CC BY
7
УДК 544.18
Казимир А.Р., Егорова А.Н., Цирельсон В.Г.
ДАВЛЕНИЕ И СИЛЫ В ЭЛЕКТРОННОЙ ПОДСИСТЕМЕ КОНФОМЕРОВ С7 ДИАМИДА ГЛЮТАМИНОВОЙ КИСЛОТЫ В ОБЛАСТИ НЕКОВАЛЕНТНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ
Казимир Александр Романович, магистр 2 курса факультета естественных наук;
Егорова Анна Николаевна, к.х.н., ст.н.с., доцент кафедры квантовой химии, e-mail: anegor@muctr.ru
Цирельсон Владимир Григорьевич, д.ф-м.н., профессор, заведующий кафедрой квантовой химии.
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
125047, Москва, Миусская пл., д.9.
Исследованы особенности пространственного распределения давления и сил в сочетании с квантово-топологическим анализом электронной плотности нековалентных взаимодействий в конформерах диамида глютаминовой кислоты
Ключевые слова: диамид глютаминовой кислоты; нековалентные взаимодействия; метод функционала плотности; квантово-топологический анализ; давление и силы в электронной среде.
INTERNAL PRESSURE AND FORCES IN ELECTRON SUBSYSTEM OF THE CONFORMERS C7 OF GLUTAMIC ACID DIAMIDE IN NON-COVALENT INTERACTIONS
Kazimir A.R., Egorova A.N. *, Tsirelson V.G.
D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia.
The features of the spatial distribution ofpressure and forces in combination with the quantum-topological analysis of the electron density of non-covalent interactions in the conformers of glutamic acid diamide are studied.
Key words: glutamic acid diamide; non-covalent interactions; density functional method; quantum-topological analysis; electron pressure.
Структурные особенности и биохимические свойства биологических систем связаны со стабилизирующими нековалентными
взаимодействиями. Исследование этих
взаимодействий в малых биосистемах позволяет подойти к решению задачи предсказания биологического поведения более сложных агрегаций. В данной работе исследованы нековалентные взаимодействия в диамиде глютаминовой кислоты, являющимся незаменимым элементом белковых структур и играющим роль трансмиттера в нервной системе позвоночных. В данной молекуле эти взаимодействия реализуются внутри основных цепей и между основной и боковой цепями, определяя устойчивость формирующихся конформеров. В качестве объектов исследования выбраны конформеры CH3CONH - Glu - CONHCH3 с конформациями основной цепи С5 и С7, формирующимися в зависимости от значений углов ф и у (рис.1, I). Нами исследованы особенности распределения квантового давления в электронной среде (кинетический и обменный вклады и их сумма) в нековалентных взаимодействиях в конформерах диамида глютаминовой кислоты. Картина локального давления внутри неоднородного электронного континуума дает физически обоснованный способ найти характеристики концентрации и деконцентрации электронов в реальном пространстве молекул и кристаллов [1,2]. При их образовании электронное облако
самоорганизуется в поле ядер и создаются области разной концентрации электронов; результирующая картина зависит от химического связывания - как внутри -, так и межмолекулярных взаимодействий. Внутреннее давление неоднородной электронной подсистемы обусловлено электростатическими и квантовыми кинетическими и обменно-корреляционными эффектами. Соответствующие вклады удобно описать в рамках теории функционала плотности, где они зависят только от электронной плотности (ЭП), градиента ЭП и лапласиана ЭП. Соответствующие формулы приведены в [1, 2].
Анализ гиперповерхности потенциальной энергии, рассчитанной в зависимости от значений двугранных углов %1, %2, и %4 [3] (см. рис. 1), выявил локальные минимумы, которым отвечают конформеры молекулы CH3CONH - Glu -CONHCH3, отличающиеся друг от друга как ориентацией основной цепи, так и ориентацией боковой цепи. Мы исследовали десять наиболее устойчивых конформеров с ориентацией основной цепи С5 и С7, оптимизация геометрии которых была проведена методом Кона-Шэма в приближении B3LYP/6-311++G(d,p). Расположение конформеров в порядке понижения устойчивости соответствует приведенному ряду: C5(N1) > C7(N1) > C7(N2) > C5(N2) > C5(N3) > C7(N3) > C7(N4) > C7(N5) > C5(N4) > C5(N5).
н il
Xîy
15 Хз ls 14
н—с— H
20 О
■ н*
н ls I
H
22
✓ Cs 17
<0 о N 1
I
H
5
I 2. ,сч
Ф i ¥
б
Ml
26 H
I
>N4
23
25
H
- c—H
I
H
28
Рис. 1. Нумерация атомов и торсионные углы в молекуле CH3CONH - Glu - CONHCH3
В квантово-топологическом анализе ЭП (QTAIMC) взаимодействия между атомами в молекулах и кристаллах отождествляют со связевыми путями в ЭП и седловыми критическими точками (КТ) (3;-1). Этим методом идентифицированы ковалентные и
# 4.
нековалентные взаимодеиствия в исследованных системах, последние из которых замыкают в основной и между основной и боковоИ цепью псевдоциклы с возникновение КТ (3; +1). В наиболее устойчивых конформерах цепи C7 псевдоциклы, которые замыкают боковую и основную цепь (например, №3-Н26...020 (N1, N2, N3), №-Н5...010 (N2)) (рис. 2), по данным 0ТА1МС являются устойчивыми: КТ (3;+1) и (3;-1) расположены достаточно далеко друг от друга. Взаимодействие С8-Н14...05 (N3) между основной и боковой цепью замыкает неустойчивый псевдоцикл, близкий к так называемой «структурной катастрофе», когда КТ (3,+1) и (3,-1) располагаются достаточно близко (на расстоянии менее 0,2 а. е.), см. рис. 2.
