Энтальпии процессов образования смешанных комплексов никеля(II) с L-гистидином и олигоглицинами

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Аминокислоты и короткие пептиды представляют собой группу соединений, обладающих высокой биологической активностью. Они могут быть использованы при лечении инфекций. Для активации этих молекул необходимы ионы переходных металлов, например, Cu(II) и Ni(II) [1]. Для разработки противовоспалительных препаратов могут применяться комплексы трипептидов с катионами Сu²⁺, Ni²⁺, Zn²⁺, которые увеличивают биодоступность препаратов и проницаемость тканей [2, 3].

Все больше аналитических и клинических данных подтверждают, что ионы металлов играют значительную роль в конформационных изменениях и последующей агрегации белков. Выявлено, что для этих процессов важны гистидиновые остатки [4]. Гистидин широко участвует в структуре и функционировании биомолекул. Для доступности ароматических лекарственных средств в биологических средах имеет значение взаимодействие между гистидином и ионами переходных металлов [5].

Поглощение и перенос металлов в биологических системах необходимы для функционирования ферментов, переноса кислорода и электронов, борьбы с инфекциями. Для точного прогнозирования образования комплексов в конкурентной среде необходимо всестороннее понимание термодинамической вероятности координации [6, 7].

Изучение совместимости лигандов в смешанных комплексах состава MLY, где L и Y – аминокислоты и пептиды представляет интерес в связи с их научным и практическим значением. Информацию о факторах, влияющих на совместимость двух разных лигандов в одной координационной сфере центрального иона, можно получить из энтальпийной и энтропийной характеристик реакций сопропорционирования. В литературе, как правило, термохимические данные о реакциях образования смешаннолигандных комплексов аминокислот и пептидов немногочисленны.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В работе использовали глицин, глицил-глицин, глицил-глицил-глицин фирмы “Sigma” и L-гистидин марки “х.ч.” (содержание основного компонента >99%) без дополнительной очистки. Растворы аминокислот и пептидов готовили по точной навеске из кристаллических препаратов, высушенных до постоянной массы при 343 К. Для приготовления растворов Ni(NO₃)₂ использовали реактив марки “х.ч.”, концентрацию устанавливали комплексонометрически. Для потенциометрического титрования и создания необходимых значений рН растворов олигоглицинов в калориметрических опытах применяли гидроксид калия марки “х.ч.”. Заданное значение ионной силы поддерживали с помощью нитрата калия марки “х.ч.”.

Состав и устойчивость смешаннолигандного комплекса Ni(GG)(His) определяли из потенциометрических измерений. Суммарная концентрация лигандов изменялась от 1.2 × 10^–2 до 2.4 × 10^–2 моль/л. Исследования проводили при соотношениях Ni: (GG + His) = 1:4; 1:6. Концентрации диглицина и L-гистидина находились в соотношении 3:1 и 5:1.

Потенциометрическое титрование проходило по стандартной методике. Измерения ЭДС цепи:

${\text{Ag,AgCl,KCl}}_{\text{нас}}{\text{|H(GG)}}^{\text{±}}{\text{,H(His)}}^{\text{±}}{\text{\hspace{0.33em}KNO}}_{\text{3}}{\text{, Ni(NO}}_{\text{3}}{\text{)}}_{\text{2}}\text{|стеклян. эл-д}$

проводили с помощью прибора “Мультитест” ИПЛ-311. Абсолютная погрешность измерения потенциала составляла не более 0.5 мВ. Равновесие считалось установившимся, если измеряемое значение ЭДС не изменялось в пределах 0.1 мВ в течение 5 мин. Температуру 298.15 К потенциометрической ячейки, титранта и электрода поддерживали с точностью ± 0.1°С с помощью воздушного и водяного термостатов. В ячейку помещали раствор нитрата никеля(II), диглицина и L-гистидина, который титровали 0.1М раствором КOH в токе инертного газа.

Градуировку стеклянного электрода проводили по стандартным растворам соляной кислоты при I = 0.2 (моль/л) (KNO₃). Полученная при обработке этих данных по методу наименьших квадратов величина tgα cоставляла 0.05805 В/ед рН. Для каждого соотношения Ni: (GG + His) проводили по три – четыре параллельных опыта.

