Вплив комплексних сполук Ni(II), Cu(II) та Zn(II) на провідність бішарових ліпідних мембран

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДВНЗ «Український державний хіміко-технологічний університет»

УДК 577.37: 541.49

вплив комплексних сполук Ni(II), Cu(ii) та zn(II) на провідність бішарових ліпідних мембран

02.00.05 - електрохімія

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата хімічних наук

Хмарська Лія Олександрівна

Дніпропетровськ 2011

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у ДВНЗ «Український державний хіміко-технологічний університет» Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України, м. Дніпропетровськ.

Науковий керівник: доктор хімічних наук, професор ШТЕМЕНКО ОЛЕКСАНДР ВАСИЛЬОВИЧ ДВНЗ «Український державний хіміко-технологічний університет», завідувач кафедри неорганічної хімії

Офіційні опоненти: доктор хімічних наук, професор ОБРАЗЦОВ ВОЛОДИМИР БОРИСОВИЧ ДВНЗ «Український державний хіміко-технологічний університет», професор кафедри фізичної хімії

кандидат хімічних наук, доцент КАЛУГІН ОЛЕГ МИКОЛАЙОВИЧ Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна, декан хімічного факультету

Захист відбудеться «27» жовтня 2011 р. о 13⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.078.01 при ДВНЗ «Український державний хіміко-технологічний університет»: 49005, м. Дніпропетровськ, просп. Гагаріна, 8

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці ДВНЗ «Український державний хіміко-технологічний університет» за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ, просп. Гагаріна, 8

Автореферат розіслано «23» вересня 2011 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради І.Д. Пініелле

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Останнім часом спостерігається тенденція до використання комплексних сполук перехідних елементів як лікувальних засобів. Комплексні сполуки з біологічно активними лігандами, маючи у більшості випадків меншу токсичність, більш значно впливать на живі організми, ніж «звичайні» сполуки металів. Крім того, метали, присутні в організмі, найчастіше містяться у вигляді координаційних сполук. Так, гемоглобін, що є порфириновим комплексом з Fe(II), відповідає за кисневий баланс в організмі, комплекс магнію є основою хлорофілу, а багато ферментів містять у своєму складі іони перехідних металів, таких як Ферум, Цинк, Купрум, Нікель, тощо.

Біологічні мембрани є невід'ємною структурою та функціональним компонентом живої клітини. Знання властивостей биомембран та їх реакції на зовнішній вплив є важливим для розуміння механізмів біологічної дії хімічних агентів та лікарських засобів на живі клітини.

Як моделі біологічних мембран широко використовуються штучні бішарові ліпідні мембрани (БЛМ), які адекватно відтворюють основну структуру та властивості природних клітинних мембран і дозволяють детально вивчати та моделювати складні процеси, що відбуваються під дію хімічних речовин на клітинні мембрани. Одним з основних методів дослідження фізико-хімічних властивостей модельних мембран під дію на них хімічних агентів, є аналіз електрохімічних властивостей БЛМ, таких як їх потенціал та провідність. Порівняння цих електрохімічних параметрів з відомими в літературі їх теоретичними значеннями дозволяє описувати механізми взаємодії біологічно активних речовин з модельними мембранами.

Необхідність вивчення взаємозв'язку між природою і будовою комплексних сполук та їх біологічною активністю, виходячи з виміряних провідності та потенціалу БЛМ, визначає актуальність цієї роботи, присвяченої дослідженню впливу комплексних часток, що містять карбоксилатні та аміноліганди, на електрохімічні властивості модельних мембран.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційну роботу виконано відповідно до наукового напряму кафедри неорганічної хімії ДВНЗ «Український державний хіміко-технологічний університет»: НДР №0102U001945 «Комплексні сполуки перехідних металів як біологічно активні речовини, каталізатори та матеріали для нової техніки» номер (2002-2005рр.); НДР №0106U003720 «Синтез та дослідження властивостей і процесів вільнорадикального окиснення комплексних та змішаних гетерогенних систем», (2006-2010 рр.), НДР №0111U001121 «Синтез та властивості гетерогенних координаційних та гібридних систем і матеріалів» (з 2011 р.).

Мета дисертаційної роботи: Встановити залежность електрохімічних властивостей БЛМ від природи і будови комплексних іонів Cu(II), Ni(II) та Zn(II) за їх взаємодії у водних розчинах. Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні завдання:

? провести детальний аналіз поведінки у водних розчинах аква-, аміно- та карбоксилатних комплексів Cu(II), Ni(II) та Zn(II); виявити частки та форми комплексних частинок, що існують в заданих параметрах експерименту (концентрація іона металу(ІІ), ліганду, рН);

? дослідити вплив простих солей металів(ІІ), нижчих карбонових кислот та нітрогенвмісних агентів на провідність та потенціал БЛМ, використовуючи метод циклічної вольтамперометрії;

? дослідити вплив координаційних сполук Cu(II), Ni(II) та Zn(II) з карбоксилатними та амінолігандами на провідність та потенціал БЛМ з урахуванням чисельних форм їх існування у водних розчинах;

? показати вплив природи центрального атома, лігандів та комплексу в цілому на зміну провідності та потенціалу БЛМ;

? встановити механізми взаємодії комплексних сполук з БЛМ.

Об'єкт дослідження - механізми взаємодії простих солей металів(ІІ), карбонових кислот та комплексних сполук Cu(II), Ni(II) та Zn(II) з БЛМ.

Предмет дослідження - провідність бішарових ліпідних мембран, координаційні сполуки нікелю(II), купруму(II) та цинку(II) з карбоксилатними та нітрогенвмісними лігандами.

Методи дослідження - циклічна вольтамперометрія для визначення провідності БЛМ, вимірювання мембранного потенціалу; рН-метрія, електрона спектрофотометрія, елементний аналіз для вивчення та ідентифікації хімічних речовин.

