close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Влияние факторов внешнего воздействия на особенности гидратации пролина

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Дмитриева Ольга Андреевна
ВЛИЯНИЕ ФАКТОРОВ ВНЕШНЕГО ВОЗДЕЙСТВИЯ
НА ОСОБЕННОСТИ ГИДРАТАЦИИ ПРОЛИНА
02.00.04 – физическая химия
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата химических наук
Иваново-2018
2
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки
Институте химии растворов им. Г.А. Крестова Российской академии наук (ИХР РАН)
Научный руководитель:
Федотова Марина Витальевна,
доктор химических наук, профессор
Официальные оппоненты:
Викторов Алексей Исмаилович,
доктор химических наук, профессор,
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего
образования
«Санкт-Петербургский
государственный университет», Институт
химии, кафедра физической химии,
заведующий кафедрой
Крамаренко Елена Юльевна,
доктор физико-математических наук,
доцент, Федеральное государственное
бюджетное образовательное учреждение
высшего
образования
«Московский
государственный
университет
им.
М.В.Ломоносова»,
кафедра
физики
полимеров и кристаллов, профессор
кафедры
Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Институт химической кинетики и горения им. В.В. Воеводского Сибирского
отделения Российской академии наук
Защита состоится 20 декабря 2018 года в 13 часов на заседании совета по защите
диссертации на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой
степени доктора наук Д 002.106.01 при ИХР РАН по адресу: 153045, г. Иваново, ул.
Академическая, д.1, тел.: (4932)336272, e-mail: dissovet@isc-ras.ru, факс (4932)336237.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на официальном сайте ИХР РАН
http://www.isc-ras.ru/?q=ru/deyatelnost/dissertacionnyy-sovet/.
Автореферат разослан «___»______________ 2018 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
Е. В. Антина
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы и степень ее разработанности. Одной из актуальных проблем
современной физической химии является установление особенностей гидратации различных
биологически активных соединений, играющих важную роль в функционировании живых
организмов, включая поддержание их жизнедеятельности в неблагоприятных внешних условиях
(в условиях т.н. абиотических стрессов). К числу таких соединений относятся биопротекторы –
низкомолекулярные органические соединения, которые накапливаясь в условиях стресса в
цитоплазме клетки, способствуют стабилизации нативной структуры белков, не вызывая при
этом нарушения клеточных процессов. Тем самым они обеспечивают более гибкий способ
выживания живых организмов в неблагоприятных условиях. Однако на сегодняшний день
молекулярный механизм из защитного действия до конца не понят. Установлено [1-4], что
протекторы исключены из прямого контакта с поверхностью белка. Это позволяет
предположить, что механизм их защитного действия – опосредованный, и, во многом,
определяется их собственной гидратацией.
Среди таких биоактивных соединений – иминокислота пролин, обладающая наибольшей
цитопротекторной активностью в условиях повышенных концентраций неорганических ионов в
среде (солевой стресс) и пониженных температур (температурный стресс) [5]. В условиях стресса
пролин проявляет также осмопротекторное действие, регулируя водный баланс клетки. Однако
имеющиеся на сегодняшний день данные о гидратации пролина немногочисленны и
противоречивы, а влияние содержания соли в среде и температуры на этот процесс практически
не изучено. Нет в литературе информации и об особенностях взаимодействия пролина с
неорганическими ионами в водно-солевой среде. Вместе с тем, знание особенностей гидратации
и ион-молекулярного связывания пролина в условиях абиотических стрессов необходимы для
понимания механизма его биопротекторного действия. С практической точки зрения, подобные
сведения требуются для совершенствования существующих и разработки новых приложений с
использованием пролина, востребованных в фармакологии, медицине, косметологии, а также
различных биотехнологий, например, криоконсервации биоматериала, в т.ч. генетического [6].
Вышеизложенное определяет актуальность настоящего исследования.
Целью диссертационного исследования являлось установление особенностей
гидратации пролина в водных растворах под влиянием различных факторов (концентрации
пролина, добавок соли (NaCl), пониженных температур), а также его ион-молекулярного
связывания с неорганическими ионами в водно-солевых растворах биологической важности
(NaCl, KCl, MgCl2, CaCl2).
Для ее достижения была выбрана комбинация двух методов:
экспериментального – метода диэлектрической релаксационной спектроскопии (ДРС),
позволяющего определять структурные и динамические свойства растворов, включая параметры
гидратации ионов и молекул и межионных и ион-молекулярных взаимодействий,
теоретического – метода интегральных уравнений (ИУ) статистической теории жидкости в
1D- и 3D-RISM (Reference Interaction Site Model) приближениях, позволяющего получить
структурные и энергетические параметры гидратации молекул и ионов.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
• получение методом ДРС спектров комплексной диэлектрической проницаемости:
- водного раствора пролина (Pro) в диапазоне концентраций от 0.1 М до 5.6 М
при стандартных условиях,
- тройной системы Pro-H2O-NaCl при c(Pro)=0.6 M в диапазоне концентраций
соли с(NaCl)=0.2-2.0 М при стандартных условиях;
• определение модели релаксационной поляризации и параметры процесса дипольной
релаксации компонентов раствора (амплитуды релаксации S; времени релаксации τ ; параметров
4
α и β уравнения, аппроксимирующего диэлектрический спектр; статической, ε s , и
высокочастотной, ε ∞ , диэлектрической проницаемости);
• определение на основе вышеустановленных ДРС-характеристик параметров гидратации
пролина (эффективных гидратных чисел и эффективного дипольного момента пролина) и
константы ион-молекулярной ассоциации;
• исследование влияния концентраций пролина и соли (NaCl) на диэлектрические
параметры гидратации пролина;
• получение RISM - методом структурных (парных функций распределения, межатомные
расстояния и гидратные числа) и энергетических (потенциал средней силы) параметров
гидратации пролина:
- в водном растворе пролина в диапазоне концентраций от бесконечного
разбавления до 6 М при стандартных условиях,
- в тройной системе Pro-H2O-NaCl при c(Pro)=0.6 M в диапазоне концентраций
соли с(NaCl)=0.2-2.0 М при стандартных условиях;
- в водном растворе пролина в диапазоне температур 298-248 K.
• исследование влияния концентрации пролина, добавок соли (NaCl) и температуры (298248 K) на структурные параметры гидратации пролина;
• исследование и анализ влияния концентрации соли и природы ионов на ионмолекулярное связывание пролина с неорганическими ионами (Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Cl─) в водных
растворах NaCl (0.2-5.0 М), KСl (0.5-3.0 М), MgCl2 (0.5-2.0 М), CaCl2 (0.5-2.0 М) на основе 3DRISM потенциалов средней силы.
Научная новизна. Впервые получены спектры комплексной диэлектрической
проницаемости водных и водно-солевых растворов пролина. Определена модель релаксационной
поляризации и параметры процесса дипольной релаксации компонентов раствора. Впервые
методом ИУ в 1D- и 3D-RISM приближениях определены структурные и энергетические
параметры гидратации пролина в водных растворах при стандартных условиях, при пониженных
температурах и в водно-солевых (NaCl) растворах пролина при стандартных условиях, а также
параметры ион-молекулярного связывания пролина в водно-солевых растворах биологической
важности (NaCl, KCl, MgCl2, CaCl2). Впервые установлены особенности гидратации пролина под
влиянием различных факторов (концентрации пролина, добавок соли NaCl, пониженных
температур). Определены пути ион-молекулярного связывания пролина с неорганическими
ионами в водных растворах NaCl, KCl, MgCl2, CaCl2. Обнаружено влияние природы ионов и
концентрации соли на стабильность ассоциатов (-COO─:Cat+)aq (Cat+=Na+/K+/Mg2+/Ca2+).
Установлено, что в тройной системе Pro–H2O–NaCl образуется ассоциат (Pro±:Na+ ‫ ׀‬Cl–:H2O) по
типу гидраторазделенной ионной пары.
Теоретическая и практическая значимость работы. Результаты исследования вносят
вклад в развитие физической химии биологически активных соединений и расширяют
представления о роли гидратации и ион-молекулярного связывания этих соединений в
биохимических процессах, протекающих с их участием. Полученные данные о влиянии
факторов внешнего воздействия (концентрации растворенных веществ, температуры)
необходимы для понимания молекулярного механизма защитного действия биопротекторов.
Полученные данные могут быть использованы в качестве справочного материала, в том числе
в биохимических исследованиях.
Методология и методы диссертационного исследования. Методологической основой
диссертационного исследования является анализ, сравнение и обобщение экспериментальных и
теоретических данных.
5
Для реализации поставленных целей и задач в настоящей работе был выбран комплекс
экспериментального метода ДРС и расчетного метода ИУ в 1D- и 3D-RISM приближении. В
качестве дополнительных методов использовались методы денсиметрии, кондуктометрии и
теория функционала плотности (ТФП).
Положения, выносимые на защиту:
1.
Экспериментальные данные комплексной диэлектрической проницаемости и
параметры диэлектрической релаксации водного раствора пролина и тройной системы Pro-H2ONaCl.