Экспериментальные данные обрабатывали по универсальной программе “PHMETR”, предназначенной для расчета констант равновесия с произвольным числом реакций по измеренной равновесной концентрации одной из частиц [8]. Критерием адекватности выбранной модели служили различия между рассчитанными и экспериментальными величинами pH. Они были знакопеременными и не превышали погрешности эксперимента.

Измерения тепловых эффектов проводили в ампульном калориметре смешения с изотермической оболочкой, термисторным датчиком температуры и автоматической записью кривой температура – время [9], надежность работы которого проверяли по энтальпии растворения KCl в воде при 298.15 К. Полученные нами экспериментальные данные ∆Н_solv (∞H₂O) = 17.25 ± 0.06 кДж/моль согласуются с погрешностью менее 0.3% с наиболее надежными литературными значениями ∆Н_solv (∞H₂O) = 17.22 ± 0.02 кДж/моль [10], что свидетельствует об отсутствии систематической ошибки в работе калориметрической установки.

Опыты проводили при 298.15 К и значениях ионной силы 0.2, 0.5,1.0 (моль/л). Величины рН контролировали с помощью прибора “Мультитест” ИПЛ-311. Равновесный состав растворов в условиях каждого опыта рассчитывали по программе RRSU [11]. Для расчета доверительного интервала среднего значения ∆Н из трех параллельных опытов критерий Стьюдента был взят при доверительной вероятности 0.95.

Для определения энтальпии образования частицы Ni(GG)(His) измеряли тепловые эффекты смешения растворов Ni(NO₃)₂, диглицина и L-гистидина при соотношении c⁰_Ni: c⁰_GG: c⁰_His = 1:3:1. Навеска нитрата никеля(II) концентрации 1.0514 моль/кг раствора в ампуле составляла ∼ 0.4 г. После разрушения ампулы в калориметрической ячейке объемом 39.86 мл, содержащей растворы диглицина концентрации 0.03 моль/л и L-гистидина 0.01 моль/л, концентрация Ni(NO₃)₂ составляла ~ 0.01 моль/л. В ходе калориметрического опыта рН изменялось в интервале 9.8–8.7. Энтальпии разведения раствора Ni(NO₃)₂ в растворах фонового электролита были измерены ранее [12].

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

При моделировании системы Ni²⁺ – диглицин – L-гистидин учитывали следующие равновесия:

${\text{GG}}^{–}+{\text{H}}^{+}\leftrightarrow \text{H}{\left(\text{GG}\right)}^{\pm }$, (1)

${\text{GG}}^{–}+2{\text{H}}^{+}\leftrightarrow {\text{H}}_2{\left(\text{GG}\right)}^{+}$, (2)

${\text{His}}^{–}+{\text{H}}^{+}\leftrightarrow \text{H}{\left(\text{His}\right)}^{\pm }$, (3)

${\text{His}}^{–}+2{\text{H}}^{+}\leftrightarrow {\text{H}}_2{\left(\text{His}\right)}^{+}$, (4)

${\text{Ni}}^{2+}+{\text{GG}}^{–}\leftrightarrow \text{Ni}{\left(\text{GG}\right)}^{+}$, (5)

${\text{Ni}}^{2+}+2{\text{GG}}^{–}\leftrightarrow \text{Ni}{\left(\text{GG}\right)}_2$, (6)

${\text{Ni}}^{2+}+3{\text{GG}}^{–}\leftrightarrow \text{Ni}{\left(\text{GG}\right)}_3^{–}$, (7)

${\text{Ni}}^{2+}+{\text{GG}}^{–}-{\text{H}}^{+}\leftrightarrow {\text{NiH}}_{-1}\left(\text{GG}\right)$, (8)

${\text{Ni}}^{2+}+2{\text{GG}}^{–}-2{\text{H}}^{+}\leftrightarrow {\text{NiH}}_{-2}{\left(\text{GG}\right)}_2^{2-}$, (9)

${\text{Ni}}^{2+}+{\text{3GG}}^{–}-{\text{3H}}^{+}\leftrightarrow {\text{NiH}}_{-3}{\left(\text{GG}\right)}_3^{4-}$, (10)