Наукова новизна одержаних результатів. Уперше досліджено протонофорну здатність нижчих карбонових кислот та продемонстровано її залежність від довжини вуглеводневого радикала кислоти. Визначено форми іонів металів (аквакомплекси), здатних до взаємодії з БЛМ, за рахунок впливу на її електрохімічні параметри. Вперше досліджено методом вольтамперометрії взаємодію аміно- та карбоксилатних координаційних сполук з БЛМ. Показано, що взаємодія іонів метала(ІІ) (Нікель, Купрум, Цинк) з аміно- або карбоксилатними лігандами призводить до зростання провідності БЛМ внаслідок зміни ліпофільно-ліпофобного балансу комплексного іона. За значенням впливу комплексних іонів на електрохімічні параметри БЛМ, вперше встановлено, що більшу проникність крізь ліпідний бішар мають комплексні іони з зарядом «+1» і «+2» та зі значенням ліпофільності від «-1» до «+1,5». На підставі електрохімічних досліджень нами запропоновано механізм взаємодії комплексних частинок з БЛМ.

Практичне значення одержаних результатів. На підставі вимірювання потенціалу та провідності БЛМ розроблено методику для первинного оцінювання біологічної активності комплексних сполук, що містять карбоксилатні та аміноліганди. За результатами електрохімічних досліджень БЛМ, визначено оптимальні характеристики (заряд іона, ліпофільність) водорозчинних комплексів, які мають потенційну біологічну дію. Отримані дані можуть бути корисними для подальшого моделювання та вдосконалення фармацевтичних препаратів на основі комплексних сполук. Результати досліджень можна застосовувати для оцінювання потенційної біологічної активності та токсичності металів, а також їх комплексів на біологічні об'єкти, здійснювати цілеспрямований пошук препаратів для хелатотерапії. Визначені нові значення коефіцієнтів розподілу доповнять довідкову інформацію і можуть бути використані в наукових дослідженнях та навчальному процесі. бішаровий ліпідний мембрана кислота

Особистий внесок здобувача полягає в аналізі наукових даних, проведенні експериментальних досліджень, обробці та обговоренні результатів. Постановку мети і завдань дослідження, обговорення, узагальнення та публікацію результатів роботи проведено спільно з науковим керівником д.х.н., проф. Штеменком О.В. Створення обладнання для дослідження електрохімічних властивостей БЛМ, обробку та обговорення результатів розділів 3 та 5 проведено спільно з к.т.н., доц. Киливником К.Є.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації доповідалися на: Міжнародній конференції «Trace Element Speciation in Biomedical, Nutritional and Environmental Sciences» (Мюнхен, 2001); XIV Міжнародному біофізичному конгресі «Annual Meeting International Union for Pure and Applied Biophysics» (Буенос-Айрес, Аргентина, 2002 р.); Всеукраїнській науково-технічній конференції студентів і аспірантів «Хімія і хімічна технологія - 2002» (Дніпропетровськ, 2002 р.); I, III та IV Міжнародній науково-технічній конференції студентів і аспірантів «Хімія і сучасні технології» (Дніпропетровськ, 2003, 2007, 2009 р.), XXIII та XXIV Міжнародних Чугаєвських конференціях з координаційної хімії (Одеса, 2007 р.; Рєпіно, Санкт-Петербург, 2009 р.), Х Українському біохімічному з'їзді (Одеса, 2010 р.).

Публікації. Результати дисертації в повному обсязі викладено у 16 опублікованих працях (серед них 7 статей у спеціалізованих журналах та 9 тез доповідей і матеріалів конференцій).

Структура та об'єм дисертації. Дисертація викладена на 160 сторінках та складається зі вступу, пяти розділів, висновків, списку використаних джерел. Робота ілюстрована 74 рисунками та містить 19 таблиць. Список цитованої літератури містить 121 найменування.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету і завдання дослідження, наведено наукове і практичне значення отриманих результатів, що виносяться на захист.

У першому розділі зроблено огляд наукових праць за темою дисертаційної роботи, коротко наведено сучасні уявлення про структуру, хімічні та фізичні властивості, а також функції клітинних мембран. Розглянуто модельні об'єкти дослідження - БЛМ, методи утворення та порівняльна характеристика фізичних властивостей клітинних та модельних мембран. Розглянуто деякі механізми та особливості транспортування іонів крізь мембрани; основні електрохімічні характеристики БЛМ, що відповідають розглянутим механізмам.

Обґрунтовано необхідність проведення експериментальних досліджень з комплексами Ni(II), Cu(II) і Zn(II) у модельних умовах. Описаний вплив простих і деяких комплексних сполук металів, а також потенційних лігандів на фізичні та хімічні властивості модельних мембран. Аналіз наукових праць засвідчив необхідність подальшого детальнішого вивчення поведінки у водних розчинах координаційних сполук, їх форм і вмісту в розчинах, при вивченні впливу на провідність та потенціал модельних мембран. На підставі наведених даних визначено завдання дослідження, які необхідно вирішити для досягнення поставленої мети.

У другому розділі наведено основні методики отримання необхідних координаційних сполук, а також методику отримання основних компонентів для БЛМ - фосфоліпідів з природної сировини. Коротко охарактеризовано методи вимірювання питомої провідності та потенціалу БЛМ на основі вимірювання вольтамперних характеристик. Розглянуто методи вимірювання коефіцієнта розподілу і розрахунку коефіцієнта проникності БЛМ.

У третьому розділі обговорюється можливість взаємодії різних форм аква- і гідроксокомплексів металів(II) та нижчих карбонових кислот з ліпідним бішаром, виходячи зі зміни електрохімічних параметрів БЛМ.

