CC BY
2
DOI - 10.32743/UniTech.2024.122.5.17612
ЭЛЕКТРОННОЕ СТРОЕНИЕ И РЕАКЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ ВИТАМИНА A И ЕЕ РОЛЬ В ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА
Мамарахмонов Мухаматдин Хомидович
PhD, доцент,
кафедра Химии, Андижанский госуниверситет Республика Узбекистан, г. Андижан, E-mail: [email protected]
Беленький Леонид Исаакович
д-р хим. наук, проф. Институт Органической Химии РАН РФ, г. Москва
Нуриддинов Бекзод Марифжон угли
зав. отделом защиты растений и агрохимии Министерство сельского хозяйства Узбекистана, Республика Узбекистан, г. Ташкент
Тошова Мохигул Дустбобо кизи
магистрант
Каршинского государственного университета, Республика Узбекистан, г. Каарши
Тургунова Гулхаё Иброхимжон кизи
студент, кафедра Химии, Андижанский государственный университет, Республика Узбекистан, г. Андижан
Гуломова Ёркиной Икболжон кизи
студент,
Андижанский госуниверситет Андижанский государственный университет, Республика Узбекистан, г. Андижан
ELECTRONIC STRUCTURE, REACTIVITY OF VITAMIN A AND ITS ROLE IN HUMAN ACTIVITY
Mukhamatdin Mamarakhmonov
PhD, Associate professor, Department Chemistry, Andijan State University Republic of Uzbekistan, Andijan
Leonid Belen'kii
Doctor of Chemical Sciences, prof., Zelinsky Institute of Organic Chemistry Russia, Moscow
Bekzod Nuriddinov
Head of the Department of Protection of Plants and Agrochemistry
Ministry of Agriculture of Uzbekistan, Republic of Uzbekistan, Tashkent
Библиографическое описание: ЭЛЕКТРОННОЕ СТРОЕНИЕ И РЕАКЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ ВИТАМИНА A И ЕЕ РОЛЬ В ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. Мамарахмонов М.Х. [и др.]. 2024. 5(122). URL: https://7universum. com/ru/tech/archive/item/17612
Mokhigul Toshova
Master's student Karshi State University, Republic of Uzbekistan, Karshi
Gulkhayo Turgunova
Student
Department Chemistry, Andijan State University, Republic of Uzbekistan, Andijan
Yorqinoy Gulomova
Student,
Andijan State University, Republic of Uzbekistan, Andijan
АННОТАЦИЯ
Витамин А - входит в класс жирорастворимых важных витаминов для организма, является одним из питательных веществ, имеющий форму ретиноида и каротиноида с брутто формулой C2H3O Являясь в числе зрительных пигментов сетчатки глаз, служит для улучшения зрения [1]. Здоровье органов: кожи, волос, ногтей, слизистой оболочки дыхательных, желудочно-кишечных, мочевыводящих и половых путей в основном поддерживается за счет функционирования именно этого вещества. Витамин А был объектом исследования многих ученых экспериментаторов, которые изучали свойства, химические превращения и метаболизм данного объекта в организме человека [2]. Несмотря на эти сведения, теоретические исследования этого объекта остаются актуальной для объяснении его реакционной способности, механизма, пути реакции и метаболизма в организме. Поэтому нами в данной работе проведен квантово-химический расчет витамина А (ретинола). Данные полученные нами представлены в табличном, схематическом видах; сделаны выводы о геометрии, электронном строении, оценены потенциальные центры для электрофильных и нуклеофильных реагентов, пути возможных реакций, которые могут быть полезнымы для глубокого изучения процесса метаболизма в организме человека. Теоретические расчеты проведены по метду DFT программой Gaussian98, полученные данные хорошо коррелируют с результатами экспериментальных исследований.
ABSTRACT
Vitamin A - part of the class of fat-soluble vitamins important for the body, is one of the nutrients in the form of a retinoid and carotenoid with a gross formula of C20H30O. Being one of the visual pigments of the retina, it serves to improve vision [1]. The health of organs: skin, hair, nails, mucous membranes of the respiratory, gastrointestinal, urinary and genital tracts is mainly maintained due to the functioning of this particular substance. Vitamin A has been the object of study by many experimental scientists who studied the properties, chemical transformations and metabolism of this object in the human body [2]. Despite this information, theoretical studies of this object remain relevant to explain its reactivity, mechanism, reaction pathway and metabolism in the body. Therefore, in this work, we carried out a quantum chemical calculation of vitamin A (retinol). The data we obtained is presented in tabular and schematic forms; conclusions were drawn about the geometry, electronic structure, potential centers for electrophilic and nucleophilic reagents, and possible reaction paths that could be useful for an in-depth study of the metabolic process in the human body were assessed. Theoretical calculations were carried out using the DFT program Gaussian98, the data obtained correlate well with the results of experimental studies.
