310.15 K時蛋白質模型化合物與二元醇在水溶液中的異系焓相互作用

朱 焰 龐現紅 于 麗

(1泰山醫學院化學與化學工程學院,山東泰安 271016;2山東大學膠體與界面化學教育部重點實驗室,濟南 250100)

310.15 K時蛋白質模型化合物與二元醇在水溶液中的異系焓相互作用

朱 焰1,*龐現紅1于 麗2

(1泰山醫學院化學與化學工程學院,山東泰安 271016;2山東大學膠體與界面化學教育部重點實驗室,濟南 250100)

利用2277熱活性檢測儀的流動量熱系統測量蛋白質模型化合物(甘氨酸、丙基酸、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和N,N-二甲基乙酰胺(DMA))與二元醇(1,3-丁二醇和2,3-丁二醇)的混合過程焓變以及各自的稀釋焓;依據McMillan-Mayer理論對實驗數據進行分析,獲得310.15 K時水溶液中蛋白質模型化合物與二元醇異構體分子的異系焓相互作用系數(hxy,hxxy,hxyy).結果表明,hxy值均為正值,此過程吸熱效應占主導作用,并且hxy(DMA)> hxy(丙氨酸)>hxy(甘氨酸)>hxy(DMF)和hxy(2,3-丁二醇)>hxy(1,3-丁二醇).根據結果討論了溶質-溶質相互作用和溶質-溶劑相互作用情況,闡明了二元醇官能團相對位置的變化對hxy值的影響,發現DMF或DMA與二元醇之間有較強的氫鍵作用,由于DMF分子共振結構有較好的可極化性,DMF與二元醇的氫鍵作用被進一步加強.

氨基酸;N,N-二甲基甲酰胺;N,N-二甲基乙酰胺;二元醇;溶質-溶質相互作用

二元醇是一類特殊的有機化合物,它可以增強球狀蛋白的熱穩定性,也可以通過其它方式來降低變性程度,雖然在生物有機體細胞和細胞外都未被發現,但它們在藥品和化妝品行業中已有廣泛的應用.當它們被作為一種醫藥品和化妝品的媒介被引入生物體中時,它們就影響了細胞中物質的成分,其作用已經在二元醇和生物細胞的大量研究中被證實[1-4],所以,探索二元醇與蛋白質在水溶液中的作用本質是非常有意義的.由于蛋白質的結構非常復雜,很難直接以蛋白質為研究對象來研究它在水溶液中與二元醇作用的本質.因此,必須從研究簡單的蛋白質模型化合物入手來探索二元醇對蛋白質結構的影響.氨基酸是重要的生物活性物質,是組成蛋白質的基本結構單位.N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和N,N-二甲基乙酰胺(DMA)是用途極廣的化工原料,由于DMF和DMA似肽結構和—CH3的存在常被認為是模擬多肽和蛋白質分子內部環境的模型化合物[5-8].所以,以氨基酸、肽、酰胺及其衍生物作為蛋白質模型分子來探討復雜溶液中兩性離子與共溶劑及共溶質的相互作用的溶液熱力學是很有意義的[9-15].

為深入了解蛋白質和多肽鏈在復雜溶液中的物理化學現象,在我們的前期工作[16-18]中,主要偏重于研究298.15 K時蛋白質模型化合物在水溶液及混合水溶液(乙二醇、丙三醇、丙二醇等)中的熱力學性質,其它溫度的相關研究少見報道.為了進一步完善蛋白質模型分子體系溶液熱力學性質的研究,本文在前期研究的基礎上進一步選取新的研究體系和溫度,測量蛋白質模型化合物(甘氨酸、丙氨酸(全文均為L-丙氨酸)、DMF和DMA)與二元醇(1,3-丁二醇和2,3-丁二醇)在水溶液中的混合焓和稀釋焓,并根據McMillan-Mayer理論[20]計算出水溶液中蛋白質模型化合物與二元醇相互作用的各級異系焓相互作用系數,來探討溶質-溶質分子間相互作用的機制.由于310.15 K接近人體的平常溫度,對該溫度下的蛋白質模型化合物熱力學性質的探索,可以為生物化學和醫藥化學的研究提供更多的信息.

