CC BY
3
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ И КВАНТОВАЯ ХИМИЯ
DOI - 10.32 743/UniChem.2024.120.6.17472
КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО СТРОЕНИЯ ВИТАМИНА В2
Мамарахмонов Мухаматдин Хомидович
PhD, доцент, кафедра Химии, Андижанский государственный университет, Республика Узбекистан, г. Андижан E-mail: [email protected]
Кодиров Абдуахад Абдурахимович
DSc, доцент, зав. кафедрой Органической Химии, Каршинский государственный университет, Республика Узбекистан, г. Карши E-mail: [email protected]
Чулиев Жамшид Рузибаевич
PhD, доцент,
Каршинский инженерно-экономический институт, Республика Узбекистан, г. Карши
Жалолдинов Собиржон Низомиддин угли
студент кафедра Химии, Андижанский государственный университет, Республика Узбекистан, г. Андижан
Абдурахимов Мухаммад Абдуахадович
студент,
Каршинский педагогико-экономический универитет, Республика Узбекистан, г. Карши E-mail: [email protected]
Тураева Хонзода Гафур кизи
стажер-исследователь, преподаватель, Каршинский госуниверситет, Республика Узбекистан г. Карши
QUANTUM CHEMICAL RESEARCH OF ELECTRONIC STRUCTURE OF VITAMIN B2
Mukhamatdin Mamarakhmonov
PhD, Associate professor, Department Chemistry, Andijan State University Republic of Uzbekistan, Andijan
Abduaxad Kodirov
DSc, docent,
Chief of department Organic Chemistry, Karshi State University, Republic of Uzbekistan, Qarshi
Jamshid Chuliyev
PhD, docent
Qarshi engeneering & economy institute Republic of Uzbekistan, Qarshi,
Библиографическое описание: КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО СТРОЕНИЯ ВИТАМИНА В2 // Universum: химия и биология : электрон. научн. журн. Мамарахмонов М.Х. [и др.]. 2024. 6(120). URL: https://7universum.com/ru/nature/archive/item/17472
ДД UNIVERSUM:
№ 6 (120)_ЛД химия и биология_июнь. 2024 г.
Sobirjon Jaloldinov
student
Department Chemistry, Andijan State University, Republic of Uzbekistan, Andijan
Mukhammad Abduraximov
Second course student Qarshi Pedagogic-economical university Republic of Uzbekistan, Qarshi
Khonzoda Turayeva
Scientific Researcher-teacher, Republic of Uzbekistan Qarshi
АННОТАЦИЯ
Для нормального существования всяких организмов требуются многие биологически активные вещества. Такими жизненноважными соединениями для живого организма, в частности, человека являются витамины. Водорастворимые витамины и их метаболизм, роль в протекании биохимических процессов в организме изучена достаточно широко. Однако, теоретические исследования таких классов соединений остаются по сей день очень важнымы, ибо методами современной квантовой химии проведены совсем немногочисленные исследования и этот область знаний нуждаются в некоторых дополнениях. Поэтому, такая серия проводимых исследований должны служить обновлению круг наших знаний с современными данными. Таким образом, данное исследование направлено на изучение электронной структуры биологически активного витамина В2, данные которого может быть полезным при оценке на молекулярном уровне реакционную способность и далнейшие процессы его метаболизма в организме.
ABSTRACT
For the normal existence of all organisms, many biologically active substances are required. Vitamins are such vital compounds for a living organism, in particular for humans. Water-soluble vitamins and their metabolism, role in the course of biochemical processes in the body have been studied quite widely. However, theoretical studies of such classes of compounds remain very important to this day, because very few studies have been carried out using modern quantum chemistry methods and this area of knowledge needs some additions. Therefore, such a series of ongoing studies should serve to update the range of our knowledge with modern data. Thus, this study is aimed at studying the electronic structure of biologically active vitamin B2, the data of which can be useful in assessing at the molecular level the reactivity and further processes of its metabolism in the body.
Ключевые слова: живой организм, метаболизм, биологически активные вещества, витамин В2, биохимические процессы, квантово-химический расчет, метод DFT B3LYP, базис 3-21G, электронное строение, молекулярные орбитали, правильная геометрия.
Keywords: living organism, metabolism, biologically active substances, vitamin B2, biochemical processes, quantum chemical calculation, DFT B3LYP method, 3-21G basis set, electronic structure, molecular orbitals, correct geometry.
Введение. Продолжая наши систематические теоретические исследования витаминов [1], в данной статье нами проведен квантово-химический расчет витамина В2, химической формулой Cl7H20N4O6, для определения правильной геометрии и электронной структуры молекулы. Результаты наших исследований могут быть полезными в понимании данных о сопряжении орбиталей [2], при определении реакционной способности молекулы и дальнейшего ее метаболизма в живом организме [3]. Тонко-кишечная абсорбция витамина В2 (рибофлавин, лактофлавин) приводит к фосфорилированию ее в ткани. В результате формируются пара коферментов для многих биохимических процессов: флавинмононуклеотид (ФМН) и флавинадениндинуклеотид (ФАД) [4]. Активное применение зеленых растений стимулирует активный синтез рибофлавина. В значительных количествах которого присутствует в зерновых продуктах, мясо-
костной и рыбной муках, кормовых дрожжах и в молоке. Квантово-химическое изучение витамина В2 дает возможность глубже выявить процесс ее преобразования в организме [5].
