Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

КОЛЛИГАТИВНЫЕ СВОЙСТВА ВОДНЫХ РАСТВОРОВ НИЗКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ АМИНОКИСЛОТ ЛИНЕЙНОГО СТРОЕНИЯ

Миняева О.А. 1 Сидорченко А.С. 1 Зацепина М.Н. 1 Григорьева У.А. 1 Сафонов В.И. 2
1 ГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный медицинский университет»
2 ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет»
Изучены коллигативные и рефрактометрические свойства водных растворов низкомолекулярных аминокислот линейного строения на примере глицина и β-аланина. Показано, что с ростом концентрации индивидуальной аминокислоты до 10 % наблюдается линейное понижение температуры замерзания и линейный рост осмотического давления и показателя преломления раствора. Количественно определены параметры уравнений линейной регрессии концентрационных зависимостей коллигативных свойств и показателя преломления растворов, содержащих низкомолекулярные аминокислоты, при введении добавок других низкомолекулярных аминокислот. Статистически с использованием критерия Фишера доказано закономерное изменение положения линий температур замерзания, осмотического давления и показателя преломления растворов и сохранение или систематическое изменение тангенсов углов наклона указанных зависимостей при введении добавок одних низкомолекулярных аминокислот в растворы, содержащие другие низкомолекулярные аминокислоты.
глицин
β-аланин
коллигативные свойства
уравнение Вант-Гоффа
рефрактометрия
1. Миняева О.А., Ботова Д.И., Нелюбина Е.С. Коллигативные свойства растворов интерферона альфа лейкоцитарного человеческого // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 5. – С. 800.
2. Миняева О.А., Ботова Д.И., Нелюбина Е.С. Концентрационные зависимости вязкости белковых систем и рефрактометрический анализ растворов белков // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 6. – С. 1797.
3. Миняева О.А., Симонян Е.В., Евсельева Е.А., Позднякова Е.С., Музафарова А.Р., Саедгалина О.Т. Совершенствование способов контроля качества белка в препаратах иммуноглобулина // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 1. – С. 364.
4. Нельсон Д., Кокс М. Основы биохимии Ленинджера. В 3-х томах. Т.1. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012. – 694 с.
5. Спиридонов В.П., Лопаткин А.А. Математическая обработка результатов физико-химических данных. – М.: Изд-во Моск. ун-та, 1970. – 221 с.
6. Физическая и коллоидная химия: учеб. для фармац. вузов и факультетов / под ред. проф. Беляева А.П. – М.: ГЭОТАР-Медиа, 2008. – 700 с.

Комбинации незаменимых и заменимых аминокислот используются в медицине и фармации в виде растворов для парентерального питания. Основным требованием, предъявляемым к современным растворам аминокислот, является обязательное содержание восьми незаменимых аминокислот (валин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан, фенилаланин), шести аминокислот, синтезируемых в организме из углеводов (аланин, глицин, серин, пролин, глутаминовая и аспарагиновая кислоты) и 4-х аминокислот, которые синтезируются в организме в незначительном количестве (аргинин, гистидин, тирозин, цистеин). При этом осмолярность раствора для парентерального питания должна соответствовать уровню осмолярности плазмы. В связи с этим целью данного исследования стало изучение взаимного влияния низкомолекулярных аминокислот на примере глицина и β-аланина на коллигативные свойства и показатель преломления водных растворов.

Материалы и методы исследования

В качестве объекта исследования использовали водные растворы аминокислот глицина и β-аланина. Определение температуры замерзания проводили на автоматическом криоскопическом осмометре ОМТ-5-02. Предварительно прибор калибровали с помощью серии растворов рабочих стандартных образцов натрия хлорида. Испытуемые растворы лецитина соевого различной концентрации помещали в кювету прибора, погружали в термостат с контролируемой температурой и замораживали. Осмолярность раствора автоматически определяется по фиксированной температуре замерзания.

Определение показателя преломления растворов аминокислот проводили на рефрактометре ИРФ 454Б2М.

Результаты исследования и их обсуждение

Аминокислоты с низкой молекулярной массой, такие как глицин и β-аланин, хорошо растворимы в воде, и коллигативные свойства растворов аминокислот в соответствии с теорией определяются общим количеством частиц в растворе. К коллигативным свойствам, т.е. к свойствам, зависящим от общего числа частиц в растворе, относятся понижение температуры замерзания и повышение температуры кипения раствора по сравнению с чистым растворителем и осмотическое давление растворов [6].

Криоскопический метод – метод замораживания – дает возможность оценить изменение температуры замерзания раствора по сравнению с чистым растворителем и эффективную осмотическую концентрацию растворенного вещества, а также рассчитать осмотическое давление раствора. Это позволяет охарактеризовать свойства растворов веществ с точки зрения их совместного присутствия, что крайне важно для растворов, применяемых для парентерального введения в медицине [1–3]. Как показано на рис. 1, увеличение концентрации глицина или β-аланина в растворе до 10 % приводит к линейному понижению температуры замерзания раствора. Уравнения линейной аппроксимации имеют вид: Δtзам = (–1,15 ± 0,02)∙CАЛА для β-аланина и Δtзам = (–1,03 ± 0,01)∙CГЛИ для глицина с коэффициентами корреляции –0,998. Свободные члены уравнений линейной регрессии близки к нулю, поскольку по результатам статистической обработки абсолютные значения указанных параметров малы, и ошибки их определения сопоставимы с величинами коэффициентов.

Молекулы аминокислот, исходя из их строения, могут проявлять свойства как кислот, так и оснований [4]. Проявление кислотных свойств обусловлено наличием карбоксильной группы, при диссоциации которой в раствор выделяются протоны. Проявление основных свойств обусловлено наличием аминогруппы, при протонировании которой в растворе появляются гидроксид-ионы:

minayaeva01.wmf

minayaeva02.wmf

Возможен перескок протона от карбоксильной группы к аминогруппе и появление цвиттер-иона в соответствии с уравнением

minayaeva03.wmf

pic_11.wmf

Рис. 1. Понижение температуры замерзания водных растворов глицина и β-аланина

Сила молекул аминокислот как кислот и как оснований характеризуется константами диссоциации. Для глицина: Kа = 1,3∙10–10; Kв = 2,26∙10–12. Для β-аланина: Kа = 5,79∙10–11; Kв = 3,56∙10–11. Значения констант диссоциации очень малы, поэтому можно допустить, что диссоциация карбоксильной группы и/или протонирование аминогруппы в водных растворах протекает крайне незначительно. Реакция образования цвиттер-иона не сопровождается увеличением числа частиц. Если изменения общего числа частиц в растворе не происходит, эффективная осмотическая концентрация частиц, выраженная в единицах молярности (minayaeva04.wmf), должна совпасть с аналитической (рассчитанной) молярной концентрацией аминокислот (CАМИНОК-ТЫ). Как показывают расчеты с использованием критерия Фишера, гипотеза о том, что величины minayaeva05.wmf и CАМИНОК-ТЫ значимо не отличаются друг от друга на всем изученном диапазоне концентраций, может быть принята на уровне значимости 0,005 [5]. Значит, увеличения числа частиц в растворе не произошло, и в дальнейшем не нужно учитывать процессы, изменяющие число частиц (диссоциацию, протонирование или образование ионных ассоциатов).

В общем случае осмотическое давление линейно зависит от аналитической концентрации аминокислот в растворе в соответствии с законом Вант – Гоффа: minayaeva06.wmf (рис. 2). β-аланин является осмотически более активным, чем глицин. 1 моль/л β-аланина увеличивает осмотическое давление раствора примерно на 3100 Па, тогда как для глицина этот показатель составляет величину порядка 2750.

Результаты рефрактометрии водных растворов глицина и β-аланина представлены на рис. 3. Присутствие низкомолекулярных аминокислот линейного строения в растворе приводит к линейному увеличению показателя преломления раствора с ростом концентрации аминокислоты. Уравнения регрессии имеют вид n = 1,3330 + 0,0170∙CАЛА – для β-аланина и n = 1,3331 + 0,0155∙CГЛИ – для глицина с коэффициентами корреляции 0,998. Влияние β-аланина на показатель преломления раствора сильнее, чем глицина, т.е. β-аланин рефрактометрически более активен по сравнению с глицином.

Чтобы оценить влияние добавок одной аминокислоты на коллигативные и рефрактометрические свойства другой, были проанализированы понижение температуры замерзания, осмотическое давление и показатель преломления растворов глицина в присутствии фоновых добавок β-аланина (1, 3, 5 %) и эти же параметры растворов β-аланина в присутствии фоновых добавок глицина (1, 3, 5 %). Исходя из понятия коллигативных свойств растворов, добавление одной аминокислоты к раствору другой аминокислоты должно привести к сдвигу линии температур замерзания вниз, линии осмотического давления вверх. Причем величина сдвига и тангенс угла наклона линий должны определенным образом соотноситься с величиной добавки и природой добавленной аминокислоты. Экспериментальные данные, иллюстрирующие коллигативные свойства водных растворов β-аланина с добавками глицина и водных растворов глицина с добавками β-аланина, представлены в табл. 1 и 2.

pic_12.wmf

Рис. 2. Зависимость осмотического давления водного раствора от концентрации глицина и β-аланина

pic_13.wmf

Рис. 3. Зависимость показателя преломления водного раствора от концентрации глицина и β-аланина

Таблица 1

Уравнения регрессии концентрационных зависимостей свойств водных растворов β-аланина с добавками глицина

Изучаемый объект

Уравнение регрессии вида Y = a + b∙X для изменения температуры замерзания, осмотического давления и показателя преломления от концентрации аланина

Коэффициент корреляции R

Ошибки определения коэффициентов a и b

Водные растворы аланина

Δtзам = 0,03 – 1,15∙CАЛА

–0,998

Δa = 0,01; Δb = 0,02

π = –70 + 3050∙CАЛА

0,998

Δa = 50; Δb = 70

n = 1,3330 + 0,0170∙CАЛА

0,998

Δa = 0,0001; Δb = 0,0002

Водные растворы аланина с фоном 1 % глицина

Δtзам = –0,09 – 1,19∙CАЛА

–0,998

Δa = 0,01; Δb = 0,02

π = 200 + 3200∙CАЛА

0,998

Δa = 50; Δb = 80

n = 1,3349 + 0,0161∙CАЛА

0,997

Δa = 0,0001; Δb = 0,0002

Водные растворы аланина с фоном 3 % глицина

Δtзам = –0,37 – 1,20∙CАЛА

–0,998

Δa = 0,01; Δb = 0,02

π = 950 + 3300∙CАЛА

0,998

Δa = 50; Δb = 100

n = 1,3374 + 0,0175∙CАЛА

0,997

Δa = 0,0001; Δb = 0,0003

Водные растворы аланина фоном 5 % глицина

Δtзам = –0,70 – 1,23∙CАЛА

–0,998

Δa = 0,01; Δb = 0,02

π = 1850 + 3100∙CАЛА

0,998

Δa = 50; Δb = 120

n = 1,3430 + 0,0160∙CАЛА

0,998

Δa = 0,0001; Δb = 0,0002

По полученным данным можно сформулировать следующие закономерности. Для смесей низкомолекулярных аминокислот в водном растворе соблюдается линейность концентрационных зависимостей коллигативных свойств и показателя преломления с коэффициентами корреляции не ниже 0,998 и 0,997 соответственно. Сопоставимые величины абсолютной ошибки определения свободного члена в уравнениях регрессии со значением свободного члена свидетельствуют о близости данного коэффициента к нулю.

Статистически с использованием критерия Фишера доказано, что величина смещения характеристик коллигативных свойств и показателя преломления по оси ординат и изменение тангенса угла наклона прямых для серии растворов β-аланина с добавками глицина незначимо отличается от аналогичных характеристик для серии растворов глицина с добавками β-аланина. Гипотеза об однородности результатов измерений может быть принята по критерию Фишера на уровне значимости критерия 0,05 (рассчитанные значения критерия Фишера составляют minayaeva07.wmf – для сдвига линии по оси температур; minayaeva08.wmf – для тангенса угла наклона линии к оси температур; minayaeva09.wmf – для сдвига линии по оси осмотического давления; minayaeva10.wmf – для сдвига линии по оси показателя преломления; табличное значение критерия Фишера minayaeva11.wmf). Если в растворе присутствуют обе аминокислоты – глицин и β-аланин – то каждый 1 % добавки аминокислоты к раствору приводит к сдвигу температуры замерзания вниз по оси температур на величину 0,13 ± 0,01 °С и увеличению по модулю тангенса угла наклона линии к оси концентраций на 0,024 ± 0,008 град∙л/моль. Соответственно сдвиги по оси осмотического давления и показателя преломления на каждый 1 % добавки низкомолекулярных аминокислот к раствору составляют 330 ± 30 Па и 0,0020 ± 0,0003.

В серии растворов β-аланина с добавками глицина добавки глицина, как менее активного в осмотическом отношении компонента, не приводят к существенному изменению тангенса угла наклона линий осмотического давления к оси концентраций, который составляет 3200 ± 200 Па·л/моль. В серии растворов глицина с добавками β-аланина ситуация обратная. Каждый 1 % добавки аланина, как более активного в осмотическом отношении компонента, обеспечивает увеличение по модулю тангенса угла наклона к оси концентраций линии осмотического давления на 70 ± 10 Па·л/моль. Добавки низкомолекулярных аминокислот линейного строения практически не приводят к изменению тангенса угла наклона линии показателя преломления к оси концентраций, который составляет 0,0155 ± 0,0006 для серии растворов глицина с добавками аланина и 0,0170 ± 0,0010 для серии растворов аланина с добавками глицина.

Таблица 2

Уравнения регрессии концентрационных зависимостей свойств водных растворов глицина с добавками β-аланина

Изучаемый объект

Уравнение регрессии вида Y = a + b∙X для изменения температуры замерзания, эффективной осмотической концентрации, осмотического давления и показателя преломления от концентрации глицина

Коэффициент корреляции

R

Ошибки определения коэффициентов a и b

Водные растворы глицина

Δtзам = 0,02 – 1,03∙CГЛИ

–0,998

Δa = 0,01; Δb = 0,01

π = –60 + 2750∙CГЛИ

0,998

Δa = 45; Δb = 50

n = 1,3331 + 0,0155∙CГЛИ

0,998

Δa = 0,0002; Δb = 0,0002

Водные растворы глицина с фоном 1 % аланина

Δtзам = –0,08 – 1,02∙CГЛИ

–0,998

Δa = 0,01; Δb = 0,01

π = 160 + 2800∙CГЛИ

0,999

Δa = 40; Δb = 50

n = 1,3342 + 0,0152∙CГЛИ

0,997

Δa = 0,0001; Δb = 0,0002

Водные растворы глицина с фоном 3 % аланина

Δtзам = –0,34 – 1,10∙CГЛИ

–0,999

Δa = 0,02; Δb = 0,01

π = 870 + 2950∙CГЛИ

0,998

Δa = 40; Δb = 70

n = 1,3381 + 0,0151∙CГЛИ

0,998

Δa = 0,0001; Δb = 0,0002

Водные растворы глицина с фоном 5 % аланина

Δtзам = –0,57 – 1,17∙CГЛИ

–0,998

Δa = 0,01; Δb = 0,02

π = 1490 + 3100∙CГЛИ

0,998

Δa = 60; Δb = 140

n = 1,3422 + 0,0160∙CГЛИ

0,998

Δa = 0,0001; Δb = 0,0003

Выводы

1. Среди низкомолекулярных аминокислот линейного строения β-аланин является более активным осмотически и рефрактометрически по сравнению с глицином.

2. Совместное присутствие глицина и β-аланина в водном растворе приводит к некоторому выравниванию хода линейных концентрационных зависимостей осмотического давления и показателя преломления, что может быть непротиворечиво объяснено именно с позиций проявления коллигативных свойств, когда нивелируются физико-химические особенности каждого из компонентов, а свойства растворов определяются общим количеством частиц.


Библиографическая ссылка

Миняева О.А., Сидорченко А.С., Зацепина М.Н., Григорьева У.А., Сафонов В.И. КОЛЛИГАТИВНЫЕ СВОЙСТВА ВОДНЫХ РАСТВОРОВ НИЗКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ АМИНОКИСЛОТ ЛИНЕЙНОГО СТРОЕНИЯ // Успехи современного естествознания. – 2015. – № 7. – С. 27-32;
URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=35483 (дата обращения: 16.10.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074