научная статья по теме ТPОЙНАЯ CИCТЕМА ВОДА-МОЧЕВИНА-L-α-АЛАНИН. ТЕPМОДИНАМИЧЕCКИЕ CВОЙCТВА И МЕЖМОЛЕКУЛЯPНЫЕ ВЗАИМОДЕЙCТВИЯ Биология
Текст научной статьи на тему «ТPОЙНАЯ CИCТЕМА ВОДА-МОЧЕВИНА-L-α-АЛАНИН. ТЕPМОДИНАМИЧЕCКИЕ CВОЙCТВА И МЕЖМОЛЕКУЛЯPНЫЕ ВЗАИМОДЕЙCТВИЯ»
МОЛЕКУЛЯР НАЯ БИОФИЗИКА =
УДК 544.33: 544.35:547-32-304.2
ТРОЙНАЯ СИСТЕМА ВОДА-МОЧЕВИНА-Ь-а-АЛАНИН. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И МЕЖМОЛЕКУЛЯРНЫЕ ВЗАИМОДЕЙ СТВИЯ
© 2010 г. В.П. Королёв, Д.В. Батов, А.В. Кустов
Институт химии растворов РАН, 153045, Иваново, ул. А кадемическая,1; Ивановский государственный xимико-технологическийуниверситет, 153460, Иваново, пр. Ф. Энгельса, 7
Поступила в p едакцию03.06.06 г. После доработки 15.11.07 г. После доработки 21.01.09 г.
Калор иметр ическим методом опр еделена теплота р астворения L-а-аланина пр и 293, 298, 306 и 318 К в водных раствор а x мочевины в области концентр аций 0-7 моль мочевины/кг воды. Установлено, что теплота раствор ения аминокислоты линейно зависит от корня квадратного из величины моляльности раствор а. Обнаружено, что энтальпия и энтропия переноса L-а-аланина из воды в водный раствор мочевины не зависят от температуры, а теплоемкость переноса равна нулю. Отмечена практически полная энтальпийно-энтр опийная компенсация. Показано, что параметр, хар актеризующий изменение приведенной энер гии Гиббса растворения L-а-аланина в воде и водных раствор ах мочевины, имеет отрицательные значения, обусловленные доминирующей энтропийной составляющей. Система вода-мочевина-Ь-а-аланин с р о стом температур ы становится менее структур ированной, а пр и увеличении концентрации мочевины - более структур ированной.
Ключевые слова: энтальпия, теплоемкость, энтропия и энергия Гиббса растворения, L-а-аланин, смешанные растворители, вода, мочевина.
Интерее к исследованию термодинамики раствор ения и сольватации аминокислот в водных растворах органических веществ, денатурирующих или стабилизир ующих нативную структуру белков, обусловлен стремлением к лучшему пониманию биохимических систем. В том числе на протяжении более 40 лет такие исследования проводятся с помощью различных методов для водных растворов мочевины, являющейся типичным денатур ир ующим агентом [1-4]. Теплота растворения Ь-а-аланина в водном растворе мочевины ранее измерялась только при стандартной температуре [2]. В нашей лаборатории ранее была исследована темпер а-турная зависимость энтальпии растворения ряда аминокислот в воде [5,6]. В настоящей работе продолжены исследования влияния температуры на сольватацию аминокислот в смешанных растворителях и выяснение температурных изменений термодинамических характеристик при варьир овании со става раствора. Целью работы являлось калориметрическое измерение теплоты раствор ения Ь-а-аланина в водных растворах мочевины в интервале моляльностей 0-7 моль/кг при 293, 298, 306 и 318 К, расчет теплоемкости, энтропии и энергии Гиббса растворения и переноса аминокислоты из воды в
водный раствор мочевины и анализ их температурных изменений.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Для экспер иментов использовали бидистил-лированную воду (удельная пр оводимость 10-5 См/см), L-а-аланин квалификации «ч» (Reanal, Венгрия), дважды перекристаллизованный из смеси этанол-вода [7] и высушенный в вакууме (p < 10 Па) пр и Т = 318 К, мочевину квалификации «рш^. р.a., Reag. ACS» (Riedel de-Наёп) с содержанием основного вещества выше 99,5% без дополнительной очистки. Содер жание воды в мочевине, определенное по методу Фишера [8], с оставило 0,15 масс.% и учитывалось при приготовлении растворов.
Интегральную теплоту растворения аминокислоты измеряли в калориметре ампульного типа переменной температуры с изотермической оболочкой и объемом реакционного сосуда 60 см3 [6,9]. Конструкция калориметр а и измерительной схемы обеспечивали термометрическую и тепловую чувствительности соответственно 10-5 градуса и 2-10-3 Дж на 1 мм шкалы регистрирующего прибора. Для измерения тепловых эффектов растворения использовали сравнительный метод, при котором после
Таблица 1. Тепловые эффекты р а створ ения Ь-а-аланина в водных р аствор ах мочевины
т 2 gз•105, г т г104 д, Дж Ар Н т, кДж/моль т 2 gз•105, г т 3-104 q, Дж АрН т, кДж/моль
0 8188 128 6,70 7,29 0 10804 168 8,78 7,24
293,15 К 298,15 К
0,00 4720 88 4,00 7,55 0,00 10762 228 9,41 7,79
5556 104 4,69 7,52 10908 231 9,55 7,80
4301 80 3,65 7,56 17232 365 14,97 7,74
7576 142 6,48 7,62
1,13 5649 99 4,39 6,93 1,13 9183 161 7,14 7,19
2,31 5727 99 4,07 6,33 2,31 6981 120 5,16 6,59
3,55 6622 114 4,53 6,09 3,54 5989 105 4,24 6,31
4,83 5066 88 3,34 5,87 4,83 12591 223 8,61 6,09
6,17 4516 79 2,87 5,67 6,14 6860 123 4,56 5,92
306,15 К 318,15 К
0,00 4175 75 3,88 8,28 0,00 8217 174 8,07 8,75
4968 89 4,60 8,25 8970 10910 190 231 8,80 10,69 8,74 8,73
1,13 7004 123 6,05 7,70 1,12 10505 197 9,51 8,07
2,31 6487 116 5,31 7,29 2,31 6963 127 5,91 7,56
3,55 4760 84 3,60 6,74 3,54 8182 145 6,65 7,25
4,83 6317 106 4,57 6,44 4,83 8196 140 6,56 7,13
6,17 5237 90 3,72 6,33 6,17 9960 173 7,87 7,04
Примечание. т2 и шъ - соответственно моляльность мочевины в водном растворе (моль мочевины/кг воды) и аминокислоты в бинар ной смеси вода-мочевина (моль Ь-а-аланина/кг раствор ителя); д - тепловой эффект раствор ения навески g3 1 г аминокислоты. Ср едние значения Ар Нт Ь-а-аланина в воде пр и 288,15, 293,15, 298,15, 306,15 и 318,5 К со ставили соответственно 7,26 ± 0,05, 7,56 ± 0,04, 7,78 ± 0,04, 8,27 ± 0,03 и 8,74 ± 0,01 кДж/моль. Литер атур ные данные по Ар Но Ь-а-аланина в воде пр и 298,15 К: 7,54 [2], 7,99 [11], 7,36 кДж/моль [12].
каждого опыта пр оводили калибр овку системы. Тестир ование калор иметр а пр оводили в соответствии с рекомендациями [10]. АрЯ°, кДж/моль
6.00 1 2 3 4 5 6 7 Моляльность раствора мочевины
Р ис. 1. Энтальпия раствор ения Ь-а-аланина в водном ра створ е мочевины пр и 298,15 К; темные кр уж-ки - данные [2], светлые кружки - наши данные.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Данные по тепловым эффектам раствор ения Ь-а-аланина пр иведены в табл. 1. С читали, что как в воде, так и в водном р аствор е мочевины теплота р аствор ения Ь-а-аланина не зависит от концентр ации аминокислоты. Полученные нами пр и 298,15 К результаты (р ис. 1, табл. 1) хо р ошо согласуются с литер атур ными данными [2,11,12].