Методика расчета. Нами использована программа Gaussian-98 для квантово-химического расчета геометрии и электронной структуры витамина В2, методом DFT-B3LYP, базисным набором 3-2Ш [6], применением полной оптимизации геометрических параметров. При расчетах, последовательность нумерации атомов цикла А, В, С, также экзоциклических фрагментов молекулы произведено условно, в удобной для анализа результатов форме. В мировой литературе, особенно, научных статьях последних лет, по квантово-химическим расчетам [7], применение такого метода приветствуется, в связи достоверности получаемых данных. Анализ результатов полученные нами, конденсированных шестичленных азотистых
гетероциклов и сделанные соответствующие выводы дополняют полезными информациями современную химию в целом.
Обсуждение результатов. Нами расчитанная полная энергия системы составляет Еп=-823883,524 кКал/моль, а дипольный момент равен ц=4,624Дб,
который показывает насколько полярной является молекула. На рисунке 1, в схематическом виде представлены порядок нумерации атомов (1а) зарядовое распределение на атомах (1^ и энергетическая диаграмма граничных верхней занятой и нижней свободной молекулярных орбиталей (1с).
17
НзС
НС
Н
13 С
016
7%
в
Н
5 А
6 А
Н
Н
1 „
N N Н
0
15
Н 25 Н0 2°' .1 21 Н 26
Н 22 1.....ОН
Н— 23 27
Н 0Н
102 101
98 97
0.08516 0.05105
100 - --0.01324
99 - Н --0.10917
-0.12408 -0.14118
1а
1Ь
1с
Рисунок 1. Схема, условная нумерация, заряды на атомах и МО молекулы В2
Ниже, в таблице 1 приведены данные об атомных зарядах и геометрии молекулы, по результатам проведенного квантово-химического расчета.
Таблица 1.
Распределение зарядов на атомах и геометрические параметры молекулы В2
№ Атом Заряд,е Связь Длина, А Валентный угол Градус
1 N1 -0,311 Ш-С2 1.402 Ш-С2-Ш 116.166
2 С2 0,293 С2-Ш 1.418 С2-Ш-С4 128.577
3 N3 -0,322 Ш-С4 1.392 Ш-С4-С5 112.577
4 С4 0,228 С4-С5 1.489 С4-С5-С6 117.029
5 С5 0,066 С5-С6 1.451 С5-Ш-С8 119.121
6 С6 0,180 С5-Ш 1.308 Ш-С8-С9 121.108
7 N7 -0,204 Ш-С8 1.379 С8-С9-Ш0 117.956
8 С8 0,061 С8-С9 1.418 С8-С11-С12 121.401
9 С9 0,092 С9-Ш0 1.390 С12-С13-С14 120.626
10 N10 -0,192 С8-С11 1.409 Ш-С2-015 123.177
11 С11 -0,069 С11-С12 1.382 Ш-С4-016 122.656
12 С12 0,001 С12-С13 1.428 С11-С12-С17 120.821
13 С13 0,020 С13-С14 1.390 С12-С13-С18 119.886
14 С14 -0,101 С2-015 1.230 С9-Ш0-С19 120.102
15 015 -0,210 С3-Н 1.018 Ш0-С19-С20 113.113
16 016 -0,204 С4-016 1.232 С19-С20-С21 110.474
17 С17 -0,228 С11-Н 1.083 С20-С21-С22 110.640
18 С18 -0,228 С12-С17 1.515 С21-С22-С23 112.117
19 С19 -0,059 С13-С18 1.514 С19-С20-024 105.378
20 С20 0,018 С14-Н 1.093 С20-С21-025 112.658
21 С21 0,018 С17-Н 1.097 С21-С22-026 108.411
22 С22 0,025 С18-Н 1.086 С22-С23-027 102.566
23 С23 -0,063 N10-09 1.481 Торсионный угол Градус
24 024 -0,307 С19-С20 1.549 N1-C2-N3-C4 2.566
25 025 -0,305 С20-С21 1.543 C2-N3-C4-C5 -1.710
№ Атом Заряд,e Связь Длина, А Валентный угол Градус
26 O26 -0,288 C21-C22 1.525 C4-C5-C6-N1 3.752
27 O27 -0,275 C22-C23 1.527 C4-C5-N7-C8 -178.501
28 H3 0,228 С20-024 1.452 N7-C8-C9-N10 -2.699
29 H11 0,102 C21-025 1.440 N7-C11-C12-C13 -178.247
30 H17 0,086 C22-026 1.465 C11-C12-C13-C14 -1.673
31 H18 0,089 C23-027 1.475 C4-N3-C2-015 -177.301
32 H14 0,111 024-H 1.015 C2-N3-C4-016 178.320
33 H19 0,116 025-H 1.015 C8-C11-C12-C17 179.909
34 H20 0,065 026-H 1.003 C11-C12-C13-C18 177.527
35 H21 0,058 027-H 0.991 C9-N10-C19-C20 -81.325
36 H22 0,077 N10-C19-C20-024 116.122
37 H23 0,093 C19-C20-C21-025 67.291
38 H24 0,203 C20-C21-C22-C26 59.761
39 H25 0,203 C21-C22-C23-027 -166.199
40 H26 0,210
41 H27 0,195
В соотвествтвии табличным данным, длины связей, валентные и торсионные углы имеют хорошие корреляции с их экспериментальными значениями [8].
Максимальные отрицательные заряды у конденсированных циклов А, В, С сосредоточены на атомах N1, N3, N7, N10, «1, 04 ^=-0,31^, -0,322e, -0,204e, -0,192e, -0,069e, -0,10^), и на атомах кислорода периферийных гидроксиьных групп: O24, O25, O26,
Зарядовые, геометрические и
O27 (q=-307e, -305e, -0,288e, -0,275e). А на атомах водорода H24, Ш5, H26, H27 положительные заряды равны: q=+0,203e, +0,203e, +0,210e, +0,195e. А межатомные связи O24-H24, O25-H25, O26-H26, O27-H27 соответственно равны: d ~ 1,015А, 1,014А, 1,003А, 0,991А. Как известно, более реакционноспо-собными группами в таких соединениях выступают в первую очередь гидроксильные группы [9].
Таблица 2.
;ские характеристики О-Н связей
Атом Заряд Атом Заряд Связь Длина, А Энергия связи, Е*
024 -0,307 H24 0,203 024-H 1,01528 0,06046
025 -0,305 H25 0,203 025-H 1,01494 0,06011
026 -0,288 H26 0,210 026-H 1,00307 0,06011
027 -0,275 H27 0,195 027-H 0,99153 0,05455
* - модуль энергии связей, относительно условной энергии связи O24-H24.
Из данных таблицы 2 видно, что условная единица энергия связи O27-H27 самая наименьшая среди энергии связей четырех гидроксильных групп. Поэтому, по-нашему мнению реакционным центром в молекуле витамина В2 является атом О27. Именно она имеет тенденцию легко дегидрировать протон и
может участвует в дальнейшем активном метаболизме молекулы в организме.
При метаболизме в организме витамина В2 именно атом О27 является основным реакционным центром для образования связи с моно- (1), а затем динукле-отидом аденина (2), как показана на схеме:
+ ATPh
B2 -^ 1
Mg2
2+
+ ATPh
2
Mg
2+
Выводы. Таким образом, в молекуле витамина В2 существуют несколько центров реакционной способности - ароматические и периферийные атомы. Однако, согласно результатам квантово-химических
расчетов, атом кислорода гидроксильной группы О27 является центром атаки в образовании связи в дальнейшем метаболизме молекулы в организме.
Л • 7universum.com
Аа UNIVERSUM:
№ 6 (120)_ЛД химия и биология_июнь. 2024 г.
Список литературы:
1. 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 обр. 1.05.024г.).
2. Norman, Jeremy. "Pauling Publishes "The Nature of the Chemical Bond". History. of Information. Retrieved. July 11, 2023.
3. Shi-tai Guo and etc. A review of quantum chemical methods for treating energetic molecules Energetic Materials Frontiers. Volume 2. Issue 4. December 2021. Pages 292-305.
4. Капилевич Л. и др. Спортивная биохимия с основами спортивной фармакологии: учебное пособие для вузов. Москва: Издательство Юрайт, 2024. - 151 с.
5. Ершов Ю.А. Биохимия человека: учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. - Москва: Издательство Юрайт, 2024. - 466 с.
6. Frisch M.J.F and etc. Gaussian 98, Revision A. 5, Gaussian Inc. - Pittsburgh (PA), 1998.
7. Аскаров И.Р. [и др.]. Влияние противоневрозных препаратов на безопастность деятельности человека // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. 2022. 4(97). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/13517 (Дата обращения: 1.05.2024г.).
8. Britannica, The Editors of Encyclopaedia. "uracil". Encyclopedia Britannica, 17 Dec. 2018, https://www.britan-nica.com/science/uracil. Accessed 17 March 2023.
9. Signe Mosegaard, etc. Riboflavin Deficiency - Implications for General Human Health and Inborn Errors of Metabolism. Int J Mol Sci. 2020 Jun; 21(11): 3847. Published online 2020 May 28. doi: 10.3390/ijms21113847.
