CC BY
9На рис. 2 приведены зависимости устойчивости комплексов ионов №2+ состава 1:1 с янтарной, уксусной [8], аминоуксусной [9] кислотами, аммиаком [10] и этилендиамином [11] от содержания этанола в растворе. Как видно из рис. 2, с увеличением содержания этанола в растворе происходит упрочение комплексов ионов №2+ со всеми рассматриваемыми лигандами.
На примере реакций образования ацетатов и глицинатов никеля (II) было показано [8, 9], что основной вклад в смещение равновесия комплек-сообразования вносит десольватация лиганда при увеличении концентрации этанола. Можно полагать, что и в случае образования комплексов с янтарной кислотой сольватационные вклады реагентов в изменение AG реакции играют аналогичную роль.
Кафедра общей химической технологии
ЛИТЕРАТУРА
1. Васильев В.П. и др. //Журн. неорг. химии. 1998. Т. 43. № 11. с.1859-1863.
2. Coetzee J.F. et al. // J. Anal. Chem. 1962.
3. Карякин Ю.В., Анилов И.И. Чистые химические вещества. М.: Химия. 1974. 217 с.
4. Бородин В.А., Козловский Е.В., Васильев В.П. // Журн. неорг. химии. 1986. Т. 31. № 1. С. 10.
5. Шарнин В.А., Тукумова Н.В. // Известия вузов Химия и хим. технология. 2007. Т. 50. Вып. 6. С. 24 - 26.
6. Назаренко В.А., Антонович В.П., Невская Е.М. Гидролиз ионов металлов в разбавленных растворах. М.: Атомиздат. 1979. С. 120.
7. Fuentes J., Reboso R., Rodrigyez A. // Polyhedron. 1989. V. 8. № 22. P. 2693.
8. Исаева В.А., Шарнин В.А., Шорманов В.А. // Журн. физ. химии. 1998. Т. 72. № 12. С. 2182.
9. Исаева В.А., Шарнин В.А., Шорманов В.А. // Корд. химия. 1999. Т. 25. № 12. С. 912.
10. Невский А.В., Шорманов В.А., Крестов Г.А. // Коорд. химия. 1983. Т. 9. № 3. С. 391.
11. Невский А.В., Шорманов В.А., Крестов Г.А. // Коорд. химия. 1989. Т. 15. № 11. С. 1576.
УДК 541.183 : 547.96 : 547.426.21-23 : 547.917 Н.В. Казанцева, Н.Н. Алыков
КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ХЕМОСОРБЦИИ ДИОКСИДА СЕРЫ НА СТРУКТУРНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ КЛЕТОЧНЫХ МЕМБРАН
(Астраханский государственный университет) E-mail: [email protected]
Проведен комплекс квантовохимических расчетов энергий хемосорбции диоксида серы на структурных элементах клеточных мембран. Представлена сравнительная характеристика возможных энергетически выгодных позиций влияния диоксида серы на элементы белкового, углеводного и липидного слоя, выделены центры, подвергающиеся большему воздействию со стороны токсиканта.
ОБЩИИ ХАРАКТЕР ДЕЙСТВИЯ SO2 таминов Bi и С, так же раздражает кроветворные
Общее действие заключается в нарушении органы, способствует °браз°ванию метгем°гл°-
углеводного и белкового обмена, угнетении окис- бина, увеличивает выделение с мочой копропор-
лительных процессов в головном мозге, печени, фирина и бисульфитсвязанных тоедижщ вызы-
селезенке, мышцах, торможении окислительного вает изменения в эндокринных органах, костной
дезаминирования аминокислот, окисления пиро- ткани, нарушает генеративную фушщию. Имеют-
виноградной кислоты и снижении содержания ви- ся указания на эмбриотоксическое действие, су-
щественную роль в указанных сдвигах играет
ацидоз, поскольку SO2, циркулирующий в крови, растворяется в плазме и превращается в H2SO3, токсичность резко возрастает при одновременном воздействии SO2 и СО.
Порог восприятия человеком запаха - от 0,00087 до 0,003 мг/л, во время воздействия раздражение глаз вызывают концентрации 0,05 мг/л, раздражение в горле — 0,02-0,03 мг/л, кашель -0,05 мг/л, при 0,06 мг/л наблюдается сильное чихание, кашель, при длительном воздействии наблюдается рвота, речь и глотание затруднены. Смертельный исход может наступить как от удушья вследствие рефлекторного спазма голосовой щели, внезапной остановки кровообращения в легких (отека легких) или шока, или позднее - от заболевания органов дыхания [1].
ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
Клеточная структура представлена биомембранным слоем, состоящим из двух слоев ли-пидных молекул, в которых встроены белки, соотношение белков, липидов и углеводов варьирует от одной мембраны к другой. Проведение лабораторного эксперимента подразумевает выделение и очистку клеточной мембраны, а также идентификацию компонентов, что сопровождается значительными трудностями и разрушениями в таких структурах, как белок. Для выявления активных центров поверхности белка, липидов и углеводов, участвующих во взаимодействии с сероводородом, одного лабораторного эксперимента оказывается недостаточным.
В связи с тем, что проведение эксперимента весьма затруднительно и эксперимент не позволяет выявить мишени клеточных мембран, было принято решение провести исследование с использованием квантовохимического комплекса GAMESS (US), который служит для теоретического исследования свойств химических систем, функционирование пакета поддерживается усилиями группы профессора М. Гордона (M. Gordon, Ames Laboratory/Iowa State University, USA) [2, 3]. Все расчеты были проведены полуэмпирическим PM3 методом в газовой фазе, без учета сольватации, в рамках приближения Хартри-Фока, с полной оптимизацией геометрии имеющихся структур. Данный выбор связан с тем, что первоочередной задачей исследования является выяснение термодинамических параметров, которые хорошо согласуются с экспериментальными значениями и имеют своё отображение в одном из полуэмпирических методов. Таким образом, исходя из энергетических и геометрических параметров образующихся промежуточных состояний, появляется возможность определить области белковой, ли-
пидной и углеводной части мембраны, подвергающейся набольшему воздействию SO2.
СИСТЕМА ПЕНТАПЕПТИД - 802
В качестве отдельного фрагмента белковой молекулы выбран гипотетический пентапеп-тид, которому свойственно конформационное многообразие, связанное с наличие разветвленных сульфидных радикалов и возможностью поворотов объемных группировок относительно поверхности пентапептида (основного скелета).
Подобное моделирование, оптимизация и нахождение поверхностей потенциальной энергии молекулярных структур позволяет выделить наиболее стабильное и устойчивое конформационное состояние. Зачастую отыскание глобальных и локальных минимумов многоатомной модели является одной из основных и достаточно сложных задач. Так как основным активным агентом является неорганический компонент, для которого нахождение минимума потенциальной поверхности не составляет труда, а белковая (в дальнейшем липидная и углеводная) молекула является "неподвижной" составляющей поверхности клеточной мембраны, поэтому нами рассматривались лишь те структуры, которые стерически способны максимально использовать свои возможности для образования связей.
Таким образом, авторами принято решение не включать результаты вычисления потенциальной энергии органической составляющей, дабы избежать нагромождения и потери основной идеи всей работы. Структура пентапептида была подобрана таким образом, чтобы не происходило повторений в радикалах. В результате проведенных расчетов были выделены наиболее выгодные с энергетической точки зрения положения в системе диоксид серы - пентапептид.
Система 1 \
14SH Система 10
I /
13CH2 •
I 2 А 18 12CH2 H C
10 l11 -C—C-
„II I
O H.
I
1'C —C—N-
h-o' C N
38 ZH H
Система 3 Система 6 Система 5 Система 9
SH л I A
CH-H I
-N — C — C—NH — C—CH — N — C—CH—NH2
15 36 C 1 19 35 C 21 28 34ll 30 33
36O H 35 O 34O
О наиболее выгодном положении сорбента и сорбата (атакуемой и атакующей групп) судят по результатам расчетов теплот образования (Ну, кДж/моль) и энергии адсорбции, для наиболее выгодного положения энергия адсорбции будет наименьшей. Тепловые эффекты (АЕадс, кДж/моль) формирования предполагаемых систем рассчитывали как разность между полной энергией образовавшегося комплекса и суммой полных энергий исследуемой структуры и молекулы диоксида серы.
Система 2
Система 7
Система 11
Условные обозначения, используемые при описании структур: r, А— расстояние между взаимодействующими атомами; АЕадс, кДж/моль — энергия адсорбции.
В табл. 1 приведена сравнительная характеристика геометрических и энергетических параметров систем 1 — 11.
Таблица 1
Геометрические и энергетические параметры системы пентапептид-SO2 Table 1. Geometric and energy parameters of the
2
Системы r, А АЕадс, кДж/моль
1 1,7997 -23,69
2 1,8024 -20,12
3 1,8360 -17,89
4 1,8396 -14,44
5 1,8444 -13,98
6 1,8524 -13,92
7 1,8400 -13,19
8 1,8442 -11,77
9 1,8334 -11,43
10 1,8321 -11,01
11 1,8360 -10,22
зование связи. По значениям АЕадс система 11 является менее выгодной из-за пространственного окружения соседствующих групп ^Н и -КН2, где атом водорода оказывается замкнутым в цикле.
Полученные результаты позволяют предположить, что в реальной системе возможно образование именно систем 1, 2 и 3, но не исключаются и другие варианты, предполагается, что энергия адсорбции диоксида серы на пентапептиде может составлять 16,75 кДж/моль.