${\text{Ni}}^{2+}+{\text{His}}^{–}\leftrightarrow \text{Ni}{\left(\text{His}\right)}^{+}$, (11)

${\text{Ni}}^{2+}+2{\text{His}}^{–}\leftrightarrow \text{Ni}{\left(\text{His}\right)}_2$, (12)

${\text{Ni}}^{2+}+{\text{His}}^{–}+{\text{GG}}^{–}\leftrightarrow \text{Ni}\left(\text{GG}\right)\left(\text{His}\right)$, (13)

${\text{H}}^{+}+{\text{OH}}^{–}\leftrightarrow {\text{H}}_{\text{2}}\text{O}$, (14)

${\text{Ni}}^{2+}+\text{HOH}\leftrightarrow {\text{NiOH}}^{+}+{\text{H}}^{+}$. (15)

В расчетах использовали константы диссоциации диглицина: рК₁ = 2.98, рК₂ = 8.01 и L-гистидина: рК₂ = 6.10, рК₃ = 9.16, а также константы устойчивости однородных комплексов никеля(II) с диглицином и L-гистидином [13–15]. Учитывали возможность гидролиза ионов Ni²⁺ [16]. Термодинамические параметры диссоциации воды на фоне KNO₃ взяты из [17].

Расчеты показали, что в системе Ni²⁺ – диглицин – L-гистидин происходит образование смешанного комплекса состава Ni(GG)(His), смешанные комплексы другого состава не образуются. Полученные при разных соотношениях диглицина и L-гистидина значения lgβ(Ni(GG)(His)) = 11.73 ± 0.10, 11.75 ± 0.11 хорошо согласуются между собой. В качестве наиболее вероятного принята величина lgβ(Ni(GG)(His)) = 11.74 ± 0.10. Погрешность рассчитывали как средневзвешенное вероятного отклонения среднеарифметического при доверительной вероятности 0.95.

Экспериментальные данные калориметрических измерений приведены в табл. 1.

 

Таблица 1. Тепловые эффекты (кДж/моль) взаимодействия раствора Ni(NO₃)₂ (1.0514 моль/кг раствора) с растворами диглицина (0.03100 моль/л) и L-гистидина (0.01040 моль/л)

m Ni(NO3)2, г	–∆mixH, кДж/моль	–∆rH = ∆mixH – ∆dilH, кДж/моль
I (KNO3) = 0.2
0.40005	62.96	61.65
0.40005	62.73	61.42
0.40035	62.88	61.57
	–∆mixH = 62.86 ± 0.21	–∆rH = 61.55 ± 0.23
I (KNO3) = 0.5
0.40000	64.94	62.22
0.40030	65.14	62.42
0.40015	65.01	62.29
	–∆mixH = 65.03 ± 0.19	–∆rH = 62.31 ± 0.21
I (KNO3) = 1.0
0.40050	66.49	62.29
0.40045	66.69	62.49
0.40025	66.73	62.53
	–∆mixH = 66.64 ± 0.24	–∆rH = 62.44 ± 0.26

Обозначения: I – ионная сила, m – навеска раствора.

 

Экспериментальный тепловой эффект взаимодействия растворов никеля(II), диглицина и L-гистидина имеет вид:

${\Delta }_{mix}H-{\Delta }_{dil}H=\alpha {\Delta }_r{H}_{\left(Ni\right(GG\left)\right(His\left)\right)}+\sum {\alpha }_i{\Delta }_r{H}_i$, (16)

где ∆_mixН – тепловой эффект взаимодействия растворов Ni(NO₃)₂ с растворами диглицина и L-гистидина, имеющими заданное значение рН; ∆_dilН – энтальпия разведения нитрата никеля(II) в растворах фонового электролита; α₁ – полнота протекания процесса (13); ∑α_i∆_rН_i – вклад одновременно протекающих побочных процессов (1) – (12), (14), (15) в измеряемый тепловой эффект.