2.
Закономерности влияния концентрации пролина и соли (NaCl) на молекулярнокинетическую подвижность молекул воды в растворе.
3.
Структурные (парные функции распределения, межатомные расстояния,
гидратные числа) и энергетические (потенциалы средней силы) параметры гидратации пролина в
водном растворе при стандартных условиях и в диапазоне температур 298-248 K, в тройной
системе Pro-H2O-NaCl при стандартных условиях.
4.
Особенности гидратации пролина под влиянием различных факторов
(концентрации пролина, добавок соли NaCl, пониженных температур).
5.
Особенности ион-молекулярного связывания пролина с неорганическими ионами
в водных растворах NaCl, KСl, MgCl2, CaCl2.
Достоверность полученных результатов и выводов обеспечивается комплексным
проведением исследований надежными экспериментальными и расчетными методами,
апробированными на различных классах соединений, воспроизводимостью экспериментальных
и расчетных данных, согласованностью полученных результатов с имеющими литературными
данными. Достоверность результатов подтверждается также публикациями в рецензируемых
журналах с высоким импакт-фактором.
Связь темы диссертации с плановыми исследованиями. Диссертационная работа
выполнена в соответствии с научным направлением Федерального государственного
бюджетного учреждения науки Института химии растворов им. Г.А. Крестова Российской
академии наук по теме «Развитие подходов и методов физической химии в исследовании
многокомпонентных супрамолекулярных, молекулярных и ион-молекулярных систем как
перспективных материалов» (№0092-2014-0001). Проведенные исследования поддержаны
грантами РФФИ (№ 12-03-97508 «Влияние среды на особенности гидратации α - аминокислот в
водно-электролитных растворах биологической важности», 2012-2014 и № 15-43-03004
«Моделирование процессов гидратации и ассоциации низкомолекулярных органических
соединений-протекторов в условиях внешних воздействий» 2015-2017), научноисследовательской стипендией DAAD (Research Grants for Doctoral Candidates and Young
Academics and Scientists (more than 6 months) № 57130104, 2015-2016).
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на XIX
Международной конференции по химической термодинамике в России (Москва, 2013), VIII
Всероссийской школы-конференции молодых ученых «Теоретическая и экспериментальная
химия жидкофазных систем» (Крестовские чтения, Иваново 2014), EMLG/JMLG Annual Meeting
“Molecular Liquids Meet Ionic Liquids. From Fundamentals to Applications” (Rostock, 2015), XX
International Conference on Chemical Thermodynamics in Russia (Nizhni Novgorod, 2015),
Всероссийской конференции с международным участием «Проблемы сольватации и
комплексообразования в растворах. От эффектов в растворах к новым материалам» (Иваново,
2015), X Всероссийской конференции молодых ученых «Теоретическая и экспериментальная
химия жидкофазных систем» (Крестовские чтения, Иваново, 2015), IX Международной научной
конференции «Кинетика и механизм кристаллизации. Кристаллизация и материалы будущего»
(Иваново, 2016), XI Всероссийская школа-конференция молодых ученых "Теоретическая и
6
экспериментальная химия жидкофазных систем" (Крестовские чтения, Иваново, 2017), XXI
International Conference on Chemical Thermodynamics in Russia, (Novosibirsk, 2017), EMLG/JMLG
Annual Meeting "Molecular Liquids" (Vienna, 2017), XIII Международной научной конференцияи
«Проблемы сольватации и комплексообразования в растворах» в рамках кластера конференций
2018 (Суздаль, 2018).
Личный вклад автора заключался в анализе литературных данных, подготовке и
проведении экспериментальных исследований, выполнении расчетов и обработке данных, в
обсуждении результатов. Интерпретация результатов исследования и подготовка публикаций
проводились совместно с научным руководителем и соавторами работ.
Автор выражает глубокую благодарность и искреннюю признательность своему
научному руководителю д.х.н. Федотовой М.В. за выбор интересной темы исследования,
помощь и неоценимую поддержку на всех этапах выполнения работ; проф. Бухнеру Р. за
предоставленную возможность проведения исследований в Университете Регенсбурга; за
консультации, помощь в проведении экспериментов и обсуждении полученных результатов.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 4 статьи в журналах, входящих в
базы данных Scopus и Web of Science и в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и
изданий, рекомендованный Минобрнауки России для публикации материалов кандидатской
диссертации, а также в тезисах 11 докладов, опубликованных в сборниках трудов конференций
различного уровня.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, обзора
литературы, 3 глав, заключения, списка литературы (270 ссылок). Работа изложена на 142
страницах и содержит 16 таблиц и 45 рисунков.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, перечислены цель и задачи исследования,
выдвинуты положения, выносимые на защиту, изложена научная новизна и практическая
значимость работы.
В Главе 1 представлен обзор литературы, состоящий из четырех частей. В Разделе 1.1
рассмотрены биологические роли и функции биопротекторов в адаптации живых организмов.
Приведена информация об основных классах протекторов и существующих на сегодняшний
день гипотезах, описывающих механизм стабилизации протекторами нативной структуры
белков. Дано описание основных функций Pro. В разделе 1.2 описана роль гидратации в
биологических системах. Раздел 1.3 посвящен физико-химическим свойствам Pro и его водных
растворов. Проанализированы немногочисленные литературные данные по особенностям
гидратации Pro в воде, в водно-солевых растворах при стандартных условиях и в воде при
пониженных температурах.
Глава 2 содержит описание метода ДРС и вспомогательных методов: денсиметрии и
кондуктометрии, а также теоретических основ метода ИУ в 1D- и 3D-RISM приближениях.
Данная глава включает в себя два раздела.
Раздел 2.1 посвящен описанию метода ДРС, денсиметрии и кондуктометрии, а также
техники проводимых экспериментов.
Исследования водных и водно-солевых (NaCl) растворов Pro методом ДРС, денсиметрией и
кондуктометрией производилось в Университете Регенсбурга (г. Регенсбург, Германия).
В основе ДРС-метода лежат представления об ориентационной поляризации диэлектрика,
которая возникает при влиянии внешнего электрического поля на постоянный дипольный
момент образца. В данной работе спектры диэлектрической проницаемости, ε ' , и
7
диэлектрических потерь, ε '' , снимались в диапазоне частот от 0.2 до 89 ГГц. Спектры снимались
двумя методами:
• открытого коаксиального зонда в диапазоне частот от 0.2 до 50 ГГц.
• интерференционным в диапазоне частот от 60 до 89 ГГц.
Частотная зависимость комплексной диэлектрической проницаемости, εˆ(v) , исследуемых
систем наиболее точно описывается релаксационной моделью Дебая (D):
Sj
n
εˆ (v) = ε '(v) − iε ''(v) = ∑
j =1
(1 − 2π jvτ j )
+ ε∞
((1)
Каждый процесс релаксации j, полученный из обработки диэлектрических спектров по
формуле (1), обусловлен релаксацией одного компонента раствора с амплитудой S j , которая
связана с концентрацией этого компонента, c j , уравнением Кавелля [7]:
ε + A j (1 − ε ) 3k BT ε 0
×
×Sj
(2)
ε
N A ⋅ µeff , j 2
где k B − константа Больцмана, N A − число Авогадро, T − температура исследуемого раствора,
Aj − фактор деполяризации, который для воды равен 1/3, а для Pro 0.25.
• Рассчитанные по формуле (2) концентрации компонентов раствора, c j , используются для
расчета:
• числа молекул «медленной» воды Z s в ближнем окружении Pro:
cj =
Z s = cs / cPro
(3)
где cs - концентрация «медленной» воды. «Медленная» вода – это молекулы воды, вращательная
динамика которых замедляется под влиянием растворенного вещества, а их время релаксации
больше времени релаксации объемной воды.
• количества «вымороженных» молекул воды Z ib в ближнем окружении Pro - количества
молекул воды с временем релаксации равным времени релаксации растворенного вещества:
c −c −c
Z ib = sol b s
(4)
cPro
где csol − аналитическая и cb − объемная концентрация воды.
• полного эффективного гидратного числа (ГЧ) Pro, Zt , - суммарное количество
«медленных», Z s , и «вымороженных», Z ib , молекул воды в ближнем окружении Pro:
Z t = Z s + Z ib
(5)
Эффективный дипольный момент растворенного вещества, µeff :
µeff =
(ε + A j (1 − ε ))3k BT ε 0 S j
εcj NA
(6)
Раздел 2 включает в себя изложение теоретических основ метода ИУ в 1D- и 3D-RISM
приближениях, основным уравнением которого является интегральное уравнение ОрнштейнаЦернике (ИУ ОЦ), дополненное тем или иным замыканием. Главной задачей метода ИУ в 1DRISM приближения заключается в нахождение парных корреляционных функций (ПКФ), в 3DRISM - пространственных функций распределения (ПФР).
