Структурные особенности гидратации глицина и пара-аминобензойной кислоты в воде и водных растворах NaCl и KCl

• Автор: Кручинин, Сергей Евгеньевич
• Шифр специальности: 02.00.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Иваново
• Количество страниц: 155 с. : ил.

Оглавление
Введение
Глава 1. Литературный обзор
1.1. Структурные свойства воды и ее роль в биохимических
процессах
1.2. Гидратация молекул и ионов. Гидрофильная и гидрофобная гидратация
1.3. Особенности гидратации глицина и его структурных фрагментов
1.3.1. Ион метиламмония и его депротонированная форма -метиламин
1.3.2. Ацетат-ион и его протонированная форма - уксусная
кислота
1.3.3. Глицин
1.4. Особенности гидратации пара-аминобензойной кислоты и ее структурных фрагментов
1.4.1. Анилин и бензойная кислота
1.4.2. Пара-аминобензойная кислота
Глава 2. RISM-теория интегральных уравнений для описания молекулярных жидкостей
2.1. Общие положения метода интегральных уравнений
2.2. 1D-RISM и 3D-RISM интегральные уравнения Орнштейна-
Цернике
2.3. Методы численного решения 1D-RISM и 3D-RISM интегральных уравнений Орнштейна-Цернике
2.4. Используемые модели и параметры потенциалов межчастичных взаимодействий. Детали расчетов
2.5. Оценка корректности расчетов
Глава 3. Цвиттер-ион глицина в воде и водных растворах NaCl и КС1: особенности гидратной структуры и ион-молекулярное
комплексообразование
3.1. Структурные особенности гидратации метиламина и иона метиламмония в воде
3.2. Структурные особенности гидратации уксусной кислоты и ацетат-
иона в воде
3.3. Структурные особенности гидратации цвиттер-иона глицина в

3.4. Структурные особенности гидратации цвиттер-иона глицина в водных растворах NaCl и КС
3.5. Ион-молекулярное комплексообразование цвиттер-иона глицина с неорганическими ионами в водных растворах NaCl и КС
Глава 4. Парааминобензойная кислота и ее анион в воде и водных растворах NaCl и КС1: особенности гидратной структуры и ион-молекулярное комплексообразование
4.1. Структурные особенности гидратации анилина и бензойной кислоты в воде
4.2. Структурные особенности гидратации пара-аминобензойной кислоты
и аниона пара-аминобензойной кислоты в воде
4.3. Структурные особенности гидратации аниона пара-аминобензойной кислоты в водных растворах NaCl и КС
4.4. Ион-молекулярное комплексообразование аниона пара-аминобензойной кислоты с неорганическими катионами в водных растворах NaCl и КС
Основные результаты и выводы
Список литературы
Приложение 1. Текст рабочей программы, реализующей схему решения
уравнения Орнштейна-Цернике в 1D-RISM приближении
Приложение 2. Структуры исследованных соединений и параметры
потенциалов межатомных взаимодействий
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. Биомолекулы, как правило, находятся в сложно организованной водно-солевой среде, которая во многом регулирует проявление их физико-химических свойств и участвует в большинстве химических и биологических процессов, протекающих в живых организмах. Для понимания механизмов функционирования биомолекул необходимо знание особенностей их гидратации и их взаимодействий с биологически важными неорганическими ионами, входящими в состав среды. С практической точки зрения результаты подобных исследований нужны для модернизации существующих и развития новых био- и нанотехнологий, востребованных в медицине, фармакологии, косметологии, пищевой и др. отраслях промышленности.
Однако из-за размера и сложности биомолекул, взаимовлияния компонентов биомолекулярной системы друг на друга, такие исследования и интерпретация получаемых данных затруднены необходимостью разделения различных эффектов, определяющихся множеством взаимодействий. В этом случае прибегают к изучению более простых по составу и меньших по размеру модельных систем, в частности, аминокислот, которые рассматриваются как соединения, моделирующие отдельные структурные компоненты белковой поверхности. Тем не менее, даже для таких систем имеющиеся в литературе данные экспериментальных методов и методов компьютерного моделирования (молекулярной динамики, Монте-Карло) ограничены системами аминокислота-вода и зачастую противоречивы, а для систем аминокислота-водно-солевой раствор - единичны или вообще отсутствуют. Отметим также, что исследования методами компьютерного моделирования имеют определенные трудности, связанные с большой размерностью систем и с наличием дальнодействующих ион-ионных корреляций в растворе. Одним из альтернативных подходов, активно используемых в последние десятилетия для описания структурных и термодинамических свойств жидкофазных систем, является метод интегральных уравнений (ИУ) статистической теории жидкостей в атом-атомном (МБМ-) приближении. Применительно к аминокислотам, к настоящему времени этим методом получены, в основном, термодинамические характеристики гидратации, данные по структурным параметрам водных и водно-солевых растворов аминокислот отсутствуют. Вышеизложенное определяет актуальность настоящего исследования.
Цель работы заключалась в установлении методом ИУ в Ш- и ЗО-ШБМ приближениях структурных особенностей гидратации глицина и парааминобензойной кислоты в воде и водных растворах ИаС1 и КС1, а также особенностей ион-молекулярного комплексообразования данных биомолекул с неорганическими ионами.

(2.14)
(* означает интегральную свертку в г-пространстве и суммирование по повторяющимся силовым центрам)
и одновременное введение частичного усреднения только по ориентациям молекул растворителя для корреляций растворенное вещество-растворитель (иу). Таким образом, в формуле (2.13) усредняются только ориентации молекул растворителя, но сохраняется ориентационное описание молекул растворенного вещества. Такое частичное усреднение вводится при помощи ЗБ-полной и ЗБ-прямой корреляционных функций растворенное вещество-растворитель (иу)[219]:
где г1у - гу -1*! - межмолекулярный вектор от начала координат 1 молекулы растворенного вещества до силового центра у растворителя, а г2у = гу-г
внутримолекулярный вектор от начала координат 2 молекулы растворителя до силового центра у молекулы растворителя, имеющей ориентацию 0.2, которая усредняется.
Для того чтобы выполнить интегрирование по ориентациям «третьей частицы» £23 в (2.13), необходимо допустить, что бБ-прямая функция сиу(г12,£21,£22) может быть представлена в виде суммы частичных вкладов от силовых центров а молекулы растворителя 2,
Здесь функции с“у уже не зависят от ориентации 0.2 молекулы растворителя, так как каждый ее силовой центр рассматривается как сферически симметричный. Представление (2.17) является основным допущением ЗБ-МБЫ-теории, которое вполне обосновано в силу асимптотического поведения бБ-прямой корреляционной функции на
больших расстояниях ст'(г12,£2,,£22)—/Й7иу(г12,й1,£22), гп —>°°, /3=1/квТ, где потенциал взаимодействия £/иУ, так же, как в стандартной 1 Б-ИКМ-модели, принимается аддитивным, т.е. Биу(г12,£21,£22) = [/иу(г2,02) = ^(7“У(г|а).
(2.15)
(2.16)
(2.17)