Условия проведения калориметрических опытов выбирали таким образом, чтобы вклад побочных процессов был минимальным. Необходимые для расчета энтальпии процессов кислотно-основного взаимодействия в растворах диглицина и L-гистидина взяты из работ [14, 18], энтальпии реакций образования комплексов Ni(GG)⁺, NiH_-1(GG), Ni(GG)₂, NiH_-2(GG)₂^2–, Ni(GG)₃^–, NiH_-3(GG)₃^4– из [12], комплексов Ni(His)⁺, Ni(His)₂ из [19]. Вклад теплового эффекта процесса (15) стремился к нулю.

При определении энтальпии образования комплекса никеля(II) c диглицином и L-гистидином наряду с равновесием (13) протекали реакции (6), (7), (8), (11) и (12). Доля образования смешаннолигандного комплекса составляла около 94%. Энтальпию образования комплекса Ni(GG)(His) рассчитывали по универсальной программе НЕАТ [20] путем минимизации критериальной функции F по искомым параметрам:

$F=\sum _{i=1}^N{\omega }_i{(\Delta H_i^{эксп}-\Delta H_i^{выч})}^2$, (17)

где ∆Н_i^выч – рассчитанный тепловой эффект при заданных значениях общих концентраций $c_{N{i}^{2+}}^0,c_{G{G}^{-}}^0,c_{Hi{s}^{-}}^0$ и текущих lgβ и ∆_rН; N – число опытов; ω_i – весовые множители.

Рассчитанные энтальпии процессов образования частицы Ni(GG)(His) приведены в табл. 2.

 

Таблица 2. Стандартные термодинамические характеристики реакций образования комплексов никеля(II) с глицином (G), диглицином (GG), триглицином (GGG) и L-гистидином (His) при Т = 298.15 К

Процесс	lgβ°	–∆rН°, кДж/моль	–∆rG°, кДж/моль	∆rS°, Дж/(моль⋅К)
I = 0.2
Ni2+ + GG– + His– ↔ Ni(GG)(His)	11.74 ± 0.10	62.27 ± 0.23	67.01 ± 0.57	15.9 ± 0.8
I = 0.5
Ni2+ + GG– + His– ↔ Ni(GG)(His)	11.59 ± 0.10	62.89 ± 0.21	66.16 ± 0.57	10.9 ± 0.8
I = 1.0
Ni2+ + GG– + His– ↔ Ni(GG)(His)	11.34 ± 0.10	63.56 ± 0.26	64.73 ± 0.57	3.9 ± 0.8
I = 0
Ni2+ + G– + His– ↔ Ni(G)(His) [22]	15.66 ± 0.06	54.27 ± 0.30	89.39 ± 0.34	117.8 ± 0.2
Ni2+ + GG– + His– ↔ Ni(GG)(His)	12.54 ± 0.10	60.72 ± 0.26	71.58 ± 0.57	36.4 ± 0.8
Ni2+ + GGG– + His– ↔ Ni(GGG)(His) [23]	12.40 ± 0.09	52.08 ± 0.30	70.78 ± 0.51	62.7 ± 0.8

 

Энтальпии комплексообразования в стандартном растворе были найдены экстраполяцией величин тепловых эффектов при фиксированных значениях ионной силы к нулевой по уравнению [21]:

$\Delta H-\Delta Z^2\Psi \left(I\right)=\Delta Н°+bI$, (18)

где ∆Н, ∆Н° – изменение энтальпии при конечном значении ионной силы и I = 0 соответственно; Ψ (I) – функция ионной силы, вычисленная теоретически; DZ ² – разность квадратов зарядов продуктов реакции и исходных компонентов; b – эмпирический коэффициент.

Результаты экстраполяции и рассчитанные значения стандартных термодинамических характеристик комплексообразования в системе Ni²⁺ – диглицин – L-гистидин приведены в табл. 2.

В табл. 2 приведены также термодинамические характеристики процессов смешаннолигандного комплексообразования в системе Ni²⁺– глицин – L-гистидин и Ni²⁺– триглицин – L-гистидин, полученные ранее [22, 23].