Ключевые слова: витамин А, жиры, белки, нервная, пищеварительная, сердечно-сосудистая системы, метаболизм, квантово-химический расчет, метод DFT B3LYP, электронное строение, реакционная способность, биологическая активность.
Keywords: vitamin A, fats, proteins, nervous, digestive, cardiovascular systems, metabolism, quantum chemical calculation, DFT B3LYP method, electronic structure, reactivity, biological activity.
Введение. Витамин А (ретинол) является структурным компонентом клеточных мембран, обеспечивает антиоксидантную защиту организма.. Витамина А защищает от различных поражений эпителия, улучшает зрение, поддерживает смачивание роговицы. А его недостаток приводит к снижению функции иммунитета и замедляет рост организма. Суточная доза применения витамина А для взрослого человека составляет 900 мкг рет. экв./сут. Основными его источниками являются: овощи - морковь, красный и зеленый перец, тыква; зелень - укроп,
черемша, петрушка, сельдерей, шпинат кинза, щавель, салат латук, руккола зеленый лук; морские водоросли; ягоды - шиповник, облепиха; свежие и сушеные фрукты — абрикосы, хурма, урюк, курага [3].
Метаболизм. Основная масса всасываемого каротина 1А (см. схему, ниже) уже в пределах кишечных эпителиоцитов (процесс а) превращается в витамин А (1B). В сетчатке глаза ретинол (1В) превращается (процесс Ь) в ретиналь (1С), а в печени он подвергается биотрансформации (процесс с), превращаясь
сначала в активные метаболиты в ретиналь (16), а затем в ретиноевую кислоту (1-0), которая выводится
Н3С сн3
Н3С
НС СН3 СН3 СН3 о
Ю
он
с желчью в виде глюкуронидов, а затем в неактивные продукты, выводимые почками и кишечником [4].
а
Н С СН
оН
Ь
с
Н С СН СН3 СН3 о
'СНо 1Г
СН3 1С
Рисунок 1. Процессы метаболизма витамина А в организме
Однако, проведение квантово-химического расчета витамина А и анализ полученных данных дает возможность более глубокого изучения и теоретического обоснования реакционной способности в реакциях электрофильного замещения, а также процесса его метаболизма в организме.
Методика расчета. Нами использована программа Gaussian-98 для квантово-химического расчета геометрии и электронной структуры витамина А, методом DFT-B3LYP, базисным набором 3-2Ш [5], применением полной оптимизации геометрических параметров.
Рисунок 2. Номеры атомов (2а) и расположение полиметиленового скелета (2Ь)
Полная энергия системы составляет E=-530184,85 кКал/моль, а дипольный момент ц=2,1814Дб, что указывает на полярность молекулы. В рисунке ниже представлены граничные орбитали
(ГО) молекулы: вид верхней заполненной молекулярной орбитали (ВЗМО); нижней свободной молекулярной орбитали (НСМО) и диаграмма энергетических величин ГО.
Рисунок 3. Объемный вид ВЗМО (3а), НСМО (3Ь), энергодиаграмма ГО (3с)
Из рисунка 3 видно, что основной вклад в объемной картине ВЗМО (3А) имеет сопряженные п-связи кольца и полиметинового фрагмента. Диаграмма 3С показывает энергию граничных орбиталей, согласно
которому Евзмо= -164.92 ккал/моль, а Енсмо= +6.59 кКал/моль. Энергетическая разница между ГО молекулы Е=153.33 кКал/моль. По нашим мнениям,
дальнейшие реакции с витамином А должны контролироваться электронными зарядами на атомах. Именно, атом кислорода гидроксильной группы О16 выступает как потенциальный реакционный центр для реагентов - электрофилов, имеющий заряд
q(016)=-0.686e. В процессе метаболизма происходит окисление, в результате образуется сначала альдегид -ретинль 1С, а затем процесс заканчивается образованием ретиноевой кислоты Ю.
Таблица 1.
Заряды атомов, длина связей, валентные и торсионные углы молекулы
№ Атом Заряд, е Связь Длина, А Валентный угол Ф, градус
1 С1 -0.274 С1-С2 1.543 С1-С2-С3 112.058
2 С2 -0.345 С2-С3 1.531 С2-С3-С4 108.904
3 С3 -0.420 С3-С4 1.533 С3-С4-С5- 113.190
4 С4 -0.420 С4С5 1.522 С4-С5-С6 122.992
5 С5 -0.030 С5-С6 1.329 С5-С6-С1 123.103
6 С6 0.012 С6-С1 1.541 С6-С1-С2 110.898
7 С7 -0.234 С6-С7 1.489 С5-С6-С7 122.624
8 С8 -0.194 С7=С8 1.325 С7-С8-С9 126.211
9 С9 -0.070 С8-С9 1.474 С8-С9-С10 118.515
10 С10 -0.208 С9=С10 1.334 С9-С10-С11 127.894
11 С11 -0.260 С10-С11 1.458 С10-С11-С12 122.524
12 С12 -0.189 С11=С12 1.3294 С11-С12-С13 126.125
13 С13 -0.079 С12-С13 1.471 С12-С13-С14 119.336
14 С14 -0.217 С13=С14 1.325 С13-С14-С15 126.394
15 С15 -0.109 С14-С15 1.506 С14-С15-016 105.796
16 016 -0.686 С15-016 1.445 С6-С1-С17 110.165
17 С17 -0.509 С1-С17 1.545 С6-С1-С18 109.470
18 С18 -0.518 С1-С18 1.547 С4-С5-С19 112.360
19 С19 -0.603 С5-С19 1.518 С8-С9-С20 117.224
20 С20 -0.620 С9-С20 1.515 С12-С13-С21 117.755
21 С21 -0.621 С13-С21 1.517 Торсионный угол т, градус
22 Н2 0.209 С2-Н 1.086 С1-С2-С3-С4 61.955
23 Н3 0.213 С3-Н 1.086 С2-С3-С4-С5 -46.361
24 Н4 0.218 С4-Н 1.086 С4-С5-С6-С1 -2.276
25 Н7 0.231 С7-Н 1.075 С4-С5-С6-С7 179.845
26 Н8 0.230 С8-Н 1.075 С1-С6-С5-С19 177.881
27 Н10 0.223 С10-Н 1.077 С5-С6-С1-С17 135.188
28 Н11 0.235 С11-Н 1.071 С5-С6-С1-С18 -105.443
29 Н14 0.259 С12-Н 1.076 С3-С4-С5-С19 -162.114
30 Н15 0.203 С14-Н 1.073 С7-С8-С9-С20 -0.151
31 Н16 0.377 С15-Н 1.086 С11-С12-С13-С21 0.002
32 Н17 0.204 016-Н 0.965 С13-С14-С15-016 -179.963
33 Н18 0.206 С17-Н 1.084
34 Н19 0.236 С18-Н 1.086
35 Н20 0.221 С19-Н 1.088
36 Н21 0.223 С20-Н 1.085
С21-Н 1.085
Обсуждение результатов. Геометрия молекулы. Длина связей. Межатомные связи кольца С1-С2, С2-С3, С3-С4, С4-С5, С5-С6 равны примерно на 1.54А,
1.53А, 1.53А, 1.52А, 1.33А, 1.54А; длина ординарных связей С6-С7, С8-С9, С10-С11, С12-С13, С14-С15 соответственно равны 1.49А, 1.47А, 1.46А, 1.47А;
а длина двойных связей C7=C8, C9=C10, 01=02, 03=04 равны 1.32А, 1.33А, 1.33А, 1.32А; межатомные связи 0-07, 0-08, C5-09 равны 1.54А, 1.55А, 1.52А, 1.52А; длина связей у периферийной группы С9-С20, С13-С21 равны 1.52А, 1,52А соответственно. Длина С-Н связей кольца и у периферии составляет примерно 1.09А; а длина связи гидроксильной группы О-Н равна 0.96А.
Валентные углы кольца, содержащие двойную связь С4-С5=С6, С5=С6-С1 имеет величину равные 122.22°, 123.10°, соответствующие sp2 гибридизации атомов С5, С6; остальные валентные углы карбо-циклического кольца С1-С2-С3, C2-C3-C4, С3-С4-С5 равны 112.06о, 108.90о, 113.19о; а валентные углы сопряженных полиметиновых групп немного увеличены, например, углы C7-C8-C9, C9-00-01, 01-02-03, 03-04-05 равны 126.21о, 127.89о, 126.12о, 126.39о; валентные углы замещенных метиль-ных групп немного укорочены, например, углы С8-С9-С10, С12-С13-04 равны 118.51о и 119.34о. Валентные углы sp3гибридизованных атомов у скелета периферии и кольца С14-С15-О16, С6-С1-С17, С6-С1-С18 соответственно равны 105.80о, 110.15о, 109.47о. Нами расчитанные валентные углы лежат в хорошей корреляции с гибридизацией соответствующих атомов связи. А некоторые отклонения в значении валентных углов зависят от разновидности к ним замещенных групп.
