gototopgototop

УДК 539.182

Расчет структуры и колебательных спектров цвиттер-ионных форм L– и DL–цистеина

Кадров Дмитрий Михайлович – аспирант кафедры Радиотехники и электродинамики Саратовского государственного национального исследовательского университета им. Н.Г. Чернышевского.

Аннотация: Выполнен квантово-химический расчет ИК спектров цвиттер-ионных форм L– и DL–цистеина. Определены геометрические параметры исследуемых молекул и проведена полная интерпретация ИК спектров рассматриваемых молекул. Вычислены длины связей исследуемых конформеров, отличия валентных углов. Изменение конформации от L– к DL–Cys приводит к уменьшению угла CCSH на 3º. Проведено детальное отнесение ИК полос спектра. Наибольшее частотное изменение наблюдается для неплоского колебания связи SH, которое составляет 42 cм-1.

Ключевые слова: Цистеин, ИК спектры, цвиттер–ион, квантово–химический расчет, интерпретация.

Введение

Цистеин (Cys) – заменимая аминокислота, синтезируемая организмом живых существ. Существует в виде L– и DL– конформеров, температура плавления L–Cys составляет 221ºС, а DL–Cys – 247-249ºС. Растворимость обеих форм одинакова. Cys обладает антиоксидантными свойствами и входит в состав α-кератинов, являющихся основой белка ногтей, кожи и волос. На основе L–Cys созданы лекарственные препараты, разрушающие слизь в дыхательных путях при бронхитах и эмфиземе легких. DL–Cys ускоряет заживление ожоговых ран и входит в состав антибиотиков, синтезируемых клетками для борьбы с другими микроорганизмами.

Несмотря на то, что колебательные спектры L– и DL–Cys были предметом ряда исследований, проблема отнесения полос в ИК спектрах изомеров Cys не решена окончательно и в настоящее время обсуждается в литературе [1-6].

Ранее авторами работы [7] были изучены спектры кристаллического L–Cys в водном растворе при температуре 298,15 К и рассчитаны стандартные значения энтальпии [8, 9].

Сравнительный анализ колебательных спектров Cys, существующего в виде L– и DL–изомеров позволит получить более точную информацию о динамике молекулярной структуры в целом, а также отдельных молекулярных групп, обеспечивающих каталитически активную конформацию фермента [10].

В работе [10] был рассмотрен механизм окисления L–Cys при облучении его лазером. Решена система дифференциальных уравнений, описывающая кинетику процесса и дано численное решение системы дифференциальных уравнений, моделирующих кинетику реакций. Спектр ИК был измерен в частотном диапазоне 600–4000 cм-1 и в интервале температур 83–333 K. Измерения проводились на ИК– Фурье спектрометре Perkin-Elmer System 2000R с просвечивающим ИК микроскопом UMA – 400.

Теоретические расчеты колебательных спектров водородно–связанных комплексов L–Cys с селенистой и селеновой кислотами были приведены методом DFT (теории функционала плотности) на уровне теории B3LYP/6–31G(d,p) [12].

Для определения влияния конформации на ИК спектры необходимо исследование колебаний в низкочастотной области, которая ранее не была выполнена. В связи с этим целью работы является интерпретация полного ИК спектра и сравнение с экспериментальными данными [10].

Расчет геометрических параметров, ИК– интенсивностей и частот колебаний цвиттер–ионных форм конформеров цистеина был выполнен методом DFT (теория функционала плотности) в приближении B3LYP/6-311++G(d, p) [11, 12]. Расчеты проводились для водного раствора, что позволило цвиттер-ионной форме принять не только стабильную форму, но и сохранить структуру при повышении давления и изменении температур в интервале 83-333 K.

В основе расчётов по методу самосогласованного реакционного поля SCRF (Self– Consistent Reaction Field) лежит модель растворителя, как поля, имеющего постоянную универсальную диэлектрическую постоянную ε (для воды ε =78.39).

Результаты и обсуждение

Молекулярные структуры исследуемых молекул представлены на рис.1.

Рисунок 1. Молекулярные структуры с обозначением и нумерацией атомов цвиттер-ионных форм L– и DL–Cys.

Результаты расчёта геометрических параметров L– и DL–Cys приведены в табл. 1. Длины связей исследуемых конформеров совпадают, наибольшие отличия наблюдаются для валентных углов C2C1H8 и C2C1C3, которые составляют 3.2 и 5.1 град.

Таблица 1. Вычисленные длины связей (Å) и валентные углы (град) цвиттер-ионных форм L- и D- Cys.