1D-RISM приближение позволяет рассчитать атом-атомные ПКФ. Для ион-молекулярных
систем ИУ ОЦ разделяется на систему трех уравнений, которые учитывают корреляции
8
растворитель − растворитель (ww), растворенное вещество − растворитель (iw) и растворенное
вещество − растворенное вещество (ii) в обратном k-пространстве:
ρ w hˆ w w ( k ) = sˆ w ( k ) cˆ w w ( k ) sˆ w ( k ) + ρ w sˆ w ( k ) cˆ w w ( k ) hˆ w w ( k ) + ρ i sˆ w ( k ) cˆ w i ( k ) hˆiw ( k ) 
hˆiw ( k ) = cˆ iw ( k ) sˆ w ( k ) + ρ w cˆ iw ( k ) hˆ w w ( k ) + ρ i cˆ ii ( k ) hˆiw ( k )
hˆii ( k ) = cˆ ii ( k ) + ρ w cˆ iw ( k ) hˆ w i ( k ) + ρ i cˆ ii ( k ) hˆii ( k )



 (7),
где hˆ(k ) и cˆ(k ) – полная и прямая атом-атомные корреляционные функции (КФ), sˆ(k ) –
внутримолекулярные КФ; ρ w и ρi – плотность молекул сорта w и i.
В настоящей работе для 1D-RISM уравнения (7) использовалось замыкание КоваленкоХирата (KH) [8]:
(
)
exp dαβ ( r ) − 1, dαβ ( r ) ≤ 0

hαβ ( r ) = 
dαβ (r ) > 0
 dαβ (r ),
(8)
dαβ ( r ) = − β U αβ ( r ) + hαβ ( r ) − cαβ ( r )
где ПКФ gαβ (r ) = hαβ (r ) + 1 , Uαβ (r ) – потенциал взаимодействия атомов α и β .
Численное решение 1D-RISM ИУ ОЦ дает ПКФ gαβ (r ) , при помощи которых
определялись межатомные расстояния и парциальные ГЧ частиц:
nαβ =4πρ β
rmi
∫ gαβ (r )r
2
dr
(9)
0
где r − положение i-того минимума функции gαβ (r ) , соответствующее радиусу i-той
координационной сферы, ρ β – плотность частиц сорта β .
3D-RISM приближение позволяет получать пространственные (3D-) ПФР
взаимодействующих атомов молекул растворителя вблизи молекулы растворенного вещества.
3D-RISM ИУ ОЦ в обратном (k-) пространстве [9]:
vv
vv
hˆγuv (k ) = cˆαuv (k )ωˆαγ
(k ) + ρ vcˆαuv (k )hˆαγ
(k )
(10)
где α и γ – силовые центры растворителя v, взаимодействующие с молекулой растворенного
вещества u; hˆγuv (k ) – полная атомно-молекулярная КФ силового центра γ молекулы
растворителя v; cˆαuv (k ) – прямая атомно-молекулярная КФ силового центра α и γ молекулы
vv
растворителя v; hˆαγ
(k ) – полная атом-атомная КФ силовых центров α и γ молекул
vv
растворителя; ωˆαγ
(k ) – матрица внутримолекулярных корреляций растворителя, ρ v –
плотность растворителя.
Для уравнения (11) было использовано замыкание Коваленко-Хирата [9]:
exp ( d uvγ ( r ) ) − 1, d uvγ ( r ) ≤ 0

uv
h γ (r ) = 
uv
d uvγ ( r ) > 0
 d γ ( r ) ,
(11)
d uvγ ( r ) = − βU uvγ ( r ) + h uvγ ( r ) − c uvγ ( r )
где
gγuv (rγ ) = hγuv (rγ ) + 1
– пространственная (3D-) молекулярно-атомная функция распределения
U (r )
растворитель - растворенное вещество, γ
– потенциал взаимодействия силового центра γ ,
принадлежащего молекуле растворителя (v), и всей молекулы растворенного вещества (u).
uv
9
g (r )
Результатом численного решения 3D-RISM ИУ ОЦ являются ПФР γ
, с помощью
которых были рассчитаны следующие характеристики:
*полное гидратное число молекулы растворенного вещества − количество молекул
растворителя в первой гидратной сфере молекулы растворенного вещества. Полное ГЧ Pro
определяется интегрированием ПФР растворенное вещество - атом кислорода молекулы воды по
объему первой гидратной сферы [10]:
nOw = ρOw ∫ g Ow ( r ) dV
(12)
VI
где ρ Ow – плотность воды, gOw ( r ) – ПФР растворенное вещество - атом кислорода молекулы
воды, VI – объем первой гидратной сферы.
*потенциал средней силы (ПСС):
Wγuv ( r ) = − k BT ln gγuv ( r )
(13)
ПСС – энергетическая характеристика, используемая для анализа ион-молекулярного связывания
Pro с неорганическими ионами в растворе.
*цилиндрические функции распределения (ЦФР) gγuv ( z ) R рассчитываются из ПФР gγuv ( r )
переходом в цилиндрическую систему координат gγuv ( r ) ⇒ gγuv ( z , R,θ ) , и последующим
усреднением ПФР по переменным θ и R: gγuv ( z , R,θ )
θ , R ≤ RM
= gγuv ( z ) R . В нашем случае
M
ЦФР позволяют рассчитать среднее число молекул воды выше и ниже пирролидинового кольца
Pro, а также число Н-связей, образованных этими молекулами с кольцом.
Численное решение 1D- и 3D-RISM основано на комбинации прямых итераций и метода
MDIIS (Modified Direct Inversion in the Iterative Subspace) [9, 11], реализуемое в пакете AmberTools
17 [12].
В разделе приведены используемые потенциальные модели для чистой воды (MSPC/Eмодель), систем Pro-вода и Pro-вода-солевой раствор.
В Главе 3 обсуждаются результаты исследования особенностей гидратации Pro в воде и в
водно-солевых растворах NaCl, KСl, MgCl2, CaCl2 при стандартных условиях, а также в воде при
пониженных температурах.
Раздел 3.1. посвящен исследованию влияния концентрации Pro на его гидратацию в
водных растворах по данным методов ДРС и RISM. Диэлектрические спектры водного раствора
Pro были получены в диапазоне концентраций от 0.1 до 5.6 М. Их аппроксимация показала, что
они содержат вклады от релаксации Pro, «медленной» и объемной воды (Рисунок 1). С ростом
концентрации Pro в растворе наблюдается перераспределения этих вкладом, в результате
увеличения концентрации связанной воды и Pro. При этом в результате увеличением вязкости
раствора, наблюдается смещение всех вкладов в более низкочастотную область.
Далее рассматривается рассчитанный из экспериментальных данных эффективный
дипольный момента Pro, µeff (Pro) . Он уменьшается от значения 19.3 Д, экстраполированного на
бесконечное разбавление, до 17.2 Д при c(Pro)=5.6M. Возможных причин уменьшения µeff (Pro)
может быть несколько: дегидратация Pro с ростом концентрации, как наиболее вероятная, и
образование ассоциатов, состоящих из молекул Pro, дипольные моменты которых практически
антипараллельны.
10
Рисунок 1. Аппроксимация D+D+D функциями спектра диэлектрических потерь, ε '' , водных растворов
Pro на примере растворов с концентрациями 0.6 M (a) и 4.7 М (б) при T=298 K. Закрашенные области
соответствуют вкладам от релаксации Pro (оранжевый), «медленной» (голубой) и объемной воды
(синий).
Рисунок 2. Кластеры Pro•nH2O
(n=0…4) с минимальной энергией,
полученные с помощью ТФП
расчетов.
Для установления количества молекул воды в ближнем окружении Pro, которые вносят
вклад в µeff (Pro) , было выполнено моделирование кластеров, состоящих из Pro и различного
числа молекул воды, n=0…4. Расчеты были выполнены методом ТФП в пакете Gaussian 09W с
базисом B3LYP/cc-pVDZ и континуальной моделью сольватации IPCM. Результаты показали,
что наиболее близким к экспериментальному значению µeff (Pro) =19.3 Д является
µDFT (Pro) =18.6 Д кластера, состоящего из Pro и четырех молекул воды, расположенных в
ближнем окружении карбоксильной группы Pro (Рисунок 2).
Основное внимание в разделе уделено анализу
особенностей гидратации Pro в водных растворах по
данным ДРС и RISM. Концентрационная зависимость
эффективных ГЧ Pro, установленная по данным ДРС
(Рисунок 3), показывает, что с ростом концентрации
раствора от бесконечно разбавленного до 5.6 М полное
эффективное ГЧ Pro, Zt, уменьшается от ~9 до~3
молекул воды, число молекул «медленной» воды, Zs, от
5.3 до 3.7, а количество «вымороженных» молекул воды,
Z
Рисунок 3. Концентрационная
ib, от ~ 4 до пренебрежимо малой величины при
зависимость полного эффективного с(Pro)≈3.5 М. Причем значение Zib ~ 4 для бесконечно
гидратного
числа
Pro,
Zt, разбавленного раствора хорошо согласуется с
количества «медленных», Zs, и полученным в ТФП расчетах количеством молекул
«вымороженных» молекул воды, Zib, воды n=4, расположенных в ближнем окружении –
в водном растворе Pro при T=298 K. COO− группы. Концентрационное уменьшение
эффективных ГЧ Pro может свидетельствовать о перекрывании гидратных оболочек молекул Pro
и, таким образом, о наличии конкуренции между Pro за молекулы воды.
