Продукты твердофазного термического превращения L-α-аминокислот в вакуумированной системе

Products of solid-phase thermal conversion of L-α-aminoacids in vacuum
Цитировать:
Продукты твердофазного термического превращения L-α-аминокислот в вакуумированной системе // Universum: химия и биология : электрон. научн. журн. Васина Я.А. [и др.]. 2016. № 11 (29). URL: https://7universum.com/ru/nature/archive/item/3827 (дата обращения: 29.10.2020).
Прочитать статью:
Keywords: L-α-amino acids, thermal conversion, vacuum system, the composition of the products, the conversion circuit

АННОТАЦИЯ

На основании хромато-масс-спектрометрического анализа установлены продукты термического превращения L-α-аминокислот в вакуумированной системе и предложена схема термопревращения аминокислот.

ABSTRACT

The process of thermodecomposition of L- α-aminoacids in vacuum has been investigated. The composition of the products was identified by chromatography-mass spectrometry and the scheme of the process was suggested.

Природные L-α-аминокислоты составляют многообразие органического мира. Общее число синтетических или включенных в природные соединения аминокислот исчисляется несколькими сотнями, и их число всё время растёт. Основным источником аминокислот для человека, служит белковая пища. В химических процессах, которые идут при высокотемпературной обработке продуктов питания, возможно образование самых разнообразных веществ. Естественно возникает вопрос, какие это вещества, нет ли среди них вредных для человеческого организма, и какова должна быть длительность термообработки белковой пищи, при которой возможно образование потенциально опасных для организма соединений [4].

Другим направлением исследования аминокислот является синтез биосовместимых и биодеградируемых олигомеров и полимеров на основе аминокислот [2]. И в случае термической поликонденсации α-аминокислот необходимо знать состав продуктов термического превращения аминокислот. Для термического превращения природных L-α-аминокислот в вакуумированной системе такой информации нет. Поэтому целью нашего исследования являлось установление состава  продуктов термического превращения L-α-аминокислот в вакуумированной системе.

В качестве объектов исследования выбраны L-α-аминокислоты, содержащие в составе R радикалы алифатического ряда (глицин, аланин, валин, лейцин, изолейцин), ароматического ряда (фенилаланин, тирозин), ОН – группу (серин, треонин), СООН – группу (аспарагиновая, глутаминовая кислота), NH2CO – группу (аспарагин, глутамин), аминогруппу (лизин, аргинин), серосодержащие (метионин, цистеин, цистин) и азотсодержащие гетероциклы (пролин, гистидин, триптофан).

L-a-Аминокислоты – гетерофункциональные соединения, молекулы которых содержат одновременно амино- и карбоксильную группу у одного и того же a-углеродного атома. Это бесцветные кристаллы, растворимые в воде, некоторые из них слегка растворимы в этаноле, метаноле, ацетоне и нерастворимы в большинстве других растворителей. Все a-аминокислоты, за исключением глицина, проявляют оптическую активность, благодаря наличию хирального атома углерода. Такие молекулы несовместимы со своим зеркальным отражением любой комбинацией вращений и перемещений в трёхмерном пространстве [7,8]. Хиральные молекулы существуют в виде пар энантиомеров, различающихся только знаком оптического вращения, которое связано с их конфигурацией. Oни принадлежат либо к L-ряду (левовращающие), либо к D-ряду (правовращающие).

Молекулы аминокислот в кристаллическом состоянии и в растворе находятся в цвиттер ионной форме [3]:  

                              NH2–CH(R)COOH   ⇄  N+H3–CH(R)COO-

Незаряженная форма (I) легко переходит в цвиттер-ион (II), что связано с выигрышем свободной энергии в 44,8 – 51,5 кДж/моль. Известно, что в вышеуказанном равновесии практически существует только цвиттер-ион (II). Например, для аланина соотношение (II):(I) = 260 000. Форма I существует в незначительном количестве в водных растворах. Помимо того, она присутствует в парах при сублимации аминокислот при высоких температурах. Например, в случае глицина соединение I было выделено вымораживанием на аргоновой матрице при 20К.       

Растворы аминокислот в воде проявляют буферные свойства в результате существования равновесия:

В твердом состоянии цвиттер-ионы аминокислоты образуют молекулярный кристалл с сильными водородными связями. Это объясняет довольно большие дипольные моменты аминокислот и дипептидов, их растворимость в воде, высокие температуры плавления. Цвиттер-ионная структура аминокислот подтверждается также полосой поглощения 1610-1550 см -1 в ИК-спектре твердой аминокислоты или ее раствора [1]. Структура кристаллических аминокислот и природа водородных связей в них обусловлена электронным строением их молекул, которые имеют значительные по величине эффективные заряды на группах СОО- и +NH3.

Плавление кристаллических аминокислот сопровождается их разложением. Мы обратили внимание, что температура газовыделения летучих продуктов (Тгаз.) при нагревании аминокислот в вакуумированной системе существенно ниже температуры, которая фиксируется как температура плавления (Тпл.) вещества [3]. Температура плавления (Тпл.) и температура газовыделения (Тгаз.) при нагревании аминокислот представлены в таблице 1. Это позволило выбрать температурные интервалы для определения состава продуктов термопревращения. Продукты твердофазного термического превращения аминокислот представлены в таблице 2.

Таблица 1.

Температура плавления (Тпл.) и температура газовыделения (Тгаз.) при нагревании аминокислот

Аминокислота Тпл.(с разл.) [3],оС Тгаз,.оС
Глицин (Gly) 232-236 210
Аланин (Аla) 315-316 240
Валин (Val) 315 270
Лейцин (Leu) 293-295 270
Изолейцин (Ile) 285-286 270
Серин (Ser) 228 200
Треонин (Thr) 253 227
Аспарагиновая кислота (Asp) 270 190
Глутаминовая кислота (Glu) 247 – 249 170
Аспарагин (Asn) 220 190
Глутамин (Gln) 184 160
Лизин (Lys) 224 200
Аргинин (Arg) 244 200
Метионин (Met) 281 210
Цистеин (Cys) 240 190
Цистин (Cys2) 260 200
Фенилаланин (Phе) 283 245
Тирозин (Tyr) 344 268
Триптофан (Trp) 293 – 295 240
Гистидин (His) 287 – 288 230
Пролин (Pro) 220 – 222 200

 

Таблица 2.

Продукты твердофазного термического превращения аминокислот

Продукты термического превращения Аминокислота
Углекислый газ глицин, аланин, валин, лейцин, изолейцин, фенилаланин, тирозин, серин, треонин, аргинин, триптофан, гистидин, пролин, метионин, цистеин, цистин, аспарагиновая кислота, аспарагин
Аммиак глицин, валин, аргинин, лизин, триптофан, гистидин, пролин, аспарагин, глутамин
Дикетопиперазин и его производные глицин, аланин, валин, лейцин, изолейцин, пролин
Вода глицин, аргинин, лизин, триптофан, гистидин, пролин, глутаминовая кислота, аспарагиновая кислота, аспарагин, глутамин
Гетероциклические соединения с азотом или серой  глицин, аланин, валин, лейцин, изолейцин, фенилаланин, триптофан, гистидин, пролин, метионин, цистеин, цистин
Сероводород, метилмеркаптан, дисульфид метионин, цистеин, цистин
Амины валина, лейцина, глицина, метионин, аргинин, лизин
Амиды, уксусная кислота глицин
Низкомолекулярные олигомеры глицин, аргинин, лизин, триптофан, гистидин, пролин, метионин, цистеин, цистин, аспарагиновая кислота, глутаминовая кислота, аспарагин, глутамин

 

Мы предполагаем, что причиной термического превращения аминокислот (глицин, аланин, валин, лейцин, изолейцин, пролин) в твердой фазе задолго до плавления кристаллов служит положение цвиттер-ионов в узлах кристаллической решетки. Электронейтральные цвиттер-ионы, несущие положительный и отрицательный заряды, локализованные на разных атомах, расположены в узлах кристаллической решетки подобно ионному кристаллу. Чем больше дипольный момент цвиттер-иона, тем больше энергия электромагнитного взаимодействия между цвиттер-ионами, тем выше скорость гетеролитической реакции конденсации, сопровождающейся образованием олигопептидов и отщеплением воды. Фактически кристалл аминокислоты – это единая система, в которой реакции конденсации происходят во всем объеме твердой фазы.

В зависимости от относительного положения цвиттер-ионов возможны реакции конденсации с образованием как линейных олигопептидов, так и циклических дипептидов. Для аминокислот глицин, аланин, валин, лейцин, изолейцин  и пролин были найдены производные дикетопиперазина. Для глицина, аргинина, лизина, триптофана, гистидина, пролина, метионина, цистеина, цистина, аспарагиновой кислоты, глутаминовой кислоты, аспарагина, глутамина  обнаружены низкомолекулярные олигомеры.

Реакции поликонденсации с образованием олигопептидов и циклов выражены в общей схеме:

 

 

Параллельно аминокислоты участвуют в реакциях декарбоксилирования и деаминирования:

 

 

При ином относительном расположении цвиттер-ионов в кристалле происходит, как мы установили при анализе продуктов реакции, образование циклических дипептидов:

 

 

                                                                

замещенный 2,5-пиперазиндион

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Для выделения газообразных продуктов использовалась установка, описанная ранее [5,6]. В масс-спектрометрическую ампулу помещался стеклянный капилляр, содержащий 50-100 мг исследуемой кристаллической аминокислоты. Из ампулы откачивался воздух до давления 10 Па, она отпаивалась от вакуумной системы и помещалась в термостат при температуре опыта. После 1–3 часов выдержки в термостате ампулу извлекали из термостата, охлаждали до комнатной температуры и в отросток ампулы с разбиваемым кончиком помещался металлический боек. Отросток ампулы соединялся с вакуумной системой. После откачки промежуточных линий до давления 10 Па, соединительные линии заполнялись гелием, кончик ампулы разбивался при падении на него бойка, и ампула заполнялась гелием высокой чистоты марки М (99.9999%) до давления 1,5 атм. Для равномерного распределения продуктов реакции по объему ампулы она выдерживалась сутки при комнатной температуре. Заполненная гелием ампула через отвод фторопластового крана гибким шлангом подсоединялась к вакуумной системе через стеклянный корпус фторопластового крана, в котором вместо штока установлена прокалываемая резиновая пробка. Пробка прокалывалась иглой одноразового шприца объемом 2 мл. После откачки до давления 10 Па плавно открывался фторопластовый кран и под давлением смеси гелия и продуктов распада аминокислот шток шприца приходил в движение. По достижении торцом штока отметки 1 мл игла шприца удалялась из пробки, и шприц с образцом транспортировался к хромато-масс-спектрометру.

Состав газообразных продуктов реакции идентифицировали на хромато-масс-спектрометре TraceGCUltra/DSQII. Для идентификации летучих продуктов, имеющих низкую упругость пара при комнатной температуре, проводилось вскрытие ампулы, введение в нее жидкого растворителя и последующего анализа полученного раствора путем введения жидких проб в инжектор хромато-масс-спектрометра. Использовалась капиллярная колонка TR 5 MS длиной 30 м и диаметром 0,25 мм. Исходя из свойств анализируемых образцов, были выбраны следующие условия регистрации хромато-масс-спектрограмм: температура инжектора-200-250 0С; скорость газа-носителя – 1 мл/мин, спллит потоков- 1/50. Температура колонки повышалась от 60 до 2500С со скоростью 100 в минуту. Регистрировались масс-хроматограммы положительных ионов в диапазоне массовых чисел 12-200 (для определения содержания легких газов) и 35-300 (для остальных летучих продуктов). Идентификация компонентов смеси осуществлялась путем сравнения их масс-спектров с масс-спектрами электронной библиотеки NIST 2005.

Для обнаружения характеристических частот валентных колебаний твердых продуктов поликонденсации применяли спектрофотометр марки Shimadzu IR-Prestige-21/FTIR-8400S. Анализ полимеров методом времяпролетной МАLDI MS проводили на приборе Bruker Microflex LT в линейном режиме.

Таким образом, описана методика определения продуктов термического превращения L-аминокислот в вакууме. Впервые установлен состав продуктов термопревращения L-аминокислот в твердой фазе. На основании анализа продуктов предложена схема превращения L-аминокислот в вакуумированной системе.


Список литературы:

1. Беллами Л. Новые данные по ИК-спектрам сложных молекул/ Л. Беллами. – ИЛ. Мир, 1971. – 320 с.
2. Власов Г.П. Биодеградируемые полимеры на основе полипептидов и белков / Власов Г.П. // Экология и промышленность России – 2010 – №5 – С. 67-71.
3. Гринштейн Дж. Химия аминокислот и пептидов/ Дж. Гринштейн, М. Винниц, под ред. М.М. Шемякина – М.: Мир, 1965. – 821 с.
4. Прозоровский В.Б. Тормозные аминокислоты / В.Б. Прозоровский // Химия и жизнь – ХХI век. – 2006. – №7. – С. 46–49. Возбуждающие аминокислоты.– 2006 – №10. – С. 34-37.
5. Яблоков В.А, Васина Я.А., Зеляев И.А., Митрофанова С.В. Кинетика серусодержащих аминокислот //Журн. общ. хим. 2009. Т. 79. Вып.6. С. 969.
6. Яблоков В.А. Исследование термической стабильности глицина, аланина и серина / В.А. Яблоков, И.Л. Смельцова, И.А. Зеляев, С.В. Митрофанова // Журн. общей химии. – 2009. – Т. 79. №.8. – С. 1344–1346.
7. Якубке Х.-Д. Аминокислоты. Пептиды. Белки/ Х.-Д. Якубке, Х Ешкайт. – М.: Мир, 1985. – 82 с.
8. Sober H.A. Handbook of Biochemistry; Selected Data for Molecular Biology Chemical Rubber Co., Cleveland, Ohio, 1970, section B.

Информация об авторах

кандидат химических наук, доцент кафедры химии Нижегородского государственного архитектурно-строительного университета, 603950, Россия, г. Нижний Новгород, ул. Ильинская, д.65

Candidate of Chemical Sciences, Associate Professor of Chemistry Department of Nizhniy Novgorod State University of Architecture and Civil Engineering, 603950, Russia, Nizhniy Novgorod, Il'inskaya str., 65

кандидат химических наук, доцент кафедры химии Нижегородского государственного архитектурно-строительного университета, 603950,Россия, г. Нижний Новгород, ул. Ильинская, д.65

Candidate of Chemical Sciences, Associate Professor of Chemistry Department of Nizhniy Novgorod State University of Architecture and Civil Engineering , 603950, Russia, Nizhniy Novgorod, Il'inskaya str., 65

кандидат химических наук, старший научный сотрудник Нижегородского государственного университета им. Лобачевского, 603022, Россия, Нижний Новгород, пр.Гагарина, 23

Candidate of Chemical Sciences, Senior Research scientist of Lobachevsky Nizhniy Novgorod State University, 603022, Russia, Nizhniy Novgorod, Gagarina ave., 23

доктор химических наук, профессор, зав. кафедрой химии Нижегородского государственного архитектурно-строительного университета, 603950, Россия, г. Нижний Новгород, ул. Ильинская, д.65

Doctor of Chemical Sciences, Professor, Head of Chemistry Department of Nizhniy Novgorod State University of Architecture and Civil Engineering, 603950, Russia, Nizhniy Novgorod, Il'inskaya str., 65

Журнал зарегистрирован Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор), регистрационный номер ЭЛ №ФС77-55878 от 17.06.2013
Учредитель журнала - ООО «МЦНО»
Главный редактор - Ларионов Максим Викторович.
Top