химический каталог




Катализ в химии и энзимологии

Автор В.Дженкс

рации соли.)

Тот факт, что нет необходимости учитывать взаимодействия с заряженными группами для объяснения влияния концентрированных растворов солей на денатурацию белков, становится наиболее очевидным при рассмотрении плавления желатинового геля, которое представляет собой одну из форм денатурации. Влияние концентрированных растворов солей на температуру плавления желатины остается постоянным при изменении рН в пределах 2...11,7, хотя при предельных значениях рН все карбоксильные и амино-группы соответственно переходят в незаряженную форму. Более того, устранение заряженных групп путем ацетилирования амино-групп, этерификации карбоксильных групп и нитрования большинства гуаниди-новых групп не оказывает существенного влияния на вызываемое солью изменение температуры плавления [7]. Даже в случае спирали ДНК, обладающей высокой плотностью отрицательного заряда, денатурация, вызываемая концентрированными растворами солей, зависит от природы аниона больше, чем от природы катиона, и лучше может быть объяснена влиянием солей на незаряженные основания, чем на заряженные группы полимера [24, 51]. Очевидно, взаимодействие солей в концентрированном растворе с незаряженными участками полимеров способно вызывать изменения в его физическом состоянии. Неудивительно, что взаимодействия с заряженными группами играют незначительную роль в денатурации белков при нейтральных значениях рН, так как заряженные группы обычно находятся в контакте с растворителем на поверхности глобулы нативного белка, вследствие чего они могут взаимодействовать с солями одинаковым образом как в нативной, так и в денатурированном состояниях. Следовательно, равновесие

294

ГЛАВА 7

между обеими формами белка не должно смещаться в результате более сильного взаимодействия одной из них с солью.

Так как неполярные группы полимеров в процессе изменения состояния макромолекулы выходят на поверхность и становятся доступными для растворителя, влияние солей на коэффициенты активности таких групп может изменить положение равновесия. На основании большого числа экспериментальных данных по влиянию солей на растворы простых органических модельных соединений, таких, как бензол (рис. 4), появляется возможность предсказывать относительную эффективность различных солей в тех случаях, когда определяющим является их влияние на неполярные группы: соли, которые эффективно высаливают неполярные соединения (например, сульфаты и фториды), должны препятствовать переходу макромолекулы в состояние, в котором неполярные группы становятся доступными для растворителя; соли, увеличивающие растворимость неполярных соединений (например, бромистый тетраметиламмоний), напротив, должны облегчать такой переход. Несмотря на то что эффекты такого типа могут существовать и вносить значительный вклад в денатурацию белков под действием концентрированных растворов солей, из имеющихся в настоящее время данных следует, что для большинства белков они не являются основными. Так, ион тетраметиламмо-ния не оказывает, как правило, существенного влияния на белки, а натриевые и калиевые соли ионов I-, NOj, СЮ~ и хлориды Ва2+, Са2+ и Mg2+ вызывают денатурацию и солюбилизацию многих белков, хотя обладают высаливающим действием на бензол и другие неполярные соединения. Более того, часто убеждаются в том, что влияние солей на белки нечувствительно к природе катиона в ряду Na+, К+, Cs+, Rb+, в то время как коэффициенты активности простых неполярных молекул сильно различаются для различных катионов этой группы.

Существует гораздо более точная корреляция между влиянием концентрированных растворов солей на белки и на их растворимость и коэффициентом активности этилового эфира ацетилтетраглицина (ЭЭАТГ) — модельного соединения, построенного главным образом из амидных групп (табл. 1 и 2) [8].

