Inclusion Complex of Gd(III) with β-Cyclodextrin and L-Tryptophan

全文:

ВВЕДЕНИЕ

L-триптофан (L-Trp) – это незаменимая α-аминокислота, которая оказывает большое влияние на метаболическую активность человека, а также травоядных животных. Биологическая роль триптофана заключается в том, что он, с одной стороны, служит «кирпичиком» для строительства собственных белков организма, а с другой – нужен для синтеза важнейших биологически активных соединений [витаминов (В₃, ниацин) и гормонов (серотонин, мелатонин, гормон роста)]. Являясь источником мелатонина и серотонина, триптофан обладает значительными антиоксидантными свойствами [1]. Триптофан используется в качестве антиоксиданта в пищевой промышленности и в качестве биомаркера в фармацевтической промышленности [2]. С точки зрения биоактивности, комплексные соединения аминокислот с металлами (d-металлы, как известно, имеют большое значение во многих биохимических процессах в живых организмах, а f-элементы являются редкоземельными зондами) представляют большой интерес. Таким образом, при введении иона d-элемента усиливаются фармакологические свойства, а введение f-элемента позволяет отследить пути доставки лекарственного препарата в нужную точку живого объекта [3, 4].

Плохая растворимость активного фармацевтического ингредиента в воде является серьезной проблемой [5]. В частности, комплексы аминокислот с металлами обычно имеют низкую и изменчивую биодоступность и, следовательно, неудовлетворительный терапевтический эффект. Аминокислоты к тому же химически неустойчивы, они агрегируют и под действием света и влаги могут разрушаться. В лекарственных препаратах обычно используется активная L-форма аминокислот, которая со временем, по мнению автора [6], может переходить в неактивную D-форму. Проблему устойчивости можно решить, поместив комплекс в полость другой молекулы – хозяина. Самыми распространенными хозяевами-инкапсуляторами являются β-циклодекстрины (β-CD). Одна из особенностей β-CD заключается в их способности включать в гидрофобную полость небольшие гидрофобные молекулы, тем самым повышая их растворимость, и, следовательно, стабильность и биодоступность лекарственных веществ [7].

Получение и изучение комплексов включения циклодекстринов является весьма актуальным. Хорошо исследованы бинарные комплексы типа CD–гость. Целый ряд работ посвящен комплексам включения CD с аминокислотами [8–12], модифицированного β-CD с аминокислотами [13–16], комплексам CD с металлами [17]. Тройные системы типа CD–гость–металл изучены меньше [18, 19]. Так, системы CD–аминокислота–ион металла описаны в работах [20, 21], в которых приводятся данные о комплексах включений функционализированного циклодекстрина с триптофаном и никелем(II) и комплексов тирозина с металлами Co(II) и Cu(II) с β-циклодекстрином.

В то же время, аминокислоты особенно ароматические по своей структуре являются идеальными лигандами для образования комплексов включения с CD [6]. Имея несколько активных центров для координации с металлами [3], они образуют бинарные комплексы и могут быть использованы для получения тройных комплексов. В связи с этим в данной работе получен и изучен физико-химическими методами комплекс включения Gd(III) с β-циклодекстрином и L-триптофаном.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Комплекс включения Gd(III) с β-циклодекстрином и L-триптофаном получали смешением L-Trp, β-CD и хлорида гадолиния(III) в дистиллированной воде.

На термограмме исследуемого комплекса (рис. 1, табл. 1) можно выделить 4 стадии потери массы. Первая стадия эндоэффект при 96.6°C с потерей массы 10.99%, что соответствует процессу десорбции воды. Хорошо видно, что данный эффект разделяется на 2 максимума (96.6 и 112.5°С), что, по нашему мнению, связано, во-первых, с десорбцией воды на гидрофильной поверхности β-CD (соответствующий эффект для чистого β-CD лежит в области 80°С и имеет Δm = 10.16%, также в работе [18] было показано, что с одной молекулой β-CD может быть связано до 10–12 молекул воды). Следующий эффект потери массы при 112.5°С связан, по нашему мнению, с отщеплением внутрисферной воды, координированной с ионами Gd³⁺. Общее число молекул воды в исследуемом комплексе включения варьируется в области 25–30 молекул, основная часть которых координирована на поверхности β-CD.

 

Рис. 1. Термограмма комплекса включения β-циклодекстрина с гадолинием(III) и L-триптофаном.

 

Таблица 1. Данные термического анализа β-CD и его комплекса включения с Gd(III) с L-Trp.^а

β-CD		Gd(Trp)3Cl3∙3β-CD∙nH2O
термоэффект, °С	потеря массы, %	термоэффект, °С	потеря массы, %
88	10.16	96.6	10.99
225	1.72	233	31.84
268
281
316
336	63.24	440.6	28.69
489	23.48	531.1	24.15

^а Экзоэффекты выделены полужирным шрифтом.

 

Эффекты термодеструкции исследуемого комплекса включения отличаются от эффектов, наблюдаемых в чистом β-CD (табл. 1) и чистом комплексе Gd³⁺ с триптофаном. Так, вторая и третья стадии пиролиза комплекса включения, вероятно, обусловлены разложением Trp и β-CD в интервале 200–450°С (эндоэффект 233°С и экзоэффект 440°С с потерей массы 60.53%). На четвертой стадии происходит деструкция β-CD в интервале 450–640°C с потерей массы 24.15% (интенсивный экзотермический пик с максимумом при 531°С). Дальнейший нагрев до 900°С дает остаточную массу 3.6% оксихлорида гадолиния (GdClO). При этом температура разложения Trp и β-CD в комплексе включения понизилась, что дополнительно связывают с образование комплекса включения [21]. Анализ данных ТГА-исследований и данных титрования на содержания металла и лиганда позволили определить состав изучаемого комплекса как Gd(Trp)₃Cl₃∙3β-CD∙nH₂O, где n = 25–30.

ИК спектры GdTrp, Gd(Trp)₃Cl₃∙3β-CD∙nH₂O, β-CD показаны на рис. 2. ИК спектр комплекса включения схож со спектром чистого циклодекстрина, что указывает на отсутствие изменений в структуре молекулы-хозяина (β-CD) и слабое взаимодействие ее с молекулой гостя (комплекса гадолиния с триптофаном). Спектр β-CD характеризуется широкой полосой при 3309 см^–1, которая принадлежит валентным колебаниям связи О–Н. Валентные колебания связей С–Н появляются при 2925 см^–1, при 1645 см^–1 регистрируются деформационные колебания фрагмента R–О–Н в СОН-группах. Полосы поглощения в области 1413~1205 см^–1 относятся к деформационным колебаниям фрагментов Н–С–Н и Н–С–С RСН₂ОН и RСНОН групп. Интенсивная полоса при 1022 см^–1 принадлежит валентным колебаниям С–О, а полоса, наблюдаемая при 1151 см^–1, соответствует асимметричным гликозидным валентным колебаниям фрагмента С–О–С [22, 23].

 

Рис. 2. ИК спектры GdTrp, β-CD, комплекса включения (GdTrp/β-CD).

 

Полосы поглощения молекулы гостя накладываются на ИК спектр циклодекстрина с небольшими изменениями в интенсивности и частотах, что свидетельствует о сохранении комплекса гадолиния с триптофаном при образовании тройного комплекса и слабом взаимодействии его с молекулой хозяина [6]. При отнесении полос поглощений триптофана и его комплекса с Gd³⁺ использовали данные из работ [24, 25]. Данные ИК спектров комплекса гадолиния(III) с триптофаном подтверждают координацию иона гадолиния(III) с ионизированной карбоксильной группой (частоты асимметричных и симметричных валентных колебаний карбоксильной группы СОО^– – 1610, 1413 см^–1). Поглощение иминогруппы гетероцикла (3400 и 1583 см^–1) и ионизированной α-аминогруппы NH₃⁺ (1454 см^–1) в комплексе и лиганде не изменяется, что свидетельствует о неучастии этих групп в образовании координационной связи с ионом гадолиния(III).

В спектрах исследуемого комплекса включения наблюдается наложение полос поглощения β-CD и комплекса гадолиния(III) с триптофаном в области 1660~1500, 1338–1232, 738 и 546–424 см^–1. В первом случае происходит перекрывание валентных асимметричных колебаний СОО^–-группы с полосами поглощения бензольного кольца триптофана, а полоса, проявляющаяся при 1454 см^–1, принадлежит деформационным колебаниям NH₃⁺-группы триптофана.

Сравнение ИК спектров β-CD, GdTrp со спектром комплекса включения позволяет сделать следующие выводы. В спектре комплекса включения наблюдаются основные полосы поглощения β-CD и хорошо видны полосы поглощения ионизированных амино- и карбоксильных групп L-триптофана, не входящих в полость β-CD (табл. 2). При этом полосы поглощения ионизированной карбоксильной группы СОО^–, связанной с ионом Gd³⁺, закономерно имеют пониженные в частоты и наблюдаются в области 1660–1500 см^–1, как и в ИК спектре чистого комплекса. Судя по ИК спектру, полосы поглощения ионизированной аминогруппы NH₃⁺ не смещаются, что свидетельствует о неучастии аминогруппы в координации. В высокочастотной области на фоне полос поглощения гидроксильных групп β-CD (3326 см^–1) наблюдается полоса поглощения NH-группы пиррольного кольца L-триптофана (3400 см^–1), не участвующей в координации. Все это позволяет считать, что СОО^–-группа L-Trp координируется с ионом Gd³⁺, а ионизированная NH₃⁺-группа не участвует в координации. Фрагмент изучаемого комплекса приведен на рис. 3.

 

Таблица 2. Частоты колебаний основных групп комплекса включения Gd(Trp)₃Cl₃∙3β-CD∙nH₂O.^а

Отнесение	ν, см–1
ν[NH(r)Trp]	3400 ср
ν(ОН) (H2O + первичные гидроксилы, β-CD)	3326 ш
ν(C–Н) (CH, СН2, β-CD)	2923 ср
δ(ОН) (С–ОНβ-CD + СОО–Trp)	1658 ср
νas(СОО–Trp)	1610 cр
δ[NH(r)Trp] + ν(RTrp)	1583 ср
δs(NH3+Trp)	1454 пл
δ(С–Н) (СН2ОН, СН–ОН, β-CD)	1413–1249
ν(С–О–С) + ν(С–О–Нβ-CD)	1153–998
δ(С–Нβ-CD)	944–848
δ(rTrp)	738 ср, 657 сл
δ(С–Нβ-CD)	705 сл
δ(С–Нβ-CD)	607–526
δ(RTrp)	424 сл

^a R – бензольное кольцо, r – пиррольное кольцо.

 

Рис. 3. Схематическое изображение фрагмента предполагаемого комплекса включения.

 

Для определения изменений в структурах компонентов в результате взаимодействия, сравнивались дифрактограммы исходников и комплекса включения (рис. 4). Хорошо видно, что рентгенограмма комплекса включения содержит все основные фазы циклодекстрина, определяющего структуру образующегося соединения с наложением фаз хлорида гадолиния. В тоже время в дифрактограмме комплекса включения не наблюдаются характерных пиков кристаллического триптофана (в дифрактограмме триптофана наблюдаются резкие пики с высокой интенсивности при 2θ = 4.7°, 14.04°, 18.96°). Это может указывать на то, что триптофан находится в полости β-CD и не формирует плоскости твердой фазой. Пики Gd(III) на дифрактограмме комплекса включения проявляются, потому что Gd(III) расположен снаружи. Изменения интенсивности отличительных пиков от молекулы-хозяина (β-CD) являются факторами, по которым можно судить об образовании новой фазы, и, следовательно, могут считаться подтверждением образования комплекса включения [18, 26].

 

Рис. 4. Дифрактограммы комплекса включения (GdTrp/β-CD), β-CD, Trp, GdCl3∙6H2O.

 

На рис. 5 приведен спектр ЭПР комплекса включения Gd(Trp)₃Cl₃∙3β-CD∙nH₂O и эталона по g-фактору MgO:Mn²⁺ (на рисунке отмечены звездочкой). Как видно из рисунка, для исследуемого комплекса включения характерно наличие следующих значений g-фактора: 1.99, 2.79 и 5.90.

 

Рис. 5. Спектр ЭПР комплекса включения Gd(Trp)3Cl3∙3β-CD∙nH2O.

 

Как известно [27], спектры ЭПР Х-диапазона ионов Gd(III), присутствующих при низких концентрациях практически в любом типе стеклообразного носителя имеют тенденцию к наличию трех характерных значений g-фактора: 2.0, 2.8 и 6.0. Такой тип спектра ЭПР Gd(III) получил название «U-спектр» ввиду его широкого распространения в различных стеклообразных и неупорядоченных поликристаллических материалах. Также в спектрах ЭПР Х-диапазона ионов Gd(III) в стеклах могут наблюдаться эффективные значениях g-фактора от 3.3 до 3.6 и/или от 4.3 до 4.8. Ожидается, что U-спектр будет преобладать только тогда, когда ионы Gd(III) могут достигать высокого координационного числа (≥ 6) в пределах структурно неупорядоченной матрицы [27], так как в этих местах ионы гадолиния испытывают относительно слабое кристаллическое поле [28]. Согласно данным работы [29], спектры ЭПР ионов Gd(III) со значениями g-фактора 5.9, 2.79 и 1.98, наложенными на широкий резонанс при значении g ~ 2.0, характерны для комбинации кубической и тетрагональной симметрии. Все это подтверждает координацию ионов Gd³⁺ с кислородными атомами карбоксильной группы триптофана и, возможно, с 1 молекулой воды с образованием координационного полиэдра смешанной симметрии.