В досліджуваних системах за допомогою діаграм розподілу «Частка комплексу - рН розчину» (рис. 1) графічно описано всі рівноваги, присутні у розчинах за різних умов (концентрація іона металу, рН).

У процесі проведених досліджень за різних значень рН було встановлено, що іони металів(II) не змінюють питому провідність БЛМ (рис. 2). Це дає підстави стверджувати, що жодна з форм аква- та гідроксокомплексів не може проникати крізь ліпідний матрикс мембрани. Однак, нами було встановлено, що при взаємодії іонів металів(II) з БЛМ змінюється потенціал мембрани (рис. 1).

Рис. 1 Вплив рН розчину на потенціал () БЛМ при додаванні до розчину 10^-3 моль/л Zn(NO₃)₂ та частка іонів цинку(II)

Рис. 2 Залежність мембранного потенціалу (1-3) та провідності (4) БЛМ від концентрації іонів металів (рН = 4)

Знак різниці потенціалів, що виникає на поверхні мембрани, свідчить про адсорбцію на ліпідному бішарі позитивно заряджених часток. Також було встановлено, що адсорбовані частинки можна видалити з поверхні БЛМ шляхом уведення сильних комплексоутворювачів або зв'язавши метали(II) у важкорозчинні осади.

Зареєстровані для кожної серії експериментів рівноважні мембранні потенціали свідчать, що потенціал зміщуються у бік позитивних значень (рис. 2). Так при концентрації М(II) 1•10-³ моль/л величина потенціалу для іонів купруму(II) склала 37,6 мВ, для іонів цинку(II) - 30,7 мВ, а для іонів нікелю(II) - 15,35 мВ. Таким чином, виходячи зі залежності потенціалу БЛМ від концентрації металу(ІІ), було встановлено, що найбільший вплив на БЛМ мають іони купруму(II), а найменше - іони нікелю(II).

У результаті порівняння значень мембранного потенціалу за різних значень рН та діаграм розподілу було визначено, що зміни потенціалу спостерігаються тільки за наявності в розчині аквакомплексів складу [M(H₂O)₆]²⁺, причому величина потенціалу залежить від концентрації цього іона в розчині. На підставі цього було зроблено висновок, що на поверхні БЛМ адсорбуються тільки повністю акватовані комплекси досліджуваних металів. Наявність у складі комплексного іона гідроксо-груп повністю нівелює цю взаємодію.

Відомо, що радіуси досліджуваних іонів металів збільшуються в ряду Ni²⁺<Zn²⁺<Cu²⁺, відповідно розмір гідратної оболонки зменшується, а здатність адсорбуватися на бішарі мембрани збільшується. За результатами експериментів було запропоновано розташувати досліджувані метали(II) за здатністю адсорбуватися на поверхні БЛМ у ліотропний ряд: Ni(II)<Zn(II)<Cu(II).

Другу частину третього розділу присвячено процесам взаємодії нижчих одноосновних карбонових кислот (мурашиної, оцтової, пропіонової та енантової) з БЛМ. Відомо, що у водних розчинах слабкі кислоти існують як у молекулярній, так і в іонній формах. Графічне зображення цієї рівноваги наведено на рис. 3 (криві д та г). Для всіх досліджуваних карбонових кислот було вивчено залежності провідності БЛМ від концентрації введеного реагенту при різних рН розчину (рис. 3, криві а-в).

Рис. 3 Залежність питомої провідності БЛМ від рН при концентрації мурашиної кислоти: а) 10^-4М, б) 10^-3М, в) 10^-2М; Розподільна діаграма: г) молекулярна форма, д) іонна форма

Рис. 4 Залежність питомої провідності БЛМ від концентрації карбонових кислот у розчині (рН = рК)

У результаті досліджень було встановлено, що зміна питомої провідності БЛМ спостерігається в областях рН, близьких до значення рК відповідної кислоти. Максимальна ж зміна провідності БЛМ при дії карбонової кислоти спостерігається за рН = рК, причому залежність провідності від концентрації кислоти має лінійний характер (рис. 4). Така поведінка обумовлена наявністю в розчині співвідносних кількостей іонної та молекулярної форм слабкої кислоти. Було зроблено припущення, що величина зміни провідності БЛМ при дії карбонової кислоти визначається здатністю останньої розчинятися в ліпідному шарі мембрани.

Відомо, що коефіцієнт розподілу «вода/н-октанол» є характеристикою ліпофільно-ліпофобного балансу сполуки. Збільшення коефіцієнта розподілу «вода/н-октанол» для нижчих карбонових одноосновних кислот лінійно залежить від кількості атомів Карбона у вуглеводневому ланцюгу. Експериментально було встановлено, що зі збільшенням ліпофільності зростає провідність БЛМ, а також збільшується область рН, у якій спостерігається зміна питомої провідності. Було встановлено, що за рН = рК при однакових концентраціях досліджуваних карбонових кислот провідність БЛМ лінійно залежить від ліпофільності речовини. На рис. 5 наведено залежність питомої провідності БЛМ від коефіцієнта розподілу «вода/н-октанол» за концентрації кислот 10-⁴ моль/л та рН = рК.

Описаний вище вплив слабких кислот на провідність БЛМ повністю аналогічний до впливу поширених протонофорів. Для функціонування таких речовин потрібна одночасна наявність у розчині як іонної, так і молекулярної форм речовини, що й спостерігається за рН = pK. Сукупність даних впливу рН і концентрації на питому провідність БЛМ добре співпадає з електрохімічними показникам, характерним для моделі рухливих переносників (рис. 6).