ООООО

II II II II II CHsCNCH3CNCH3CNCHXNCH2COC2H5 Н Н Н Н j ЭЭАТГ

Это указывает на то, что воздействие концентрированных растворов солей на белки осуществляется в основном путем стабилизирующего или дестабилизирующего влияния на амидные группы, у которых изменяется степень доступности для растворителя при изменении физического состояния белка. Те соли, которые способствуют денатурации, растворению и диссоциации белков, а именно LiBr, Nal, NaSCN, СаС12, гидрохлорид гуанидина и дииодо-салицилат лития, увеличивают растворимость упомянутого выше модельного полиамида и, следовательноУдолжны благоприятствовать таким изменениям в состоянии белка в растворе, при которых происходит увеличение степени контакта амидных групп с растворителем. Наоборот, соли, препятствующие денатурации и способствующие осаждению и агрегации белков, такие, как сульфаты, фосфаты, ацетаты, фториды и цитраты, понижают растворимость ЭЭАТГ, и в их присутствии уменьшается степень контакта амидных групп с растворителем. Выражаясь более формально, соли первой группы уменьшают коэффициент активности амидных групп, находящихся в контакте с растворителем, и, согласно уравнению (1), увеличивают концентрацию «развернутого» белка, в котором присутствует большое число таких групп; соли второй группы вызывают противоположный эффект. Хотя для солей, являющихся промежуточными между этими двумя группами, характер вызываемых ими эффектов зависит от природы белка (возможно, из-за раз-

ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

295

личного вклада взаимодействий с гидрофобными и заряженными группами), крайние члены этих групп одинаково влияют на большое число различных белков. Более того, поведение модельного амида аналогично поведению белков в присутствии даже тех солей, которые противоположным образом влияют на амидную связь и на неполярные соединения. ЭЭАТГ и белки обладают относительной нечувствительностью к природе катиона в ряду Na+, К+, Cs+, (CH3)4N+. Было бы преждевременным делать количественные сопоставления, однако интересно отметить, что константы высаливания ks для ЭЭАТГ составляют одну пятую от соответствующих констант для гемоглобина. Таким образом, можно полагать, что высаливание гемоглобина объясняется удалением соли из непосредственного окружения участка молекулы гемоглобина, эквивалентного лишь пяти молекулам ЭЭАТГ при переходе белка из раствора в твердое состояние. Этот вывод представляется разумным, так как основная часть поверхности кристаллического белка остается окруженной молекулами растворителя и изменение коэффициента активности, приводящее к осаждению, должно затрагивать лишь те области поверхности, которые примыкают к другим молекулам и не имеют контакта с солью и растворителем в кристалле.

Денатурация ДНК под действием концентрированных растворов солей, которая обнаруживает тот же порядок чувствительности к природе соли, что и денатурация белков, может быть объяснена также влиянием солей на коэффициенты активности оснований нуклеиновых кислот, которые в денатурированной ДНК более доступны для растворителя, чем в нативной [51]. Такое поведение ДНК становится понятным, если учесть, что гетероциклические основания содержат большие диполи и построены в значительной степени из карбонильных групп, примыкающих к атомам азота; фактически они обладают свойствами циклических амидов.

Детали «микроскопического» механизма влияния концентрированных растворов солей на белки, пептиды, нуклеиновые кислоты и другие полярные растворенные вещества довольно неопределенны. Высаливание этих соединений и их составных частей, по-видимому, происходит по сложному механизму, являющемуся результатом наложения нескольких различных механизмов, как и в случае высаливания менее полярных соединений. Значения &s для полярных растворенных веществ меньше, чем для неполярных того же объема, так как полярные молекулы сильнее взаимодействуют с растворителем; при достаточно высокой полярности наблюдается всаливание. Теория, основанная на рассмотрении внутреннего давления, по-видимому, дает в настоящее время наиболее удовлетворительное объяснение высаливанию как полярных, так и неполярных веществ.

Всаливание, наблюдаемое для модельных амидов, оснований нуклеиновых кислот и полимеров проще всего объясняется прямым взаимодействием между диполями этих соединений и ионами, находящимися в растворителе, однако природа этих взаимодействий не вполне определенна и такое объяснение не строго обоснованно. Для слабых ион-дипольных взаимодействий этого типа трудно провести четкую границу между образованием стехиометриче-ских ион-дипольных комплексов и неспецифическим взаимодействием ионов с диполем, которое следует из данных по влиянию на коэффициенты активности и соотношения (8). Подтверждением существования прямых ион-дипольных взаимодействий может служить хорошая корреляция, наблюдающаяся между влиянием анионов на ЭЭАТГ и их сродством к ионообменным смолам и связыванием с заряженными группами в разбавленном растворе {табл. 1). Во всех этих случаях, по-видимому, большие и слабо сольватирован-ные ионы способны легко терять достаточное количество сольватной воды, чтобы эффективно взаимодействовать с зарядами или диполями с относительно слабым полем. Можно предположить, что молекула растворенного вещества находится в некоторой полости, образованной в растворителе. Тогда ионы,

296

ГЛАВА 7

способные находиться в поверхностном слое (как это следует из их влияния на поверхностное натяжение), будут концентрироваться на поверхности полости и взаимодействовать с диполем молекулы растворенного вещества, находящимся внутри нее.

Дальнейшим подтверждением наличия прямых взаимодействий с ионами служит влияние солей на мероцианиновый краситель X, который можно рассматривать как винилог (XI б) амида (XI а), где атом азота и карбонильная группа разделены системой двойных связей, через которую может происходить обычный для амидов резонанс.

>=с-с =

/-

-- О +-+ CHS+N

V.

с=с-

\=

"Ч -У

о-

0

о

r^WVvVr I Пептид

Пептид \

)©0

Пептид I -WAVV—1

о

° ° о

° ©

о

1 0 о о

о ® ,

I Пептид

'0 о

/N~CX ^N-(C = C)„-C^

XIa XI6

Изменение спектра поглощения этого красителя в присутствии концентрированных растворов солей происходит с сохранением изосбестической

точки, а не представляет собой непрерывный сдвиг максимума поглощения с ростом концентрации соли. Отсюда, а также из того факта, что для некоторых солей изменения в спектре имеют ту же зависимость от концентрации соли, как и в случае простой реакции ассоциации (с константой ассоциации порядка 1 л/моль), следует, что между красителем и одним из ионов соли образуется ион-дипольный комплекс. Это комплексообразование не объясняет полностью влияния солей на растворимость и коэффициент активности красителя, но, по-видимому, прямое взаимодействие вносит основной вклад в наблюдаемые солевые эффекты [52].

Исходя из того факта, что какой-либо ион или небольшая молекула вызывает изменение в состоянии макромолекулы при взаимодействии с некоторой группой, входящей в ее состав, часто считают, что взаимодействия такого же рода между группами на макромолекуле обеспечивают ее устойчивость в исходном состоянии. Этот вывод ошибочен. Ситуация может быть рассмотрена при помощи некоторой аналогии с «правилом рыболовного крючка»: из того, что молекулу белка можно растянуть, зацепив крючками за ее концы, не следует, что исходная структура белка поддерживается при помощи крючков.

Особенно заманчиво пренебречь этим правилом в случае ионных взаимодействий и, например, считать, что заряженные группы создают движущую силу ассоциации белка, если белок может диссоциировать при добавлении соли. Допустим, что заряженные группы на полимере примыкают к диполям пептидных связей и что свободная энергия их переноса в воду равна нулю или даже отрицательна (рис. 9). Другая возможность состоит в образовании ионной пары в полимере, но это не будет сказываться на стабильности полимера, так как одно-одновалентная ионная пара, как известно, обладает малой устойчивостью в воде. В любом случае добавление соли, которая энергетически благоприятно взаимодействует с заряженными группами, будет способ-

Р и с. 9. Схематическое представление увеличения степени доступности заряженных групп для растворителя и денатурации белка в результате энергетически благоприятного взаимодействия этих групп с водным раствором соли в случае, когда заряженные группы сами по себе не обеспечивают хотя бы частично устойчивости иа-тивного белка.

ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

297

ствовать увеличению степени контакта этих групп с растворителем и диссоциации полимера, хотя заряженные группы не вносят никакого вклада в устойчивость полимера. Известно, что большие анионы прочно связываются с определенными белками, так что их диссоциация по такому механизму вполне возможна. Более того, соли могут оказывать воздействие на группы с нейтрализованными зарядами. Так, гемоглобин диссоциирует от тетраме-ра до димера в присутствии солей, и можно полагать, что устойчивость тет-рамера обусловлена ионными взаимодействиями, которые исчезают при добавлении солей. Однако различные соли располагаются по эффективности воздействия в том же порядке, что и при взаимодействии с пептидом ЭЭАТГ, и диссоциация, следовательно, может происходить частично или полностью в результате взаимодействия солей с амидными группами по местам контакта субединиц без затрагивания заряженных групп [50, 53]. Таким же образом может быть объяснена деполимеризация F-актина [22].

Возникновение аналогичных ситуаций в случае других компонентов макромолекул, таких, как гидрофобные группы, также, если не более, вероятно. Вывод, который можно сделать из того, что данный тип взаимодействия вызывает изменения в физическом состоянии макромолекулы, заключается в том, что взаимодействующие группы макромолекулы изменяют свою степень контакта с растворителем при изменении физического состояния и что они могут поддерживать данную структуру макромолекулы, в которой они в меньшей степени доступны для растворителя.

в) «Структура» воды

Полная теория влияния солей на взаимодействие между водой и растворенными веществами должна связать с рассматриваемым явлением изменения энтальпии, энтропии, объема, диэлектрической проницаемости и «структуры» воды и должна дать более детальное описание структуры и свойств раствора, чем это удается сделать при помощи полуэмпирических теорий, основанных на рассмотрении плотности когезионной энергии и внутреннего давления. Хотя некоторые шаги в этом направлении уже сделаны, автор не уверен в том, что детальное чисто теоретическое рассмотрение в состоянии дать адекватное описание свойств водных растворов в настоящее время; эти начинания, однако, могут служить прекрасным стимулом для обсуждения роли тех или иных факторов. Помимо электростатических эффектов, наиболее часто рассматриваемым аспектом взаимодействия солей с водой является влияние солей на «структуру» воды [54—57]. Похоже, что добавление любого вещества к воде сопровождается изменением одного или ряда параметров, которые используют в качестве меры упорядоченности структуры воды. Интересно рассмотреть связь этих изменений с другими проявлениями влияния солей на растворы. Эти структурные изменения будут несомнен

страница 54
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86

Скачать книгу "Катализ в химии и энзимологии" (4.04Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [прайс-листы]  [форум]  [обратная связь]

 

 

Реклама
В магазине КНС выгодно купить смартфон нокиа - поставщик it товаров и оборудования.
архитектурные прожекторы rgb
заказ машины на свадьбу осква
термостат для вентилятора

Рекомендуемые книги

Введение в химию окружающей среды.

Книга известных английских ученых раскрывает основные принципы химии окружающей среды и их действие в локальных и глобальных масштабах. Важный аспект книги заключается в раскрытии механизма действия природных геохимических процессов в разных масштабах времени и влияния на них человеческой деятельности. Показываются химический состав, происхождение и эволюция земной коры, океанов и атмосферы. Детально рассматриваются процессы выветривания и их влияние на химический состав осадочных образований, почв и поверхностных вод на континентах. Для студентов и преподавателей факультетов биологии, географии и химии университетов и преподавателей средних школ, а также для широкого круга читателей.

Химия и технология редких и рассеянных элементов.

Книга представляет собой учебное пособие по специальным курсам для студентов химико-технологических вузов. В первой части изложены основы химии и технологии лития, рубидия, цезия, бериллия, галлия, индия, таллия. Во второй части книги изложены основы химии и технологии скандия, натрия, лантана, лантаноидов, германия, титана, циркония, гафния. В третьей части книги изложены основы химии и технологии ванадия, ниобия, тантала, селена, теллура, молибдена, вольфрама, рения. Наибольшее внимание уделено свойствам соединений элементов, имеющих значение в технологии. В технологии каждого элемента описаны важнейшие области применения, характеристика рудного сырья и его обогащение, получение соединений из концентратов и отходов производства, современные методы разделения и очистки элементов. Пособие составлено по материалам, опубликованным из советской и зарубежной печати по 1972 год включительно.

 

 



Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100

Copyright © 2001-2012
(23.04.2017)