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

氨基酸(生化級,中國醫藥(集團)上海化學試劑公司(進口分裝))置于真空硅膠干燥箱內48 h后使用.DMF、DMA、1,3-丁二醇和2,3-丁二醇(分析純,中國醫藥(集團)上海化學試劑公司)經減壓精餾精制后使用.2277精密熱活性檢測儀(瑞典AB公司,測量精度(300 μW量程)為±0.2%,恒溫精度為±0.0002 K),LKB-2132微蠕動泵,Mettler AE 200型電子天平(誤差為±0.0001 g).水為新制備的二次重蒸水.

1.2 實驗方法

混合過程的焓變、稀釋焓用2277精密熱活性檢測儀的流動混合系統測定.實驗溫度為310.15 K.不同質量摩爾濃度的溶液用稱量法配制,所配溶液均在12 h內使用.當量熱計恒溫水浴和檢測系統達到熱平衡后,用溶劑水設定基線并進行電標定.設備具體使用和測量方法已在前期工作[16-18]中詳細闡述.

1.3 數據處理

根據McMillan-Mayer理論[19],利用測量得到的混合焓和稀釋焓計算出各級異系焓相互作用系數.在恒定溫度和壓強下,含兩種不同溶質x和y的三元水溶液過量焓HE(mx,my)可以表示為質量摩爾濃度的維里展開形式[20]:

式中HE(mx,my)/ω1表示由質量摩爾濃度為mx的溶質x,質量摩爾濃度為my的溶質y所組成的溶液在水(質量為ω1)中的過量焓;H(mx,my)表示1 kg溶劑水的總焓;為純水的絕對焓;和分別為溶質x和y的極限偏摩爾焓;hxx,hyy,hxy和hxxx,hxxy,hxyy, hyyy分別為焓對和焓叁作用系數.

以每kg溶劑水計的溶質(x或y)的稀釋焓ΔHdil(J·kg-1)可按下式計算:

式中P為溶質的稀釋熱功率,mx,i為稀釋前溶液的質量摩爾濃度,fA為溶液的流速,fB為溶劑水的流速, Mx為溶質x的摩爾質量.

稀釋后溶液的質量摩爾濃度mx為

以每kg溶劑水計的溶質x的溶液和溶質y的溶液的混合過程焓變ΔHmix(J·kg-1)按下式計算:

式中P*為混合過程熱功率,fx和fy分別為溶質x和溶質y的流速,mx,i,my,i分別為這兩種溶液混合前的質量摩爾濃度,Mx,My分別為溶質x,y的摩爾質量.

定義一個輔助函數ΔH*

由方程(1-5)可得:

將多組不同的mx和my值的實驗結果帶入上式進行計算,就可以得到焓對和焓叁相互作用系數.

2 結果與討論

由實驗獲得的蛋白質模型化合物與二元醇在水溶液中混合過程焓變ΔHmix/ω1,各自稀釋焓ΔHdil(x), ΔHdil(y)以及計算所得的不同濃度時的ΔH*/ω1的值都列于表1.并將數據按式(6)進行多元線性回歸分析,得到異系焓作用系數(hxy,hxxy,hxyy),相關系數R(均在0.99以上)和標準偏差(SD)列于表2.

表1 310.15 K時蛋白質模型化合物水溶液與二元醇水溶液的稀釋焓及混合過程的焓變Table 1 Enthalpies of dilution and mixing of aqueous solutions of protein model compounds and diol aqueous solutions at 310.15 K

表2 蛋白質模型化合物與二元醇分子的各級異系焓相互作用系數Table 2 Heterotactic enthalpic interaction coefficients between model compounds of protein and diols in aqueous solutions at 310.15 K

異系焓作用系數(hxy,hxxy,hxyy)是溶液中溶劑化的溶質分子靠近時相互作用產生熱效應的量度.當兩種水合分子從溶質與溶劑作用幾乎可以忽略不計的遠距離到溶質與溶質以及水之間有作用的距離相互靠近時,焓對作用系數的物理意義就與熱力學特性的變化有關[21].因為很難解釋更高的異系焓作用系數,本文僅討論焓對作用系數hxy.

在酰胺類分子中,那些氮原子上的氫未被取代的或一個氫被取代的化合物,它們都有NH基團,都可能通過形成氫鍵(NH…OC)參與分子間的連接.水溶液中DMF或DMA與二元醇相互作用過程中, DMF和DMA的氮原子沒有能力形成氫鍵,因為氮原子上的氫都被烷基所取代,根據熱力學特性的研究[16,22],假定它們有圖1所示的共振結構.

DMF和DMA的負電荷位于該分子的氧原子上,通過這些氧負離子上的非共軛電子對,易暴露的原子很容易溶劑化,另一頭的正電荷藏于該分子內部,在DMF和DMA上由于兩個甲基基團的供電子作用使得這種共振結構更加穩定[23].

焓相互作用系數描繪了溶液中焓作用的特性,并且成為衡量兩種溶劑化的溶質作用方式的工具,其大小取決于溶質分子和溶劑水的相互作用,因此,整個作用反映在三個過程中:(1)溶劑化的蛋白質模型化合物分子的部分去溶劑化(吸熱過程,對hxy值的正貢獻);(2)溶劑化的二元醇分子的部分去溶劑化(吸熱過程,對hxy值的正貢獻);(3)蛋白質模型化合物與二元醇分子之間的直接作用.

溶劑化的DMF和DMA分子被認為已經高度極化,正電荷被兩個甲基環繞.DMF和DMA分子性質與陽離子或正電中心有關聯[21].由于分子結構的差異,甘氨酸和丙氨酸不會出現DMF和DMA那樣的高度極化的分子結構.因此,過程(3)主要包含4種作用方式:(a)蛋白質模型化合物的氧負離子與二元醇分子羥基之間的氫鍵作用,由于DMF或DMA的共振結構存在,這一作用被氮原子加強了[24-25](見圖2)(放熱過程,對hxy值有負貢獻);(b)氨基酸的離子頭部與二元醇分子羥基之間的親水-親水相互作用(放熱過程,對hxy值有負貢獻);(c)蛋白質模型化合物非極性基團和二元醇羥基之間的疏水-親水作用(吸熱過程,對hxy值有正貢獻);(d)蛋白質模型化合物非極性基團與二元醇分子的非極性基團之間的疏水-疏水作用(吸熱過程,對hxy值有正貢獻).

圖1 DMF和DMA分子共振結構式Fig.1 Resonance structures of DMF and DMA

圖2 DMF或DMA的共振結構與二元醇分子的氫鍵相互作用Fig.2 Hydrogen bond interactions of resonance structures of DMF or DMA with diols molecules

圖3 蛋白質模型化合物的結構式Fig.3 Structures of model compounds of proteins

hxy的符號和數值是以上去溶劑化作用和溶質分子間直接作用過程達到競爭平衡的結果,蛋白質模型化合物與二元醇之間的直接作用是最主要的作用,并且在整個作用過程中發揮著重要的角色.正如表2中所看到的,它們之間的hxy值是正的,這表明蛋白質模型化合物與二元醇之間的作用吸熱效應占主導地位,hxy值的差異主要取決于所研究分子的結構的差異.

蛋白質模型化合物與同一種二元醇的相互作用過程中,其hxy值的大小差異主要取決于蛋白質模型化合物的分子結構.甘氨酸是最簡單的氨基酸,沒有疏水的烷基側鏈,而丙氨酸是非極性側鏈氨基酸的代表,二者相比,丙氨酸比甘氨酸多了一個疏水的甲基結構的烷基側鏈,丙氨酸的作用力(c)和(d)都比甘氨酸的大,所以hxy(丙氨酸)>hxy(甘氨酸).

關于DMF和DMA兩分子,從圖1可以看出DMF比DMA分子的羰基C原子上少了一個甲基,所以hxy(DMA)>hxy(DMF),這個實驗結果可以由以下兩方面來解釋.一方面,從分子結構來看,DMF的羰基碳原子的一端是一個氫原子,單獨來看是一個醛基,而DMA不是,相互作用時DMA分子的位阻效應就稍大一些;DMF的偶極矩是12.74×10-30C·m, DMA偶極矩是12.64×10-30C·m;由此推斷DMF可極化性大于DMA,所以,對于作用力(a),DMF的比DMA的更強烈.另一方面,由于DMA分子比DMF分子羰基C原子上多了一個甲基,所以,對于作用力(b)和(c),DMA的要比DMF的活躍.

甘氨酸和丙氨酸與DMF和DMA分子雖然都是蛋白質模型化合物,但結構差別比較大.表2中數據表明,甘氨酸和丙氨酸的hxy值大于DMF,小于DMA.從它們的結構對比來看(見圖3),甘氨酸和DMF都沒有烷基側鏈,丙氨酸和DMA的烷基側鏈都是甲基,但是DMF和DMA氮原子上都含有兩個甲基,這就說明DMF和DMA比甘氨酸和丙氨酸疏水性基團多,DMF和DMA的hxy值理論上應該比甘氨酸和丙氨酸大,特別是DMA應該大得更多,但是卻出現了hxy(DMA)>hxy(丙氨酸)>hxy(甘氨酸)> hxy(DMF)的大小順序.從這個結果來看就進一步證實了上段所說的DMF和DMA與二元醇有較強氫鍵存在,氫鍵的作用對hxy值是負貢獻,造成DMF的hxy值最小,甚至比甘氨酸的hxy值還要小;DMA氫鍵的存在使得比自己疏水基團少得多的丙氨酸的hxy值略大.

二元醇與蛋白質模型化合物之間的hxy系數的差異主要取決于二元醇分子之間結構差異.1,3-丁二醇和2,3-丁二醇不同之處在于兩個羥基的相對位置不一樣,二者與蛋白質模型化合物相互作用時,實驗結果均表現為hxy(2,3-丁二醇)>hxy(1,3-丁二醇).這主要有以下兩方面原因:首先,兩個羥基相對位置的不一樣導致了疏水基團的不一樣,歸因于2,3-丁二醇有兩個裸露在外的甲基,而1,3-丁二醇只有1個,這樣對于(b)和(c)作用力,2,3-丁二醇的作用就比1,3-丁二醇的激烈;其次,2,3-丁二醇的兩個羥基相鄰,在極性溶劑中,很容易以分子內氫鍵的形式形成五元環結構,這樣就削弱了親水-親水相互作用,減少了分子間氫鍵的形成.

3 結 論

利用2277熱活性檢測儀獲得了蛋白質模型化合物與二元醇分子間的異系焓相互作用系數.結果表明,hxy值均為正值,表明此過程吸熱效應占主導作用,并且它們大小順序分別為hxy(DMA)>hxy(丙氨酸)>hxy(甘氨酸)>hxy(DMF)和hxy(2,3-丁二醇)>hxy(1,3-丁二醇).根據hxy值的差異,討論了溶質-溶質相互作用和溶質-溶劑相互作用的情況,闡明了二元醇官能團相對位置的變化對hxy值的影響,發現DMF或DMA與二元醇之間有較強的氫鍵作用,由于DMF分子共振結構有較好的可極化性,DMF與二元醇氫鍵作用被進一步加強.這一作用對穩定蛋白質的構象有非常重要的作用.

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March 12,2010;Revised:April 22,2010;Published on Web:June 24,2010.

Heterotactic Enthalpy of the Interaction between Protein Model Compounds and Diols in Aqueous Solutions at 310.15 K

ZHU Yan1,*PANG Xian-Hong1YU Li2
(1Department of Chemistry and Chemical Engineering,Taishan Medical University,Taian 271016,Shandong Province,P.R.China;2Key Laboratory of Colloid and Interface Chemistry,Ministry of Education,Shandong University,Jinan 250100,P.R.China)

The enthalpies of mixing for model protein compounds(glycine,alanine,N,N-dimethyl formamide(DMF) and N,N-dimethyl acetamide(DMA))with diols(1,3-butanediol and 2,3-butanediol)and their respective enthalpies of dilution in aqueous solutions at 310.15 K were determined by flow microcalorimetric measurements.Heterotactic enthalpic interaction coefficients(hxy,hxxy,hxyy)were obtained by analyzing these experimental results according to McMillan-Mayer theory.The results indicated that the hxyvalues were all positive with a dominant endothermic effect and the coefficients decreased according to the order of hxy(DMA)>hxy(Ala)>hxy(Gly)>hxy(DMF)and hxy(2,3-butanediol)> hxy(1,3-butanediol).Based on these results,we discussed solute-solute and solute-solvent interactions with regards to the influence of the relative position of the diol functional groups on the value of hxy.We found that the hydrogen bonds between DMF or DMA and the diols were strong,and because of the good polarizability of DMF′s resonance structure,hydrogen bonds between DMF and the diols were further strengthened.

Amino acid;DMF;DMA;Diol;Solute-solute interaction

[Article] www.whxb.pku.edu.cn

*Corresponding author.Email:2004zy428@163.com;Tel:+86-538-6234228.

The project was supported by the Doctoral Fund of the Ministry of Education of China(New Teachers Fund)(070422047)and Natural Scientific Foundation of Shandong Province,China(Z2007B03).

教育部博士點基金(新教師基金)(070422047)和山東省自然科學基金(Z2007B03)資助項目

O642