По результатам 3D-RISM - расчетов ПФР следует (Рисунок 4), что молекулы воды
находятся, в основном, в ближнем окружении гидрофильных групп Pro и ориентированы к –
NH2+ группе атомами кислорода, а к –CОО– группе атомами водорода. При этом вблизи атома
11
азота –NH2+ группы распределение молекул воды отсутствует, т.е. возможность его Нсвязывания с растворителем отсутствует. Сопоставление значений ПСС для областей IH, I′H и IO,
I′O, а также для областей IIO, II′O и IIH, II′H, II′′H (Таблица 1) предполагает Н-связывание молекул
воды с атомами кислорода –CОО– группы и водорода –NH2+ группы соответственно. Следует
отметить, что с ростом концентрации раствора величины ПСС увеличиваются (Таблица 1), что
свидетельствует об усилении связывания молекул воды с гидрофильными группами Pro. Как
результат, это может приводить к замедлению динамики молекул воды и, в свою очередь, к
увеличению их времени релаксации, что следует из ДРС-данных.
Рисунок 4. Пространственные функции распределения атомов
водорода (синий цвет) и кислорода (красный цвет) молекул воды
вокруг Pro в бесконечно разбавленном водном растворе пролина.
Изоповерхности соответствует ПФР g Pro-Hw (r ) = 4.1 (а);
g Pro-Hw (r ) = 4.1 и g Pro-Ow (r ) = 3.5 (б); g Pro-Hw (r ) = 1.9 и
g Pro-Ow (r ) = 3.9 (в); g Pro-Hw (r ) = 1.7 и g Pro-Ow (r ) = 3.5 (г).
Таблица 1. Значения ПСС гидрофильных групп
пролина с молекулами воды (ккал/моль)
c(Pro)
IO
IH
I'O
I'H
−
−COO группа
→0 а М
–0.77
–0.82
–1.02
–0.90
6М
–0.79
–0.88
–1.08
–0.94
−NH2+ группа
IIH
c(Pro)
IIO
II'O
II'H и II''H
→0 а М
–1.19
–0.89
–0.54
–0.40
6М
–1.25
–0.96
–0.60
–0.46
а а - бесконечно разбавленный водный раствор пролина
Как видно из Рисунка 4, над и под
пирролидиновым кольцом присутствует
незначительное количество молекул воды,
ориентированных к кольцу атомами
кислорода. Из анализа ЦФР следует
(Рисунок 5), что молекулы воды находятся
на достаточном удалении от кольца Pro (на
расстояниях 0.380 нм выше и 0.370 нм
ниже кольца). Их количество над и под
кольцом, npyr_OW , составляет 0.55 и 0.49
соответственно, и уменьшается на ~45% с
увеличением содержания Pro в растворе. Таким образом, 3D-RISM данные свидетельствует о
слабой гидратации пирролидинового кольца.
Согласно результатам RISM-расчетов, в бесконечно разбавленном растворе полное ГЧ Pro
составляет 25.4. При этом среднее число молекул воды в ближнем окружении –COO– группы на
каждый ее атом кислорода составляет ~ 7.53, а в первой гидратной оболочке -NH2+ группы ~4.5.
Число Н-связей, формируемых –COO– группой, ~ 4.11, а -NH2+ группой ~ 1.73. Если использовать
ДРС-данные и результаты ТФП-расчетов, то из ~ 7.53 молекул воды в ближнем окружении –
COO– группы, определенных методом RISM, 4 будут «вымороженными» (ДРС и ТФП данные),
а остальные ~ 3.53 молекулы воды логично отнести к «медленной» воде. Поскольку только часть
экспериментально обнаруженной «медленной» воды, ZS, находится в ближнем окружении –
COO– группы, то остальная часть этих молекул будет находиться в ближнем окружении -NH2+
группы.
Как видно из Рисунка 4, над и под пирролидиновым кольцом присутствует незначительное
количество молекул воды, ориентированных к кольцу атомами кислорода. Из анализа ЦФР
следует (Рисунок 5), что молекулы воды находятся на достаточном удалении от кольца Pro (на
расстояниях 0.380 нм выше и 0.370 нм ниже кольца). Их количество над и под кольцом, npyr_OW ,
составляет 0.55 и 0.49 соответственно, и уменьшается на ~45% с увеличением содержания Pro в
12
растворе. Таким образом, 3D-RISM данные свидетельствует о слабой гидратации
пирролидинового кольца.
Анализ концентрационных изменений в структуре
гидратной оболочки Pro по RISM-данным показал, что при
увеличении содержания Pro в растворе наблюдается его
значительная дегидратация, о чем свидетельствуют как
изменения в ПКФ (Рисунок 6 с ПФР -NH2+ группа-вода в
качестве примера) и ЦФР (Рисунок 5), так и в парциальных и
полных ГЧ. С ростом концентрации полное ГЧ Pro
уменьшается от 25.4 в бесконечно разбавленном растворе до
13.2 в 6М растворе. При этом среднее число молекул воды в
ближнем окружении –COO– и -NH2+ групп уменьшается на
44% и 37%, а число Н-связей ими образуемых на 25% и 29%
соответственно. Суммарное число молекул воды в ближнем
окружении гидрофильных групп, nh = n-COO-Ow + nN1Ow , с
ростом концентрации раствора до 6М уменьшается от 12.01
до 7.03. Полученные значения выше эффективного ГЧ ZS
Pro. Таким образом, не все молекулы воды в ближнем
окружении гидрофильных групп Pro будут замедляться в
Рисунок 5. ЦФР g pyr_Ow ( z ) и динамике, и обнаруживаться в спектре как вклад связанной
воды.
g pyr_Hw ( z )
для
бесконечно
Следует отметить, что при высоких концентрациях
разбавленного
водного
полное ГЧ Pro довольно большое, то есть даже в
раствора Pro (а) и g pyr_Ow ( z ) высококонцентрированном растворе молекулы Pro могут
при
трех
концентрациях удерживать в своей первой гидратной оболочке
растворов (б).
значительное количество молекул воды.
Обобщение приведенных в данном разделе
результатов показывает, что с ростом концентрации раствора наблюдается значительная
дегидратация Pro, но при этом гидрофильные группы Pro остаются хорошо гидратированными
вплоть до высоких концентраций раствора. Было установлено, что преобладающее влияние на
замедления вращательной подвижности молекул воды оказывают гидрофильные группы Pro.
При этом, с ростом концентрации Pro лабильность гидратной оболочки Pro уменьшается, а ее
структура стабилизируется.
Рисунок 6. ПКФ g H8Ow (r ) (а) и
g H9Ow (r ) (б) для водных растворов
Pro трех концентраций при Т=298
K.
В Разделе 3.2.1 обсуждается влияние добавок соли (NaCl) на гидратацию Pro и
возможность ион-молекулярного связывания Pro с неорганическими ионами. Представлены
результаты экспериментального исследования комплексной диэлектрической проницаемости, а
13
также данные о структурных и энергетических параметрах гидратации Pro для тройной системы
Pro–H2O–NaCl при c(Pro)=0.6 M и c(NaCl)=0, 0.2, 0.5, 1.0, 2.0 M.
Полученные диэлектрические спектры тройной системы Pro–H2O–NaCl наиболее
корректно описываются четырьмя релаксационными вкладами Дебая (Рисунок 7), три из
которых присутствуют в спектрах водного раствора Pro (Рисунок 1), а четвертый появляется при
добавлении соли в водный раствор Pro и частично может быть обусловлен релаксацией ионных
пар «неорганический катион – неорганический анион», как было показано для водного раствора
NaCl (без Pro) [13]. Вместе с тем, в системе Pro–H2O–NaCl с ростом содержания соли
наблюдается уменьшение амплитуды релаксации Pro, S1, (Рисунок 8), которая должна быть
постоянна из-за постоянства концентрации Pro для всех исследуемых систем (c(Pro)=0.6 M). Это
позволяет допустить, что часть молекул Pro будет вносить вклад в новый процесс релаксации из
чего можно предположить возможность образования ассоциатов «Pro–неорганические ионы»,
чья релаксации будет соответствовать четвертому вкладу.
Рисунок 7. Аппроксимация D+D+D+D функциями
спектра диэлектрических потерь, ε '' , для тройной
системы Pro–H2O–NaCl при с(NaCl)=0.505 M при
T=298 K. Закрашенные области соответствуют
вкладам от релаксации пролина (желтый),
«медленной» воды (синий), «объемной» воды (голубой)
и ассоциатов (Pro:X) (оранжевый).
Во всем концентрационном диапазоне соли процессы релаксации, связанные с
вращательной динамикой «медленной» воды и объемной воды, остаются на тех же частотах, но
значительно изменяется их амплитуда. С ростом c(NaCl) амплитуда объемной воды S3
уменьшается, а «медленной» воды S2 увеличивается (Рисунок 8), что указывает на рост
концентрации связанной воды в системе.
Рисунок 8. Концентрационная зависимость амплитуд
релаксации компонентов тройной системы Pro–H2O–NaCl
при T=298 K: пролина, S1, (▲), «медленной» воды, S2 = Ss,
(▼) и ассоциатов (Pro:X), S4, (●).
В разделе приведен анализ концентрации связанной воды в тройной системе Pro–H2O–NaCl
по данным ДРС. Для тройной системы метод ДРС не позволяет разделить влияние Pro и соли на
релаксацию связанной воды. По этой причине мы определяли изменение концентрации
связанной воды в тройной системе относительно двойных систем (водного раствора Pro без соли
и водного раствора NaCl без Pro).
Как было определено в Разделе 3.1, количество связанных молекул воды в 0.6 М водном
растворе Pro равно сумме «медленных» и «вымороженных» молекул воды, т.е.
Z t (Pro) = Z s (Pro) + Z ib (Pro) . Методом ДРС было определено, что время пребывания молекул
воды в гидратной оболочке Cl− для водного раствора NaCl сравнимо с временем релаксации
объемной воды [14], поэтому в рамках ДРС метода допускается [13], что количество связанной
14
воды в растворах NaCl (без Pro) равно числу «вымороженных» молекул воды в гидратной
оболочке только иона натрия, Z t (NaCl) = Z ib (Na + ) . Таким образом, из сравнения концентрации
«медленной» воды в изучаемой тройной системе (красная линия на Рисунке 9) и в 0.6 М водном
растворе Pro, cs = Z s (pro) × c(pro) (штрих-пунктир на Рисунке 9), видно наличие ее избыточной
концентрации csex = Z sex × c(NaCl) в системе Pro–H2O–NaCl, где Z sex = 2.4 молекулы воды.
Рисунок 9. Концентрации связанной, ct ( ), и
«медленной» воды, cs(H2O) ( ), для системы Pro–H2O–
NaCl при T=298 K. Штрих-пунктирной линией
изображена концентрация связанной воды в двойной
системе: 0.6 М водный раствор Pro (без соли).
Пунктирной линией изображена общая концентрация
связанной воды в двойных системах: 0.6 М водный
раствор Pro (без соли) и водном растворе NaCl (без
Pro).
При этом общая концентрация связанной воды в двойных системах: в 0.6 М растворе Pro и
водном растворе NaCl, сtcal =Zt(pro)×c(NaCl)+ Zib(Na+)×c(NaCl) (пунктир на Рисунке 9), меньше ее
концентрации в системе Pro–H2O–NaCl (синие кружки на Рисунке 9). Одновременно с этим,
сумма рассчитанной концентрации связанной воды в двойных системах с учетом избыточной
концентрации
«медленной»
воды в
системе
Pro–H2O–NaCl,
Zt(pro)×c(NaCl)+
ex
Zib(Na+)×c(NaCl)+Zs ×c(NaCl) (синяя линия на Рисунке 9) соответствует концентрации связанной
воды в системе Pro–H2O–NaCl (синие кружки на Рисунке 9). То есть рассчитанная таким образом
концентрация связанной воды соответствует ее экспериментальному значению. Из этого можно
сделать вывод, что в изучаемой системе при одновременном присутствии в растворе и Pro, и соли
количество «медленной» воды увеличивается на ~2.4 молекул воды. Данные ДРС не могут
показать расположение этого избыточное числа молекул воды, но разумно предположить, что
при одновременном взаимодействии как с Pro, так и с неорганическими ионами, данное
количество молекул воды замедляются в своей динамике и обнаруживаются в спектре как вклад
«медленной» воды. Можно предположить, что эти молекулы воды участвуют в образовании
ассоциата Pro-неорганические ионы-вода. Эта возможность будет проверена ниже при
обсуждении эффективного дипольного момента образуемых ассоциатов.
Рисунок 10. ПКФ g O1Ow ( r ) и
g O1Hw ( r ) (а), g N1Ow (r ) и
g N1Hw ( r ) (б) для тройной
системы Pro–H2O–NaCl при
трех концентрациях соли (0
М, 0.5 М и 2.0 М) при Т=298
K.
Далее обсуждаются особенности гидратации Pro в системе Pro-H2O-NaCl по RISM-данным.
Результаты показывают, что увеличение концентрации соли до 2 М оказывает незначительное
влияние на первую гидратную оболочку Pro (Рисунок 10, ПКФ карбоксильная группа-вода и
15
иминогруппа-вода в качестве примера): количество молекул воды в ближнем окружении – СОО–
и –NH2+ групп уменьшается на ~ 4% и 6% соответственно, а число Н-связей, формируемых этими
группами, уменьшается на 5% и 7% соответственно. Анализ ПФР также показывает (Рисунок
11), что добавки соли практически не влияют на пространственное распределение атомов
кислорода и водорода молекул воды в первой гидратной оболочке Pro.
При этом полное ГЧ Pro с ростом концентрации соли уменьшается на 4% (от 25.3 до 24.2), а
энергия взаимодействия гидрофильных групп Pro с молекулами воды уменьшается не более чем
на 4%. Таким образом, полученные результаты свидетельствуют о стабильности структуры
первой гидратной оболочки Pro во всем диапазоне концентрации соли. Отметим, что как в случае
водного раствора Pro, в тройной системе пирролидиновое кольцо Pro слабо гидратировано во
всем диапазоне концентраций (с каждой стороны кольца находятся по ~0.5 молекул воды на
расстоянии ~0.3 нм).
Рисунок 11. ПКФ атомов водорода (синий цвет) и
кислорода (красный цвет) молекул воды, ионов Na+ (зеленый
цвет) и Cl─ (желтый цвет) вокруг пролина при c(Pro)=0.6 M
и c(NaCl)=0.5 M. Изоповерхности соответствуют ПФР
g Pro-Hw (r ) = 2.0 , g Pro-Ow (r ) = 3.4 , g Pro-Na+ (r ) = 10.1 и
g Pro-Cl- (r ) = 9.7 .
Значительная часть раздела посвящена особенностям ионно-молекулярной ассоциации в
тройной системе. Ранее, при анализе экспериментальных ДРС-данных, где был выявлен новый
процесс релаксации, связанный с одновременным наличием Pro и соли в растворе, было сделано
предположение, что в тройной системе существует возможность образования ассоциатов Pro с
неорганическими ионами. Для определения степени связывания Pro с ионами можно рассчитать
константу ион-молекулярной ассоциации. В предположении образования возможных ассоциатов
(Pro:X) типа (−COO−:Na+) и (или) (−NH2+:Cl–) и (или) (Pro±:Na+ ‫ ׀‬Cl–:H2O), можно использовать
следующую схему равновесия:
K
(14)

→ Pro ⋅ r ⋅ X
Pro+r ⋅ X ←

0
с константой равновесия [15]:
K 0 = lim K acc
(15)
c ( NaCl) → 0
где константа ассоциации имеет вид
K асс =
c ( ag )
[ c (Pro) − c ( ag )][ c (NaCl) − c ( ag )]
(16)
где r – стехиометрический коэффициент, который r = 1 для ассоциатов (−COO−:Na+)/(−NH2+:Cl–)
и r = 2 для (Pro±:Na+ ‫ ׀‬Сl–:H2O), cDRS (Pro) − концентрация Pro, полученная из обработки
диэлектрических спектров, c(Pro) − аналитическая концентрация Pro и c(ag) = c(Pro) − cDRS (Pro)
- концентрация возможных ассоциатов (−COO−:Na+)/(−NH2+:Cl–) / (Pro±:Na+ ‫ ׀‬Сl–:H2O).
16
Рисунок 12. Зависимость константы ассоциации пролина
с неорганическими ионами, Kасс, от концентрации NaCl в
тройной системе Pro–H2O–NaCl при T=298 K.
Полученное значение K уменьшается от ~1.2 М-1 при с(NaCl)→0 M и до ~0.8 М-1 при
с(NaCl)≥1 М (Рисунок 12). Таким образом, в тройной системе Pro–H2O–NaCl степень связывания
Pro с неорганическими ионами мала. Так как концентрация соли, c(NaCl) = c(Na + ) = c(Cl − ) , то
уравнение (17) эквивалентно для ассоциатов (−COO−:Na+) / (−NH2+:Cl–) / (Pro±:Na+ ‫ ׀‬Cl–:H2O).