СИСТЕМА ЛИПИД - 802
Рассматривается несколько форм липидов: моноглицерид, диглицерид и триглицерид, в качестве радикала жирной кислоты взята структура СНз-СН=СН-СН2-СН2-С00Н [4].
В результате воздействия диоксида серы возможно образование различных адсорбционных комплексов моноглицерида (М), диглицерида (О) и триглицерида (Т), где стрелкой показано направленное действие диоксида серы. Системы М4, М5, О4, О5, Т4, Т5 пространственно связывают водороды, находящиеся при разных атомах в цикл. Межмолекулярная связь в системах М1, М7, О1, О7 и Т1 образована за счет атома серы, а остальные только за счет атома кислорода.
Полученные результаты позволяют оценить энергию взаимодействия, а так же выяснить наиболее активный центр пентапептида, способный легко подвергаться направленному влиянию со стороны диоксида серы. Наиболее низкие значения энергии адсорбции представлены в системах 1 и 2, где атака диоксидом серы происходит по концевым карбоксильной и гидроксильной группам, которые являются открытыми для взаимодействия.
В системах 3, 5, 6, 9 и 10 атака идет по водороду, непосредственно связанному с основной цепью пентапептида, в зависимости от места локализации водорода происходит изменение в энергии адсорбции (значения приведены в табл. 1). В связи с тем, что центральное окружение пентапептида оказывается закрытым для внедрения О1, за счет препятствий, создаваемых массивными радикалами, можно ожидать максимальное удаление сорба-та от сорбента (о чем свидетельствуют значения г, А), соответственно будет происходить увеличение энергии сорбции SO2 на пентапептидах.
В системе 4, 7 и 8 атакующим центром является водород ароматического кольца, большая разница в значениях АЕадс может быть связана с ближайшим окружением соседствующих радикалов, с одной стороны -НК-С0-, а с другой - объемная карбоксильная группа, затрудняющая обра-
H2
H—C^
4 13
^C yCH
I У I
OH
CH
ю
C w
'H9 / HoCN
V; 2
45/
O
4
H
4/H
\ / Система M5 i Система M4 Система M7
Системы моноглицерида Monoglyceride systems
<O,11
* /
6 O—H
/
H2C 4
2\ 3 q
^ 1CH—CH2 9O
V2/* C\5
C —O
12, HC
L
H2^-CH
18\X
/ H>
. O
Система D5 Система D4
H \
17CH2 14 15/
C HC=CH
\ю 13 / H2C CH2
Система D2
С1920CH3
Система D3
Системы диглицерида Diglyceride systems
4
Система T1
Ч 14 9 /
O=C \
6 O /
H2C^- CH-2 23
H2C 4
O12
\ ^-2O 1-/
\
1 CH-
/C
H2C
2 27 CH3
\ 25 26 / HC=C^
/H
/
Система T3
3
-CH2 10O
J
O5—!C
\
,19-
H2C-
Система T5 Система T4
\ 11
H2C _16'
Система T2
1 1
H \
20 CH2
17 18 / HC=CH
/
CH
—CH
21 H
22
HC _24CH3
Системы триглицерида Triglyceride systems
В табл. 2 приведена сравнительная характеристика геометрических и энергетических параметров систем липид-SO^
Полученные результаты позволяют оценить энергию взаимодействия, а также выяснить наиболее активные центры липидной структуры, способные легко подвергаться направленному воздействию молекулами диоксида серы. Согласно данным табл. 2, наиболее выгодным и устойчивым положением будет обладать система Мб, так как "мнимая" межмолекулярная связь образуется за счет концевой -OH группы, длина водородной связи составляет 1,815 Ä, что ниже, по сравнению с другими системами.
Система М1 устойчива за счет того, что сера способна принять электронную пару кислорода на J-орбиталь, на что указывает увеличение длины связи 08=С7 (межъядерное расстояние в свободной молекуле моноглицерида 1,21 Ä; межъядерное расстояние в молекуле моноглицерида после взаимодействия с диоксидом серы 1,25 Ä), соответственно понижение кратности связи 08=С7, частичное повышение заряда на атоме углерода моноглицерида (заряд в свободной молекуле моноглицерида 0,36; заряд в молекуле после взаимодействия с диоксидом серы 0,45) и стремление серы повысить степень окисления. Система М5 будет менее устойчивой, но так же стабильной, так как замыкается в кольцо, кислород диоксида серы втягивается в структуру моноглицерида. Образование систем М3, М2, М4 и М7 будет менее вероятным по нескольким причинам: а) низкая доступность кислорода SO2 к протонам, связанные непосредственно с углеродным скелетом; б) недостаточная степень перекрывания электронных плотностей между структурами; в) плохо подобрана пространственная позиция диоксида серы относительно моноглицерида.