. £-5(2^®—.-é
; Н26 020
Ь
N1 (AE = 0,42 кДж/моль)
ь 020
N2 (АЕ = 1,13 цДж/моль)
N3 (AE = 2,30 кДж/моль)
Рис. 2. Конформеры N1, N2, N3 молекулы CH3CONH - Glu - CONHCH3 с конформацией основной цепи С7. Показаны атомы, связевые пути и критические точки: маленькие кружки - КТ связей, треугольники - циклические КТ, квадраты - клеточные КТ. Связевые пути ковалентных взаимодействий показаны сплошными линиями, нековалентных -
пунктирными.
Электростатические силы приводят к доминирующему притяжению электронов к ядрам. Квантовые - кинетическое движение и обмен препятствуют этому. Формируется неоднородное электронное распределение во внутримолекулярных фрагментах, включающих пары атомов, связанных нековалентными взаимодействиями и вовлеченных в псевдоциклы, см. рис. 3. Электронный континуум сжат кинетической компонентой давления вдоль ковалентных №/23-Н5/26, С8-Н14 связей, образуя локальные мостики, отвечающие концентрациям связывающих электронных пар; они разделены седловыми точками на линиях связей. Это области максимально «жестких» молекулярных фрагментов. Видны также максимумы кинетической составляющей внутреннего давления электронной среды, соответствующие несвязывающим (неподеленным) электронным парам атомов N1/23, С8 и 010.
Распределение обменной составляющей давления (рис. 3, б) так же увязывается с седловыми точками в ЭП на линиях ковалентных связей и неподеленными электронными парами атомов: им отвечают минимумы обменной составляющей давления.
Таким образом, обмен электронов понижает структурную жесткость каркаса молекулы, но не изменяет молекулярный граф.
Суммарное распределение квантовых компонент давления электронной среды (рис. 3, в) показывает, что электронный континуум максимально разрежен на линиях нековалентных связей диамида глютаминовой кислоты. Эти области будут испытывать максимальное сжатие при внешних воздействиях. Отметим, что для устойчивых псевдоциклов на линии нековалентных связей наблюдаются седловые точки как в суммарном распределении двух компонент (рис. 3, в), так и в кинетической части (рис. 3, а). В обменной части электронного давления (рис. 3, б) наблюдается локальный максимум.
Обменные силы максимальны вдоль линий ковалентных связей и электронная среда будет в большей степени препятствовать внешнему сжатию в этих областях (рис. 4). На линиях нековалентных связей эти силы минимальны и электронный континуум при внешнем сжатии будет здесь "расширяться", а область будет максимально деформирована.
а)
Рис. 3. Наиболее устойчивый конформеры С7 молекулы CH3CONH - Glu - CONHCH3. Распределение кинетической (а), обменной (б) компонент внутреннего электронного давления и их суммы (в) во фрагментах: C8-H14...O20, N23/1-H26/5...O20/10. Плоскости сечений проведены через указанные атомы, (а) и (в) изолинии в инт. -0,03 - 3 с шагом 0,006 ат.е., (б) изолинии в интервале -0,4 - 0 с шагом 0,02 ат.е.; (а), (в) отрицательным значениям отвечают непрерывные линии, (б) все значения отрицательны.
N1
N2
N3
Рис. 4. Распределения обменных сил (векторная карта) и обменного потенциала (сплошные изолинии) в наиболее устойчивых конформерах С7 молекулы CH3CONH - Glu - CONHCH3 во фрагментах: C8-H14...O20, N23/1-H26/5...O10/4
(изолинии в интервале -14 - 0 с шагом 0,5 ат.е.).
Таким образом, мы выявили ряд новых свойств конформеров молекулы CH3CONH - Glu -CONHCH3 в контексте давления и сил, возникающих в электронной среде, важных для биологического структурообразования.
Распределение электронного давления показывает, что области нековалентный взаимодействий, замыкающих неустойчивые псевдоциклы, будут сильнее всего деформированы при внешнем воздействии. Для устойчивых псевдоциклов электронная среда будет меньше деформирована вдоль нековалентной связи.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского Фонда Фундаментальных исследований (грант 19-03-00141a).
Список литературы
1. Tsirelson V.G., Stash A.I. and Tokatly I.V. Bonding in Molecular Crystals from the Local Electronic Pressure Viewpoint // Mol. Phys. - 2016. Vol. 114. - P. 1260-1269.
2. V.G. Tsirelson, A.I. Stash, I.V. Tokatly. Quantum Pressure Focusing in Solids: A Reconstruction from Experimental Electron Density. Acta Cryst., B75 (2019) 201-209 doi.org/10.1107/S2052520619001471.
3. Казимир А.Р., Коротенко В.Н., Егорова А.Н., Цирельсон В.Г. Нековалентные взаимодействия в конформерах С5 диамида глютаминовой кислоты по данным квантово-химического анализа // Успехи в химии и химической технологии. - 2017. Т.31, №4 -с.25-27.