Данные, приведенные в табл. 1 и на рис. 1, показывают, что ра створ ение Ь-а-аланина в водном растворе мочевины, как и в чистой воде, является эндотермическим процессом в изученном диапазоне концентр аций и темпер а -тур ы. Затр аты энер гии на разр ушение к р истал-лической структуры аминокислоты и на пере-стр ойку межмолекуляр ных связей ра створ ителя пр евышают выделяющуюся энер гию пр и обр а -зовании связей р аствор итель-р аствор енное вещество. Эндотер мический эффект п р оцесса ра с-творения уменьшается с ростом концентрации водного р аствор а мочевины. Это может быть
ТРОЙНАЯ СИ С ТЕМА ВОДА -МОЧЕВИНА-Ь-а-АЛАНИН 209
Таблица 2. Параметры уравнения (1) для систем вода (1)-компонент (2)-растворенное вещество (компонент^))
Компоненты П АрН о(m2 = 0), кДж/моль ЬХ Ь2 кДж/моль г
СО(1ЧИ2)2 А1а 5 7,56 -0,604 ± 0,031 0,0495 ± 0,0060 0,07 0,996
СО(1ЧИ2)2 А1а 5 7,78 -0,593 ±0,023 0,0480 ± 0,0045 0,05 0,998
СО(1ЧИ2)2 А1а [2] 4 7,54 -0,340 ± 0,025 0,0124 ± 0,0023 0,11 0,995
СО(1ЧИ2)2 ШС1 [17] 5 3,89 0,855 ± 0,035 0,0390 ± 0,0037 0,13 0,998
СО(1ЧИ2)2 С1у [2] 4 14,08 -0,599 ± 0,030 0,0194 ± 0,0027 0,13 0,996
СО(1ЧИ2)2 А1а 5 8,27 -0,547 ± 0,026 0,0368 ± 0,0050 0,06 0,998
СО(1ЧИ2)2 А1а 5 8,74 -0,631 ± 0,021 0,0586 ± 0,0041 0,05 0,998
Примечание. п - число точек; ^ - стандартное отклонение подгонки; г - коэффициент корреляции. Указаны стандартные отклонения коэффициентов.
обусловлено как уменьшением энергетических затрат, связанных с образованием полости, так и усилением специфического взаимодействия аминокислота-растворитель. Указанным изменениям могут способствовать: с одной стор оны, лабильная структура водного раствора мочевины [13,14], с др угой - усиление электр онодо-норной способности смешанного раствор ителя [15,16]. Постоянное снижение Арно с увеличением концентрации мочевины в исследованном интервале может свидетельствовать об отсутствии образования устойчивых комплексов определенного состава Ь-а-аланина с мочевиной.
Для получения информации из концентрационных зависимостей термодинамических характеристик тройных систем растворитель (1) -компонент (2) - растворенное вещество (компонент (3)) для состояния бесконечно разбавленного раствора компонента (3) используют их разложение по степеням m2. Для энтальпии такое разложение имеет вид:
Арн0 = Арн0^ = 0) + Ь^2 + Ь2Ш2 +
¿2 = о) стандартная теплота растворения вещества; m2 - моляльность компонента 2; ь и ь2 - подгоночные параметры.
В рамках теории МакМиллана-Майера коэффициенты ь и ь2 связаны с энтальпийными коэффициентами парных и тройных межчастичных взаимодействий. В интервале от 0 до нескольких единиц m обычно используется по-
лином первой степени, пр и более высоких концентрациях - полином второй степени.
Анализ полученных в настоящей работе концентрационных зависимостей теплоты растворения Ь-а-аланина показал, что для них выполняется соотношение:
Арн0 = Арн0^ = 0) + c1m2/2, (2)
где Cl - подгоночный параметр.
Результаты аппроксимации зависимостей теплоты растворения Ь-а-аланина от концентр ации уравнениями (1) и (2) представлены в табл. 2, 3. Однопараметрическое уравнение (2) воспроизводит экспериментальные данные в пределах экспериментальной погрешности, как и двухпар аметрическое уравнение (1)*. К роме того, величина коэффициента ^ мало зависит от температуры в отличие от коэффициентов ур авнения (1). В исследованном темпер атурном диапазоне можно принять ^ ср = -0,753 ± 0,013. Расчеты показали, что усложнение уравнения (2) добавлением линейного члена от концентрации (Арно = Арн1^ = 0) + c1m22 + c2 m2) не улучшает описание. С учетом вышеизложенного, для дальнейшего анализа использовано уравнение (2).
Интересно было выяснить, в каких системах выполняется обнаруженная закономерность (2)? С учетом того, что зависимость термодинамических характеристик от m1/2 следует из первого приближения теории Дебая-Хюккеля для раз-
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.