CC BY
40
Впервые полученные диадамантаны 4 были полностью охарактеризованы методами 1Н 13С, 11В ЯМР спектроскопии и масс-спектрометрии высокого разрешения. Индивидуальность и чистота продуктов подтверждены результатами элементного анализа. Для двух продуктов было выполнено рентгено-структурное исследование.
Работа выполнена при финансовой поддержке грантов МК-3918.2013.3 и программы РАН 8П.
РСА соединений 4b и 4с
Библиографический список
1. A. N. Semakin, A. Yu. Sukhorukov, A. V. Lesiv, S. L. Ioffe, K. A. Lyssen-ko, Y. V. Nelyubina, V. A. Tartakovsky, Org. Lett., 2009, 11, 18, 4072 - 4075.
2 A.N. Semakin, A.Yu. Sukhorukov, Y. V. Nelyubina, S.L. Ioffe, V.A. Tartakovsky, Synthesis, 2012, 1095-1101.
3 A.N. Semakin, A.Yu. Sukhorukov, S.L. Ioffe, V.A. Tartakovsky, Synthesis, 2011, 1403-1412.
УДК 544.18
В.Н. Коротенко, А.А. Астахов, А.Н. Егорова, В.Г. Цирельсон
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
СОЛЬВАТИРОВАННОЙ МОЛЕКУЛЫ Ь-СЕРИНА
С использованием расчетов методом Кона-Шэма на уровне теории B3LYP/6-311++G** проведено моделирование кластеров L-серина с одной и двумя молекулами воды в канониче-
ской неполяризованной форме L-Ser-(H2O)n и в форме цвиттер-иона L-SerZW-(H2O)n. Найдены относительные устойчивости и параметры водородных связей в полученных структурах. Изучено влияние молекул растворителя на устойчивость цвиттер-иона.
The L-serine clusters in the canonical non-polarized form L-Ser-(H2O)n and in the zwitterio-nic form L-SerZW-(H2O)n with one and two water molecules are modeled using the Kohn-Sham B3LYP/6-311++G** level of theory. The relative stabilities and hydrogen bonds parameters of obtained structures are studied. Some conclusion about the affect of solvent molecules on zwitterions stability is drawn.
Изучение эффектов сольватации органических молекул важно для корректного описания их поведения в растворах, поскольку сольватное окружение существенным образом влияет на молекулярную структуру и реакционную способность. В частности, известно, что в водных растворах аминокислот молекулы присутствуют в форме биполярных цвиттер-ионов, тогда как в свободном виде наиболее устойчивыми являются канонические неполяризованные структуры. Все биологические процессы протекают в растворах и для их моделирования требуется явный учет сольватации. Существуют две основные модели учета этого эффекта. Поляризованная континуальная модель (polarized continuum model, PCM) учитывает усредненное влияние окружения и позволяет дать хорошую оценку ряда характеристик, например, относительной устойчивости различных конформеров. Вторая модель использует кластерное приближение и допускает изучение взаимодействий между молекулами растворителя и функциональными группами аминокислот на молекулярном уровне [1].
В данной работе описано кластерное моделирование молекулы L-серина (а-амино-Р-оксипропионовой кислоты) (рис.1), сольватированной водой, с целью установить влияние растворителя на геометрические характеристики этой аминокислоты, играющей важную роль в энергоснабжении клеток [2]. Остаток серина входит в структуру активных центров ряда ферментов (трипсин, химотрипсин, холин-эстераза).
В качестве наиболее реакционно-способных групп в молекуле сери-на можно выделить COOH, COO-, NH2, МИ^-группы основной цепи и OH-группу боковой цепи, являющуюся специфической структурной особенностью молекулы L-серина. При моделировании кластеров одна либо две молекулы воды размещались вблизи указанных групп атомов. Геометрия по-
лученных кластеров Ь-8ег-(Н20)п и L-SerZW-(H2O)n (ZW - цвиттер-ион,
п=1,2) оптимизировалась методом Кона-Шэма на уровне B3LYP/6-
**
311++0 . Вычисления проводили по программе Firefly-7.1 [3]. Анализ колебательных частот оптимизированных структур показал отсутствие мнимых частот колебаний, что свидетельствует о достижении минимума энергии. Энергии рассчитанных кластеров и длины водородных связей, образуемых аминокислотой, даны в Таблице 1.
Свободная молекула Ь-серина характеризуется наличием двух внутримолекулярных водородных связей: О5-Н8.. ,О6 между основной и боковой цепями и О7-Н12...К4 между карбоксильной группой и аминогруппой основной цепи (рис. 2, а). Строение кластеров Ь-серина, сольватированных одной молекулой воды, получали, располагая молекулу Н2О возле ОН-группы - L-ser-Н20 (I) (рис. 2, б) и группы СООН - L-ser-H20 (II) (рис. 2, в) боковой и основной цепи соответственно. Оптимизация геометрии кластера L-ser-H20 (I) приводила к замыканию молекулой воды основной и боковой цепи в восьми-членный псевдоцикл, удерживающийся двумя межмолекулярными водородными связями О5-Н8...О (Н2О) и С3-О6...Н (Н2О). В кластере L-ser-H20 (II) путь присоединения молекулы воды оказывался иной - она образовывала две водородные связи с карбоксильной группой основной цепи: О7-Н12...О (Н2О) и С3-О6...Н (Н2О). Это формировало шестичленный псевдоцикл из атомов только основной цепи. Сопоставление энергий, приведенных в Таблице 1, показывает, что устойчивость полученных кластеров близка; разность в полных энергиях между L-ser-H20 (I) и L-ser-H20 (II) составляет менее 3 кДж/моль, что сравнимо с погрешностью современных методов расчета.
Рис. 1. Схема молекулы L-серина и нумерация атомов
Размещение молекулы воды возле групп СООН и МН2 основной цепи приводило к переносу протона между ними, в результате чего образовывался цвиттер-ион L-ser-ZW-H2O (рис. 2, г). Таким образом, квантово-химическое моделирование показало, что для стабилизации молекулы се-рина в форме цвиттер-иона достаточно одной молекулы воды. Однако следует отметить, что рассчитанное значение полной энергии цвиттер-иона немного выше (на 18 кДж), чем у Ь-зег-Н20 (I).
Таблица 1. Длины водородных связей r (Ä) и энергии кластеров E (а.е.)
Конформер ri Г2 Г3 Г4 Г5 E
L-ser 1.912 2.019 - - - -399.083
L-ser-H20 (I) 1.788 1.841 1.869 - - -475.547
L-ser-H20 (II) 2.025 2.013 1.727 - - -475.546
L-ser-ZW-H20 1.881 1.759 1.951 1.892 - -475.530
L-ser-(H20)2 (I) 1.740 1.762 1.870 1.866 - -552.014
L-ser-(H20)2 (II) 1.779 1.890 2.098 1.839 - -552.004
L-ser-(H20)2 (III) 2.090 2.119 2.060 2.226 - -551.986
L-ser-(H20)2 (IV) 1.810 1.855 1.863 1.688 - -552.012
L-ser-ZW-(H20)2 (I) 1.911 1.751 1.693 1.763 1.714 -552.006
L-ser-ZW-(H20)2 (II) 1.910 1.801 1.713 1.847 1.713 -552.009
Среди кластеров L-серина с двумя молекулами воды наиболее устойчивой является система L-ser-(H2O)2 (I) (рис. 2, д). Присоединение одной из молекул воды к основной цепи формирует водородную связь С3-06...И (H2O-I), а другой - к боковой цепи - водородную связь О5-Н8...0 (H20-II), причем молекулы воды также связываются между собой. В результате указанный комплекс стабилизируется. Для сравнения укажем, что энергия комплекса L-ser-(H2O)2 (II) (рис. 2, е), где одна из молекул замыкает в псевдоцикл основную и боковую цепи через связи С3-06...H (H20-I) и 05-Н8...0 (H20-I), а другая присоединяется к непрото-нированному атому кислорода карбоксильной группы C3-06...H (H20-II), имеет энергию на 26,3 кДж выше. Еще выше (на 47,2 кДж/моль) энергия структуры L-ser-(H2O)2 (III) (рис. 2, ж), где псевдоциклы образуются лишь внутримолекулярными водородными связями 07-H12...N4 и 05-H8...06, а две молекулы воды присоединяются через одну водород-
ную связь к атомам N4 и О6, соответственно.
ж) з) и) к)
Рис. 2 L-серин и кластеры сольватированного L-серина: а ^^г; б - L-ser-H20 (I); в - L-ser-H20 (II); г - L-ser-ZW-H20; д - L-ser-(H20)2 (I); е - L-
ser-(H20)2 (II);
ж - L-ser-(H20)2 (III); з - L-ser-(H20)2 (IV); и - L-ser-ZW-(H20)2 (I); к - L-ser-ZW-(H20)2 (II)
Кластер L-ser-(H2O)2 (IV) по устойчивости сопоставим с L-ser-(H2O)2 (I) (рис. 2, з): его энергия выше всего на 5,2 кДж/моль. Такая устойчивость объясняется замыканием каждого из двух псевдоциклов через одну молекулу воды. При этом образуются водородные связи C3-06...H (H20-I) и 05-Н8...0 (H20-I), соединяющие основную и боковую цепи молекулы, а также связи N4...0H (H20-II) и 07-Н12...0 (H20-II) осуществляющие взаимодействие типа основная цепь - основная цепь.
В кластерах L-ser-ZW-(H2O)2 (I) и L-ser-ZW-(H2O)2 (II) (рис. 2, и, к) цвиттер-ион стабилизируется в результате замыкания восьмичленного псевдоцикла через две молекулы воды, а также через две внутримолекулярные водородные связи. Внутримолекулярные связи осуществляются следующим образом: по основной цепи - N4-H13...07, по основной и боковой цепи - 05-H8...06. При образовании восьмичленного псевдоцикла формируются две межмолекулярные связи 07...0H (H20-I) и N4-H14...0 (H20-II), которые соединяют аминогруппу и карбоксильную группу основной цепи молекулы. Кластер L-ser-ZW-(H2O)2 (I) является немного менее стабильным, чем L-ser-ZW-(H2O)2 (II), их энергии относительно структуры L-ser-(H2O)2 (I) составляет 21,0 и 13,1 кДж/моль, соответственно.
Таким образом, наш анализ показал, что стабилизация цвиттер-иона молекулы L-серина - структурной единицы пептидных цепей в живых системах - происходит при взаимодействии одной или двух молекул воды с аминогруппой и карбоксильной группой аминокислоты с замыканием основной цепи молекулы в стабилизирующие псевдоциклы.
Библиографический список
1. D.-S. Ahn, S.-W. Park, I.S. Jeon et al. Effects of Microsolvation on the Structures and Reactions of Neutral and Zwitterion Alanine: Computational Study// J. Phys. Chem. B 2003. Vol. 107. No. 50. P. 14109 - 14118.
2.Ю.А. Овчинников. Биоорганическая химия. М.: Просвещение, 1987. - 815 с.
3. http://classic.chem.msu.su/gran/gamess/index.html (дата обращения: 23.05.2013).
