счет электростатических взаимодействий различной природы усиливают гидрофобные взаимодействия в трехкомпонентном водном растворе. Из табл. 2 видно, что положительные значения hxy для стереоизомеров диаланина и существенная разница по абсолютной величине по сравнению со значением для линейной структурой β-Ala-β-Ala, указывает на вклад эффектов гидрофобных взаимодействий боковых метильных СН3-групп пептида. В результате происходит уменьшение степени упорядоченности раствора при взаимодействии гидратированных молекул, увеличение доли эндотермичности растворения и росту величин энтальпийных коэффициентов парного взаимодействия.

Энтальпийные коэффициенты парного взаимодействия hxy исследованных L-аланина и дипептидов с различным расположением углеводородных радикалов с лиофобными свойствами увеличиваются в ряду: β-Ala-β-Ala < L-Ala < < DL-Ala-DL-Ala < L-Ala-L-Ala. Более высокий hxy для L-Ala-L-Ala по сравнению с β-Ala-β-Ala связан с наличием в молекуле двух боковых метильных групп, что способствует гидрофобной гидратации, проявляющейся в упрочнении водородных связей воды вокруг СН3-групп. Кроме того, метильные группы могут стерически препятствовать электростатическим и донорно-акцепторным взаимодействиям пептидной группы СОNH c полярными ОН-группами ксилита. В результате экзотермичность растворения β-аланил–β-аланина растет и hxy для системы дипептид-ксилит становится отрицательным. Частичное замещение L-стереоизомера на D-форму приводит к более отрицательным значениям для рацемической смеси двух энантиомеров по сравнению с одной структурой дипептида. Это означает, что пространственное расположение метильной группы также влияет на получаемые термохимические характеристики взаимодействия.

В молекуле L-α-аланил-L-α-аланина по сравнению с L-аланином появляются одна дополнительная пептидная группа CONH, способная к донорно-акцепторным взаимодействиям, что вносит значительный энтальпийный экзотермический эффект в трехкомпонентную систему. С другой стороны, молекула дипептида содержит дополнительные метиленовую и метильную группы, что способствует увеличению степени дегидратации и гидрофобного взаимодействия при растворении L-α-аланил-L-α-аланина и росту эндотермических эффектов. Анализ величин hxy показывает, что основной вклад в термодинамику растворения вносят прямые взаимодействия пептидной группы и цвиттерионных центров L-α-аланил-L-α-аланина с полярными ОН-группами ксилита, что отражается в более отрицательном значении.

Таким образом, проведенное исследование показало существенное влияние структурной и стереоизомерии, гидрофобных взаимодействий молекул дипептидов и ксилита на термохимические характеристики растворения биомолекул. Обнаружено более сильное взаимодействие рацемической смеси энантиомеров по сравнению с Lрстереоизомером алифатического дипептида и экранирование прямых взаимодействий L(DL)-α-аланил-L(DL)-α-аланина с ксилитом через пептидную CONН-группу разветвленных форм диаланина по сравнению с линейной β-формой.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках государственного задания № АААА-А21-121011490059-5.

Список литературы

  1. Barone G., Castronuovo G., Elia V., Srassinopoulou K. // J. Chem. Soc., Faraday Trans. 1984. V. 80. № 11. P. 3095. https://doi.org/10.1039/F19848003095

  2. Dill K.A. // Biochemistry. 1990. V. 29. № 31. P. 7133. https://doi.org/10.1021/bi00483a001

  3. Timasheff S.N. // Ann. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 1993. V. 22. P. 67. https://doi.org/10.1146/annurev.bb.22.060193.000435

  4. Granström, T.B., Izumori, K., Leisola, M. // Appl. Microbiol. Biotechnol. 2007. V. 74. P. 277. https://doi.org/10.1007/s00253-006-0761-3

  5. Tyunina E.Yu., Mezhevoi I.N., Dunaeva V.V. // J. Chem. Thermodyn. 2020. V. 150. 106206. https://doi.org/10.1016/j.jct.2020.106206

  6. Tyunina E.Yu., Mezhevoi I.N., Stavnova A.A. // J. Mol. Liquids. 2021. V. 329. 115568. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2021.115568

  7. Баделин В.Г., Тюнина Е.Ю., Межевой И.Н. // Журн. прикл. химии. 2007. Т. 80. Вып. 5. С. 732. [Badelin V.G., Tyunina E.Yu., Mezhevoi I.N. // Russ. J. Appl. Chem. 2007. V. 80. P. 711. https://doi.org 10.1134/S1070427207050047].

  8. Wadsö I., Goldberg R.N. // Pure Appl. Chem. 2001. V. 73, P. 1625. https://doi.org/10.1351/pac200173101625

  9. Archer D.G. // J. Phys. Chem. Ref. Data. 1999. V. 28. P. 1. https://doi.org/10.1063/1.556034

  10. Wadso I. // 7 Science Tools the LKB Instrument J. 1966. V. 13. P. 33.

  11. Межевой И.Н., Баделин В.Г. // Изв. акад. наук. Сер. химич. 2008. № 12. С. 2402.

  12. Kustov A.V., Antonova O.A., Smirnova N.L. // J. Mol. Liquids. 2017. V. 232. P. 214. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2017.02.065

  13. Kustov A.V., Antonova O.A., Smirnova N.L. // J. Ther. Anal. Calorim. 2017. V. 129. P. 461. https://doi.org/10.1007/s10973-017-6172-0

  14. Межевой И.Н., Баделин В.Г. // Журн. физ. химии. 2013. Т. 87. № 4. С. 610.

  15. Lilley T.H. // Pure Appl. Chem. 1993. V. 65. P. 2551. https://doi.org/10.1351/pac199365122551

  16. McMillan W.G., Mayer J.E. // J. Chem. Phys. 1945. V. 13. P. 276. https://doi.org/10.1063/1.1724036

  17. Barannikov V.P., Kurbatova M.S., Mezhevoi I.N. // Thermochim. Acta. 2020. V. 689. 178647. https://doi.org/10.1016/j.tca.2020.178647

  18. Matsumoto M., Amaya K. // Bull. Chem. Soc. Jap. 1983. V. 56. № 8. P. 2521. https://doi.org/10.1246/bcsj.56.2521

  19. Nowicka B., Piekarski H. // J. Mol. Liquids 2002. V. 95. P. 323. https://doi.org/10.1016/S0167-7322(01)00297-5

  20. Баделин В.Г., Межевой И.Н. // Журн. орган. химии. 2017. Т. 87. С. 1357.

  21. Smirnov V.I., Badelin V.G. // Thermochim. Acta. 2011. V. 524. P. 35. https://doi.org/10.1016/j.tca.2011.06.008

  22. Desnoyers J.E., Perron G., Avedikian L. et al. // J. Solution Chem. 1976. V. 5. P. 631. https://doi.org/10.1007/BF00648221

  23. Makhatadze G.I., Privalov P.L. // J. Mol. Biol. 1990. V. 213. P. 375. https://doi.org/10.1016/S0022-2836(05)80197-4

  24. Межевой И.Н., Баделин В.Г. // Журн. орган. химии. 2014. Т. 84. Вып. 2. С. 229.

  25. Ide M., Maeda Y., Kitano H. // J. Phys. Chem. B. 1997. V. 101. P. 7022. https://doi.org/10.1021/jp971334m

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Журнал физической химии

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал