Установление характера взаимодействия ионов кальция с аминокислотами с помощью потенциометрического титрования

Публикация доступна для обсуждения в рамках функционирования постоянно

действующей интернет-конференции “Бутлеровские чтения”. http:///readings/

Поступила в редакцию 11 февраля 2017 г. УДК 548.512, 546.05.

Установление характера взаимодействия ионов кальция с аминокислотами с помощью потенциометрического титрования

© Голованова* Ольга Александровна и Томашевский+ Иван Александрович

Кафедра неорганической химии. Омский государственный университет им. . Проспект Мира, 55-А. г. Омск, 644077. Россия.

E-mail: *****@***ru, *****@***ru

_______________________________________________

*Ведущий направление; +Поддерживающий переписку

Ключевые слова: комплексообразование, аминокислоты, биоорганические лиганды, потенциометрическое титрование, моделирование, константы устойчивости, ранжирование.

Аннотация

В работе на основе потенциометрического титрования установлены особенности взаимодействия ионов кальция Ca2+ с аминокислотами (АК), которые участвуют в биологических и химических процессах в организме человека. Теоретически исследованы закономерности образующихся комплексов в системе «Ca2+–АК» на примере смесей нитрата кальция с изолейцином (Ile), аргинином (Arg), аспарагиновой кислотой (Asn), глицином (Gly) и аланином (Ala). Подобраны условия титрования, при которых происходит количественное разрушение комплекса. При измерениях были использованы кальций-селективный и хлорсеребряный электроды. Установлено, в какой форме находятся Ca2+ и каждая из аминокислот на каждом этапе титрования.  Указаны возможные процессы, происходящие в растворах с добавлением титранта, согласующиеся с теоретическими данными. По результатам установлены полуколичественные характеристики взаимодействия Ca2+ и изучаемых АК. Показано, что с увеличением числа карбоксильных групп –COOH и азотсодержащих групп в молекуле АК (особенно NH2-групп в б-положении) устойчивость соответствующих комплексов увеличивается, а с увеличением длины углеродного скелета молекулы и появлением объемных заместителей – уменьшается. Также, на основе метода Грана и вводе нового критерия д установлены сравнительные скорости образования и разрушения комплексов в системе «Ca2+–АК». По своей лабильности, комплексы Ca2+с данными АК располагаются в следующий ряд: д (Ca2+ – Asp) < д (Ca2+ – Ile) < д (Ca2+ – Ala) < д (Ca2+ – Arg) < д (Ca2+ – Gly), то есть самые лабильные комплексы у ионов кальция с аспарагиновой кислотой, а самые стабильные – с изолейцином. Полученные результаты хорошо согласуются с теоретическими данными других исследований и позволяют использовать данную лабораторную установку в качестве базовой модели для установления характера взаимодействия ионов кальция и других аминокислот, а также для усложнения и варьирования условий экспериментов по точному установлению характера взаимодействия между ионами кальция и АК в целом.

Введение

В последнее время направление, изучающее природу процессов, происходящих в живых системах, становится одним из лидирующих в современных научных исследованиях. Это закономерно, поскольку текущие негативные факторы техносферы (социальная напряженность, конфликты и стрессы, воздействие шума, вибрации, неправильное питание, экологические риски, производственные опасности, гиподинамия и так далее) способны вывести из состояния равновесия сложноорганизованную систему органических и неорганических веществ, находящихся в организме человека в определенном балансе [1-7]. При этом, рост числа заболеваемости, связанный с образованием, например, патогенных органоминеральных агрегатов (ОМА) в организме человека ежегодно составляет 0.5-5.5% [1, 8-10].

Ключевую роль в процессах, характерных для организма человека, играют ионы кальция. В ионном виде содержание кальция в организме составляет ~1%. Он является 5-ым по распространённости in vivo элементом после C, H, O, N. В организме человека и млекопитающих 95% кальция приходится на твердые ткани: кости и зубы, где он находится в виде фторапатита Са5(РО4)3F и гидроксилапатита Са5(РО4)3ОН; в организмах птиц и моллюсков преобладает СаСО3. В стенках сосудов и артерий кальций присутствует в виде СаСО3 или комплекса с холестерином, а в почках – в виде оксалатов или уратов (солей мочевой кислоты) [11]. Ион кальция  является главным не только в количественном, но и в функциональном отношении. Он участвует в процессах передачи нервных импульсов, обеспечивает равновесие между процессами возбуждения и торможения в коре головного мозга, участвует в регуляции сократимости скелетных мышц и мышцы сердца, влияет на кислотно-щелочное равновесие организма, активность ряда ферментов [1, 6-10].

Важно отметить, что в организме человека Ca2+ находится в непрерывном взаимодействии с органическими и неорганическими составляющими биологических жидкостей, в том числе с аминокислотами. При воздействии негативных факторов, указанных выше, возможно нарушение взаимодействия между ионами кальция и аминокислотами (АК). В частности, исследования [1, 8-10, 15-21 и другие], подтверждают, что ОМА в своем составе содержат органическую компоненту. Авторы [12] в своей работе пытаются выяснить возможные условия растворения АК, предварительно адсорбированных на биологическом субстрате. Также, исследовано на молекулярном уровне взаимодействие Ca2+ c биологическими энзимами, ускоряющими процессы реакции ионов кальция с органическими компонентами организма человека [13]. Известно поведение АК в растворе с органическими солями натрия, калия и кальция [14]. Однако, чтобы предотвратить возможные последствия, связанные с патогенным минералообразова-нием и другими заболеваниями, нарушениями опорно-двигательной системы, хрупкостью костей, ослаблением иммунитета и повышенной утомляемостью организма, на первом этапе необходимо знать полуколичественные и количественные характеристики взаимодействия компонентов, принимающих участие в функционировании систем жизнедеятельности, в частности, между такими компонентами, как биогенный ион-кальций и АК.

Так как большинство ОМА представлены солями кальция, то многие исследователи отмечают, что именно специфичность органической компоненты, в частности, Ca2+ и АК, контролирует в значительной степени процесс фазообразования в организме человека [9-10, 15-21 и другие]. Однако, в настоящее время единой теории, объясняющей природу взаимодействия минеральной и органической составляющих ОМА в организме человека, не существует.

В связи с этим, целью данной работы являлась разработка методики для установления характера взаимодействия между Ca2+ и АК, участвующих в обмене веществ в организме человека. Важным также является нахождение закономерностей между структурой большинства АК и спецификой их взаимодействия с ионами кальция.

Экспериментальная часть

Общие вопросы. Количественная характеристика взаимодействия данных компонентов - это общая константа устойчивости, которая выражается следующей формулой:

  n

,

где в – общая константа устойчивости всех комплексов во всех существующих формах;

[MLn] – равновесная концентрация образовавшегося комплекса кальция и аминокислоты;

[M] – равновесная концентрация свободного металла в ионной форме в  растворе;

[L]n – равновесная концентрация свободного лиганда в растворе.

Для того, чтобы установить ее значение, в большинстве случаев используют спектрофото-метрические, ионнообменные и полярографические методы [6, 22]. Однако, поскольку, как уже было сказано выше, объект анализа является сложной и комплексно малоизученной системой, а характер взаимодействия "Ca2+-АК" не выражен ярко, как в большинстве случаев комплексообразования, необходимо создать методику, которая будет чувствительной, точной, быстрой и селективной по отношению к остальным компонентам системы. Возможным способом такой оценки может стать использование потенциометрического титрования смесей Ca2+ и АК раствором гидроксида натрия NaOH с последующей расшифровкой экспериментальных кривых титрования.

