ИССЛЕДОВАНИЕ  РЕАКЦИОННОЙ  СПОСОБНОСТИ  СЕРУСОДЕРЖАЩИХ  АМИНОКИСЛОТ

Васина  Янина  Александровна

канд.  хим.  наук,  доцент  кафедры  химии  ННГАСУ,  РФ,  г.  Нижний  Новгород

Е-mail:  vasina1@rambler.ru

Яблоков  Вениамин  Александрович

д-р  хим.  наук.,  профессор,  зав.  кафедрой  химии  ННГАСУ,  РФ,  г.  Нижний  Новгород

REACTIVITY  STUDIES  OF  SULPHUR  CONTAINING  AMINO  ACIDS

Yanina  Vasina

candidate  of  Chemical  Science,  Assistant  Professor  of  Chemistry  Department  of  Nizhniy  Novgorod  State  University  of  Architecture  and  Civil  Engineering,  Russia,  Nizhniy  Novgorod

Veniamin  Yablokov

doctor  of  Chemical  Sciences,  Professor,  Head  of  Chemistry  Department  of  Nizhniy  Novgorod  State  University  of  Architecture  and  Civil  Engineering,  Russia,  Nizhniy  Novgorod

АННОТАЦИЯ

Исследована  термическая  стабильность  серусодержащих  аминокислот,  рассчитаны  кинетические  и  активационные  параметры,  установлен  механизм  твердофазного  термического  превращения  L-α-метионина,  L-α-цистеина,  L-α-цистина  в  вакуумированной  системе. 

ABSTRACT

The  thermal  stability  of  the  sulfur-containing  amino  acids  has  been  determined,  the  kinetic  constants  of  rate  reaction  and  the  activation  parameters  were  calculated,  the  mechanism  of  thermal  conversion  of  solid  phase  of  L-α-methionine,  L-α-cysteine,  L-α-cystine  in  evacuated  system  is  obtained.

Ключевые  слова:  L-α-метионин;  L-α-цистеин;  L-α-цистин;  вакуумированная  система;  кинетика;  константы  скорости;  энергия  активации;  продукты  реакции;  механизм  твердофазного  превращения.

Keywords:  L-α-methionine;  α-L-cysteine;  L-α-cystine;  evacuated  system;  the  kinetics;  the  constant  of  rate;  the  activation  of  energy;  the  products  of  reaction;  solid  phase  of  converting  mechanism.

Микроорганизмы,  растительный  и  животный  мир  на  планете  своим  бесконечным  разнообразием  обязан  уникальным  молекулам  белка.  Белки  выступают  в  качестве  опорного  структурообразующего  полимера,  построенного  из  20  L-α-аминокислот.  Это  природные  высокомолекулярные  соединения  обеспечивают  все  жизненные  процессы  любого  организма.  Серусодержащие  аминокислоты  входят  в  состав  многих  белков  [1;  2;  4;  6].  Поэтому  исследование  термической  стабильности  этих  аминокислот,  их  возможное  участие  в  процессах  образования  полимеров  явилось  основанием  для  изучения  их  реакционной  способности.  Подобные  данные  в  литературе  практически  отсутствуют.  В  работе  [8]  определена  энергия  активации  разложения  кристаллического  метионина  в  присутствии  кислорода  воздуха.  Согласно  литературным  данным  по  исследованию  кинетики  термического  разложения  серусодержащих  аминокислот  [9–11]  получены  кинетические  и  активационные  параметры.

Целью  нашей  работы  является  исследование  реакционной  способности  серусодержащих  аминокислот  и  установление  механизма  твердофазного  термического  превращения  L-α-метионина,  L-α-цистеина  и  L-α-цистина  в  вакуумированой  системе.

Мы  использовали  навески  аминокислот  (50  мг),  включающий  весь  возможный  спектр  размеров  частиц  дисперсной  фазы  от  0,1  до  1,0  мм.  Кинетические  измерения  проводили  компенсационным  методом  в  вакуумированной  системе  в  статических  условиях,  которые  описаны  в  [9].  С  точки  зрения  кинетики  химических  процессов  нет  принципиальных  различий  в  способе  измерения  скорости  реакции  по  изменению  количества  прореагировавшего  вещества  (степень  превращения)  или  количества  продукта  реакции.  Убыль  массы  кристаллической  аминокислоты  пропорциональна  количеству  моль  газообразных  продуктов  реакции.  Поэтому  мы  рассчитывали  константы  твердофазного  термического  превращения  аминокислот  по  уравнению  реакции  первого  порядка.  Состав  газообразных  продуктов  реакции  идентифицировали  на  хромато-масс-спектрометре  Trace  GC  Ultra/DSQII.

