Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,737

ИК-СПЕКТРОМЕТРИЯ В ИЗУЧЕНИИ ВЛИЯНИЯ ГЛИЦИНА, АЛАНИНА И ИХ СМЕСИ НА ВОДНЫЙ КОМПОНЕНТ МОДЕЛЬНЫХ РАСТВОРОВ.

Бутавин Н.Ю. 1 Зубарева Г.М. 1
1 ГБОУ ВПО «Тверская государственная медицинская академия» Минздрава России
Многочисленные биологические эффекты аминокислот в клетке и тканях связаны с их количественным и качественным составом. Это влияет на функциональную активность клетки, свойства биологических мембран, может вызвать соответствующие изменения структурного состояния водного компонента биологической системы. Задачей исследования было: изучить влияние глицина и аланина, а также их смеси на структурное состояние воды в их модельных растворах. В качестве исследуемых жидкостей использовали дважды перегнанную деионизованную воду, 1N растворы глицина, аланина. Анализируемые образцы готовили непосредственно перед снятием спектра в кварцевой посуде. После чего проводили ИК-спектроскопию с регистрацией спектров. Из полученных результатов можно заключить, что исследованные аминокислоты по-разному действуют на водную составляющую их модельных растворов, в смешанных растворах не происходит изменения количества частиц за счет их взаимодействия.
ИК-спектрометрия
аминокислоты
модельные растворы
1. Беллами Л. Инфракрасные спектры сложных молекул. - М. : ИЛ, 1963. - 5190 с.
2. Зайонц В.И. Об условии существования цвиттерионов // Журн. орг. химии. - 1978. - Т. 14, № 2. - С. 402-409.
3. Каргаполов А.В., Зубарева Г.М. Способ исследования чистоты воды : патент РФ № 2164685, Б.И. - 2001. - № 9. - С. 221.
4. Каргаполов А.В., Плигин А.М., Зубарева Г.М., Шматов Г.П. Способ исследования биологических жидкостей и устройство для его осуществления : патент РФ № 2137126, Б.И. - 1999. - № 25. - С. 510.
5. Кууск А.Э. Расчет содержания ионных форм и изоэлектрических диапазонов аминокислот на основе кислотных констант диссоциации // Журн. орг. химии. - 1983. - Т. 19, № 3. - С. 485-488.
6. Май JI.A. Область существования амфолитов и цвиттер-ионов // Изв. АН Латв. ССР. - 1985. - № 1. - С.70-72.
7. Рашкес Я.В. Об основах применения инфракрасной спектроскопии в органической химии. – Ташкент : Изд-во АН Узбекской ССР, 1963. -56 с.
8. Симчера В.М. Методы многомерного анализа статистических данных. - М. : Финансы и статистика, 2008. - С. 400.
9. Сарр С., Розанов А.Я. Защитный эффект и катаболизм L-аланина и L-глутамата у крыс в условиях замкнутого пространства // Современные проблемы токсикологии. - 2000. – Вып. 4. - С. 120-127.
10. Lutz О. Use of the walden product to evaluate the effect of amino acids on water structure / O. Lutz, M. Vrachopoulou, M. Groves // J. Pharm. and Phar¬macol. - 1994. - V. 46. - № 9. - P. 698-703.

Введение

Аминокислоты относятся к классу органических амфолитов, их мо­лекулы содержат одновременно карбоксильные и аминогруппы. Специфичность каждой аминокислоты определяется строением углево­дородного радикала. Доказано, что глицин, подобно гамма-аминомасляной кислоте, является медиатором торможения в центральной нервной системы. Подтверждено его участие в патогенезе перинатальной ишемии. Примечательно, что β-аланин также является тормозным медиатором, действуя на те же рецепторы, что и глицин [9], при этом он является важным источником энергии для мышц, головного мозга и центральной нервной системы. Другими словами, аминокислоты влияют на функциональную активность клетки, свойства биологических мембран отдельных органов и их систем, или могут вызвать соответствующие изменения структурного состояния водного компонента биологической системы.

Существуют литературные данные, посвященные изучению влияния аминокислот на структуру воды [10]. Авторы работы [10] используют произведение Уальдена (произведе­ние величины вязкости и проводимости при бесконечном разбавлении рас­твора) для оценки влияния аминокислот на структуру водной среды. В них показа­но, что большинство аминокислот обладают умеренной способностью раз­рушать структуру водных сред. С нашей точки зрения представляло определенный интерес изучить изменения структур­ного состояния воды в водных растворах глицина и аланина с использованием ИК- спектроскопии.

Цель работы

Установить влияние глицина, аланина и их смеси на водный компонент модельных растворов методом ИК-спектрометрии.

Материалы и методы исследования

В качестве исследуемых жидкостей использовали дважды перегнанную деионизованную воду, 1N растворы глицина (Гли) (50046 Sigma, SID 24873323), аланина (Ала) (05129 Sigma, SID 24845820).

Для исследования нами применялись аппаратно-программый комплекс «Икар» и ИК- спектрометр с Фурье-преобразованием Nicolet IS10.

Анализируемые образцы готовили непосредственно перед снятием спектра в кварцевой посуде быстрым последовательным десятикратным разбавлением исходных растворов от 101 до 1016 раз. Для проведения спектрометрии использовался аппаратно-программный комплекс «ИКАР», разработанный сотрудниками ТГМА совместно с НИИ-2 МО РФ, представляющий собой девятизональный спектроанализатор. Спектрометр сертифицирован как новый тип измерителя (сертификат № 5745 от 20.11.98 г.), который позволяет регистрировать показатели пропускания ИК-излучения после их многократного определения в девяти широких диапазонах в слоях жидкости толщиной 15 мк в кюветах из хлористо-бромистого и йодисто-бромистого таллия (KRS). В процессе анализа в кювету аппаратной части системы помещали 20 мкл полученного раствора и проводили многократные измерения коэффициентов пропускания в течение 30 с [3; 4]. За один цикл осуществляли около 300 измерений коэффициентов пропускания и в каждом из девяти диапазонов частот рассчитывали значения дисперсий, характеризующих флуктуацию инфракрасного спектра [9]. Полученные результаты обрабатывались методом линейного дискриминантного анализа в вычислительной среде интегрированной системы расчетов MATLAB (лицензия № 1462295). Предварительно было отмечено, что в каждом интервале длин волн наблюдалось нормальное распределение величин флуктуаций. Это дало возможность по девяти значениям дисперсий, определенных на исследуемых частотах спектра, количественно охарактеризовать состояния воды в присутствии сверхмалых количеств исследуемых веществ по сравнению с эталоном (бидистиллированная вода) с помощью критерия Махаланобиса, учитывающего корреляционные связи между коэффициентами пропускания и их дисперсиями [8]. В результате по величине отношений критерия «эталон – раствор» определяется близость (принадлежность) спектральной характеристики раствора к эталону.

Преобразование Фурье осуществляли с помощью Nicolet IS10 на компьютере в программной среде OMNIC.

Результаты и их обсуждение

На первом этапе работы нами была проведена ИК-спектрометрия с Фурье-преобразованием водных 1М растворов глицина, аланина, а также их смеси. Результаты спектрографии представлены на рис. 1.

Рис. 1. Огибающие ИК-спектров 1N водных растворов аланина (1), глицина (2) и их смеси (3).

Все изучаемые растворы имеют интенсивную полосу поглощения в области 3000-3600 см-1, характеризующую валентные колебания гидроксильной группы воды [1; 7]. В ИК-спектрах водных растворов глицина и аланина проявляются пики в области около 3100-3150 см-1 ,что свидетельствует об увеличении энергетики водородной связи и структурировании воды. При длине волны 1620 см-1 наблюдаются характерные для деформационных колебаний воды пики, незначительно отличающиеся по интенсивности для исследуемых растворов. Различие в интенсивности максимумов 3100 см-1 - 3500 см-1 и 1620 см-1 для водных растворов глицина, по сравнению с растворами аланина, не значительно, что показывает сходное упорядочивающее действие аминокислот на структуру воды.

На следующем этапе работы было проведено исследование водного раствора глицина и аланина, полученного путем смешивания равных количеств 1N растворов исследуемых аминокислот.

В ИК-спектре этой смеси наблюдается наложение спектральных полос исследуемых аминокислот, при этом в спектре не происходило исчезновения полос погло­щения, отвечающих одному из компонентов, как и не образовывалось новых спек­тральных полос, которые характеризовали бы образование новой связи, что говорит об отсутствии химических реакций взаимодействия данных веществ.

Анализ разведенных образцов аминокислот проводили с использованием АПК «ИКАР». Полученные данные показателей пропускания и их дисперсий обрабатывали методами многомерного анализа с вычислением критерия Махаланобиса.

Установлено (рис. 2), что для глицина анализируемый показатель изменяется волнообразно с достижением максимальных значений при разведении в 1016. Разведения раствора аланина приводят к постепенному снижению критерия Махаланобиса, для которого минимальное значение исследуемой величины определено при максимальном разведении.

Для данных аминокислот установлено, что исходные концентрации, а также одинаковое разведение растворов (105, 1016) вызывают разнонаправленное изменение структурного состояния водной основы растворов, что подтверждается величинами критерия Махаланобиса. Можно предположить, что в этом случае регистрируется неустойчивое состояние водной основы, которое, согласно литературным данным, возникает в тонких слоях жидкостей.

Рис. 2. Графики и их полиномиальная аппроксимация изменения расстояния Махаланобиса водных систем при разведении 1N раствора глицина и аланина.

Выводы

1. Анализ ИК-спектров водных растворов исследуемых аминокислот показывает, что в растворах аланина и глицина происходит уп­рочнение водородных связей между молекулами воды, за счет увеличения энергии связей ОН-групп.

2. Анализ спектральных линий смешанного водного раствора глицина и аланина подтверждает отсутствие изменения числа частиц за счет взаимодействия исследуемых веществ.

3. Установлено, что водная составляющая модельных растворов аминокислот по-разному изменяется при разведении исследуемых веществ. Вероятно, данное явление связано с процессами образования и распада гигантских кластеров, определяющих жидкокристаллическое состояние водных систем.

Рецензенты:

Лапина Галина Петровна, доктор химических наук, профессор, заведующая кафедрой физико-химической экспертизы биоорганических соединений ФГБОУ ВПО «Тверской государственный университет», г. Тверь.

Слюсарь Николай Николаевич, доктор медицинских наук, профессор, профессор кафедры химии и биохимии ГБОУ ВПО «Тверская ГМА» Минздрава России, г. Тверь.


Библиографическая ссылка

Бутавин Н.Ю., Зубарева Г.М. ИК-СПЕКТРОМЕТРИЯ В ИЗУЧЕНИИ ВЛИЯНИЯ ГЛИЦИНА, АЛАНИНА И ИХ СМЕСИ НА ВОДНЫЙ КОМПОНЕНТ МОДЕЛЬНЫХ РАСТВОРОВ. // Современные проблемы науки и образования. – 2013. – № 2.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=8909 (дата обращения: 15.07.2019).

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 = 1.252