Связи

L-Cys (Å),

DL-Cys (Å)

Углы

L-Cys

(град)

DL-Cys (град)

С1С2

1.56

O6C2O7

129.4

129.6

С1C3

1.52

C1C2O6

114.5

114.6

C3S4

1.84

C1C2O7

116.0

115.6

C2O6

1.26

C2C1H8

107.0

110.2

C2O7

1.24

C2C1N5

106.4

106.7

C1N5

1.50

C2C1C3

115.1

110.0

N5H12

1.02

N5C1H8

106.9

108.3

N5H13

1.04

C3C1H8

108.8

110.7

N5H14

1.02

C1N5H12

114.4

112.1

C1H8

1.09

C1N5H13

103.6

104.1

C3H10

1.09

C1N5H14

109.8

112.2

C3H11

1.09

C1C3H10

111.1

108.5

S4H9

1.35

C1C3H11

108.4

110.7

 

 

C1C3S4

114.2

115

 

 

C3S4H9

96.9

97.2

 

 

H12N5H14

109.1

107.8

 

 

H13N5H14

107.7

112.5

 

 

H12N5H13

111.7

107.8

 

Значения вычисленных частот колебаний цвиттер-ионов Cys и отнесение полос представлены в таблице 2. Отнесение полос в ИК– спектрах проводилось на основе анализа и сравнения форм колебаний вычисленных и экспериментальных спектров, соответствующих определенной частоте и рассчитанных амплитуд колебаний атомов.

Таблица 2. Экспериментальные и вычисленные значения частот (νр, cм-1) и интенсивностей спектров ИК (Iр,ИК, км/моль) L- и DL-Cys.

 

L-Cys

DL-Cys

Отнесение*

nэ

nр

Iр,ИК

nэ

nр

Iр,ИК

 

1

-

64

5.9

-

59

14.7

τ(NH3+),

τ(СО2-)

2

 

92

31.6

-

94

13.5

ρ(SH)

3

-

185

9.9

-

164

45.8

δ(NH3+), ρ(SH)

4

-

258

46.1

-

225

30.6

τ(NH3+)

5

-

265

40.7

-

248

6.3

δ(NH3+),

δ(СH2)

6

-

326

36.3

-

284

37.1

ρ(SH)

7

-

365

33.8

-

330

50.2

τ(NH3+)

8

-

490

3.5

-

392

18.5

δ(СH)

9

-

513

37.8

-

526

35.1

δ(СH)

10

-

580

10.1

-

660

11.7

δ(СH2), δ(СH)

11

635

661

8.3

620

673

19.3

δ(СH2)

12

663

772

5.1

663

782

4.9

τ(СH2)

13

753

789

24.4

753

801

3.7

δ(СО2-)

14

942

843

92.7

933

844

92.1

δ(СО2-)

15

-

902

61.8

-

889

121.1

ν(C...N)

16

-

987

19.9

-

980

20.3

ω(CH2)

17

993

1058

47.7

993

1030

41.1

ν(C...N), ρ(SH)

18

1003

1086

20.5

999

1097

53.2

ρ(CH)

19

1063

1123

57.6

1080

1140

39.3

ρ(CH)

20

1140

1231

7.6

1160

1247

2.1

τ(СH2), ρ(SH)

21

-

1294

12.6

-

1263

23.3

ρ(CH2)

22

1196

1323

129.2

1211

1322

35.1

ρ(CH)

ρ(СH2)

23

1295

1362

135.3

1308

1339

343.7

ν(CO…C)

24

 

1380

84.3

 

1390

33.1

ρ (CH)

25

1346

1426

542.7

1337

1423

571.2

ρ(NH3+)

26

1421

1454

34.4

1421

1467

11.2

δ(СH2)

27

1526

1596

24.9

1500

1621

72.8

δ(NH3+)

28

1540

1667

703.7

1535

1660

475.1

ν(CO2), δ(NH3+)

29

1644

1669

135.6

1647

1671

364.1

δ(NH3+)

30

2551

2671

0.1

2544

2665

0.9

ν(SH)

31

-

3080

3.7

-

3075

5.1

ν(СH)

32

-

3089

13.3

-

3121

11.1

ν(CH),

ν(СH2)

33

-

3154

0.4

-

3149

2.1

ν(СH2)

34

3162

3176

330.8

3162

3190

296.1

ν(NH)

35

-

3377

169.5

-

3411

164.3

ν(NH)

36

-

3520

140.9

-

3516

136.5

ν(NH)

* Использованы следующие обозначения координат: ν - валентное колебание, δ,ρ,ω, τ - деформационные колебания (ножничное, маятниковое, веерное, крутильное).

Рассмотрим характерные особенности спектров L– и DL–Сys в разных спектральных диапазонах.

1. Низкочастотная область (0–400 cм-1 ).

Анализ форм колебаний показал, что данная область включает в себя деформационные колебания групп NH3+, СОО-, СН2 и SH. Деформационные колебания группы NH3+ являются: крутильными 59, 225, 330 cм-1 и 64, 258, 365 cм-1 для L– и DL–Сys и ножничными 164, 248 cм-1 и 185, 265 cм-1, соответственно.

Для группы СО2 в данной области наблюдается крутильное колебание для L–Cys c частотой 59 cм-1 и 64 cм-1 для DL–Сys. В диапазоне частот 248 cм-1 для L– и 265 cм-1 DL–Сys следует отметить ножничный тип колебания группы СН2.

В областях частот 92, 284 cм-1 для L–Cys и 94, 326 cм-1 для DL–Сys - маятниковое колебание группы SH.

Частота несущественно меняется при переходе от L- формы к DL, разница составляет 5-30 cм-1 ,а интенсивность претерпевает более существенные изменения. Например, колебание 3 увеличивает интенсивность ~ в 5 раз при переходе от L–Cys к DL–Сys. Значение интенсивности для L–Cys с частотой 265 cм-1 составляет 40,7 км/моль, в то время как на частоте 248 cм-1 DL–Cys, значение интенсивности равно 6,3 км/моль.

2. Область средних частот (400–1200 cм-1).

Колебания в данной области затрагивает все атомы обеих форм цистеина.

В колебаниях под номерами 8 и 9 наблюдаются ножничные колебания группы СН.

Это область как деформационных колебаний, в которых принимают участие все атомы, так и валентных колебаний. В диапазоне 902 cм-1 и 1058 cм-1 для L–Cys и 889 cм-1, 1030 cм-1 для DL–Cys мы видим валентные колебания атомов С и N групп CH...NH3+ , а на частотах 1058 cм-1, 1030 cм-1 эти колебания сопровождаются еще и деформационными колебаниями группы SH.

Происходит изменение частоты под номером 8, при переходе от одной формы к другой разница составила 98 cм-1. Наибольшее отличие интенсивностей замечено на частоте 902 cм-1 для L–Cys и частоте 889 cм-1 для DL–Cys, разница составила 59,3 км/моль.

3. Область высокочастотных колебаний (1200–1650 cм-1).

В диапазоне частот от 1200 cм-1 до 1671 cм-1 наблюдаются деформационные колебания различных групп, здесь мы можем выделить как полярный ножничный тип деформации, так и неполярный.

К полярным относятся колебания групп СH2 и NH3+ с частотами с номерами 26 и 29. К неполярному типу ножничной деформации относятся колебания группы NH3+ с длиной волны 1596 cм-1 для L–Cys и 1621 cм-1 для DL–Cys.

Изменение частоты при переходе от L– формы к DL– в данном диапазоне несущественно, однако значения интенсивности увеличивается на 208,4 км/моль на частотах 1362 cм-1 для L–Cys и 1339 cм-1 для DL–Cys. Частоте 1667 cм-1 соответствует значение интенсивности 703,7 км/моль для L–Cys, в то время как для DL–Cys частоте 1660 cм-1 соответствует значение интенсивности 475,1 км/моль.

4. Область валентных колебаний (2700–3300 cм-1 ).

Область со значениями частот выше 2700 cм-1 – область валентных NH, CH и SH колебаний. При переходе от L– формы к DL– выявлена незначительная разница частот и интенсивностей.

Выводы

В работе выполнен сравнительный анализ теоретических ИК спектров цвиттер–ионных форм L–цистеина и DL–цистеина, представлены экспериментальные данные, полученные авторами работы [10].

Проведен анализ теоретических ИК спектров цвиттер–ионных форм, на основании которого можно сделать следующие выводы. В спектрах исследуемых молекул наблюдается хорошее согласие с экспериментом, выявлены изменения частот и интенсивностей при переходе от L– формы к DL во всех областях колебаний на всем диапазоне частот. Представлены расчеты структуры L– и DL–Cys, их сравнение геометрических параметров.

Список литературы

  1. Баранова О.А., Хижняк С.Д., Пахомов П.М. Супрамолекулярный гидрогель на основе L-цистеина и наночастиц серебра// Журнал структурной химии 2014 год, №1, 176-180 с.
  2. Торчинский Ю.М. Сульфгидрильные и дисульфидные группы белков// Советская энциклопедия, 1971, 480 с.
  3. Крупко Е.В., Гроздюк Г.Я., Халавка Ю.Б., Окрепка Г.М., Щербак Л.П. