ВЕСТНИК УДМУРТСКОГО УНИВЕРСИТЕТА 97 УДК 541.49+

ВЕСТНИК УДМУРТСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
ФИЗИКА. ХИМИЯ
97
2008. Вып. 2
УДК 541.49+543.420.62+546.881.5
Н.Б. Перевощикова, А.Н. Мальцева
ИССЛЕДОВАНИЕ КОМПЛЕКСООБРАЗОВАНИЯ
ЖЕЛЕЗО(III)ПРОТОПОРФИРИНА IX С БИОЛИГАНДАМИ
В ВОДНО-ОРГАНИЧЕСКИХ РАСТВОРАХ В ПРИСУТСТВИИ
ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ
Спектрофотометрическим методом исследованы процессы комплексообразования
железо(III)протопорфирина IX с имидазолом и гистидином в водно-органических
растворах и в мицеллярных растворах катионного, анионного и неионогенного ПАВ.
Ключевые слова: железо(III)протопорфирин IX (гемин), имидазол, гистидин,
поверхностно-активные вещества (ПАВ), солюбилизация, комплексообразование.
Интерес исследователей к макрогетероциклическим соединениям класса порфиринов обусловлен уникальной жизненно важной ролью, которую они
играют в природе в составе гемоглобина, цитохромов, витамина B12 и других
хромопротеинов. Наличие надёжной информации о механизмах процессов
межмолекулярных взаимодействий, протекающих с участием металлопорфиринов, создаёт хорошую базу для использования результатов научных исследований в практических целях, например при создании эффективных кровезаменителей, искусственных коэнзимов, селективных сорбентов при гемосорбции, лекарственных противораковых препаратов [1; 2].
Изучение реальных биологических систем затруднено, поскольку металлопорфирины участвуют в нескольких типах последовательных и параллельных специфических взаимодействий. Поэтому исследования механизмов
биохимического поведения металлопорфиринов проводятся на упрощенных
модельных системах. Рассматриваемая в данной работе модельная система
включает Fe(III)протопорфирина IX (гемин) и активные молекулярные биолиганды – имидазол и гистидин.
Гемин – соединение трехвалентного железа. Координационные возможности иона Fe3+, координированного с четырьмя атомами азота пиррольных колец в плоскости порфиринового макрокольца, не исчерпаны, и гемин
сохраняет способность к связыванию дополнительных лигандов, обладающих
выраженными электронодонорными свойствами [3]. В качестве таких биолигандов были выбраны имидазол и гистидин, поскольку в природных железопорфиринах в качестве аксиально-координированного лиганда выступает
имидазольная группа α-аминокислоты гистидина.
Процессы образования комплексов гемина с имидазолом достаточно полно
изучены в органических растворителях [4-6]. Практически нет сведений о комплексообразовании гемина c гистидином. Отсутствуют данные о процессах комплексообразования с участием железо(III)протопорфирина IX в водных растворах. Поэтому целью данной работы являлось изучение взаимодействия гемина с
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
98
Н.Б. Перевощикова, А.Н. Мальцева
2008. Вып. 2
ФИЗИКА. ХИМИЯ
имидазолом и гистидином в водных растворах и исследование влияния ПАВ на
процессы комплексообразования металлопорфирина с биолигандами, а также
исследование влияния ПАВ на процессы комплексообразования.
Раствор гемина готовили растворением точной навески препарата хлорида железо(III)протопорфирина IX марки «х.ч.» в диметилсульфоксиде
(ДМСО). Рабочий раствор гемина с концентрацией 10-5 моль/л получали путём разбавления дистиллированной водой исходного концентрированного
диметилсульфоксидного раствора с концентрацией 10-3 моль/л. Раствор имидазола готовили из препарата марки «х.ч.» растворением точной навески в
дистиллированной воде. Раствор гистидина готовили растворением точной
навески препарата солянокислого гистидина с 98%-м массовым содержанием
основного вещества HHis·HCl·H2O в дистиллированной воде в присутствии
эквивалентного количества NaOH. Растворы ПАВ готовили по точным навескам, рабочие растворы получали разбавлением исходных. Необходимое значение рН растворов создавали добавлением соответствующих количеств HCl
и NaOH. Постоянство ионной силы (I=0,1) поддерживали при помощи раствора NaCl. Значение рН регистрировали иономером марки ИПЛ-301 со стеклянным электродом марки ЭС-10601/7. Электродом сравнения служил хлорсеребряный электрод марки ЭСр-10101. Оптические спектры поглощения
были измерены на спектрофотометре СФ-46. В работе использовались стеклянные кюветы длиной 1,0 см.
Результаты и их обсуждение
Исследование комплексообразования гемина в водных растворах сильно
осложняется малорастворимостью и димеризацией пигмента, приводящей к
появлению сложного набора частиц [7; 8]. Растворимость гемина можно повысить добавлением в водные растворы органического растворителя, что приводит к образованию частиц пигмента определенного состава, например димера.
Изучение процесса комплексообразования гемина с биолигандами начато с исследования состояния гемина в водно-органических растворах, так
как большое влияние на реакции и физические свойства железо(III)протопорфирина IX оказывает природа растворителя, в качестве которого был выбран диметилсульфоксид.
Влияние растворителя на состояние гемина можно проследить по характеру изменения спектров поглощения (рис.1). При 1%-м содержании ДМСО
(кривая 1) спектр гемина имеет размытый максимум поглощения при 395 нм,
что характерно для димерной формы железопорфирина. По мере увеличения
концентрации ДМСО происходит смещение первоначального максимума в
длинноволновую область спектра и наблюдается значительный рост оптической плотности. Узкая полоса поглощения при 402 нм (кривые 4-7) указывает
на существование гемина в виде мономера. В данной работе представляло интерес изучение комплексообразования гемина с биолигандами в водных растворах, поэтому для дальнейших исследований использовался 1%-й диметилсульфоксидный раствор, который можно практически считать водным.
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Исследование комплексообразования железо(III)протопорфирина IX
ФИЗИКА. ХИМИЯ
99
2008. Вып. 2
А
5
4
0,8
3
2
0,4
1
0
340
390
440
490
540 λ,
нм
Рис.1. Спектры поглощения гемина в водно-органических растворах с различным
содержанием ДМСО. СHem=10-5 M. ω(ДМСО) = 1% (1); 20% (2); 40% (3); 60% (4);
80% (5). СNaC l= 0,1 М; l = 1 см
Для повышения растворимости и разрушения димеров пигмента перспективно использовать растворы ПАВ. В данной работе использовались ионогенные: катионное (децилпиридиний хлорид), анионное (додецилсульфат
натрия) и неионогенное (додецилмальтозид) ПАВ.
При концентрациях ПАВ выше ККМ вещества, нерастворимые в воде,
солюбилизируются в водных мицеллярных растворах. ККМ является одной
из наиболее важных химических констант, величину которой определяют
экспериментально, изучая зависимость физико-химических свойств растворов (электрической проводимости, поверхностного натяжения, светорассеяния или светопоглощения) от концентрации ПАВ [9]. Для спектрофотометрического определения ККМ ПАВ были приготовлены серии водных растворов
с концентрациями децилпиридиний хлорида (ДПХ), додецилсульфата натрия
(SDS) и додецилмальтозида (ДДМ) близкими к значениям критических концентраций мицеллообразования и с постоянным содержанием железо(III)порфирина 10-5 М. Концентрации ПАВ в полученных растворах изменялась в пределах от 2,5·10-4 до 6·10-2 М для додецилсульфат натрия, от 2·10-3
до 3·10-1 М для децилпиридиний хлорида, от 10-5 до 6·10-3 М для додецилмальтозида. Спектр поглощения водного раствора гемина при различном содержании додецилсульфат натрия представлен на рис.2.
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Н.Б. Перевощикова, А.Н. Мальцева
100
2008. Вып. 2
ФИЗИКА. ХИМИЯ
А
6
5
4
0,8
3
0,6
2
1
0,4
0,2
0
340
390
440
λ, 540
нм
490
Рис.2. Спектры поглощения гемина в водно-органических растворах с различным
содержанием додецилсульфат натрия. СHem = 10-5 М. СSDS = 5,0·10-4 М (1); 2,0·10-3 М (2);
7,2·10-3 М (3); 1,0·10-2 М (4); 2,0·10-2 М (5); 5,9·10-2 М (6). рН ≈ 7; l = 1 см
A
0,95
0,75
0,55
0,35
0
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
СSDS, M
Рис.3. Зависимость оптической плотности водно-органического раствора гемина
от концентрации додецилсульфат натрия. СHem = 10-5 М; λ = 402 нм
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Исследование комплексообразования железо(III)протопорфирина IX
ФИЗИКА. ХИМИЯ
101
2008. Вып. 2
Увеличение концентрации ПАВ в водных растворах пигмента приводит
к постепенному смещению первоначального максимума поглощения в длинноволновую область спектра, которое сопровождается ростом оптической
плотности. Величина сдвига максимума поглощения и значение оптической
плотности зависят от природы ПАВ. Постепенное повышение содержания
додецилсульфата натрия в водно-органическом растворе гемина вызывает
смещение максимума поглощения в длинноволновую область спектра от 395
нм до 402 нм. В случае децилпиридиний хлорида батохромный сдвиг наблюдается в меньшей степени – от 395 до 397 нм. В мицеллярном растворе додецилмальтозида гемин имеет максимум поглощения при 405 нм.