Торсионные углы. Насышенные атомы кольца составляют непоские торсионные углы, например: С1-С2-С3-С4, С2-С3-С4-С5 составляют 61.95о, -46.36о; а у ненасышенной двойной связи углы С4-С5=С6-С1, C4-C5=C6-C7, С1-С6=С5-С19 составляют: -2.27о, 179.84о, 177.88о, что близко к плоской расположении этих атомов. Атомы скелета циклогексена не лежит в плоскости, но полиметиновая сопряженная группа почти сохраняет планарность расположения, согласно нашим данным.
май, 2024 г.
Заряды на атомах молекулы. На углеродных атомах циклогексена О, C2, C3, C4, C5, а также полиметиногого фрагмента C7, C8, C9, 00, 01, 02, 03, 04, 05 и углеродов метильных групп 07, 08, 09, C20, C21 сосредоточены отрицательные заряды равные: -0.274е, -0.345е, -0.420е, -0.420е, -0.030е; -0.234е, -0.194е, -0.070е, -0.208е, -0.260е, -0.189е, -0.079е, -0.217е, -0.109е; -0.509е, -0.518е, -0.603е, -0.620е, -0.621е, соответственно. Единственно, атом С6 циклогексена заряжен положительно, равной q= +0,012e, в которому замещена полиметиновая цепь. Причиной такого разряжения атома С6 может быть отрицательный электронный эффект сопряжения двойной связи С5=С6 с полиметиновой цепью. При этом электронный заряд на атоме О16 равен q= -0.686е и связь О16-Н имеет длину 0.96А. Такое укорачивание связи О-Н ожидаемо, при большой разнице модуля зарядов |qO16 - qH| гидроксильной группы. На основе вышеприведенных данных, можно заключить, что в процессе окисления именно связь О-Н выступает в роли потенциального реакционного центра и дальнейших химических превращений в живом организме.
Длина межатомных ординарных, двойных связей, валентных и торсионных углов соответствуют с литературными данными [6], а некоторые отклонения в их величине связаны с электронными эффектами заместителей.
Выводы. Таким образом, нами проведено теоретическое исследование, в частности, витамина А из серии работ, посвященные к изучению процесса метаболизма различных витаминов [7, 8], в живом организме. При этом нами полученные теоретические результаты квантово-химических расчетов анализированы и сделаны выводы о правильной геометрии структуры; об электронном строении молекулы; определены потенциальные реакционные центры, участвующие в дальнейших биохимических превращениях.
Список литературы:
1. Ершов Ю.А. Биохимия человека: учебник для вузов. - М.: Изд-во Юрайт. 2024. - 466 с.
2. Marie Anais, etc. Role and Mechanism of Vitamin A. Metabolism in the Pathophysiology of Parkinson's Disease. Journal of Parkinson's Disease. 2021. - Vol. 11. No. 3. pp. 949-970.
3. Deepshe Dewett, etc. Mechanisms of vitamin A metabolism and deficiency in the mammalian and fly visual system. Developmental Biology. 2021. - Vol. 476. Pages 68-78.
4. Lorraine J Gudas. Retinoid metabolism: new insights. Journal of Molecular Endocrinology. 2022. - Vol. 69: Issue 4. P. T37-T49.
5. Frisch M.J.F and etc. Gaussian 98, Revision A. 5, Gaussian Inc. - Pittsburgh (PA), 1998.
6. Тимощенко Л.В. Органическая химия. Часть 1: учебное пособие. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета. - 2012. - 168 с.
7. Мамарахмонов М.Х. [и др.]. Квантово-химическое исследование электронного строения билогически активного витамина В1 // Universum: технические науки: электрон. научн. журн. 2024. 4(121). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/17361 (Дата обращения 09.05.2024 г.).
8. Мамарахмонов М.Х. [и др.]. Квантово-химическое исследование электронного строения витамина В2 // Universum: химия и биология : электрон. научн. журн. 2024. 6(120). URL: https://7universum.com/ru/nature/archive/item/17472 (Дата обращения: 09.05.2024).