Рис. 5 Залежність провідності БЛМ від коефіцієнта розподілу «вода/н-октанол» (b_i) за концентрації кислот 10^-4 моль/л (рН = рК)

Рис. 6 Механізм зміни провідності бішарової ліпідної мембрани (БЛМ) у присутності нижчих карбонових кислот

Під час уведення з однієї сторони БЛМ агента при рН ? рК, молекули карбонової кислоти вбудовуються в ліпідний бішар. Під дією градієнта концентрації внаслідок дифузії молекули карбонової кислоти рухаються до протилежної сторони мембрани. При накладенні до мембрани різниці потенціалів за рН ? рК (рис. 6) в однієї зі сторін БЛМ молекула НА починає віддавати протон, а утворений іон А^_ переміщуються по градієнту потенціалу до лівої сторони мембрани і, приєднуючи протон біля протилежної поверхні, тим самим замикає цикл. Таким чином, в ліпідному бішарі ніби крутиться «карусель» з переносників, які підхоплюють іон, що переноситься, з однієї сторони БЛМ та викидають його на іншу. Тобто у даному випадку провідність має протонний характер.

У лужному середовищі, за рН>pK, коли в розчині існують переважно іони, вбудовування молекулярної форми в мембрану ускладнене. Це призводить до зниження загальної концентрації карбонової кислоти в мембрані а, отже, до малої протонної провідності.

У кислому середовищі, за рН<рК, коли в розчині переважає молекулярна форма, утворення аніонів кислоти ускладнене, і провідність зменшується, оскільки транспортування незаряджених молекул слабкої кислоти не призводить до зміни провідності БЛМ.

Таким чином, досліджені нижчі карбонові кислоти не проникають крізь БЛМ. Вони вбудовуються в структуру ліпідного бішару і виконують роль переносників протонів, спричиняючи протонну провідність БЛМ.

У четвертому розділі розглянуто вплив процесів комплексоутворення іонів металів(II) з нижчими карбоновими кислотами на процеси перенесення частинок крізь БЛМ. Описано особливості утворення карбоксилатних комплексів в умовах експерименту; особливу увагу приділено виявленню форм існування ацетатних комплексів купруму(II) у розчинах. Показано, що в умовах експерименту в розчинах переважає мономерна форма комплексу.

Розраховано діаграми розподілу «Частка іона - рН» за різних співвідношень метал:ліганд, і проведено оцінку можливих форм існування комплексних іонів у водних розчинах (рис. 7). Було встановлено, що в умовах експерименту ([M²⁺] = 10-⁵ч10-³ моль/л; [L-] = 10-⁵ ч 10-² моль/л) у розчинах переважають комплексні іони, що містять один карбоксилатний ліганд.

Було проведено порівняльний аналіз дії карбонової кислоти і відповідного комплексу. На рис. 8 наведено залежність частки в розчині комплексного іона з одним ацетатним лігандом від рН (крива в), а також іонної та молекулярної форм оцтової кислоти (криві а, б). Для усіх розглянутих кислот при рН = рК кількість усіх видів часток є практично однаковою: близько 5•10-⁴М (рис.8, кр. а, б). Шляхом порівняння впливу відповідних частинок на провідність БЛМ (рис. 8, криві г, д) встановлено, що за рН = рК ацетатна комплексна частинка купруму(II) змінює питому провідність до 3,98•10-⁸Ом/см² (lgG_пит.= -7,4), тоді як оцтова кислота до 2,51•10-⁸ Ом/см² (lgG_пит. = -7,6).

Рис. 7 Діаграма розподілу «Частка - рН» для мольного співвідношення купрум(II):ацетат-іон = 0,001:0,02

Рис. 8 Діаграми розподілу для ацетатних систем, що містять іон М²⁺ та не містять М²⁺ (а-в) Залежність питомої провідності від рН за різних концентрацій агентів (г, д)

Порівняння максимальної зміни провідності діючих агентів засвідчило, що при концентрації ацетатного комплексу 5,25•10^_4 моль/л зміна питомої провідності складає lgG_пит.= -7,04, що більше, ніж аналогічний показник для оцтової кислоти на 70%. Це дозволило зробити висновок про переважну роль комплексного іона у цій взаємодії.

Шляхом проведення серії аналогічних експериментів для досліджуваних іонів металів(II) та нижчих карбонових кислот, оцінено вплив систем «метал - карбоксилатний іон» на БЛМ при різних значеннях рН. Аналіз зміни питомої провідності з урахуванням діаграм розподілу показує, що провідність залежить від концентрації частинок [ML]⁺ у розчині.

Рис. 9 Залежність питомої провідності БЛМ при дії комплексних іонів [ML]⁺ з лігандами різної довжини вуглеводневого радікала

Рис. 10 Залежність питомої провідності БЛМ від коефіцієнта розподілу b_i «вода/н-октанол»; [ML]⁺ = 4•10-⁴ моль/л

Порівняння результатів, отриманих для різних центральних атомів і лігандів з різною довжиною вуглеводневого радикала, дозволило стверджувати, що природа двовалентного центрального атома не впливає на здатність комплексного іона змінювати провідність БЛМ. Величина впливу комплексного іону визначається лише довжиною вуглеводневого радикала ліганду (рис. 9), при цьому збільшення кількості атомів Карбону в ланцюгу ліганда призводить до збільшення впливу на провідність БЛМ. Це обумовлено зростанням ліпофільності карбоксилатного ліганда і комплексного іону в цілому.

Було виміряно коефіцієнти розподілу «вода/н-октанол», які визначають ліпофільність часток для досліджуваних комплексів. На рис. 10 наведено залежність питомої провідності БЛМ від коефіцієнта розподілу (b_i) для концентрації комплексних часток 4•10-⁴ моль/л, що має лінійний характер.

Спираючись на результати досліджень було запропоновано механізм взаємодії та подальшого перенесення крізь БЛМ комплексних частинок з карбоновими лігандами. На першому етапі перенесення відбувається взаємодія комплексного іона з поверхнею мембрани за рахунок адсорбції частинки на поверхні БЛМ. На другому етапі, під дією накладеної різниці потенціалів, завдяки наявності ліпофільного ліганда, частинка проходить крізь БЛМ на іншу сторону бішару. Таким чином, відбувається пряме перенесення карбоксилатних комплексних часток через БЛМ.

П'ятий розділ присвячено дослідженню електрохімічних властивостей БЛМ під впливом комплексних частинок металів(ІІ) з 2,2'-дипіридилом, етилендіаміном та гідразином.

Внесення у розчин комплексних сполук купруму(ІІ) та цинку(ІІ) з 2,2'-дипіридилом спричиняло зсув мембранного потенціалу в бік позитивних значень. Значний вплив на провідність БЛМ досліджувані сполуки мали лише в кислих областях рН. Зі зростанням лужності середовища цей вплив поступово зменшувався (рис. 11). Аналогічний характер змін питомої провідності та потенціалу спостерігався як для мідного, так і для цинкового комплексів. За допомогою розрахованих діаграм розподілу «Частка - рН» (рис. 12) було визначено, що з бішаром мембрани взаємодіють лише іони складу [Mbpy]²⁺ (де M = Zn, Cu). Це дозволило зробити висновок, що в цій взаємодії переважну роль має лігандне оточення. При цьому атом металу(ІІ) утворює лише транспортну форму для перенесення частинок крізь ліпідний бар'єр.

Рис. 11 Залежність питомої провідності БЛМ від концентрації комплексу [Cu(bpy)₃]CrO₄

Рис. 12 Діаграми розподілу «частка іону - рН» Cu:bpy = 1:3 0,01M: 0,03M

При досліджені рівноваг у розчинах комплексних частинок нікелю(ІІ), купруму(ІІ) та цинку(ІІ) з етилендіаміном було визначено різну координаційну ємність металів за нітрогенвмісним лігандом: чотири - для купруму(ІІ), шість - для нікелю(ІІ) та цинку(ІІ). Дослідження зміни потенціалу та питомої провідності БЛМ виявило, що з бішаром взаємодіють частинки різної насиченості за етилендіаміном (від 1 до 3 молекул). Одночасно було встановлено, що величина зміни провідності БЛМ визначається лише кількістю координованих молекул етилендіаміну і не залежить від центрального атома у випадку комплексних іонів з однаковою координаційною насиченістю за етилендіаміном.

Рис. 13 Залежність питомої провідності БЛМ від концентрації комплексних іонів з різною кількістю молекул етилендіаміну

Рис. 14 Залежність питомої провідності БЛМ від концентрації координаційно насичених комплексів з гідразином

Для гідразинових комплексів також було виявлено різну координаційну ємність за гідразином: шість - для нікелю(ІІ), чотири - для купруму(ІІ) та цинку(ІІ). При цьому найбільш стійкими є насичені за гідразином комплексні частинки складу [Ni(hyd)₆]²⁺, [Zn(hyd)₄]²⁺ і [Cu(hyd)₄]²⁺. Вплив цих частинок на питому провідність БЛМ повністю визначається їх концентрацією в розчині. У серії дослідів максимальний вплив мали комплексні частинки нікелю(ІІ) внаслідок більшої кількості молекул гідразину в структурі комплексу. При оцінюванні зміни провідності БЛМ під впливом комплексів купруму(ІІ) та цинку(ІІ) було встановлено, що величини впливу на БЛМ були однаковими.

Отже наявність у складі координаційного іона одного або декількох амінолігандів змінює ліпофільно-ліпофобний баланс частинки, що у свою чергу дозволяє їй проникати через ліпідний бішар, змінюючи електрохімічні параметри БЛМ. Центральний атом, у випадку однакової кількості нітрогенвмісних лігандів у внутрішній сфері, створює ефективну транспортну форму для перенесення комплексної частинки крізь БЛМ.

Відсутність даних про коефіцієнти розподілу «вода/н-октанол» для комплексних сполук зумовило необхідність виміру цих величин.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Залежності питомої провідності від коефіцієнта розподілу «вода/н-октанол», (рис. 15), дозволяє оцінити зв'язок ліпофільності комплексної частинки та її здатність взаємодіяти з БЛМ.

На підставі отриманих даних було запропоновано можливий механізм взаємодії частинок з БЛМ. На першому етапі відбувається адсорбція на поверхні мембрани позитивно заряджених частинок, на другому етапі, комплексні частинки під дією накладеної різниці потенціалів за рахунок власного ліпофільного лігандного оточення проходять крізь ліпідний бішар, змінюючи провідність БЛМ. Незважаючи на відмінність у величині зміни провідності, механізм взаємодії нітрогенвмісних комплексних часток і БЛМ в усіх випадках подібний та відповідає прямому проходженню через ліпідний бішар мембрани (рис. 16).

Рис. 16 Схема механізму прямого перенесення комплексних іонів крізь БЛМ

В роботі узагальнено експериментальні результати досліджень і визначено їх значення в розкритті механізму впливу комплексних частинок різної природи на електрохімічні властивості модельних мембран. Показано залежність між структурою частинки та її здатністю взаємодіяти з БЛМ.

Додатку містять діаграми розподілу для досліджуваних систем за різних умов у звичайному і логарифмічному видах.

висновки

1. У результаті вивчення взаємодії іонів нікелю(II), купруму(II) і цинку(II) з бішаровими ліпідними мембранами встановлено, що вони не проникають крізь ліпідний бішар, а лише оборотньо адсорбуються на поверхні у вигляді аквакомплексів.

2. Виявлено, що нижчі карбонові кислоти (мурашина, оцтова, пропіонова і енантова), які можуть бути потенційними лігандами в біосистемах, не проникають крізь БЛМ, а вбудовуються в її структуру і функціонують як переносники протонів. Показано, що зі збільшенням довжини вуглеводневого радикала кислоти збільшується здатність взаємодіяти з БЛМ.

3. Встановлено, що при комплексоутворенні іонів нікелю(II), купруму(II) і цинку(II) з нижчими карбоновими кислотами змінюється характер їх взаємодії з БЛМ. При цьому зазначені однолігандні за карбоксилатним лігандом комплексні частинки, завдяки наявності заряду і ліпофільної складової, проникають через ліпідний бішар. Показано, що проникність збільшується з довжиною вуглеводневого радикала що пов'язане зі збільшенням ліпофільності комплексної частинки в цілому.

4. Показано, що вплив амінокомплексів визначається природою ліганда і стійкістю комплексних частинок. Дипіридилові комплекси здійснюють вплив на електрохімічні параметри БЛМ за наявності у структурі лише однієї молекули 2,2'-дипіридилу. Етилендіамінові комплекси виявляють модифікуючу дію з кількістю лігандів від одного до трьох, причому збільшення кількості етилендіаміну призводить до посилення взаємодії. Гідразинові комплекси виявляють найбільший вплив на провідність БЛМ лише у разі утворення координаційно-насичених за гідразином частинок.

5. Показано, що для комплексних частинок при взаємодії з БЛМ визначальними є природа і кількість лігандів, тоді як природа центрального атома за однакової кількості лігандів суттєво не впливає на цю взаємодію. Встановлено, що атом металу(ІІ) створює найбільш вигідну транспортну форму для заданих умов із зарядом частинки «+1» або «+2».

6. Встановлено, що склад та структура комплексного іона визначають здатність впливати на електрохімічні властивості БЛМ. Для взаємодії з БЛМ частинка має бути досить стійкою і гідрофільною для доставки до поверхні мембрани, а також мати ліпофільно-ліпофобний баланс в межах від «-1» до «+1,5», щоб взаємодіяти з ліпідним бішаром.

7. Встановлено, що комплексні іони досліджуваних структурних типів проходять крізь БЛМ за механізмом прямого перенесення іонів.

Основний зміст дисертації викладено в публікаціях

1. Киливник К.Е. Взаимодействие низших карбоновых кислот с бислойными липидными мембранами / К.Е. Киливник, Л.А. Хмарская, Ю.Ю. Карнаушенко // Вопросы химии и хим. технологии. 2004. №4. С. 139-144. Здобувачем виконано експерименти з вивчення впливу нижчих карбонових кислот на потенціал і провідність БЛМ, розраховано і побудовано діаграми розподілу.

2. Киливник К.Є. Слабкі кислоти як переносники протонів через бішарові ліпідні мембрани / К.Є. Киливник, Х.В. Островська, Л.О. Хмарська, Т.В. Рибальченко, O.C. Ксенжек, В.К. Рибальченко // Фізіологічний журнал. 2007. Вип. 53. №2. С. 48-54. Здобувачем виконано експерименти з вивчення впливу нижчих карбонових кислот на потенціал і провідність БЛМ, узагальнено результати.

3. Хмарская Л.А. Взаимодействие никель(ІІ), медь(ІІ) и цинк(ІІ) ионов с модельными мембранами / Л.А. Хмарская, К.Е. Киливник, А.В. Штеменко // Вопросы химии и химической технологии. 2007. №4. С. 41-45. Здобувачем виконано експерименти з вивчення впливу іонів металів(II) на потенціал БЛМ, розраховано і побудовано діаграми розподілу, обговорення результатів.

4. Киливник К.Е. Действие низших карбоновых кислот, а также слабых неорганических кислот H₂S и HCN на проводимость бислойных липидных мембран / К.Е. Киливник, Л.А. Хмарская, O.C. Ксенжек // Биофизика. 2009. Том 54. Вып. 2. С. 242-248. Здобувачем виконано експерименти з вивчення впливу нижчих карбонових кислот на потенціал і провідність БЛМ, узагальнено результати.

5. Хмарская Л.А. Определение коэффициентов распределения «вода/н-октанол» для некоторых азотсодержащих и карбоксилатных комплексов никеля(II), меди(II) и цинка(II) / Л.А. Хмарская, А.В. Штеменко // Украинский химический журнал. 2010. №1. Т.76. C. 19-23. Здобувачем виконано експерименти з визначення коефіцієнтів розподілу «вода/н-октанол», обговорено результати.

6. Хмарская Л.А. Изучение взаимодействия карбоксилатных комплексов никеля(II), меди(II) и цинка(II) с модельными клеточными мембранами / Л.А. Хмарская, А.В. Штеменко // Украинский химический журнал. 2010. №5. Том 76. C. 6-11. Здобувачем виконано експерименти з вивчення впливу координаційних сполук на потенціал та провідність БЛМ, розраховано та побудовано діаграми розподілу, узагальнено результати.

7. Khmars'ka L.O. Influence of Ni(II), Cu(II) and Zn(II) complex formation on interaction with model cellular membranes / L.O. Khmars'ka, K.Y. Kylyvnyk, O.V. Shtemenko // Chemistry & Chemical Technology. 2011. №2. C. 1-6 Здобувачем виконано експерименти з вивчення впливу координаційних сполук на потенціал та провідність БЛМ, розраховано та побудовано діаграми розподілу, узагальнено результати.

8. Kylyvnyk. K. Interaction of Cu²⁺, Zn²⁺ and their dipyridyl complexes with bilayer membranes / K. Kylyvnyk, L. Hmarskaya, M. Cieslak-Golonka, A. Wojciechowska // International Conference on Trace Element Speciation in Biomedical, Nutritional and Environmental Sciences, (May, 7-10, 2001, Munich) / 2001. Abst №42. P. 42-43. Здобувачем виконано експерименти з вивчення впливу координаційних сполук на потенціал та провідність БЛМ.

9. Kylyvnyk K.E. The influence of dipyridyl and ethylenediamine complexes on the electrochemical properties of bi-layer phospholipid membranes / K.E. Kylyvnyk, L.O. Khmarska // XIV International Biophysics Congress Annual Meeting International Union for Pure and Applied Biophysics (Buenos Aires Argentina April 27-May 1, 2002) - 2002. Аbsrt. №426. Здобувачем виконані експерименти з вивчення впливу координаційних сполук на потенціал та провідність БЛМ, узагальнено результати.

10. Хмарська Л.О. Вплив комплексоутворення нікелю(ІІ) з гідразиновими похідними (гідразін, етилендіамін) на електрохімічні властивості бішарових фосфоліпідних мембран / Л.О. Хмарська // Всеукраїнська науково-технічна конференція студентів і аспірантів «Хімія і хімічна технологія - 2002» (Дніпропетровськ, 24-25 квітня 2002): тези доповідей. Дніпропетровськ, 2002. с. 42-43. Здобувачем виконано експерименти з вивчення впливу координаційних сполук на потенціал та провідність БЛМ, розраховано та побудовано діаграми розподілу, узагальнено результати.

11. Хмарская Л.А. Действие слабых кислот как переносчиков протонов через бислойные липидные мембраны / Л.А. Хмарская, Ю.Ю. Карнаушенко, К.Е. Киливник // I Міжнародна науково-технічна конференція студентів і аспірантів «Хімія і сучасні технології» (Дніпропетровськ, 26-28 травня 2003): тези доповідей. Дніпропетровськ, 2003. С. 276-277. Здобувачем виконано експерименти з вивчення впливу нижчих карбонових кислот на потенціал та провідність БЛМ; розраховано та побудовано діаграми розподілу.

12. Хмарская Л.А. Влияние процессов комплексообразования меди(ІІ) с азотсодержащими лигандами на электрохимические свойства модельных клеточных мембран / Л.А. Хмарская // III Міжнародна науково-технічна конференція студентів, аспірантів і молодих вчених «Хімія і сучасні технології», (Дніпропетровськ, 22-24 травня, 2007 р.): тези доповідей. _-Дніпропетровськ, 2007. С. 18. Здобувачем виконані експерименти з вивчення впливу координаційних сполук на потенціал та провідність БЛМ, розраховані та побудовані діаграми розподілу, узагальнено результати.

13. Хмарская Л.А. Влияние комплексообразования Cu(II) с низшими карбоновыми кислотами на электрохимические свойства модельных мембран / Л.А. Хмарская, К.Е. Киливник, А.В. Штеменко // XXIII Международная Чугаевская конференция по координационной химии (Одесса, 2-7 сентября 2007 г.): тези доповідей. Одеса, 2007. С. 718. Здобувачем виконані експерименти з вивчення впливу координаційних сполук на потенціал та провідність БЛМ, розраховані та побудовані діаграми розподілу, узагальнено результати.

14. Хмарская Л.А. Связь комплексообразования ионов металлов с взаимодействием с модельными клеточными мембранами / Л.А. Хмарская, А.В. Штеменко // IV Міжнародна науково-технічна конференція студентів, аспірантів і молодих вчених «Хімія і сучасні технології» (Дніпропетровськ, 22-24 квітня, 2009 р.): тези доповідей. Дніпропетровськ, 2009. С. 53. Здобувачем виконано експерименти з вивчення впливу координаційних сполук на потенціал та провідність БЛМ, розраховано та побудовано діаграми розподілу, узагальнено результати.

15. Берзенина О.В. Исследование липофильности комплексов никеля(II), меди(II) и цинка(II) с низшими карбоновыми кислотами / О.В. Берзенина, Л.А. Хмарская, А.В. Штеменко // XXIV Международная Чугаевская конференция по координационной химии (Рєпіно, Санкт-Петербург, 15-19 июня 2009 г.): тези доповідей. Санкт-Петербург, 2009. С. 611. Здобувачем виконано експерименти для визначення коефіцієнтів розподілу «вода/н-октанол», прийнято участь в обговорені результатів.

16. Хмарская Л.А. Роль комплексообразования при транспорте карбоновых кислот через модельные клеточные мембраны / Л.А. Хмарская, О.В. Берзенина // Х Український біохімічний з'їзд (Одеса, 13-17 вересня, 2010): тези доповідей. Одеса, 2010. С. 252. Здобувачем виконано експерименти з вивчення впливу координаційних сполук на потенціал и провідність БЛМ, узагальнено результати.

Анотація

Хмарська Л.О. Вплив комплексних сполук Ni(II), Cu(II) та Zn(II) на провідність бішарових ліпідних мембран. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата хімічних наук за спеціальністю 02.00.05 - електрохімія. - ДВНЗ «Український державний хіміко-технологічний університет». - Дніпропетровськ, 2011.

Дисертаційна робота присвячена дослідженню впливу аква-, аміно- та карбоксилатних комплексів Ni(II), Cu(II) та Zn(II), а також нижчих карбонових кислот на електрохімічні параметри модельних клітинних мембран зокрема провідність та потенціал.

Було встановлено, що іони металів(ІІ) не змінюють провідність БЛМ, а отже не проникають крізь БЛМ. Зміщення потенціалу в бік позитивних значень свідчить про адсорбцію досліджуваних речовини на поверхні БЛМ. Порівняння отриманих результатів з розрахованими діаграмами розподілу «Частка - рН» дозволило встановити, що з поверхнею взаємодіє повністю акватовані комплекси металів(ІІ). За здатністю взаємодіяти с БЛМ метали(ІІ) були розташовані у ліотропний ряд: Ni(II)<Zn(II)<Cu(II).

Вперше продемонстровано протонофорну здатність нижчих карбонових кислот. Встановлено залежність між ліпофільністю карбонової кислоти та її здатністю змінювати провідність БЛМ.