Образование наиболее выгодных позиций в системах с диглицеридом выше, чем с моногли-церидом, так все системы можно расположить в ряд увеличения энергии связывания: D4<D33<D5< <D2<D6<D7<D1; что же касается систем связи диоксида серы с триглицеридом, ряд имеет следующий вид: T2<T3<T4<T1<T5. Можно заметить, насколько сила, способ связывания и энергия адсорбции, зависит от структуры глицерида.
СИСТЕМА ОЛИГОСАХАРИД - 802
В качестве исходного компонента был выбран восстанавливающийся дисахарид - лактоза. Были рассмотрены всевозможные положения сцепления диоксида серы с атомами водорода гидро-ксильных групп. Рассчитаны энергетические и геометрические характеристики исходных веществ, а так же образующихся адсорбционных комплексов.
V 7
Система 4 CH-O H
/ 7/
Система 8 HC-O
11 ^ 3
Система 9 Система 10
Таблица 2
Геометрические и энергетические параметры системы липид-SO2 Table 2. Geometric and energy parameters of the lipid-
Системы r, Ä АЕадс, кДж/моль
М1 1,8667 -11,38
М2 1,8535 0,91
М3 1,8565 -2,08
М4 1,8737/1,8741 0,98
М5 1,8586/1,8656 -9,36
Мб 1,8152 -12,30
М7 1,8980 1,12
D1 1,8640 -24,14
D2 1,8610 -11,97
D3 1,8479 -4,61
D4 1,8511/1,8797 -2,52
D5 1,8584/1,8743 -6,95
D6 1,8143 -13,52
D7 1,8680/1,7877 -15,59
T1 1,8686 -5,89
T2 1,8535 1,82
T3 1,8473 -1,79
T4 1,8554/1,8728 -5,08
T5 1,8618/1,8658 -7,57
Система 2
H
Система 6
В табл. 3 приведена сравнительная характеристика геометрических и энергетических параметров возможных систем.
Таблица 3
Геометрические и энергетические параметры систем
Расчеты показывают, что системы 6 и 9 занимают энергетически более выгодные положения, потому что атака происходит по гидроксиль-ной группе, которая является открытой для взаимодействия, именно данные системы будут обладать минимальной водородной связью 1,80 А. Для сравнительной характеристики в таблице 3 приведены значения систем 3, 7, 11, которые также оказываются достаточно устойчивыми. Можно отметить тот факт, что гидроксильные группы в положении 2 и 4 углеводного скелета являются наиболее активными во всей молекуле, о чем свидетельствуют устойчивые системы 6 и 9.
Расстояние между взаимодействующими атомами в системах 2, 4, 5, 8, 10 увеличивается, о
чем свидетельствуют значения Г, приведенные в таблице 3. Определяющим фактором является локализация атома водорода по цепи и степень его экранирования. Все это сказывается на энергии сорбции диоксида серы на лактозе и при подсчете в реальной системе величина АЕадс должна составлять около -27,20 кДж/моль.
Таким образом, реакционными центрами в пентапептиде являются карбоксильная и карбонильная группы, активный атом водорода в а-положении углеродного скелета, при этом именно 01 диоксида серы является активным агентом. В липидах наиболее стабильные продукты взаимодействия можно ожидать для диглицерида, а реакционными центрами являются концевые группировки; для моноглицерида и диглицерида -гидроксогруппа и метильная группа, системы образующие кольцо и карбонильная группа. Важно отметить, что максимально стабильными будут системы, образующие межмолекулярную связь за счет серы, в меньшей степени будут стабильны системы, образующие водородные связи через кислород SO2. Для олигосахаридов практически все формы существования систем будут стабильны, реакционными центрами выступают гидро-ксильные группы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Вредные вещества в промышленности: Справочник для химиков, инженеров и врачей. Т. 3. Л.: Химия. 1976. 264 с.
2. http://www.msg.ameslab.gov/GAMESS/GAMESS.html
3. Немухин А.В., Григоренко Б.Л., Грановский А.А. //
Вестн. Моск. ун-та. Сер. 2. Химия. 2004. № 2. С. 75-102.
4. Досон Р. и др. Справочник биохимика. М.: Мир. 1991. 544 с.
Table 3. Geometric and energy parameters of the systems
Системы r, А АЕадс, кДж/моль
1 1,8205 -21,66
2 1,8382 -30,44
3 1,8128 -27,61
4 1,8905 -25,52
5 1,8321 -28,02
6 1,8085 -33,05
7 1,8111 -26,29
8 1,8398 -23,46
9 1,8057 -32,26
10 1,8408 -26,13
11 1,8156 -24,75
Кафедра аналитической и физической химии