Таким образом, по полученным значениям Kасс невозможно определить взаимодействует ли Pro
только с ионами Na+ и/или Cl−. Для решения этой проблемы было использовано сравнение
дипольных моментов ассоциатов, полученных из экспериментальных данных и рассчитанных
методом ТФП в пакете программ Gaussian 09W с базисом B3LYP/cc-pVDZ и континуальной
моделью сольватации IPCM. Определенный из экспериментальных данных эффективный
дипольный момент µeff образованных в растворе ассоциатов незначительно уменьшается от 14.9
Д при с(NaCl)→0 до 13.7 Д при с(NaCl)=2.0 М. Результаты ТФП-моделирования представлены
на Рисунке 13. Сравнение полученных данных показывает, что наиболее близко к
DFT
экспериментальному значению µeff = 14.9 Д расчетное значение µPro
= 16.7 Д для ассоциата
⋅ Na
+
(Pro :Na ‫ ׀‬Cl :H2O). В то же время ТФП - значения µ
±
+
–
DFT
Pro⋅ Na +
= 4.3 Д для ассоциатов (−COO−:Na+), и
DFT
µPro
= 11.0 Д для ассоциатов (−NH2+:Cl–) значительно ниже экспериментального. Последнее
⋅Cl
означает, что образование ассоциата между соответствующей функциональной группой Pro и
только неорганическим ионом Na+ или Cl− маловероятно. Этот вывод подтверждается данными
3D-RISM расчетов. Как можно видеть из ПФР (Рисунок 11), Pro одновременно взаимодействует
с ионами Na+ и Cl− через слой молекул воды. При этом ПСС Pro-Na+ и Pro-Cl− (Таблица 2)
примерно одинаковы, что свидетельствует об одинаковом по силе взаимодействии протектора с
катионом и анионом. Можно предположить, что в системе Pro-NaCl-Н2О возможно образование
сложного гидраторазделенного ассоциата между гидрофильными группами Pro и
неорганическими ионами, (Pro±:Na+ ‫ ׀‬Cl–:H2O), релаксация которого соответствует четвертому
вкладу в диэлектрическом спектре (Рисунок 7). Как следует из экспериментальных данных ( Z sex
на Рисунке 9), в образовании такого сложного ассоциата может участвовать до ~ 2.4 молекул
воды. При этом диполи (Pro±:Na+ ‫ ׀‬Cl–:H2O) и Pro-nН2О (Рисунки 11 и 2) направлены практически
антипараллельно. Таким образом, они компенсируют друг друга, так что суммарное значение
дипольного момента ассоциата (Pro±:Na+ ‫ ׀‬Cl–:H2O) будет меньше значения 19.2 Д (Рисунок 13) и
предположительно будет соответствовать экспериментальному значению.
−
17
Рисунок 13. Дипольные моменты ассоциатов
(−COO−:Na+), (−NH2+:Cl–) и (Pro±:Na+ ‫ ׀‬Cl–:H2O)
с минимальной энергией, полученные с помощью
ТФП-расчетов.
Обобщение представленных данных показывает, что добавки соли мало влияют на
структуру гидратной оболочки Pro, в результате чего Pro способен удерживать значительное
количество молекул воды в своем ближнем окружении. Кроме того, установлена возможность
ион-молекулярного связывания Pro, в результате чего образуется ассоциат (Pro±:Na+ ‫ ׀‬Cl–:H2O),
который можно отнести к типу гидраторазделенных ионных пар.
Таблица 2. Минимальные значения ПСС для ассоциатов Pro – неорганический ион при различной
концентрации NaCl
Концентрация NaCl
Ассоциат
0.2 M
0.5 M
1.0 M
1.5 M
2.0 M
–
+
(–COO :Na )aq
–1.40
–1.38
–1.37
–1.35
–1.35
+
–
(–NH2 :Cl )aq
–1.49
–1.49
–1.48
–1.47
–1.47
В Разделе 3.2.2 были изучены возможность и особенности ион-молекулярного связывания
Pro с неорганическими ионами в водных растворах NaCl (0.5-5.0 М), KCl (0.5-3.0 М), CaCl2 (0.52.0 М) и MgCl2 (0.5-2.0 М).
На основе ПСС, рассчитанных методом 3D-RISM, установлено, что в системах Pro-водасоль между заряженными функциональными группами Pro и неорганическими ионами могут
образовываться ион-молекулярные ассоциаты (–COO–:Cat+)aq и (–NH2+:Cl−)aq. При этом
вероятность образования ассоциата (–COO–:Cat+)aq и его стабильность возрастает в ряду
K+<Na+<Ca2+<Mg2+ (Таблица 3). Вероятность образования ассоциатов (–NH2+:Cl–)aq и их
стабильность во всех тройных системах приблизительно одинаковы. Согласно полученным
данным, с увеличением концентрации соли в растворе стабильность любого ассоциата
незначительно уменьшается, о чем свидетельствует уменьшение ПСС (Таблица 3). Таким
образом, стабильность ассоциатов пролин – неорганический ион зависит от природы иона и
концентрации соли.
Установлено, что в водных растворах NaCl, CaCl2, MgCl2 во всем интервале исследованных
концентраций катионы Na+, Ca2+, Mg2+ взаимодействуют с группой –COO– через атом О,
ближайший к –NH2+ (в качестве примера представлен Рисунок 14). Наряду с этим, в системе Proводный раствор KCl при наименьшей концентрации соли (c(KCl)=0.5 М) ион K+ встраивается
между атомами кислорода–СОО– группы (Рисунок 14а). При концентрациях c≥1 М для KCl путь
связывания иона K+ с пролином (Рисунок 15 б,в) становится аналогичным тому, что реализуется
в растворах NaCl/MgCl2/CaCl2 во всем диапазоне концентраций солей. При образовании
ассоциатов (–NH2+:Cl–)aq для всех систем и при всех концентрациях ион Cl– взаимодействует с –
NH2+ группой через атом H, ближайший к –COO– группе (Рисунок 16).
Учитывая пути связывания Pro с неорганическими ионами, описанные выше, можно
предположить, что с ростом концентрации соли в системах Pro – вода – NaCl/KCl/CaCl2/MgCl2
появляется возможность для образования ионных пар между неорганическими ионами. Такая
возможность предполагает возникновение конкуренции между процессами образования
ассоциатов Pro с неорганическими ионами и ассоциацией между неорганическими ионами. В
18
этом случае усиление влияния полей противоположно заряженных неорганических ионов,
приводящее к возможности образования между ними ионной пары, обусловливает уменьшение
энергии ассоциата Pro–неорганический ион, и, таким образом, уменьшение его стабильности
(Таблица 3).
Установлено, что в растворе KCl при концентрации соли c≥1 M (Рисунок 15б,в) и в
растворах NaCl (Рисунок 14), CaCl2 во всем концентрационном диапазоне в ходе ионмолекулярного связывания между неорганическими ионами может образоваться контактная
ионная пара, а в растворах MgCl2 существует вероятность образования гидраторазделенной
ионной пары.
а
б
в
Рисунок 14. ПCC Pro–Na+ в водных растворах NaCl с концентрациями 0.5 М (а), 2.0 М (б), 5.0 М (в).
Красным кружком отмечено наиболее вероятное местоположение неорганического иона.
б
а
в
+
Рисунок 15. ПCC Pro–K в водных растворах KCl с концентрациями 0.5 М (а), 1.0 М (б), 3.0 М (в).
Красным кружком отмечено наиболее вероятное местоположение неорганического иона.
б
а
─
в
Рисунок 16. ПCC Pro–Cl в водных растворах NaCl с концентрациями 0.5 М (а), 2.0 М (б), 5.0 М (в).
Красным кружком отмечено наиболее вероятное местоположение неорганического иона.
19
Таблица 3. Минимальные значения ПСС и соответствующие им максимальные значения ПФР для Pro в
водных растворах NaCl, KCl, CaCl2, MgCl2 различных концентраций
Концентрация раствора
Ассоциат
NaCl(aq)
0.5 М
2.0 М
5.0 М
ПСС
,
кал
/
моль
–1.48
–1.37
–1.29
min
(–COO–:Na+)aq
ПФРmax
12.14
10.15
8.87
ПССmin, кал/моль
–1.36
–1.31
–1.26
(–NH2+ :Cl–)aq
ПФРmax
10.00
9.18
8.45
KCl(aq)
0.5 M
1.0 M
1.5 M
2.0 M
3.0 M
ПССmin, кал/моль
–1.24
–1.10
–1.08
–1.07
–1.06
(–COO–:K+)aq
ПФРmax
8.18
6.38
6.23
6.05
6.03
ПССmin, кал/моль
–1.35
–1.28
–1.27
–1.26
–1.26
(–NH2+ :Cl–)aq
ПФРmax
9.86
8.65
8.52
8.38
8.36
CaCl2(aq)
0.5 М
2.0 М
ПСС
,
кал
/
моль
–1.71
–1.61
min
(–COO–:Ca2+)aq
ПФРmax
17.94
15.20
ПСС
,
кал
/
моль
–1.34
–1.31
min
(–NH2+ :Cl–)aq
ПФРmax
9.68
9.15
MgCl2(aq)
0.5 М
2.0 М
ПССmin, кал/моль
-2.15
-2.05
(–COO–:Mg2+)aq
ПФРmax
37.90
32.00
ПССmin, кал/моль
-1.36
-1.31
(–NH2+ :Cl–)aq
ПФРmax
10.00
9.15
Раздел 3.3 посвящен исследованию влияния пониженных температур (298−248 K) на
гидратацию Pro в водных растворах. Структурные данные были получения только методом ИУ в
1D- и 3D-RISM приближениях, т.к. метод ДРС аппаратурно ограничен для исследования систем
при температурах ниже 278 K. Согласно полученным результатам, понижение температуры до
248 K мало влияет на поведение ПКФ (Рисунок 17, ПКФ карбоксильная группа-вода в качестве
примера), и, как следствие, на структурные параметры гидратации Pro (Таблица 4). Так, полное
ГЧ пролина при охлаждении системы изменяется не более чем на 1.2%, а число Н-связей,
образуемых −СОО− и -NH2+ группами не более, чем на 2.7% и 1.2% соответственно. Кроме того,
анализ ЦФР показал, что пирролидиновое кольцо слабо гидратировано во всем исследованном
температурном диапазоне. Понижение температуры до 248 K практически не влияет и на
пространственное распределение атомов кислорода и водорода молекул воды в первой
гидратной оболочке Pro (как в ближнем окружении гидрофильных групп, так и над / под
пирролидиновым кольцом).
Рисунок 17. ПКФ g O1W (r ) (а) и
g O2W (r ) (b) для бесконечно
разбавленного водного раствора
пролина при двух крайних
температурах 298 и 248 K.
20
Таблица 4. Структурные параметры гидратации Pro в водном растворе в интервале температур 298248 K
T K
298
288
278
268
258
248
−
−COO группа
nO1Ow
7.97
8.00
8.02
7.94
7.94
7.93
(0.310)
(0.310)
(0.310)
(0.313)
(0.313)
(0.313)
(rO1Ow / нм)
nO1Hw
(rO1Hw / нм)
nO2Ow
(rO2Ow / нм)
nO2Hw
(rO2Hw / нм)
nN1Ow
(rN1Ow / нм)
nH8Ow
(rH8Ow / нм)
nH9Ow
(rH9Ow / нм)
npyr ring_OW
(rpyr ring_OW / нм)
npyr ring_H W
(rpyr ring_H W / нм)
2.22
(0.175)
2.23
(0.175)
2.24
(0.175)
2.25
(0.175)
2.26
(0.175)
2.27
(0.175)
7.12
(0.313)
7.14
(0.313)
7.17
(0.313)
7.19
(0.313)
7.19
(0.313)
7.17
(0.315)
1.90
(0.178)
1.91
(0.178)
1.92
(0.178)
1.93
(0.178)
1.93
(0.178)
1.94
(0.178)
4.49
(0.298)
−NH2+ группа
4.50
4.52
(0.300)
(0.300)
4.51
(0.300)
4.50
(0.300)
4.48
(0.300)
0.91
(0.175)
0.91
(0.175)
0.91
(0.175)
0.91
(0.175)
0.91
(0.175)
0.83
0.84
0.84
0.84
0.85
(0.173)
(0.173)
(0.173)
(0.173)
(0.173)
Над плоскостью пирролидинового кольца (ЦФР)
0.85
(0.173)
0.91
(0.175)
0.55
(0.340)
0.55
(0.340)
0.55
(0.340)
0.56
(0.340)
0.57
(0.340)
0.57
(0.340)
0.95
(0.380)
0.95
(0.380)
0.95
(0.380)
0.95
(0.380)
0.95
(0.380)
0.95
(0.380)
Под плоскостью пирролидинового кольца (ЦФР)
npyr ring_OW
(rpyr ring_OW / нм)
npyr ring_H W
(rpyr ring_HW / нм)
nt
0.49
(0.360)
0.49
(0.360)
0.49
(0.360)
0.50
(0.360)
0.50
(0.360)
0.50
(0.360)
1.01
(0.370)
1.01
(0.370)
1.01
(0.370)
1.01
(0.370)
1.01
(0.370)
1.01
(0.370)
(3D-RISM)
25.7
25.8
25.7
Полное гидратное число пролина,
25.4
25.6
25.6
nt
Поэтому
в
качестве
иллюстрации
пространственной
структуры гидратной оболочки при
пониженных температурах можно
O
O
использовать ПФР на Рисунке 4.
−COO− группа
Полученные
результаты
298 K
–0.77
–0.82
–1.02
–0.90
свидетельствует
о
стабильности
248 K
–0.80
–0.85
–1.08
–0.96
структуры
первой
гидратной
−NH2+ группа
Температура
IIO
II’O
IIH
II’H и II’’H оболочки Pro в условиях пониженных
298 K
–1.19
–0.89
–0.54
–0.40
температур. Кроме того, анализ ПСС
248 K
–1.25
–0.95
–0.58
–0.42
гидрофильных
групп
Pro
с
молекулами воды (Таблица 5) показывает, что энергия их взаимодействия при понижении
Таблица 5. Значения ПСС гидрофильных групп
пролина с молекулами воды (ккал/моль)
I
I’
Температура
IH
I’H
21
температуры изменяется не более, чем на 7%. Это еще одно доказательство стабильности
структуры первой гидратной оболочки Pro при понижении температуры.
Таким образом, результаты 1D- и 3D-RISM расчетов показали, что Pro остаются сильно
гидратированными и при низких температурах. Кроме того, обнаружена стабильность гидратной
оболочки пролина во всем изучаемом диапазоне температур.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Итоги выполненного исследования
Впервые с использованием
*метода ДРС получены диэлектрические спектры водных и водно-солевых (NaCl)
растворов Pro, параметры дипольной релаксации (амплитуды релаксации; времена релаксации,
диэлектрические проницаемости) компонентов раствора, ДРС-параметры гидратации
(эффективные гидратные числа Pro и его эффективный дипольный момент),
* метода RISM-ИУ определены структурные (функции распределения, межатомные
расстояния, гидратные числа) и энергетические (потенциалы средней силы) параметры
гидратации Pro в водных и в водно-солевых (NaCl) растворах при стандартных условиях, в
водных растворах при пониженных температурах, а также параметры ион-молекулярного
связывания (функции распределения, потенциалы средней силы) Pro в водно-солевых растворах
NaCl, KCl, MgCl2, CaCl2. На основе полученных данных:
1. установлено, что диэлектрические спектры водных растворов Pro определяются тремя
вкладами дебаевской релаксации с временами релаксации ~51-420 пс, ~17-82 пс, ~8.4-14.4 пс (в
зависимости от концентрации пролина), свидетельствующими о переориентации соответственно
Pro, «медленной» и объемной воды, а спектры тройных систем Pro-H2O-NaCl содержат
дополнительный вклад с временем релаксации ~284-213 пс (в зависимости от концентрации
соли), обусловленный дебаевской релаксацией образованных в растворе ассоциатов Pro–
неорганический ион;
2. установлено, что преобладающее влияние на замедление вращательной подвижности
молекул воды в гидратной оболочке Pro как в водных, так и в водно-солевых (NaCl) растворах,
оказывают его гидрофильные группы.
3. определено, что при стандартных условиях в бесконечно разбавленном водном растворе
эффективный дипольный момент Pro составляет 19 Д, а его полное гидратное число ~25 молекул
воды, в основном, находящихся в ближнем окружении гидрофильных групп;
4. показано, что с ростом содержания Pro в растворе в результате его дегидратации
происходит уменьшение его полного гидратного числа до ~13 молекул воды и его эффективного
дипольного момента до 17.2 Д;
5. обнаружено незначительное влияние добавок соли (NaCl) и понижения температуры
(298−248 K) на структурные параметры гидратации Pro: изменение его гидратных чисел и числа
Н-связей, образуемых его группами с молекулами воды, не превышает соответственно 4% и 7%;
6. показано, что в системах Pro-H2O-соль (NaCl, KCl, CaCl2, MgCl2) между гидрофильными
группами Pro и неорганическими ионами формируются ассоциаты вида (-COO─:Cat+,
Cat+=Na+/K+/Mg2+/Ca2+)aq и (-NH2+:Cl─)aq. Определены пути ион-молекулярного связывания
пролина с неорганическими ионами;
7. обнаружено, что стабильность ассоциатов (-NH2+:Cl─)aq приблизительно одинакова во
всех системах Pro-H2O-соль и не зависит от концентрации соли, в то время как стабильность
ассоциатов (-COO─:Cat+)aq зависит и от концентрации соли, и от природы ионов. Показано, что
стабильность ассоциатов (-COO─:Cat+)aq уменьшается в ряду Mg2+>Ca2+>Na+>K+;
8. установлено, что в тройной системе Pro–H2O–NaCl образуется ассоциат (Pro±:Na+ ‫ ׀‬Cl–
:H2O) по типу гидраторазделенной ионной пары.
22
Рекомендации, перспективы дальнейшей разработки темы.
Дальнейшие исследования будут направлены на изучение водных и водно-солевых
растворов других аминокислот и их производных, обладающих протекторной функцией, что
позволит обобщить данные по особенностям гидратации и ассоциации биопротекторов и
установить роль этих процессов в защитном механизме их действия.