Материалы и методы. В работе использовались аминоуксусная кислота (глицин, Gly), аминопропановая кислота (аланин, Ala), 2-амино-3-карбамоилпропановая кислота (аспарагиновая кислота, Asn), 2-амино-5-(диаминометилиденамино)пентановая кислота (аргинин, Arg), 2-амино-3-метилпентановая кислота (изолейцин, Ile) (все – «х. ч.»), их основные характеристики представлены в табл. 1, хлорид кальция CaCl2 («х. ч.»). Изучение взаимодействие АК с Ca2+ исследовали при температуре 298 К методом потенциометрического титрования с помощью ионселективного электрода марки ЭЛИС-121Са, правомерность его использования в качестве селективного к ионам кальция изложена в работе [23].

Электрод сравнения в данной работе – хлорсеребряный электрод ЭСр-10103. В качестве измерительного прибора использовали Иономер И-160-МИ, точность измерения ЭДС прибора = ±0.1 мВ. Точность метода потенциометрического титрования является достаточной (общая погрешность определения -0.5-1.0%) для установления характера взаимодействия аминокислот и ионов кальция) [24].

Перед началом работы и после снятия каждой кривой титрования потенциометрическую установку калибровали с помощью стандартных растворов нитрата кальция (С(Са(NОз)2)= 10-2, 10-3, 10-4 моль/л) при фиксированном значении ионной силы I = 0.5 моль/л (на фоне KNO3).

Исходные растворы АК и CaCl2 готовили из сухих веществ, предварительно взвешивая необходимые массы навесок на аналитических весах с точностью до 10-4 г, перенося навески количественно в мерную колбу и доводя дистиллированной водой до метки. Массу навесок подбирали с целью достижения САК = 10-2 моль/л, ССа(NОз)2 = 10-3 моль/л – это оптимальные концентрации соли и АК, при которых скачки титрования имеют более явный вид. Данные значения  концентраций были установлены экспериментально авторами.

В случае, если растворимость АК в воде ограничена, то раствор, не доводя до метки, нагревали до полного растворения осадка. Далее полученный исходный раствор охлаждали и доводили до метки.

Рис. 1. Принципиальная схема установки для проведения потенциометрического титрования: 1 – хлорсеребряный электрод; 2 – стеклянный электрод; 3 – бюретка; 4 – магнитная мешалка; 5 – якорек

При титровании использовали 10.0 мл аликвоту исходных растворов АК и Са(NОз)2 последовательно помещают в мерную колбу на 100 мл, после чего доводят уровень в колбе до метки. Затем перемешивают ее содержимое с помощью аппарата для перемешивания жидких сред в течение 30 минут. После этого отбирается точный объем рабочего раствора пипеткой Мора на 20.0 мл и переносится в чистый химический стакан. Содержимое стакана подкисляют раствором HCl до pH = 3 с помощью стеклянного электрода.

Далее, в химический стакан с полученным раст-вором погружают подключенные к иономеру И-160-МИ кальций – селективный электрод, электрод сравнения и термодатчик.

Первоначальное значение ЭДС раствора устанавли-валось в пределах ±0.1 мВ в течение 3 минут. Титрование проводилось с шагом в 0.5 мл из бюретки, в качестве титранта использовался свежеприготовленный раствор 0.10 М NaOH (стандартизованный раствором HCl с кис-лотно-основным индикатором фенолфталеином) аналити-ческим сигналом являлось значение ЭДС в мВ. Значение данного показателя перед каждым измерением устанавли-валось в течение 45 секунд. Титрование продолжалось до момента, пока не начинал выпадать осадок Ca(OH)2. Все титрование проводилось при интенсивном перемешивании с помощью магнитной мешалки.

Принципиальная схема потенциометрической уста-новки показана на рис. 1.

Было проведено 3 повторных титрования, значения показаний ЭДС прибора усреднялись [25]. Каждая амино-кислота титровалась отдельно от других.

Результаты и их обсуждение

По данной методике были получены кривые потенциометрического титрования указанных АК (табл. 1).

Для выяснения формы нахождения АК в исходном растворе при заданном значение рН были построены ионные диаграммы изучаемых аминокислот, где по оси абсцисс располагается значение pH, а по оси ординат – доля форм АК в долях единиц (рис. 2).

