氨基酸在氯乙醇水溶液中的体积性质

物理化学学报( Wuli huaxue Xuebao)Januarycta phys.-Chim. Sin, 2004 20(1):55-59氨基酸在氯乙醇水溶液中的体积性质许莉金钰林瑞森胡新根1浙江大学化学系,杭州310027;温州师范学院化学系,温州摘要利用精密数字密度计測定了甘氨酸、L-丙氨酸和L-丝氨酸在不同质量分数的氯乙醇水溶液中的密度,计算了这些氨基酸在氯乙醇水溶液中的表观摩尔体积、极限偏摩尔体积、迁移偏摩尔体积、理论水化数和体积作用系数,讨论了迁移偏摩尔体积和理论水化数旳变化规律.结果表明,三种氨基酸在氯乙醇水溶液中的迁移偏摩尔体积均为正值,且随氯乙醇浓度的增大而增大,氨基酸侧链对迁移偏摩尔体积的贡献与侧链性质密切相关,三种氨基酸在氯乙醇水溶液中的理论水化数均随溶液中氯乙醇浓度的增加而减小.甘氨酸与氯乙醇分子间的相互作用主要以1:1和1:2形式为主,L丙氨酸和L-丝氨酸与氯乙醇分子间的相互作用主要以1:1形式为主关键词:甘氨酸,丙氨酸,丝氨酸,氯乙醇,偏摩尔体积中图分类号:O645,O642溶液中的有机物质对蛋白质的溶解度、变性行厂)为分析纯;水为新鲜制备的二次重蒸水.不同为、构象稳定性、酶的活性等都有很大旳影响.氨浓度的样品均用称重法配制.所用天平为MET-基酸作为蛋白质的模型分子,其在混合溶剂中的热 TLER AE200型,误差为±0.1mg.所有溶液均经力学研究近年来引起了广泛的重视.氯乙醇作超声波振荡器进行脱气处理为一种重要的生物功能分子,它是致癌物氯乙烯的1.2仪器种中间代谢产物,对大分子有抑制作用5,可导溶液密度的测定使用 Anton paar dMa5型精致急性肝脏中毒·此外,短链的卤代醇是一种有密数字密度计,测量精度为1×10-5gcm-.循环效的结构诱导化合物,能稳定水溶液中各种低蛋白水浴的温度利用 HAAKE恒温系统稳定至分子和生物活性多肽的部分解折叠中间体结构.(298.15±0.01)κ.测量之前U型振荡管用二次重有关蛋白质模型分子在氯乙醇水溶液中的热力学蒸水和分析纯丙酮反复清洗,并用二次重蒸水(p=性质研究未见报导997.071gL-1)和干燥空气(p=1.185gL-1)校作为氨基酸模型分子体系热力学性质研究的正仪器系列工作112,本文报导了甘氨酸、L-丙氨酸和L丝氨酸在氯乙醇水溶液中的体积性质.研究氨基2结果与讨论酸从水到氯乙醇水溶液的迁移热力学性质有助于甘氨酸、L-丙氨酸和L-丝氨酸在不同质量分揭示氯乙醇分子对蛋白质的抑制作用和认识某些数()的氯乙醇水溶液中的密度列于表1~3.氨基毒性机理酸的表观摩尔体积V( cm mol-1)依照式1川计算V=M/p-1000p-p)/m9pn(1)1实验部分式中m是氨基酸的质量摩尔浓度(mokg-1),M1.1试剂是氨基酸的摩尔质量(gmol-1),p、p分别是甘氨酸〔上海政翔化学试剂研究所以L-丙氨酸298.15K下混合溶剂和溶液的密度(gcm-)和L-丝氨酸(上海华美生物工程公司)为生化试剂,泸中的阳伯唪尔体积V由式(2)用乙醇水混合溶剂重结晶,在红外箱中干燥后置用最中国煤化工于P2O3真空干燥器内备用;氯乙醇(上海南翔试剂CNMHG2003-06-30收到初稿,2003-09-15收到修改稿.联系人:许莉(E-mail:xuli2003@263.net;Tel:0571-87952371)·国家自然科学基金(20273061厢和浙江省教育厅科研项目(20030344)资助Acta Phys. -Chim. Sin.( Wuli Huaxue Xuebao ) 2004VoL 20表1甘氨酸在氯乙醇·水混合溶剂中的密度和表观摩尔体积Table 1 Densities and apparent molares of glycine in 2-chloroethanol-water mixtures at 298. 15 Kp/g cmy,---1.008841.019100.3021.016930.27630.26501.0157843.351.0145943.440.19191.0031343,290.18811.0134243,410.129643,33l.0001143,21.010720.34641.0400144.60.33501.061641.035480.24901.0,59193,5150.137144.440.11481.033140.12561.0556144.440.0858l.032243.670.0835.0543744.410.350.30881.0816745.151.101610.18341.78190.20271.0982645.580.13171.096340.1214式中,B(cm3mol-2kg)为由实验确定的参数.互作用的变化.根据 Desnoyers的结构水合作用模计算结果连同拟合的标准偏差(SD)及相关系数的型,在氯乙醇水溶液中,氨基酸与氯乙醇分子间平方值(R2)列于表4中.其中氨基酸在纯水中的的结构相互作用包括以下几种类型:(1)氨基酸两V值与文献值-15符合较好性离子部分与氯乙醇分子的OH基团、C1基团间的氨基酸从水到不同质量分数的氯乙醇-水混合离子亲水基相互作用;(2)氨基酸两性离子部分溶剂的迁移偏摩尔体积ΔV由式3球出:与氯乙醇分子的骨架烷基之间的离子·疏水基相△V(H2O→ mixed solvent)互作用;(3)氨基酸分子骨架烷基与氯乙醇分子的V(mixed solvent )-V(HO)OH基团、C1基团间的疏水基-亲水基相互作用结果见图1(4)氨基酸分子骨架烷基与氯乙醇分子的骨架烷基在无限稀释条件下,溶质溶质相互作用可忽之间的疏水基-疏水基相互作用.在第(1)类作用略,因此迁移偏摩尔体积主要反映了溶质-溶剂相中,由于-NH和-COO-基团的水合共球与氯乙表2L丙氨酸在氯乙醇·水混合溶剂中的密度和表观摩尔体积Table 2 Densities and apparent molar volumes of L- alanine in 2-chloroethanol-water mixtures at 298. 15 Km/ mmorgp/gcmp/gcm=0,00.4080l.008470.570.33361.016440.480.27991.015060.470.22451.013580.19551.0026560.321.0120260.4401.001330.1487l.0113560.430250.1204l.0105600.36581.039480.3641.061291.037900.2993059670.24761.057800.156660.500.1158l.0328460.440.14601,055780.06671.031500.11411.05495L.0541中国煤化工CNMHG62.000.23751.07873100050.20691.46l.09927l.0765961.401.0972361.930.1313No. 1许莉等氮基酸在氯乙醇水溶液中的体积性质表3L丝氨酸在氯乙醇·水混合溶剂中的密度和表观摩尔体积Table 3 Densities and apparent molar volumes of L-serine in 2-chloroethanol-water mixtures at 298. 15Va/cm". mol- m/mmol. gp/g cm V4/cm".0.3410210.21121.006.360.2344l.017290.16101.004180.20880.1149l.002180.0919L.001160.370.05800.9996660.27C=0.1=0.250.32810.351.037311.060871.0.9380.1084L.0342761.770.12241.057030.0781.033010.08841.055650.33921.086200.3512105963.730.27651.083800.295l.0813963.081.10082610.16131.0793662.990.17131.099310.1379L.078462.980.153762,9463,53醇OH基和Cl基的水合共球交盖相互作用,导致这酸的迁移偏摩尔体积ΔV较甘氨酸的大.这是由些荷电中心对水分子的电致收缩作用减小,结果产于丝氨酸分子中OH基团与氯乙醇分子中OH基团生正的体积贡献.(2)(3)4)类作用,由于离子通过氢键发生亲水基-亲水基相互作用所致;此共球疏水共球、疏水共球·亲水共球及疏水共球-外,由于两个OH基团的水合共球交盖相互作用疏水共球的交盖相互作用,导致这些基团周围水结导致氢键相互作用幅度的增加,结果亦产生正的体构的减少产生负的体积贡献.由图1可见三种氨积贡献基酸的迁移偏摩尔体积均为正值,并且随着氯乙醇与甘氨酸和丝氨酸相比,丙氨酸的△V较小含量的增大而增大,说明在氯乙醇水溶液中离子-这是因为丙氨酸侧链CH3基团的存在,使丙氨酸与亲水基相互作用大于第〔2)(3)(4)类相互作用,氯乙醇分子之间的疏水基-亲水基和疏水基-疏水占主导地位,且随氯乙醇浓度的增加而增大.丝氨基相互作用增强,即负体积贡献加强,抵销了部分表4氨基酸在氯乙醇·水混合溶剂中的极限偏摩尔体积τ、方程2舶实验斜率B、及标准偏差Table 4 Volumetric parameters and standard deviation( SD )for Eq. (2)of glycine, L-alanine and L-serinein 2-chloroethanol-water mixtures at 298. 15 KV/cm. molB/cm. mol-.kg43,120.980,01343.300,0l10.0200,99645,000.5.°0.0040,9990.84L-alanine0.050,680.0010.99860.410.0101.020.0130.9930.998M凵中国煤化工CNMHG 0.99561.540.540,0020,9080,61,710,0430,9830.014Acta Phys. -Chim. Sin.( Wuli Huaxue Xuebao ) 2004VoL 20glycine3.6L-alanine一▲一 L-serine一▲一L- senne目2061.51022220.5图1氨基酸迁移偏摩尔体积ΔV。随混合溶剂中氯图2氨基酸的理论水化数随混合溶剂中氯乙醇质量乙醇质量分数的变化分数的变化Fig 1 Variations of transfer partial volumes ofFig 2 Variations of hydration numbers of aminoamino acids with mass fractions ofacids with mass fractions of 2-chloroethanol2-chloroethanol at 298. 15 Kat298.15K离子-亲水基相互作用,导致其Δw较小.因此,在△Vb=△N×3.0相同溶剂组成时有△w丙氨酸)<△W甘氨酸)<式中,△M=M(水中)-M(含水混合溶剂中Δ∽κ丝氨酸)这反映了氨基酸不同侧基对迁移偏△M是氨基酸从水到含水混合溶剂中的水化数的变摩尔体积的影响化.计算得到的氨基酸在氯乙醇水溶液中的理论水为进一步考察氨基酸分子αC上取代基R对化数M与氯乙醇质量分数的关系示于图2其迁移偏摩尔体积的贡献,将氨基酸的ΔV值减去从图2可以看到,甘氨酸、L丙氨酸和L丝氨甘氨酸的△V值得到δgΔV酸的水化数随溶液中氯乙醇浓度的增大而减小δΔV=ΔV(氨基酸)-ΔV(甘氨酸)(4)水化数反映了氨基酸带电中心对周围水分子的电在上述计算中,假定甘氨酸中一H的体积贡献可以致收缩效应.随着氯乙醇含量的增加,氯乙醇分子忽略.结果见表5.中OH基团及Cl基团与氨基酸的荷电中心的相互由表5可见,丙氨酸中的非极性侧基(-CH3)对作用增强,削弱了氨基酸分子中带电中心对周围水迁移偏摩尔体积的贡献为负值(&ΔⅧ小于零)这反分子的电致收缩效应从而造成水化数的减小映了丙氨酸与氯乙醇分子间疏水-亲水作用的负体积溶液中溶质热力学迁移量可表示为溶质与混贡献(扣除了两性离子骨架与氯乙醇分子间的离子合溶剂中共溶质间的相互作用.在无限稀释的亲水基作用)洏丝氨酸分子中的亲水侧基-CHOH)溶液中,溶质分子间的相互作用可以忽略不计,这对迁移偏摩尔体积的贡献为正值(△V大于零),样氨基酸的迁移偏摩尔体积可以表示为这反映了亲水基亲水基作用体积贡献为正.这AV=2 Vab m+3 Vabb mb+4 Vabbb mb+(6)结果与上述的迁移偏摩尔体积结果相一致式中,V、V、V等分别是二粒子相互作用系数、Shahidi等认为,利用式(5)可近似计算氨基三粒子、四粒子相互作用系数等.m为溶液中共溶酸在含水混合溶剂中的水化数:质的质量摩尔浓度.根据式(6)及有关数据可计算出表5氨基酸侧基对迁移偏摩尔体积的贡献(298.15K)三种氨基酸在水混合溶剂中的体积相互作用系数Table5 Side-chain contributions to transfer partial volumes结果连同相关系数的平方值R2-并列于表6中from water to 2-chloroethanol-water mixtures表6氨基酸在氯乙醇水溶液中的体积相互作用系数δR△Vb/cm3.molinteraction coefficients of amino acidsCH (L-alanine)-CH-OH(L-serine)中国煤化工ueat2098.15K0,490.15- HCNMHG V0.28Glycine0.0680.0010.9900.62L-alanine0.0030.000L-serine0.0010,976No. I许莉等氮基酸在氯乙醇水溶液中的体积性质从表6可以看到,对于甘氨酸、L-丙氨酸和LP: Zhong, X.M. J. Health Toxicol, 1993, 7(3): 114[#p丝氨酸而言,V均为正值,且V值按丝氨酸、甘氨周炯亮,庄志雄陈铁江周建平钟小明,卫生毒理学杂FE( Weisheng Dulixue Zazhi 1993,7(3):114酸、丙氨酸顺序递减,这与疏水-亲水相互作用随着7 Pan. Yhemistry,1992,31:11405氨基酸侧链基团疏水性的增加而增加的规律相8 Li, S.Q.; Hu致.因三粒子、四粒子相互作用系数中包括了二粒Liu,Q.W. Acta Phys.-Chim.Sin,2001,17(5):400[李淑芹子、三粒子的相互作用故V和V较复杂有待胡新根林瑞森方文军藻文强刘庆旺,物理化学学报(wwl今后讨论.此外,甘氨酸在氯乙醇水溶液中的VHuaxue Xue)2001,17(5):4009 Shao, S., Lin, x.M. , Yang, F P. Hu, X.G.; Lin, RS值和V值相差不大但远大于V而L-丙氨酸和Acta phys.Chim.Sin,2002,18(7):595[邵爽林小美杨芳L-丝氨酸在氯乙醇水溶液中的V值均远大于V萍胡新根林瑞森.物理化学学报( Wuli Huaxue xuebao)及Ⅴ,这表明甘氨酸与氯乙醇分子间的相互作用以1:1和1:2的形式进行而L丙氨酸和L丝氨10 Li, S.Q.; Sang, w.Q.: Lin, R S. Acta Phys,-Chim. Sin2002,18(12):110[李淑芹桑文强林瑞森.物理化学学酸与氯乙醇分子间的相互作用主要是1:1的形式i Wuli Huaxue Xuebao 2002, 18(12):11101其中由于甘氨酸分子中侧链为-H,空间障碍较小Shao, S: Hu, X.G.: Lin, R.S. Acta Chim. Sin., 2000, 58:导致其除了一分子甘氨酸和一分子氯乙醇的作用240[邵爽胡新根林瑞森.化学学报( Huaxue xuebao外,一分子甘氨酸还能与两分子的氯乙醇作用2000,58:124012 Xu, L,: Hu. X.G.: Lin. R.s.. Solution Chem., 2003, 32(4):3613 Belibagll, K. B; Ayrancl, E. J. Solution Chem., 1990, 191 Kent, H. E: Lilley, T.H.: Milburn, P.J. J. Solution Chem1985,14:1012 Castronuovo, G: Elia, V, Postiglione, C. Thermochim. Acta,15 Millero, F.J.: Losurdo, A: Shin, C. J. Phys. Chem., 1978,3 Palecz, B: Piekarski, H.J. Solution Chem., 1997, 26: 621 16 Desnoyers, J.E.; Arel, M;Jolicorur, G.J. Phys.Che4 Ren. X L: Hu. X.G.. Lin. R S: Zong. H.X.. chem1969,73:3346Harrell. P.G. J. Chem. Soc., Faraday Trans. I5 Li, S. L: Shi, S.H.: Zhou, J. L: Zhuang, Z.X. Chin1981,77:963Ocp.Med,2001,28(1):22李胜联石世华周炯亮庄志18 Friedman,H.L.; Krishnan,C.V.J. Solution chem,1973,雄,中国职业医学( Zhongguo Zhiye yixue)2001,28(1):222:1196 Zhong, Z; Zhou, J. L: Zhuang, Z.X.; Chen, T.J.; Zhou,Volumetric Properties of Amino Acids in 2-chloroethanol-Water Mixed SolventsLin rui-SenXin-GenDepartment of Chemistry, Zhejiang University Hangzhou 310027: Department of Chemistry, Wenzhou Normal CollegeWenzhou 325000)Abstract Densities of glycine, L-alanine and L-serine in 2-chloroethanol-water mixed solvents have beenmeasured at 298. 15 k by an oscillating-tube densimeter. Apparent molar volumes, limiting partial molar volumes, transfer partial volumes, hydration numbers and volumetric interaction coefficients for these amino acidhave been calculated. The results show that all of the transfer partial volumes from water to 2-chloroethanol-watermixed solvents are positive, and increase with increasing 2-chloroethanol concentration; all the hydration num-bers decrease with increasing 2-chloroethanol concentration. From the results of the volumetric interaction coef-ficients, it is concluded that interaction between glycine and 2-chloroethanol is dominated by 1: I and 1: 2orms. and interactions between alanine. serine and 2-chloroethar中国煤化工d by 1: l form.CNMHGKeywords: Glycine, Alanine, Serine, 2-Chloroethanol, Partial molar volumesThe Project Supported by NSFC(20273061)and Scientific Research Fund of Zhejiang Provincial Education Department(20030344)