Список цитируемой литературы
1.
Bye J. W. Analysis of the hydration water around bovine serum albumin using terahertz coherent
synchrotron radiation / J. W. Bye, S. Meliga, D. Ferachou, G. Cinque, J. A. Zeitler, R. J. Falconer // J. Phys. Chem.A.
– 2013. – Vol. 118 – №. 1 – P. 83-88.
2.
Comez L. More is different: experimental results on the effect of biomolecules on the dynamics of
hydration water/ L. Comez, L. Lupi, A. Morresi, M. Paolantoni, P. Sassi, D. Fioretto // J. Phys. Chem. Lett. – 2013. –
Vol. 4 – №. 7 – P. 1188-1192.
3.
Falconer R. J. Terahertz spectroscopic analysis of peptides and proteins / R. J. Falconer, A. G.
Markelz // J. Infrared Millim Te. – 2012. – Vol. 33. – №. 10. – P. 973-988.
4.
Ebbinghaus S. An extended dynamical hydration shell around proteins/ S. Ebbinghaus, S. J. Kim,
M. Heyden, X. Yu, U. Heugen, M. Gruebele, D. M. Leitner, M. Havenith // PNAS USA. – 2007. – Vol. 104 – №.
52 – P. 20749-20752.
5.
Yancey P. H. Organic osmolytes as compatible, metabolic and counteracting cytoprotectants in
high osmolarity and other stresses / P. H. Yancey // J. Exp. Biol. – 2005. – Vol. 208 – №. 15 – P. 2819-2830.
6.
Sun H. l-Proline and ectoine stabilize proteins from denaturation / H. Sun, H. Wolfes, B.
Glasmacher, N. Hofmann //Cryobiology. – 2011. – Vol. 3 – №. 63 – P. 335.
Cavell E. A. S. Dielectric relaxation in non aqueous solutions. Part 2.—Solutions of tri (n-butyl)
7.
ammonium picrate and iodide in polar solvents / E. A. S. Cavell, P. C. Knight, M. A. Sheikh // J. Chem. Soc.
Faraday Trans. – 1971. – Vol. 67. P. 2225-2233.
8.
Kovalenko A. First-principles realization of a van der Waals–Maxwell theory for water / A.
Kovalenko, F. Hirata // Chemical physics letters. – 2001. – Vol. 349 – №. 5-6 – P. 496-502.
Molecular Theory of Solvation / F. Hirata. – Dordrecht: Kluwer Academic Publishers, 2003. – 360 p.
9.
10.
Svishchev I. M. Spatial hydration maps and dynamics of naphthalene in ambient and supercritical
water / I. M. Svishchev, A. Plugatyr, I. G. Nahtigal // J. Chem. Phys. – 2008. – Vol. 128 – №. 12 – P. 124514.
11.
Kovalenko A. Solution of three-dimensional reference interaction site model and hypernetted chain
equations for simple point charge water by modified method of direct inversion in iterative subspace / A. Kovalenko,
S. Ten-no, F. Hirata // J. Comput. Chem. – 1999. – Vol. 20. – №. 9 – P. 928-936.
12.
Case D.A., Cheatham T., Darden T., Gohlke H., Luo R., Merz K.M. Jr., Onufriev A., Simmerling
C., Wang B., Woods R. The Amber biomolecular simulation programs // J. Computat. Chem. – 2005. – N 16. – p.
1668-1688. (http://www.ambermd.org)
13.
Eiberweiser A. Ion-pair or ion-cloud relaxation? On the origin of small-amplitude low-frequency
relaxations of weakly associating aqueous electrolytes / A. Eiberweiser, R. Buchner // J. Mol. Liq. – 2012. – Vol.
176. P. 52-59.
14.
Laage D. Reorientional dynamics of water molecules in anionic hydration shells / D. Laage, J. T.
Hynes // PNAS. – 2007. – Vol. 104 – №. 27 – P. 11167-11172
15.
Buchner R. What can be learnt from dielectric relaxation spectroscopy about ion solvation and
association? / R. Buchner // Pure Appl. Chem. – 2008. – Vol. 80 – №. 6 – P. 1239-1252.
Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:
1.
Федотова М. В. Структура гидратной оболочек групп –NH+2 и –COO-цвиттер-иона
L-пролина по данным 1D-RISM-метод интегральных уравнений / М. В. Федотова, О. А.
Дмитриева // ЖФХ. – 2014. – Т. 88 – №. 5 – С. 801-804.
Fedotova M. V. Characterization of selective binding of biologically relevant inorganic
2.
ions with the proline zwitterion by 3D-RISM theory / M. V. Fedotova, O. A. Dmitrieva // New J. Chem. –
2015. – Vol. 39 – №. 11 – P. 8594-8601.
23
3.
Fedotova M. V. Proline hydration at low temperatures: its role in the protection of cell
from freeze-induced stress / M. V. Fedotova, O. A. Dmitrieva //Amino acids. – 2016. – Vol. 48 – №. 7 –
P. 1685-1694.
4.
Dmitrieva O. A. Evidence for cooperative Na+ and Cl− binding by strongly hydrated lproline / O. A. Dmitrieva, M. V. Fedotova, R. Buchner // Phys. Chem. Chem. Phys. – 2017. – Vol. 19 –
№. 31 – P. 20474-20483.
Тезисы докладов на научных конференциях:
5.
Дмитриева О.А. Гидратная структура L-пролина по данным метода RISMинтегральных уравнений / О.А. Дмитриева, М.В. Федотова // XIX Межд. конф. по химической
термодинамике в России, Москва – 2013. – С. 230.
6.
Дмитриева О.А. Особенности ассоциации цвиттер-иона пролина с
неорганическими ионами в водных растворах NaCl и KCl / О.А. Дмитриева, М.В. Федотова // VIII
Всероссийская школа-конференция молодых ученых «Теоретическая и экспериментальная
химия жидкофазных систем» («Крестовские чтения»), Иваново. – 2014.-С. 15.
7.
Fedotova M. V. Hydration structure of L-proline in water at low temperatures / M. V.
Fedotova, S. E. Kruchinin, O. A Dmitrieva // EMLG/JMLG Annual Meeting “Molecular Liquids Meet
Ionic Liquids. From Fundamentals to Applications”, Universität Rostock, Germany. – 2015.- P. 87
8.
Dmitrieva O.A. Concentration Effect on Hydration Structure of Proline Zwitterion / O.A.
Dmitrieva, M.V. Fedotova // XX International Conference on Chemical Thermodynamics in Russia
RCCT, Nizhni Novgorod. – 2015. - P. 217.
9.
Дмитриева О.А. Гидратация цвиттер-иона пролина при пониженных температурах
/ О.А. Дмитриева, М.В. Федотова, Г.Н. Чуев // Всероссийская конференция с международным
участием «Проблемы сольватации и комплексообразования в растворах. От эффектов в
растворах к новым материалам», Иваново. – 2015.- С. 150.
10.
Дмитриева О.А. Влияние низких температур на структурные параметры
гидратации пролина по данным 3D-RISM метода интегральных уравнений / О.А. Дмитриева,
М.В. Федотова // X Всероссийская конференция молодых ученых «Теоретическая и
экспериментальная химия жидкофазных систем», Иваново. – 2015. - С. 29-30.
11.
Федотова М.В. Особенности гидратации и ассоциации пролина в водном растворе
KCl при повышенных температурах / М.В. Федотова, О.А. Дмитриева, Г.Н. Чуев // IX
Международная научная конференция «Кинетика и механизм кристаллизации. Кристаллизация
и материалы будущего», Иваново. – 2016.- С. 201-202.
12.
Дмитриева О.А. Особенности гидратации биопротектора пролина по данным
метода диэлектрической спектроскопии и статистико-механических расчетов / О.А. Дмитриева,
Р. Бухнер, М.В. Федотова // XI Всероссийская школа-конференция молодых ученых
"Теоретическая и экспериментальная химия жидкофазных систем", Иваново. – 2017. – С. 10-11.
13.
Dmitrieva O.A. New insight on proline hydration / O.A. Dmitrieva, M.V. Fedotova, R.
Buchner // XXI International Conference on Chemical Thermodynamics in Russia, Novosibirsk. – 2017.Р. 266.
14.
Fedotova M. V. Hydration and ion-binding of bioprotectant proline: A unified view from
experiment and theory / M. V. Fedotova, R. Buchner, O. A Dmitrieva // EMLG/JMLG Annual Meeting
"Molecular Liquids", Universität Wien, Austria. – 2017.- P. 118-119
15.
Дмитриева О.А. Особенности гидратации и ассоциации пролина в водных
растворах NaCl/ О.А. Дмитриева, Р. Бухнер, М.В. Федотова // XIII Международная научная
конференция «Проблемы сольватации и комплексообразования в растворах» в рамках кластера
конференций, Суздаль. – 2018. – С. 55-56.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
2
Размер файла
2 172 Кб
Теги
особенности, внешнего, влияние, воздействия, пролина, факторов, гидратации
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа