CC BY
29
УДК 544.18
В.Н. Коротенко, А.Н. Егорова *, В.Г. Цирельсон
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская пл., д.9. *e-mail: [email protected]
НЕКОВАЛЕНТНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В КОНФОРМЕРАХ НЕЙТРАЛЬНОЙ МОЛЕКУЛЫ СЕРИНА ПО ДАННЫМ КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКОГО РАСЧЕТА
Совместное применение взаимодополняющих квантово-химических методов квантово-топологического анализа электронной плотности, анализа приведенного градиента электронной плотности, метода взаимодействующих атомов и внутреннего электронного давления позволило установить характеристики нековалентных внутримолекулярных взаимодействий в конформерах нейтральной молекулы серина.
Ключевые слова: серин; внутримолекулярные нековалентные взаимодействия; метод функционала плотности; квантово-топологический анализ; приведенный градиент электронной плотности; метод взаимодействующих атомов.
Изучение внутримолекулярных нековалентных взаимодействий в конформерах неионизированных аминокислот, являющихся строительными элементами пептидных цепей, имеет важное значение для понимания процессов образования пространственной структуры белка.
Экспериментальное определение конформеров аминокислот затруднено в силу их большой конформационной лабильности. Наличие трех доноров протона и четырёх акцепторных групп в молекуле серина предполагает широкий диапазон внутримолекулярных взаимодействий и,
следовательно, большое количество стабильных конформаций этой молекулы, небольшие размеры которой позволяют проводить квантово-химические расчеты высокого уровня без больших затрат вычислительных ресурсов.
В молекуле серина имеется пять внутренних осей, вращение вокруг которых приводит к формированию различных конформаций. Анализ построенной нами поверхности потенциальной энергии неионизированной молекулы серина, рассчитанной в зависимости от конформационного состояния основной цепи выявил шесть локальных минимумов. Для каждого из них получены конформеры, отличающиеся конформационным состоянием и ориентацией боковой цепи. Всего получен 51 конформер, структуры которых полностью оптимизированы методом Кона-Шэма в приближении B3LYP/6-311++G** (программа Gamess (Ш) РС/2003), и определена их относительная устойчивость. Анализ колебательных частот всех структур показал отсутствие мнимых частот колебаний, что свидетельствует о достижении минимума энергии. Используя рассчитанные волновые функции для девяти наиболее устойчивых конформеров (№-N9, с относительной энергией не более 10 кДж/моль), провели поиск, классификацию и количественное описание нековалентных внутримолекулярных взаимодействий. Для этого совместно использовали методы квантово-топологического анализа электронной плотности (теория QTAIMC) [1], анализа приведенного градиента электронной
плотности (RDG) [2], взаимодействующих атомов (IQA) [3] и внутреннего электронного давления [4]. Расчеты характеристик взаимодействий
осуществляли при помощи программ AIM2000, Multiwfn и AIMAll .
QTAIMC-анализ девяти наиболее устойчивых конформеров нейтральной молекулы серина позволил установить картину связевых путей (и критических точек связей, КТС), ассоциируемых с ковалентными связями между атомами и завершенными нековалентными взаимодействиям типа 0-Н...М и 0-Н...0 (рис. 1).
-II
-0.020 0.000 »¡кп|Я.2(г)|*р(г), ат. ед.
вКЙГ 0,040
Рис. 1. Наиболее устойчивый конформер N1 нейтральной молекулы серина, а) - показаны атомы и критические точки связей, черная точка соответствует КТ (3, -1), черный треугольник - КТ (3, +1); б) - визуализация областей нековалентных внутримолекулярных взаимодействий с помощью изоповерхности приведенного градиента ЭП КОС = 0,6 ат. ед.; в) -зависимость приведенного градиента ЭП от величины 81§п[^2(г)]*р(г).
а
б
в
Анализ межатомных расстояний в конформерах выявил 8 возможных типов нековалентных взаимодействий, которые можно разбить на следующие группы с учетом типа взаимодействующих фрагментов молекулы: аминогруппа основной цепи - карбокси-группа основной цепи (01-Н1...Ш, Ш-Н2...01, Ш-Н2...02), аминогруппа основной цепи - гидрокси-группа боковой цепи (03-H4.N1, Ш-Н2...03), карбокси-группа основной цепи - боковая цепь (03-Н4...02, С3-Н7...01, С3-Н7...02).
В рамках квантово-топологической теории в конформерах выявлены три типа водородных связей: 01-НиШ (N1, N3, N5 и N7), 03-H4•N1(N2, N4, N8) и 03-Н4^02 (N3, N6, N9) ( • наличие КТС). Например, в конформере N1 это связь 01-Н1^№ (рис.1, а). Анализ КОв в этих системах показал, что между парами атомов, величина расстояния между которыми предполагает существование взаимодействий, идентифицируются области с низкими значениями ЭП и малыми величинами ЯБв. При этом реализуется два типа результатов, соответствующих наличию или отсутствию связевого пути между атомами. При наличии связевого пути пик КОС острый и касается оси абсцисс, в противном случае пики КОС менее
глубокие (для конформера N1 - смотри рис.1). Последние взаимодействия можно
идентифицировать как латентные (незавершенные) внутримолекулярные нековалентные
взаимодействия. К таковым можно отнести, согласно межатомным расстояниям, взаимодействия N1-H2...O2 (N2, N4), N1-H3...O1 (N6, N9), N1-H2...O3 (N6), N1-H3...O3 (N1, N5, N7) и C3-H7...O1 (N4). Имеются также пары атомов, расстояние между которыми превышает сумму ван-дер-ваальсовых радиусов (для атомов Н...О 2,60 Ä): C3-H6...O1 (N2), C3-H6...O2 (N5), C3-H7...O2 (N1), N1-H3.O1 (N6, N9), O3-H4.O2 (N1).
Для всех выявленных взаимодействий методом IQA проведен расчет атомных энергий (EiqA) и энергий парных межатомных взаимодействий (Emt). Отрицательные значения энергий Eint указывают на то, что эти взаимодействия являются аттрактивными (притягивающими) и в анализируемых конформерах играют стабилизирующую роль. Кроме того, наши исследования показали, что для завершенных нековалентных взаимодействий значения Eint (им отвечают КТС) более отрицательны, чем для незавершенных (таблица 1).
Таблица 1. Значения энергий межатомного взаимодействия Eint , обменно-корреляционный (Vxc) и классический (Vcl) вклады (все в кДж/моль), расстояние между атомами R(H... Y) (Ä) и 0 - угол (X-H... Y) (град.) в конформерах серина.
КТС Vcl Vxc E Int R 0 КТС Vcl Vxc E Int R 0
O1-H1...N1 N [1-H3...O3
N1 Есть -441,9 -54,6 -496,6 1,916 124,9 N1 Нет -214,8 -12,0 -226,8 2,487 106,4
N3 Есть -436,2 -51,9 -488,1 1,936 124,1 N5 Нет -229,4 -15,8 -245,2 2,322 108,0
N5 Есть -440,2 -55,4 -495,7 1,913 125,4 N7 Нет -224,3 -14,6 -238,9 2,391 108,6
N7 Есть -438,3 -53,4 -491,8 1,929 125,0 N [1-H2...O3
N1-H2...O2 N6 Нет -212,3 -11,6 -223,9 2,502 102,5
N2 Нет -233,0 -11,8 -244,8 2,467 100,5 O3-H4...O2
N4 Нет -267,2 -21,4 -288,6 2,233 108,2 N1 Нет -317,4 -3,5 -321,0 2,831 110,2
N1-H2...O1 N3 Есть -429,5 -31,9 -461,4 2,049 134,5
N8 Нет -213,4 -10,4 -223,8 2,410 100,2 N6 Есть -397,9 -21,1 -419,0 2,194 126,5
N1-H3...O1 N9 Есть -392,5 -19,1 -411,7 2,220 124,6
N6 Нет -188,9 -5,0 -193,9 2,691 97,1 C3-H6...O1
N9 Нет -194,6 -4,7 -199,2 2,670 93,5 N2 Нет -17,5 -7,1 -24,6 2,751 92,9
O3-H4...N1 C3-H6...O2
N2 Есть -352,3 -25,2 -377,5 2,245 114,0 N5 Нет -23,5 -7,5 -31,0 2,789 92,6
N4 Есть -350,3 -23,2 -373,5 2,280 112,9 C3-H7...O2
N8 Есть -350,5 -24,5 -375,0 2,252 114,0 N1 Нет -26,1 -11,6 -37,7 2,619 91,5
Энергии завершенных взаимодействий 01-Н1...Ш, 03-Н4..Ж и 03-Н4...02, оцененные из соотношения ЕЭ = 0.5 уь - плотность
потенциальной энергии в КТС), составляют для 01-Н1...№ 36,6 - 38,7 кДж/моль и понижаются для 03-Н4..Ж и 03-Н4...02 (15,2 - 21,7 кДж/моль). Та же тенденция наблюдается и для значений Е^ в этих взаимодействиях (таблица 1). Вклад обменной энергии Ухс в энергии парных межатомных взаимодействий Е^ здесь составляет от 4,6 до 11,2 %. Для незавершенных взаимодействий №-Н2...02,
Ш-Н2...01, Ш-Н3...01, №-Н3...03, №-Н2...03 значения Ещ составляют от -193,9 до -288,6 кДж/моль. Вклад Ухс в здесь несколько
снижается и составляет от 2,3 до 7,4 %.
Во взаимодействиях типа 0-Н..^, 0-Н..0 и N Н.0 видна следующая тенденция: чем меньше расстояние между парой взаимодействующих атомов, тем более отрицательно значение Е^. Другая тенденция наблюдается в незавершенных взаимодействиях типа С-Н...01 и С-Н...02, которым отвечает наибольший вклад обменной
энергии: от 24,1 до 34,7 %. Сила этих взаимодействий, по-видимому, более зависит от электронного состояния атома акцептора. Из анализа
величины Eint между атомами Н и О в этих
„2
взаимодействиях видно, что взаимодействие с -гибридизованным атомом О2 может быть более привлекательным, чем с 8р3-гибридизованным атомом О1 (таблица 1).
Все завершенные нековалентные
взаимодействия в конформерах нейтральной молекулы серина являются водородными связями разной силы. Метод показывает, что
межатомные электростатические взаимодействия вносят заметный вклад в энергию незавершенных нековалентных взаимодействий, причем при переходе от фрагмента ^Н.. .0 к фрагменту С-Н.. .0 этот вклад несколько снижается (таблица 1). Детали незавершенных нековалентных взаимодействий позволяет определить анализ EIQA атома, для случаев, когда атом участвует и не участвует во взаимодействии. Например, в конформере N1,
незавершенное взаимодействие N1-Ю...O3 имеет признаки формирующейся водородной связи. Для него Е|п1<(). атом НЗ дестабилизируется (ДЕВДА =1,6 кДж/моль), атом 03 стабилизируется (ДЕВДа = -17,7 кДж/моль) по сравнению с конформером N3, в котором взаимодействие между атомами Ю и O3 исчезает вследствие поворота боковой цепи. Возможное взаимодействие С3-Н7...О2 в этом конформере нельзя рассматривать как потенциальную Н-связь: величина Eint гораздо менее
Мы также рассмотрели картину внутреннего электронного давления в конформерах серина, которая полностью поддержала сделанные выше выводы.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского Фонда Фундаментальных исследований (грант 16-03-00057a).
Коротенко Василий Николаевич, студент 4 курса факультета естественных наук РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва.
Егорова Анна Николаевна, к.х.н., доцент кафедры квантовой химии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Цирельсон Владимир Григорьевич, д.ф.-м.н., зав. кафедрой квантовой химии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Литература
1. Бейдер Р. Атомы в молекулах. Квантовая теория. — М.: Мир, 2001. — 532 с.
2. Johnson E.R., Keinan S., Mori-Sanchez P. et al. Revealing Noncovalent Interactions // J. Amer. Chem. Soc. — 2010. — V. 132. — № 18. — P. 6498-6506.
3. Martin Pendas A., Blanco M.A., Francisco E. Two-electron integrations in the quantum theory of atoms in molecules // J. Chem. Phys. — 2004. — V. 120. — № 10. — P. 4581-4592.
4. Tsirelson V.G., Stash A.I., Tokatly I.V. Bonding in molecular crystals from the local electronic pressure viewpoint / V. G. Tsirelson, // Molecular Physics. — 2016. — V. 114. — № 7-8. — Р. 1260-1269.
Vasily Nikolaevich Korotenko, Anna Nikolaevna Egorova*, Vladimir Grigorievich Tsirelson
D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. * e-mail: [email protected]
NONCOVALENT INTERACTIONS IN NEUTRAL SERINE CONFORMERS BY QUANTUM CHEMICAL METHODS
Abstract
The intramolecular non-covalent interactions in the serine conformers are studied and clarified by using a combination of the Quantum Theory of Atoms in Molecules, the Non-covalent Interaction Analysis and the Interacting Quantum Atoms methods. The specific bonding features of these interactions are established for this molecule.
Key words: quantum chemical calculations; density functional theory; quantum theory of atoms in molecules; reduced gradient density; interacting quantum atoms.