Вероятные структуры комплексов представлены на схеме:

 

 

Поскольку кислород пептидной группы является более слабым донором электронной плотности по сравнению с кислородом карбоксильной группы, величина lgβ^° более значительна в случае образования комплекса Ni(G)(His) по сравнению с комплексами Ni(GG)(His) и Ni(GGG)(His). При образовании последних величины lgβ^° довольно близки. Это свидетельствует о подобной координации диглицина и триглицина в смешаннолигандных комплексах. Однако, энтальпии процессов комплексообразования с участием глицина и триглицина менее экзотермичны по сравнению с ∆_rH° образования смешанного комплекса с участием диглицина (табл. 2). Судя по величинам изменения энтропии это может быть связано с меньшей дегидратацией при образовании частицы Ni(GG)(His), чем частиц Ni(G)(His) и Ni(GGG)(His).

Логарифм константы равновесия реакции сопропорционирования:

$\text{Ni}{\left(\text{GG}\right)}_2+\text{Ni}{\left(\text{His}\right)}_2 \leftrightarrow 2\text{Ni}\left(\text{GG}\right)\left(\text{His}\right)$ (19)

является мерой отклонения lgβ(Ni(GG)(His)) от величины, ожидаемой из аддитивности lgβ(Ni(GG)₂) и lgβ(Ni(His)₂), и характеризует устойчивость смешаннолигандного комплекса Ni(GG)(His) к распаду на однородные Ni(GG)₂ и Ni(His)₂.

Реакцию (19) можно представить как сумму двух реакций:

$\text{Ni}{\left(\text{GG}\right)}^{+}+\text{Ni}{\left(\text{His}\right)}_2\leftrightarrow \text{Ni}\left(\text{GG}\right)\left(\text{His}\right)+\text{Ni}{\left(\text{His}\right)}^{+}$, (20)

$\text{Ni}{\left(\text{His}\right)}^{+}+\text{Ni}{\left(\text{GG}\right)}_2\leftrightarrow \text{Ni}\left(\text{GG}\right)\left(\text{His}\right)+\text{Ni}{\left(\text{GG}\right)}^{+}$, (21)

каждая из которых характеризует различие в реакциях:

$\text{NiL}+\text{Y}\leftrightarrow \text{NiLY}$, (22)

$\text{NiY}+\text{Y}\leftrightarrow {\text{NiY}}_2$. (23)

В табл. 3 приведены термодинамические характеристики процессов (19), (20), (21), рассчитанные с использованием результатов настоящей работы (табл. 2) и литературных данных [12, 19], а также термодинамические характеристики процессов смешанно-лигандного комплексообразования в системе Ni²⁺– глицин – L-гистидин, Ni²⁺– триглицин – L-гистидин полученные ранее [22, 23] для реакций:

${\text{NiG}}_2+\text{Ni}{\left(\text{His}\right)}_2\leftrightarrow 2\text{Ni}\left(\text{G}\right)\left(\text{His}\right)$, (24)

${\text{NiG}}^{+}+\text{Ni}{\left(\text{His}\right)}_2\leftrightarrow \text{Ni}\left(\text{G}\right)\left(\text{His}\right)+\text{Ni}{\left(\text{His}\right)}^{+}$, (25)

$\text{Ni}{\left(\text{His}\right)}^{+}+{\text{NiG}}_2\leftrightarrow \text{Ni}\left(\mathrm{G}\right)\left(\text{His}\right)+{\text{NiG}}^{+}$, (26)

$\text{Ni}{\left(\text{GGG}\right)}_2+\text{Ni}{\left(\text{His}\right)}_2\leftrightarrow 2\text{Ni}\left(\text{GGG}\right)\left(\text{His}\right)$, (27)

$\text{Ni}{\left(\text{GGG}\right)}^{+}+\text{Ni}{\left(\text{His}\right)}_2\leftrightarrow \text{Ni}\left(\text{GGG}\right)\left(\text{His}\right)+\text{Ni}{\left(\text{His}\right)}^{+}$, (28)

$\text{Ni}{\left(\text{His}\right)}^{+}+\text{Ni}{\left(\text{GGG}\right)}_2\leftrightarrow \text{Ni}\left(\text{GGG}\right)\left(\text{His}\right)+\text{Ni}{\left(\text{GGG}\right)}^{+}$. (29)

 