На  рис.  1–3  приведены  кинетические  кривые  превращения  L-α-метионина  (Met),  L-α-цистеина  (Cys)  и  L-α-цистина  (Cys₂),  снятые  в  координатах  давление  (р)  –  время  реакции  (t).

Рисунок  1.  Зависимость  давления  газообразных  продуктов  превращения  Met  от  времени  в  интервале  температур:  1  –  216,  2  –  221,  3  –  226,  4  –  231,  5  –  236  ⁰С

Рисунок  2.  Зависимость  давления  газообразных  продуктов  превращения  Cys  от  времени  реакции  при  следующих  температурах:  1  –  194,  2  –  198,  3  –  201,  4  –  206,  5  –  225  ⁰С

Рисунок  3.  Зависимость  давления  газообразных  продуктов  превращения  Cys₂  от  времени  реакции  в  интервале  температур:  1  –  199,  2  –  204,  3  –210,  4  –  218,  5  –  224  ⁰С

Термическое  разложение  аминокислот  подчиняется  уравнению  реакции  первого  порядка  до  глубины  превращения  30–50  %. 

Температурная  зависимость  констант  скорости  реакции  описывается  уравнением  Аррениуса  k  =  k₀×e-^E/^RT  (рис.  4).  Кинетические  и  активационные  параметры  превращения  серусодержащих  аминокислот  приведены  в  табл.  1.

Рисунок  4.  Температурная  зависимость  констант  скорости  реакции  термического  превращения  1  –  Met,  2  –  Cys₂,  3  –  Cys

Таблица  1. 

Кинетические  и  активационные  параметры  превращения  серусодержащих  аминокислот

Константы  скорости  превращения  аминокислот  растут  в  ряду  Met<Cys₂<Cys,  (табл.  1,  рис.  4)  и  отличаются  в  указанной  последовательности  на  порядок.  Кажущиеся  энергии  активации  термораспада  (Е)  лежат  в  пределах  184–195  кДж/моль,  lnk₀  в  интервале  42–47.

Серусодержащие  аминокислоты,  такие  как  Cys  и  Cys₂,  относятся  к  классу  тиолов,  Met  –  замещенных  тиолов.  Большинство  реакций  тиолов  относится  к  гетеролитическим  реакциям  нуклеофильного  присоединения  или  замещения.  Однако,  тиолы  особенно  при  высоких  температурах  также  склонны  к  образованию  тиольных  радикалов  за  счет  гомолиза  S-C  связи  [3]. 

При  термическом  превращении  Met  образуется  полимерная  масса  вещества,  дающая  положительную  биуретовую  реакцию  на  амидную  группу  в  олигопептиде.  В  газовой  фазе  масс-спектрометрическим  методом  найдены  СО₂,  метилтиол  СН₃SH,  а  также  следы  H₂S  и  (СН₃)₂S₂;  по  остаточному  давлению  при  комнатной  температуре  определено,  что  50  %  газовой  фазы  составляет  вода-продукт  поликонденсации.  Хромато-масс-спектрометрическим  методом  в  конденсированной  фазе  обнаружены:  3-метилтио-1-пропиламин,  метилтиол  и  1-аминопропен-2.  Вероятная  схема  термического  превращения  Met  может  быть  представлена  следующими  параллельно  и  последовательно  протекающими  реакциями.

Вода,  метилтиол  и  СО₂  переходят  из  кристалла  в  газовую  фазу  и  вместе  с  водой  определяют  в  ней  состав  продуктов  превращения  Met.

В  отличие  от  гетеролитической  реакции  поликонденсации  1  появление  СО₂  и  метилтиола  является  следствием  гомолитического  расщепления  связей  С-S  и  С-O  в  кристалле  (реакции  2  и  3).

Термическое  превращение  Cys  и  Cys₂,  также  как  и  Met,  сопровождается  образованием  олигомера  (положительная  биуретовая  реакция).  Газовая  фаза  состоит  наполовину  из  воды,  H₂S  и  СО₂  для  Cys  и  Cys₂  соответственно.  Как  показали  рассчеты,  на  моль  Cys  образуется  примерно  2  моль  летучих  веществ  -  Н₂О  и  H₂S.  Количества  СО₂  в  газовой  фазе  незначительны.  В  кристаллических  структурах  Cys  и  Cys₂  происходит,  вероятно,  гетеролитический  процесс  поликонденсации  и  последуюший  гомолитический  разрыв  связи  С-S  в  образующемся  олигомере,  приводящий  к  образованию  H₂S.

Судьба  образующихся  радикалов  очевидна.  Это  подтверждается  образованием  значительного  количества  H₂S  в  газовой  фазе. 

Вероятно,  существенную  роль  играют  также  внутримолекулярные  процессы  циклизации,  приводящие  к  образованию  незначительных  количеств  метилтиазола,  метилтиоазолидиена  и  производных  пиридина  и  тиофена.  Связь  С–N  в  процессе  термораспада  этих  аминокислот  не  подвергается  разрыву.  Об  этом  свидетельствует  отсутствие  в  продуктах  NH₃.

Из  литературных  источников  [7]  известна  реакция  взаимопревращения  Cys  и  Cys₂.

Найдено,  что  для  этих  аминокислот  практически  одинаковые  продукты  термопревращения,  что  свидетельствует  о  возможности  протекания  этой  равновесной  реакции  в  условиях  нашего  эксперимента.

Таким  образом,  формально  скорость  брутто-процесса  превращения  L-α-Met,  L-α-Cys  и  L-α-Cys₂  при  небольших  глубинах  разложения  исходных  соединений  (30-50%)  можно  рассматривать  как  «кооперативную»  химическую  реакцию  поликонденсации  [5]  первого  порядка,  протекающую  в  кристаллической  фазе.  Несмотря  на  близкие  значения  кажущихся  энергий  активации  термопревращения  L-α-Met,  L-α-Cys  и  L-α-Cys₂  соответственно  равных  195,  193  и  184  кДж/моль,  эффективные  константы  реакции  при  одной  и  той  же  температуре  отличаются  один  от  другого  на  порядок  в  ряду  Met<Cys₂<Cys.  При  температурах  выше  200  ºС  их  превращение  в  вакууме  сопровождается  образованием  серусодержащих  газообразных  продуктов  и  жидких  азотсодержащих  гетероциклических  соединений. 

Список  литературы:

1. Гринштейн  Дж.  Химия  аминокислот  и  пептидов  /  Гринштейн  Дж.,  Винниц  М.,  под  ред.  Шемякина  М.М.  –  М.:  Мир,  1965.  –  821  с.
2. Мазо  В.К.  Глутатион  как  компонент  антиоксидантной  системы  жедудочно-кишечного  тракта  /  Мазо  В.К.  //Журнал  гастроэнтерологии,  гепатологии.  –  1998.  –  №  1.  –  С.  47.
3. Общая  органическая  химия  /  Под  ред.  Кочеткова  Н.К.  и  Нифантьева  Э.Е.  –  Т.  5.  –  М:  Химия,  –  1983.  –  С.  130–163.
4. Овчинников  Ю.А.  Биоорганическая  химия  /  Овчинников  Ю.А.  М:  Просвещение,  1987.  –  815  с.
5. Семчиков  Ю.Д.  Высокомолекулярные  соединения  /  Семчиков  Ю.Д.  «Академия»,  –  1983.  –  368  с.
6. Торгинский  Ю.М.  Сера  в  белках  /  Торгинский  Ю.М.  М.:  Наука,  1977.  –  302  с. 
7. Тюкавкина  Н.А.  Биоорганическая  химия  /  Тюкавкина  Н.А.,  Бауков  Ю.А.  –  М.:  Дрофа,  –  2010.  –  544  с.
8. Vicol  O.  Some  complex  combinations  of  Pd(II)  with  methionine  /  Vicol  O.,  Hurduc  N.,  Schneider  I.A.  //  J.  Inorg.  nucl.  chem.  –  1979.  –  Vol.  41.  –  Р.  309.
9. Яблоков  В.А.  Кинетика  термического  разложения  серусодержащих  аминокислот  /  Яблоков  В.А.,  Васина  Я.А.,  Зеляев  И.А.,  Митрофанова  С.В  //  Ж.  общ.  хим.  –  2009.  –  Т.  79.  –  Вып.  6.  –  С.  969–971.
10. Яблоков  В.А.  Исследование  реакционной  способности  метионина  и  его  комплекса  с  хлоридом  ртути  /  Яблоков  В.А.,  Васина  Я.А.,  Зеляев  И.А.,  Митрофанова  С.В.  //Приволжский  научн.  ж.  Изд.  Н.  Новгород:  ННГАСУ,  –  2008.  –  №  1.  –  С.  110–112.
11. Яблоков  В.А.  Сравнительная  кинетика  термического  разложения  глутатиона,  цистеина  и  глицина  /  Яблоков  В.А.,  Васина  Я.А.  //  Приволжский  науч.  жур.  Изд.  Н.  Новгород:  ННГАСУ,  –  2012  –  №  4  –  С.  169–171.