Для аспарагина ионная диаграмма имеет вид (рис. 3), а для аргинина (рис.  4). Поскольку значения pКa(кисл.), за исключением аргинина, находятся в интервале до pH<3, АКв растворе в начале титрования будут находиться преимущественно в форме цвиттер-иона:

               (2)

Аргинин, помимо б-NH3+ группы, имеет в своем составе при д-атоме углерода гуаниди-ниевую группировку, поэтому в водном растворе при данном pH данная аминокислота будет находиться преимущественно в катионной форме [25]:

               (3)

Табл. 1. Характеристика аминокислот с приведёнными

значениями константы диссоциации и изоэлектрической точкой

АК	Сокращение	Формула	Структура	Константы диссоциации, pKa	pI
pKa(кисл.)	pKa(осн.)
Глицин	Gly	C2H5NO2	CH2-COOH   |   NH2	2.34	9.60	6.20
Аланин	Ala	C3H7NO2	H3C-CH-COOH   |   NH2	2.34	9.60	6.11
Аспарагиновая кислота	Asp	C4H7NO4	HOOC-CH2-CH-COOH   |   NH2	2.09	9.82	2.98
Изолейцин	Ile	C6H13NO2	CH3   |  H2C-CH-CH-COOH   |  |    H3C  NH2	2.32	9.62	6.10
Аргинин	Arg	C6H15N4O2	NH || C-NH-(CH2)3 CH-COOH |  | NH2  NH2	2.17	9.04	10.76

Рис. 2. Диаграмма распределения ионизированных форм при разных значениях pH для АК, которые не имеют ионизированных групп в радикале (изолейцин, аланин, глицин)

Для того, чтобы установить основные закономерности комплексообразования Ca2+ с АК, необходимо разбить полученные кривые титрования по группам в зависимости от строения исследуемых АК. Основываюсь на опыте предыдущих работ [1, 8, 26-27], можно предположить, что образуются комплексы состава 1:1.

На рис. 5 представлены кривые титрования Са(NО3)2 и первой группы АК (изолейцином, аргинином, аспарагиновой кислотой) раствором гидроксида натрия.

Исходя из формы кривых, можно предположить, что в данной среде протекают следующие реакции:

На этапе, когда смешиваются растворы Са(NОз)2 с растворами АК, образуются комплексы, где кальций Ca2+ выступает в качестве комплексообразователя, а аминокислоты являются лигандами (4, 5):

               

2+        (4)

               

(5)

В начале титрования с добавлением титранта ЭДС электрохимической цепи медленно уменьшается, это связано с тем, что ионная сила раствора возрастает, снижая активность свободных ионов кальция. При этом, ,2+ и остается устойчивым. В определенный момент, после добавления очередной порции титранта, наблюдается резкое увеличение (скачок) значения ЭДС. Это может быть связано с увеличением концентрации несвязанных ионов кальция, которые появляются в растворе с разрушением комплекса:

       2+                                 (6)

Для аргинина:                                2+                                (7)

Предполагается, что в точке эквивалентности (т. экв.) 50% молекул комплексных соединений устойчивы, 50% – разрушены, то есть имеют функцию образования = 0.5 [28].

После завершения разрушения комплекса, ЭДС также начинает монотонно падать по мере увеличения ионной силы и соответственно снижения активности ионов кальция.

Рис. 3. Диаграмма распределения ионизированных форм кислых АК	Рис. 4. Диаграмма распределения ионизированных форм основных АК

Рис. 5. Кривая потенциометрического титрования CСа(NОз)2 = 10-3 моль/л и АК-т (САК-т  = 10-2 моль/л)

В определенный момент времени в растворе достигается pH = 10-10.5, который приводит к образованию малорастворимого осадка гидроксида кальция (рПР = 5.26):

      (8)

Поскольку в т. экв. разрушается 50% молекул комплексных соединений от общего числа изначально образованных, объем раствора NaOH, затраченный на титрование для достижения точки эквивалентности кривой титрования, может служить полуколичественной характеристикой величины взаимодействия ионов кальция и каждой из аминокислот.

Соответственно, чем больше объем затраченного титранта, тем больше его необходимо на разрушение комплекса и тем получившийся комплекс устойчивее.

Чтобы объяснить полученные результаты, необходимо вновь обратиться к табл. 1. Можно увидеть, что структурные формулы трех вышеперечисленных АК различаются между собой а) по количеству атомов углерода в структурной формуле; б) по природе функциональных групп; в) по расположению функциональных групп.

Молекула изолейцина имеет 5 атомов углерода в углеродном скелете, содержит одну карбоксильную (-COOH) группу, одну аминогруппу (-NH2) в б-положении один метиловый (CH3-) заместитель, молекула аргинина имеет аналогичное строение, но вместо метилового заместителя на противоположном от карбоксильной группы конце молекулы расположена гуанидиновая группа NH2-C(NH)-NH2. Молекула аспарагиновой кислоты имеет меньшее число атомов углерода (4) в своей структуре и не имеет дополнительного заместителя, как две предыдущие аминокислоты, однако содержит сразу две – COOH группы и одну –NH2.

На рис. 5 видно, что т. экв. на кривой по величине объема затраченного титранта распола-гаются в следующем порядке: VIle< V Arg< V Asn, причем, VIleиVArg различаются незначительно, а VAsn  затрачивается больше.

Согласно работе C. Н. Яцимирского [29], ион кальция относится к первой группе катионов, для которых комплексообразование осуществляется, главным образом, за счет атомов кислорода – - COOH-группы АК. Влияние донорных атомов азота к образованию координационных связей с кальцием(II) незначительно, но возможно.

Поскольку  значения объёмов гидроксида натрия, пошедшие на титрование комплексов Ca2+c изолейцином и аргинином, приблизительно равны, можно предположить, что константы устойчивости данных комплексов имеют приблизительно равные значения. В то же время, т. экв. на кривой титрования Ca(NO3)2аспарагиновой кислоты расположена существенно дальше от начала координат, чем для первых двух аминокислот, при этом, у молекулы  аспарагиновой кислоты сразу две – COOH группы. Как уже сказано выше, координация жестких ионов металлов в реакциях комплексообразования с аминокислотами осуществляется преимущественно за счет атомов кислорода карбоксильных групп. При этом, – COOH-группа координируется бидентатнособразованием циклической структуры либо мостиковой структуры [30]:

Поскольку этих групп в молекуле две, он считается более сильным лигандом, и комплекс Ca2+ c аспарагиновой кислотой более устойчив, чем с предыдущими аминокислотами, что хорошо согласуется с полученными нами результатами.

Во второй группе АК (изолейцин, аланин, глицин) наблюдали следующие тенденции, представленные на рис. 6.

Стадии хода кривых описываются аналогично первой группе АК.

Видно, что т. экв. кривой титрования смеси Ca2+ и изолейцина находится значительно ближе к началу координат, чем у смесей Ca2+ с аланином и глицином.

В отличие от изолейцина, молекулы аланина и глицина состоят из меньшего числа атомов углерода, и не имеют объемных CH3-заместителей, которые могут являться стерическим препятствием при подходе свободных s-орбиталей ионов комплексообразователя Ca2+ к электронным парам лиганда.

Именно поэтому комплексы Ca2+ с АК (аланина и глицина) без стерических затруднений более устойчивы, чем те, которые имеют в своем составе объемные заместители и большее число атомов углерода в основной цепи.

Помимо изучения непосредственно интегральных кривых титрования комплексов, была проведена их математическая обработка и получены первая и вторая производные кривых титрования, а также кривые титрования, построенные по методу Грана.

В методе Грана точка эквивалентности определяется по графику в координатах: ∆V/∆E – V, где ∆V – шаг титрования, ∆E – разность ЭДС между двумя крайними значениями V – объем добавленного титранта. Перед точкой эквивалентности и после нее кривая Грана линейна. Точка эквивалентности находится как точка пересечения этих прямых. Достоинства и удобства метода Грана особенно заметны при анализе разбавленных растворов, позволяющих определить точку эквивалентности с достаточной точностью вследствие линейности графика, а также в тех случаях, когда кривая титрования выражена плохо [31].

Рис. 6. Кривая потенциометрического титрования CСа(NОз)2 = 10-3 моль/л и АК (САК-т = 10-2 моль/л)

Вследствие того, что данные кривых титрования в нашем эксперименте отличаются от классических, получаемых при потенциометрическом титровании, метод Грана был модифи-цирован тем, что по оси ординат вместо разностей ЭДС и объемов между двумя крайними значениями откладывались разности между текущим значением ЭДС и объема затраченного титранта и их значениями перед началом титрования соответственно. Данная обработка кривых позволяет избежать искажения кривых от различных побочных процессов иболее удобна для анализа. В качестве примера, на рис. 7 приведены дифференцированные кривые титрования смесей Ca(NO3)2 с изолейцином и аргинином.

Рис. 7. Дифференцированные кривые потенциометрического титрования по методу Грана* смесей Ca(NO3)2 (CСа(NОз)2 = 10-3 моль/л) и АК (САК-т  = 10-2 моль/л) раствором гидроксида натрия (СNaOH = 10-1моль/л)

Полученные кривые как таковые могут использоваться для полуколичественного описания того, насколько тот или иной комплекс Ca2+с АК лабилен. Для того, чтобы определить степень лабильности образовавшихся комплексов, на преобразованных кривых, предлагается ввести полуколичественную характеристику, описывающую поведение разрушающегося комплекса – д, которая представляет собой следующее выражение:

                               (9)

где первое значение это отношение вышеуказанных разностей для точки, следующей сразу же после точки эквивалентности, а второе значение – аналогично для точки, стоящей сразу до точки эквивалентности. Соответственно, чем д меньше, тем быстрее комплекс разрушается и образуется, то есть более лабилен, и наоборот.

Табл. 2. д-характеристики для всех аминокислот

Для каждой АК по ее кривой было найдено значение д и сравнено с другими АК. Полученные д для всех АК приведены в табл. 2. Как видно, по своей лабильности, комплексы Ca2+с данными АК располагаются в следующий ряд: д (Ca2+ – Asp) < д (Ca2+ – Ile) < д (Ca2+ – Ala) < д (Ca2+ – Arg) < д (Ca2+ – Gly), то есть самые лабильные комплексы у ионов кальция с аспарагиновой кислотой, а самые стабильные – с изолейцином.

Таким образом, полученные результаты хорошо согласуются с теоретическими данными других исследований [8, 25-27], что позволяет использовать данную лабораторную установку в качестве базовой модели для дальнейшего усложнения и варьирования условий экспериментов по установлению характера взаимодействия между ионами кальция и АК.

Выводы

Предложена методика по потенциометрическому титрованию аминокислот и солей кальция.
Объяснен ход всех кривых потенциометрического титрования, указаны возможные процессы, происходящие в растворах с добавлением титранта, согласующиеся с теоретическими данными.
На примере растворов нитрата кальция с рядом аминокислот (изолейцин, аргинин, аспараги-новой кислотой, аланин, глицин) показана принципиальная возможность ранжирования по их кривым потенциометрического титрования.
Установлены полуколичественные характеристики взаимодействия ионов кальцияи некоторых аминокислот, которые могут указывать: а) на устойчивость образующихся комплексов; б) на их лабильность.

Благодарности

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Российского фонда фундамен-тальных исследований (№ 15-29-04839 офи_м  и  №16-33-00684 проект мол_а).

Литература

, , Королева записки Орловского государственного университета. Научные труды научно-исследовательского центра педагогики и психологии. Орел. 2006. Т.7. С.135-138. D. G. Assimos, R. P. Holmes. Urol. Clin. North. Am. 2000. Vol.27. No.2. P.255-268. G. G. Bailly, R. W. Norman, C. Thompson. Urology. 2000. Vol.56. No.1. P.40-44. M. Bak, J. K. Thomsen, H. J. Jakobsen, S. E. Petersen, T. E. Petersen, N. C. Nielsen. J. Urol. 2000. Vol.164. P.856-863. , Корольков закономерностей фазообразования в пересыщенных системах оксалата кальция в присутствии добавок на модельной установке. Бутлеровские сообщения. 2016. Т.47. №9. С.105-114. ROI: jbc-01/16-47-9-105; O. A. Golovanova, and V. V. Korolkov. Study of phaseformation regularities in supersaturated systems of calcium oxalate in the presence of additives on the model unit. Butlerov Communications. 2016. Vol.47. No.9. P.105-114. ROI: jbc-02/16-47-9-105 , Цепаев , элементный, аминокислотный, структурный состав минералов почечных камней. Бутлеровские сообщения. 2012. Т.32. №12. С.96-103. ROI: jbc-01/12-32-12-96; O. A. Golovanova, and S. A. Tsepayev. Phase, element, amino acid, structural composition of nephroliths minerals. Butlerov Communications. 2012. Vol.32. No.12. P.96-103. ROI: jbc-02/12-32-12-96 , , Осинцев фосфатов кальция из прототипов биологических жидкостей на костных образцах. Бутлеровские сообщения. 2013. Т.36. №10. С.21-28. ROI: jbc-01/13-36-10-21; E. A. Malovskaya, O. A. Golovanova, T. V. Panova, S. A. Gerk, and V. A. Osintsev. Crystallization of calcium phosphates from prototypes of biological fluids on bone samples. Butlerov Communications. 2013. Vol.36. No.10. P.21-28. ROI: jbc-02/13-36-10-21 , , Уали действие ионов тяжелых металлов на метаболизм кальция в составе комплексов с биолигандами. Вестн. Ом. ун-та. 2015. №1. С.46-50. Голованова минералы в организме человека. Омск. 2007. 395с. Зузук уролитов: Монография, в 3-х т. Т.1: Распространение мочекаменной болезни среди населения мира (на укр. языке). Луцк: Изд-во «Вежа» Волынского гос. ун-та. 2002. 408с. Добрынина химия. М.: МГУ. 2007. 36с. A. El. Rhilassi, M. Mourabet, M. Bennani-Ziatni, R. El Hamri, A. Taitai. Interaction of some essential amino acids withsynthesized poorly crystalline hydroxyapatite. Journal of Saudi Chemical Society. 2013. O. Perisic, Sun Fong, D. E. Lynch, croft, and R. L. Williams. Crystal Structure of a Calcium-Phospholipid Binding Domain from Cytosolic Phospholipase A2. The Journal of Biological Chemistry. 1998. Jamal Akhter Siddique, Saeeda Naqvi. Volumetric Behavior on Interactions of r-Amino Acids with Sodium Acetate, Potassium Acetate, and Calcium Acetate in Aqueous Solutions. Department of Chemistry, Aligarh Muslim University, Aligarh. 202002, (U. P) India , Полиенко Томского Политехнического Университета. 2004. Т.307. №2. С.62-64. , Герк апатит человека – особенности химического строения при патологии. Бутлеровские сообщения. 2011. Т.24. №3. С.123-132. ROI: jbc-01/11-24-3-123; S. A. Gerk, O. A. Golovanova. Bone apatite of the person – features of a chemical structure at a pathology. Butlerov Communications. 2011. Vol.24. No.3. P.123-132. ROI: jbc-02/11-24-3-123 , Петрова и жизнь. 2006. №1. С.158-168. , , Франк-Каменецкая СПбГУ. 2006. Сер.4. Вып.2. С.123-127. , , Дроздов Омского университета. 2006. №3. С.45-47. D. Batinic, D. Milosevic, N. Blau, P. Konjevoda, N. Stambuk, V. Barbaric, bat-Dezulovic, A. Votava-Raic, L. Nizic, K. Vrljicak. J. Chem. put. Sci. 2000. Vol.40. No.3. P.607-610. S. A. Brown, R. Munver, F. C. Delvecchio, R. L. Kuo, P. Zhong, G. M. Preminger. Urology. 2000. Vol.56. No.3. P.364-368. Шлефер в растворах. Методы определения состава и констант устойчивости комплексных соединений в растворах. Москва, Ленинград: Химия. 1964. 380c. , Матерова электроды. Л.: Химия. 1980. 240с. , Николаева электрохимических методов анализа (потенциометрический метод). М. 1986. , Чернова электрофоретическое разделение ионных форм – аминокислот. Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: химия, биология, экология. 2012. Т.12. Вып.3. С.25-32. Курочкин процессов комплексообразования ионов кальция с аминокислотами в водном растворе. Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук. Иваново. 2011. С.45-57. , , Шляпов термодинамических характеристик образования кальций содержащего субстрата и сорбционных свойств по отношению к глицинатам меди(II). Вестн. Ом. ун-та. 2015. №2. С.45-49. , , Попов и комплексонаты металлов. М.: Химия. 1988. С.48-50 Яцимирский в Бионеорганическую химию. К.: Издательство Науковая Думка. 1976. С.144. , , и др. Координационная химия природных аминокислот. М.: Издательство ЛКИ. 2008. С.240. , , Логачева методы анализа. М.: Высшая школа. 1989. C.42-45.

In the English version of this article, the Reference Object Identifier – ROI: jbc-02/17-49-2-59

Determination of the nature of the interaction of calcium ions

with amino acids by potentiometric titration

© Olga A. Golovanova,* and  Ivan A. Tomashevsky+

Department of Inorganic Chemistry. Omsk State University. F. M. Dostoevsky. Prospect Mira, 55-A.

Omsk, 644077. Russia. E-mail: *****@***ru, *****@***ru

___________________________________

*Supervising author; +Corresponding author

Keywords: complexation, amino acids, bioorganic ligands, potentiometric titration, modeling, stability constants, ranking

Abstract

In work on the basis of potentiometric titration, the features of interaction of Ca2+ calcium ions with amino acids (AС), which are involved in biological and chemical processes in the human body, are established. The regularities of the complexes formed in the "Ca2+-AC" system are studied theoretically by the example of mixtures of calcium nitrate with isoleucine (Ile), arginine (Arg), aspartic acid (Asn), glycine (Gly) and alanine (Ala). The conditions for titration are chosen, under which the quantitative destruction of the complex occurs. During the measures were used calcium-selective and chlorine-silver electrodes. In the process is established in which form Ca2+ and amino acids are existing on every stage of investigation. Also, there are highlighted possible processes in solutions during the adding of titrant, which are matching with the theoretical results, semi-quantitative characteristics of the interaction of Ca2+ and the studied AС were established. It was shown that the stability of the corresponding complexes increases with increasing number of carboxyl groups – COOH and nitrogen-containing groups in the AС molecule (especially NH2 groups in the б-position), and with the increase in the length of the carbon skeleton of the molecule and the appearance of bulky substituents – decreases. Also, on the base of Gran method and insertion of the new criteria д are established comparative rates of formation and destruction of complexes in the "Ca2+-AC" system. According to their lability, complexes of Ca2+ with these amino acids are located in the next order: д (Ca2+ – Asp) < д (Ca2+ – Ile) < д (Ca2+ – Ala) < д (Ca2+ – Arg) < д (Ca2+ – Gly), so, the most labile complex is Ca2+ – Asp and the most stable is Ca2+ – Gly. The obtained results are in good agreement with the results of another theoretical researches, which is allows to use this laboratory facility as the base model for the establishing of the behavior of the interaction between Ca2+ and another amino acids and for the further improvements and variation of conditions of the experiment for the accurate establishment of the interaction between Ca2+ and amino acids in the whole.