Таблица 3. Стандартные термодинамические характеристики реакций сопропорционирования смешаннолигандных комплексов никеля(II) с глицином (G), диглицином (GG), триглицином (GGG) и L-гистидином (His) при I = 0 и Т = 298.15 К

Процесс	lgK	∆rН°, кДж/моль	–∆rG°, кДж/моль	∆rS°, Дж/(моль⋅К)
NiG2 + Ni(His)2 ↔ 2Ni(G)(His) [22]	4.69 ± 0.09	2.95 ± 0.66	26.77 ± 0.52	99.7 ± 1.6
NiG++Ni(His)2 ↔ Ni(G)(His) + Ni(His)+	2.99 ± 0.08	6.18 ± 0.60	17.07 ± 0.46	78.0 ± 1.2
Ni(His)+ + NiG2 ↔ Ni(G)(His) + NiG+	1.70 ± 0.08	–3.23 ± 0.66	9.70 ± 0.48	21.7 ± 1.9
Ni(GG)2 + Ni(His)2 ↔ 2Ni(GG)(His)	1.97 ± 0.15	–11.63 ± 0.59	11.25 ± 0.83	–1.3 ± 1.4
Ni(GG)+ + Ni(His)2 ↔ Ni(GG)(His)+ Ni(His)+	1.48 ± 0.11	–1.67 ± 0.58	8.46 ± 0.63	22.7 ± 1.2
Ni(His)+ + Ni(GG)2 ↔ Ni(GG)(His) + Ni(GG)+	0.49 ± 0.11	–9.96 ± 0.61	2.79 ± 0.65	–24.0 ± 1.2
Ni(GGG)2 + Ni(His)2 ↔ 2Ni(GGG)(His) [23]	2.11 ± 0.13	0.88 ± 0.72	12.04 ± 0.74	43.3 ± 1.6
Ni(GGG)+ + Ni(His)2 ↔ Ni(GGG)(His)+ Ni(His)+	1.70 ± 0.10	1.99 ± 0.62	9.70 ± 0.57	39.2 ± 1.2
Ni(His)+ + Ni(GGG)2 ↔ Ni(GGG)(His) + Ni(GGG)+	0.41 ± 0.10	–1.11 ± 0.74	2.34 ± 0.57	4.1 ± 1.2

 

Смешанный комплекс Ni(GG)(His) устойчив к диспропорционированию, так как логарифм константы реакции (19) lgK>0. Сравнение lgK реакций (19), (24) и (27), приведенных в табл. 3, показывает, что комплекс Ni(GG)(His) менее устойчив к распаду на однородные, чем комплексы Ni(G)(His) и Ni(GGG)(His). Положительные значения lgK реакций (20), (21) и аналогичных реакций (25), (26), (28), (29) показывают, что присоединение глицина, диглицина, триглицина и L-гистидина в качестве смешанных лигандов в комплексах Ni(G)(His), Ni(GG)(His) и Ni(GGG)(His) усиливает их устойчивость больше, чем присоединение этих лигандов в качестве однородных усиливает устойчивость образующихся при этом бискомплексов. ∆_rН° в реакциях (25), (28) и (26), (29) (табл. 3) противоположны по знаку, а в реакции (20) гораздо меньше по абсолютной величине, чем в реакции (21), что, очевидно, связано со значительными гидратационными изменениями в процессе диссоциации комплекса Ni(His)₂ по первой ступени. Достаточно большие положительные величины ∆_rS° в реакциях (20), (25) и (28) подтверждают данное предположение.

Работа выполнена в рамках 09-ГЗ-23 Фундаментальные и прикладные аспекты создания полифункциональных волокнистых полимерных материалов с использованием капсулированных нано- и микросистем (FZZW-2023-0008).

Исследование проведено с использованием ресурсов Центра коллективного пользования научным оборудованием ИГХТУ (при поддержке Минобрнауки России, соглашение № 075-15-2021-671)

About the authors

Г. Г. Горболетова

Ивановский государственный химико-технологический университет

Email: bychkova_sv@mail.ru
Russian Federation, Иваново, 153000

С. А. Бычкова

Ивановский государственный химико-технологический университет

Author for correspondence.
Email: bychkova_sv@mail.ru
Russian Federation, Иваново, 153000

References

Supplementary files