По полученным результатам были построены кривые зависимости оптической плотности растворов гемина от содержания поверхностно-активных
веществ (рис.3). Во всех случаях наблюдается первоначальный рост светопоглощения, которое далее достигает предельного значения. При концентрациях, соответствующих ККМ, на графиках наблюдается перегиб, обусловленный образованием сферических мицелл. Точка пересечения, полученная экстраполяцией двух прямолинейных участков, позволяет приблизительно оценить значение ККМ – 3,0·10-2 М для ДПХ, 8,5·10-2 М для SDS, 1,4·10-4 М для
DDM. Найденные значения ККМ близки к литературным данным: 8,1·10-3 М
(SDS) и 6,0·10-2 М (ДПХ), 1,7·10-4 М (ДДМ) [10].
А
0,8
4
3
0,6
2
1
0,4
0,2
0
340
390
440
490
540
λ, нм
590
Рис. 4. Спектры поглощения водно-органических растворов гемина при отсутствии
ПАВ (1) и в присутствии ДПХ (2), DDM (3), SDS (4) . СНem=10-5M, CДПХ=10-1M,
СDDM=10-3 М, CSDS=2·10-2 M. pH≈7; CNaCl=0,1 M; l =1 см
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
102
Н.Б. Перевощикова, А.Н. Мальцева
2008. Вып. 2
ФИЗИКА. ХИМИЯ
Проведенное исследование показало, что во всех растворах ПАВ при
концентрациях выше ККМ происходит солюбилизация гемина. На рис.4
представлены спектры поглощения водно-органических растворов гемина
при отсутствии и в присутствии ПАВ. Спектр поглощения гемина в водноорганическом растворе при отсутствии ПАВ характеризуется размытым максимумом при 395 нм (кривая 1). В присутствии ПАВ наблюдаются отчётливые изменения в характере спектров поглощения. Электронные спектры поглощения гемина в растворах ПАВ имеют ярко выраженные максимумы поглощения и характеризуются значительным возрастанием оптической плотности по сравнению со спектром раствора гемина (кривые 2-4). Кроме того,
следует отметить тот факт, что более резкие изменения в спектральных характеристиках наблюдаются в водно-органическом растворе в присутствии SDS.
Подобные изменения во всех системах связаны с переходом гемина из водорастворимого состояния в солюбилизированное. Таким образом, гемин в присутствии ПАВ находится в мономерной форме.
В дальнейшем исследование комплексообразования гемина с биолигандами в присутствии ПАВ проводились при содержании ДПХ, SDS и
ДДМ выше ККМ.
Для выявления влияния ПАВ на комплексообразующие свойства гемина изучено взаимодействие пигмента с имидазолом и гистидином в растворах
ПАВ и для сравнения в водно-органических растворах при отсутствии ПАВ.
На рис.5 представлены спектры поглощения растворов гемина при отсутствии ПАВ с различным содержанием имидазола. При увеличении содержания имидазола от 10-5 до 10-3 моль/дм3 наблюдается уменьшение оптической плотности в максимуме поглощения 395 нм и его смещение в длинноволновую область. При концентрации более 10-3 моль/дм3 появляется максимум при 440 нм, а также небольшие максимумы при 550 и 570 нм.
Затем проводилось исследование комплексообразования в растворах
ПАВ. На рис.6 представлен спектр поглощения гемина в растворе додецилсульфат натрия с различным содержанием имидазола. При увеличении содержания имидазола от 10-5 до 5·10-4 моль/дм3 происходит уменьшение оптической плотности при 402 нм и постепенное смещение данного максимума в
длинноволновую область, при концентрации свыше 5·10-4 М появляется максимум при 415 нм. Дальнейшее увеличение содержания имидазола вызывает
рост оптической плотности без смещения максимума поглощения.
Спектры поглощения во всех изучаемых системах имеют общий характер изменения. Процессы комплексообразования сопровождаются смещением
первоначального максимума поглощения в длинноволновую область при постепенном увеличении содержания биолигандов и появлением нового максимума, в котором наблюдается рост оптической плотности. Батохромный сдвиг
максимума поглощения указывает на связывание гемина в комплекс. В растворах с добавлением ПАВ для образования комплексов требуется меньшее
количество лигандов. Необходимо отметить, что введение значительного количества гистидина в растворы гемина, солюбилизированного в мицеллах
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Исследование комплексообразования железо(III)протопорфирина IX
ФИЗИКА. ХИМИЯ
103
2008. Вып. 2
децилпиридиний хлорида, не вызывает существенных изменений в характере
спектров поглощения, поэтому вести обсчёт данных нецелесообразно.
A
1
2
3
4
6
5
0,35
0,25
0,15
0,05
340
390
440
490
540
λ,590
нм
Рис.5. Спектры поглощения водно-органических растворов гемина при отсутствии
ПАВ с различным содержанием имидазола. СHem = 10-5 M. CIm = 0M (1); 1∙10-5 M (2);
2∙10-3 M (3); 3∙10-3 M (4); 5∙10-3 M (5); 1∙10-1 M (6). pH = 7,3; CNaCl = 0,1 M; l = 1см
A
1,2
6
5
1
4
1
0,8
2
3
0,6
0,4
0,2
0
340
390
440
490
540
590 λ,нм
Рис.6. Спектры поглощения в системе гемин-имидазол в водно-органическом растворе
додецилсульфата натрия. СHem = 10-5 M; CSDS = 1∙10-2 M. CIm = 0 M (1); 5∙10-5 M (2);
1∙10-4 M (3); 2∙10-4 M (4); 5∙10-4 M (5); 1∙10-3 M (6). pH = 7,4 ; CNaCl = 0,1 M; l = 1 см
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
104
Н.Б. Перевощикова, А.Н. Мальцева
2008. Вып. 2
ФИЗИКА. ХИМИЯ
Для математической обработки экспериментальных данных по методу
Бента-Френча предположен механизм процесса комплексообразования, который можно представить следующими уравнениями:
пи отсутствии ПАВ: Hem2(H2O)n + 2mL ↔ 2HemLm + nH2O ;
в присутствии ПАВ: Hem + mL ↔ HemLm.
Установлено, что в растворах гемина при отсутствии ПАВ и в мицеллярных растворах протекает процесс комплексообразования с имидазолом и
гистидином. Расчёты показали, что гемин координирует две молекулы
имидазола и гистидина с образованием экстракомплексов.
L
N
M
N
N
N
L
Для гистидина возможно образование комплексов с мольным соотношением как 1:2, так и 1:1. Вероятно, что механизм взаимодействия железо(III)порфирина с имидазолом и гистидином одинаков. В связывании иона
железа Fe3+ принимает участие пиридиновый атом азота молекул имидазола и
гистидина. Возможность образования комплексов гемина с изучаемыми биолигандами обусловливается тем, что они являются более сильными основаниями и нуклеофилами, чем вода. Избытки имидазола и гистидина, введённые в раствор гемина, способствуют конкуренции лигандов с молекулами воды за координационное место центрального иона макроцикла. Выявлено, что
прочность комплексов гемина с имидазолом выше, чем с гистидином. Вторая
частная константа устойчивости HemHis2 в воде очень мала, так как присоединение второй молекулы гистидина затруднено вследствие стерических препятствий и взаимным отталкиванием карбоксильной группы гистидина с
группами-заместителями в макроцикле гемина. Результаты математической
обработки экспериментальных данных представлены в таблице.
Константы устойчивости комплексных соединений гемина с имидазолом
и гистидином в водно-органических и мицеллярных растворах ПАВ
Комплексная частица
Среда
lg K
Нem(Im)2
Вода
3,90 ± 0,21
SDS
7,62 ± 0,12
ДПХ
4,59 ± 0,20
ДДМ
4,16 ± 0,15
HemHis
Вода
3,26 ± 0,14
Hem(His)2
Вода
2,94 ± 0,18
SDS
4,15 ± 0,45
ДПХ
–
ДДМ
3,73 ± 0,22
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Исследование комплексообразования железо(III)протопорфирина IX
ФИЗИКА. ХИМИЯ
105
2008. Вып. 2
Анализ полученных результатов показал, что константы устойчивости
образующихся комплексных соединений гемина с биолигандами в мицеллярных растворах выше, чем в водно-органических растворах при отсутствии
ПАВ, и их значения зависят от природы ПАВ. Можно сделать вывод о том,
что реакционная способность гемина в присутствии ПАВ повышается, что
связано с переходом железо(III)порфирина из димерного в мономерное состояние. Влияние молекул ПАВ объясняется также тем, что полярность среды
в мицеллярном слое меньше, чем в водном, и уменьшение диэлектрической
проницаемости среды усиливает электростатическое взаимодействие реагентов. Разный характер процесса солюбилизации гемина в различных по природе ПАВ обусловливает различие в константах устойчивости образующихся
комплексов. Можно предположить, что взаимодействие пигмента, солюбилизированного в мицеллах децилпиридиний хлорида и додецилмальтозида, с
биолигандами затруднено вследствие стерических препятствий, поскольку
молекулы данных ПАВ являются более объёмными, чем молекула додецилсульфат натрия.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Досон Р. Справочник биохимика / Р. Досон, Д. Элиот. – М.: Мир, 1991. – 543 с.
Абросимов В.К. Биологически активные вещества в растворах: структура, термодинамика, реакционная способность / В.К. Абросимов, А.В. Агафонов,
Р.В. Чумакова. – М.: Наука, 2001. – 403 с.
3. Трифонова И.П. и др. Координация азагетероциклов макрогетероциклическими
металлокомплексами в амфипротонных средах // Журн. общ. химии. – 2005.
– Т. 75, вып. 8. – С. 1360-1364.
4. Pasternack R.F. Kinetics and thermodynamics of the reaction of two iron(III) porphyrins
with imidazole and 1-methylimidazole in dimethyl sulfoxide / R.F. Pasternack,
B.S. Gillies, J.R. Stahlbush // J. Am. Chem. Soc. – 1978. – Vol. 100. – P. 2613-2619.
5. Qing-jin M. A mechanistic study of the reaction of iron(III) porphyrins with imidazoles. Hydrogen bonding by the propionic acis side chains in hemin chloride /
M. Qing-jin, G.A. Tondreau, J.O. Edwards, D.A. Sweigart // J. Chem. Soc., Dalton
Trans. – 1985. – P. 2269-2276.
6. Кропачева Т.Н. Комплексообразование железо(III)протопорфирина IX с имидазолом в модельных системах // Вестн. Удм. Ун-та. – 2003. – №8. – C. 95-105.
7. Блинова И.А. Синтез, димеризация и фосфоресцентные свойства новых водорастворимых порфиринов платины(II) и палладия(II) / И.А. Блинова, В.В. Васильев // Журн. неорг. химии. – 1998. – Т.43, № 12. – С. 2005-2009.
8. White W.J. The Porphyrins / W.J. White, D. Dolphin. N.Y.: Academic Press, 1979. –
Vol. 5. – P. 303.
9. Гельфман М.И. Коллоидная химия. СПб.: Лань, 2005. – 336 с.
10. Саввин С.Б. Поверхностно-активные вещества. – М.: Наука, 1991. – 251 с.
1.
2.
Поступила в редакцию 28.05.08
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
106
Н.Б. Перевощикова, А.Н. Мальцева
2008. Вып. 2
ФИЗИКА. ХИМИЯ
N.B. Perevotshikova, А.N. Maltseva
Study on the complexation of iron(III)protoporphyrin IX with bioligands
in water-organics solutions in the presence of surfactants
The complexation of iron(III)protoporphyrin IX with imudazol and histidin in waterorganics solutions and in micellar solutions of cationic, anionic and nonionic surfactants
has been studied by the spectrophotometric method.
Перевощикова Наталья Борисовна
Мальцева Анастасия Николаевна
ГОУВПО «Удмуртский государственный университет»
426034, Россия, г. Ижевск,
ул. Университетская, 1 (корп. 1)
E-mail: pnb@uni.udm.ru
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com