ХАРАКТЕРИЗАЦИЯ СТРУКТУРООБРАЗУЮЩИХ ЭФФЕКТОВ L-АРГИНИНА, L-ЛИЗИНА И L-ГИСТИДИНА В ВОДНЫХ И БУФЕРНЫХ РАСТВОРАХ НА ОСНОВЕ ИХ ОБЪЕМНЫХ СВОЙСТВ
Аннотация
В данной статье проведено сравнение объемных свойств бинарных систем, содержащих оснόвные аминокислоты – L-аргинин (Arg), L-лизин (Lys) и L-гистидин (His) – в воде и буферном растворе при различных концентрациях в интервале температур (288,15 – 313,15) К. Впервые измерена плотность растворов Arg в фосфатном буфере (рН 7,4). Рассчитаны кажущиеся молярные объемы и их предельные значения при бесконечном разбавлении, а также их температурные производные. Концентрационные зависимости кажущихся молярных объемов исследуемых систем носят линейный характер. С ростом концентрации Arg наблюдается увеличение их значений в воде и понижение в буферном растворе. Влияние температуры на предельные молярные объемы аминокислот более выражено в буферном растворе, чем в воде, и усиливается с ростом гидрофобности аминокислоты в водном растворе (Lys<Arg<His) и с уменьшением основности аминокислоты в буферном растворе (Arg<Lys<His). Определены критерии космотропности аминокислот такие, как предельная молярная расширяемость и параметр Хеплера. Проведено сравнение космотропного эффекта исследуемых веществ на взаимодействия с растворителем в водном и буферном растворах. С ростом температуры значения предельной молярной расширяемости понижаются для Arg, Lys и повышаются для His в воде и буфере, что обусловлено конкуренцией электрострикционного и структурного вкладов в величину расширяемости. Показано, что отрицательные значения параметра Хеплера, полученные для водных растворов Lys и Arg, свидетельствуют о том, что они действуют как хаотропы, тогда как аминокислота His, имеющая положительное значение указанного параметра, является космотропом. Установлено, что параметр Хеплера изменяется с ростом гидрофобности в ряду Lys → Arg → His, что отражает более высокую степень упорядоченности раствора и усиление космотропности растворенного вещества. Возрастание эффектов «хаотропности» Lys и Arg и «космотропности» His при переходе из воды в буфер связано с изменением ионного состояния аминокислот.
Для цитирования:
Тюнина Е.Ю., Тарасова Г.Н., Баранников В.П. Характеризация структурообразующих эффектов L-аргинина, L-лизина и L-гистидина в водных и буферных растворах на основе их объемных свойств. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2026. Т. 69. Вып. 4. С. 26-37. DOI: 10.6060/ivkkt.20266904.6888.
Литература
Barannikov V.P., Tyunina E.Yu. Regularities of changes in thermodynamic parameters induced by the complexes formation of uracil with some aromatic amino acids in a buffer solution at pH 7.4. ChemChemTech [Izv, Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2022. V. 65. N 10. P. 38-46. DOI: 10.6060/ivkkt.20226510.6673.
Blinov A.V., Golik A.B., Rekhman Z.A., Gvozdenko A.A., Kolodkin M.A., Bakholdina T.N. Synthesis and study of the optical properties of the colloidal form of iron with riboflavin and L-lysine. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2024. V. 67. N 7. P. 96-102. DOI: 10.6060/ivkkt.20246707.6999.
Palekar D., Shine M., Lien E.J. Correlation of physico-chemical parameters to the hydrophobic contribution constants of amino acid residues in small peptides. Pharm. Res. 1996. V. 13. P. 1191-1195.
Marinković A.D., Drmanić S.Ž., Jovanović B.Ž., Mišić-Vuković M. Investigations of the reactivity of pyridine carboxylic acids with diazodiphenylmethane in protic and aprotic solvents. Part 1. Pyridine mono-carvoxylic acids. J. Serb. Chem. Soc. 2005. V. 70. P. 557-567. DOI: 10.2298/JSC0504557M.
Jenkins H.D.B., Marcus Y. Viscosity B-coefficients of ions in solutions. Chem. Rev. 1995. V. 95. P. 2695-2724. DOI: 10.1021/cr00040a004.
Koroleva A.V., Matveev V.K. Temperature dependences of the spectra of aqueous solutions of alkali metal chlorides in the mid-IR range. Russ. J. Phys. Chem. 2020. V. 94. P. 1167-1172. DOI: 10.1134/S0036024420060151.
Zhao H. Viscosity B-coefficients and standard partial molar volumes of amino acids, and their roles in interpreting the protein (enzyme) stabilization. Biophys. Chem. 2006. V. 122. P. 157–183. DOI: 10.1016/j.bpc.2006.03.008.
Rani R., Kumar A., Sharma T., Sharma Th., Bamezai R.K. Volumetric, acoustic and transport properties of ter-nary solutions of L-serine and L-arginine in aqueous solutions of thiamine hydrochloride at different temperatures. J. Chem. Thermodyn. 2019. V. 135. P. 260-270. DOI: 10.1016/j.jct.2019.03.039.
Chemistry and biochemistry of the amino acids. Ed. by G.C. Barret. London-N.Y.: Chapman and Hall. 1985
Gurney R.W. Ionic processes in solution. New York: McGraw Hill. 1953
Tyunina E.Yu., Badelin V.G., Mezhevoi I.N. Volumetric and heat capacity studies of heterocyclic compounds in aqueous amino acids buffer solutions at 298.15 K. J. Chem. Thermodyn. 2019. V. 131. P. 40-48. DOI: 10.1016/j.jct.2018.10.027.
Tyunina E.Yu., Badeline V.G., Kuritsyna A.A. Molecular interactions of L-histidine in an aqueous buffer solution in the temperature range of 288 – 313 K. Russ. J. Phys. Chem. A. 2020. V. 94. P. 731-737. DOI: 10.1134/S0036024420040226.
Tyunina E.Yu., Tarasova G.N. The effect of temperature on the volume properties of L-lysine in aqueous and aqueous buffer solutions. Russ. J. Phys. Chem. A. 2023. V. 97. P. 1135-1141. DOI: 10.1134/S0036024423060274.
Gupta J., Nain A.K. Correlation between physicochemical properties and non-covalent interactions involving L-arginine/ L-histidine and semicarbazide hydrohkloride at temperatures from 293.15 to 318.15 K. J. Chem. Thermodyn. 2020. V. 144. P. 106067. DOI: 10.1016/j.jct.2020.106067.
Sawhney N., Kumar M., Sandarve, Sharma P., Sharma A.K., Sharma M. Structure-making behaviour of L-arginine in aqueous solution of drug ketorolac tromethamine: volumetric, compressibility and viscometric studies. Phys. Chem. Liq. 2018. V. 57. P. 1-20. DOI: 10.1080/00319104.2018.1437918.
Banipal T.S., Singh K., Banipal P.K. Volumetric investigations on interactions of acidic/basic amino acids with sodium acetate, sodium propionate and sodium butyrate in aqueous solutions. J. Solut. Chem. 2007. V. 36. P. 1635-1667. DOI: 10.1007/s10953-007-9212-8.
Mendonça Â.F.S.S., Barbas M.J.A., Freitas J.M., Lampreia I.M.S. Volumetric study of aqueous proline-leucine solutions from (283.15 to 318.15) K. J. Chem. Thermo-dyn. 2004. V. 36. P. 965-969. DOI: 10.1016/j.jct.2004.07.004.
Tyunina E.Yu., Smirnov V.I., Mezhevoi I.N., Barannikov V.P. Thermochemical and volumetric studies of pyri-dine-3-carboxylic acid (vitamin B3) in a phosphate buffered saline solution with L-asparagine: Manifestation of molecular interactions. J. Mol. Liq. 2025. V. 423. P. 126902. DOI: 10.1016/j.molliq.2025.126902.
Kumar H., Singla M., Jindal R. Investigation on molecular interaction of amino acids in aqueous disodium hydrogen phosphate solutions with reference to volumetric and compressibility measurements. J. Chem. Thermodyn. 2014. V. 70. P. 190-202. DOI: 10.1016/j.jct.2013.11.015.
Iqbal M.J., Chaudhry M.A. Thermodynamic study of three pharmacologically significant drugs: Density, viscosity, and refractive index measurements at different temperatures. J. Chem. Thermodyn. 2009. V. 41. P. 221-226. DOI: 10.1016/j.jct.2008.09.016.
Sawhney N., Kumar M., Sharma A.K., Sharma M. Structure making behaviour of L-histidine in aqueous solu-tions of ampicillin sodium at different temperatures: Using physicochemical methods. J. Chem. Thermodyn. 2017. V. 115. P. 156-170. DOI: 10.1016/j.jct.2017.07.040.
Banipal P.K., Banipal T.S., Ahluwalia J.C., Lark B.S. Partial molar heat capacities and volume of transfer of some saccharides from water to aqueous sodium chloride solutions at T=298.15 K. J. Chem. Thermodyn. 2002 V. 34. P. 1825-1846. DOI: 10.1016/S0021-9614(02)00206-9.
Singh S.K., Kishore N. Partial molar volumes of amino acids and peptides in aqueous salt solutions at 25 °C and a correlation with stability of proteins in the presence of solts. J. Solut. Chem. 2003. V. 32. P. 117.28. DOI: 10.1023/A:1022946105467.
Hepler L.G. Thermal expansion and structure in water and aqueous solutions. Can. J. Chem. 1989. V. 47. P. 4613-4617. DOI: 10.1139/v69-762.