ВЫВОДЫ

Таким образом, можно считать, что последовательным смешиванием растворов β-CD и Trp с добавлением раствора хлорида гадолиния нами получен комплекс включения состава Gd(Trp)₃Cl₃∙3β-CD∙nH₂O. С помощью физико-химических методов проведено исследование возможности образования комплекса включения типа хозяин–гость при взаимодействии ароматической аминокислоты (L-триптофана) и β-CD. Вероятно, комплекс включения образуется путем погружения аминокислотного ароматического радикала во внутреннюю гидрофобную полость молекул β-CD и координацией ионов Gd³⁺ с карбоксильной группой триптофана, находящейся вне полости β-CD.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В работе использовали β-циклодекстрин, L-триптофан, GdCl₃·6H₂O квалификации ХЧ.

Термогравиметрический анализ (ТГА) порошка исследуемого комплекса проводили на приборе NETZSCH STA 409 PC/PG в атмосфере воздуха в интервале 30–1000°С со скоростью нагрева 10 K/мин. ИК спектры порошка исследуемого комплекса записаны на ИК Фурье-спектрометре VERTEX 70 в области 4000–400 см^–1 методом нарушенного полного внутреннего отражения. Спектр ЭПР порошка соединения Gd(III) с β-циклодекстрином и L-триптофаном и эталона по g-фактору (ЭПР-стандарт MgO:Mn²⁺, JEOL) записаны на ЭПР спектрометре JEOL JES FA-300 на частоте 9.14 ГГц с частотой модуляции 100 кГц. Запись спектров ЭПР проводили при комнатной температуре. Рентгенофазовый анализ образцов порошка исследуемого комплекса проводили на рентгеновском дифрактометре XRD–7000 (Shimadzu). Содержание металла в комплексе определяли с помощью титрования слабокислого раствора 0.01 н. раствором ЭДТА в присутствии 0.1%-ного спиртового раствора ксиленолового оранжевого.

Синтез комплекса включения. Для получения комплекса включения в системе Gd(III)–L-Trp–β-CD 0.0612 г (0.3 ммоль) L-Trp растворяли в 20 мл горячей дистиллированной воды, 1 г (0.9 ммоль) β-CD растворяли в 25 мл горячей дистиллированной воды, 0.04 г (0.1 ммоль) хлорида гадолиния(III) растворяли в 5 мл воды. К раствору L-Trp добавляли раствор β-CD и перемешивали при 30°С в течение 1 ч, затем в этот раствор добавляли раствор хлорида гадолиния(III) и 30 мин перемешивали при той же температуре, после чего упаривали раствор при 50°С и оставляли для дальнейшей кристаллизации при комнатной температуре. Полученный мелкокристаллический порошок сушили в вакуум-эксикаторе.

БЛАГОДАРНОСТЬ

Авторы выражают благодарность Центру коллективного пользования «Эколого-аналитический центр» и Научно-образовательному центру «Диагностика структуры и свойств наноматериалов» Кубанского государственного университета за оказанную помощь при проведении данного исследования.

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

作者简介

S. Khasaeva

Kuban State University

编辑信件的主要联系方式.
Email: justchemist@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-8462-8801
俄罗斯联邦, Krasnodar, 350040

N. Bukov

Kuban State University

Email: justchemist@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-8559-110X
俄罗斯联邦, Krasnodar, 350040

S. Ivanin

Kuban State University

Email: justchemist@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-9352-5970
俄罗斯联邦, Krasnodar, 350040

S. Kuznetsova

Kuban State University

Email: justchemist@mail.ru
ORCID iD: 0009-0000-8868-0730
俄罗斯联邦, Krasnodar, 350040

E. Isaeva

Chechen State University named after A. A. Kadyrov

Email: justchemist@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-8403-5240
俄罗斯联邦, Grozny, 364024

参考

补充文件