Визначено, що комплексоутворення металів(ІІ) з карбоновими кислотами та деякими амінолігандами призводить до утворення координаційних іонів, здатних взаємодіяти з БЛМ, змінюючи її електрохімічні властивості. Графічно описано рівноваги, що існують у водних розчинах. Описано також умови та механізми взаємодії карбоксилатних й амінокомплексів з БЛМ, наведено залежності між ліпофільністю комплексів та їх здатністю впливати на електрохімічні властивості БЛМ. Виходячи з отриманих результатів встановлено, що для взаємодії з БЛМ комплексна частинка повинна бути достатньо стійкою та гідрофільною для транспортування до поверхні БЛМ, а також бути досить ліпофільною для подальшої взаємодії з ліпідним бішаром.

Ключові слова: бішарова ліпідна мембрана, БЛМ, провідність, потенціал, аквакомплекси, нижчі карбонові кислоти, комплексоутворення, карбоксилатні комплекси, амінокомплекси, ліпофільність.

Аннотация

Хмарская Л.А. Влияние комплексных соединений на проводимость бислойных липидных мембран. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата химических наук по специальности 02.00.05 - электрохимия - ГВУЗ «Украинский государственный химико-технологический университет». - Днепропетровск, 2011.

Диссертация посвящена исследованию влияния аква-, амино- и карбоксилатных комплексов Ni(II), Cu(II) и Zn(II), а также низших карбоновых кислот на электрохимические параметры модельных клеточных мембран, таких как удельная проводимость и потенциал.

В ходе проведенных исследований было установлено, что ионы исследуемых металлов(II) не изменяют проводимость БЛМ, а, следовательно, не проникают через липидный матрикс мембраны. Исходя из данных, полученных при измерении мембранных потенциалов, при введении различных количеств солей металлов, было установлено, что они способны обратимо адсорбироваться на ее поверхности только в виде аквакомплексов. В зависимости от способности вступать во взаимодействие с БЛМ, а также исходя из радиуса двухзарядных катионов, изученные металлы были расположены в лиотропный ряд: Ni(II) < Zn(II) < Cu(II).

Изучена зависимость проводимости БЛМ от концентрации карбоновых кислот (муравьиная, уксусная, пропионовая и энантовая) и рН растворов. Исходя из полученных результатов обнаружено, что карбоновые кислоты не проникают через липидный бислой, а выступают в качестве переносчиков протонов через БЛМ. Таким образом, можно говорить о протонной проводимости мембраны. Установлена зависимость между показателем липофильности карбоновой кислоты и ее способностью изменять проводимость БЛМ.

Установлено, что комплексообразование металлов(II) с карбоновыми кислотами и различными аминолигандами (2,2'-дипиридил, этилендиамин, гидразин) приводит к образованию координационных частиц, способных проникать через БЛМ, изменяя ее электрохимические параметры. Рассчитаны и графически описаны равновесия, присутствующие в водных растворах исследуемых комплексных ионов. На основании концентрационных зависимостей проводимости БЛМ и потенциала определены условия и механизмы взаимодействия карбоксилатных и аминокомплексов с БЛМ, приведены зависимости способности взаиводействия комплексных частиц от показателей липофильности. Показано, что для взаимодействия с мембраной частица должна быть достаточно устойчивой и гидрофильной для доставки к поверхности мембраны, а также обладать достаточной липофильностью, чтобы взаимодействовать с липидным бислоем. Предложенные параметры (заряд иона, липофильность) могут быть использованы для дальнейшего моделирования и целенаправленного синтеза комплексных соединений, потенциально обладающих биологической активностью.

Ключевые слова: бислойная липидная мембрана, БЛМ, проводимость, потенциал, аквакомплексы, низшие карбоновые кислоты, комплексообразование, карбоксилатные комплексы, аминокомплексы, липофильность.

Summary

Khmarska L.O. Influence of Ni(II), Cu(II), and Zn(II) complex compounds on the conductivity of bilayer lipid membranes. - Manuscript.

The thesis for a scientific degree of Candidate of Sciences in Chemistry. The speciality 02.00.05 - Electrochemistry. - Ukrainian State University of Chemical Technology. - Dnipropetrovsk, 2011.

Dissertation work is devoted to the research of the influence of aqua-, amino- and carboxylate complexes of Ni(II), Cu(II), and Zn(II), as well lower carboxylic acids on the electrochemical characteristics of model cellular membranes, such as conductivity and potential.

It was determined that the ions of metals(ІІ) do not change the conductivity of BLM, and thus, don't penetrate through BLM. The displacement of potential to positive values indicates of the adsorption of investigated substances on the surface of BLM. The comparison of obtained data with speciation diagrams “Share - pH” allowed to determine that aqua complexes of metals(ІІ) interact with BLM surface. Metals(II) were arranged in lyotropic range in accordance with its ability to interact with BLM: Ni(II)< Zn(II)<Cu(II).

The protonophore ability of lower carboxylic acids was demonstrated for the first time. the dependence between carboxylic acid lipophility and its ability to modify the BLM conductivity was established.

It is determined that the formation of complexes with carbon acids and some of amino ligands leads to the formation of coordination ions which are able to interact with BLM with changing its electrochemical properties. The equilibrium that exists in aqueous solutions is shown graphically.

The conditions and mechanisms of the interaction of carboxylate and amino complexes with BLM are described; the dependence between the lipophility of complexes and their ability of influencing on BLM's electrochemical properties.

Based on the results obtained, it is established that with an eye to interacting with BLM, a complex particle must be stable enough and hydrophilic for the transportation to the BLM surface and lipophilic enough for further interaction with lipid bilayer.

Key words: bilayer lipid membrane, BLM, conductivity, potential, aquacomplexes, lower carboxylic acids, complexation, carboxylate complexes, amino complexes, lipophility.

Размещено на Allbest.ru

...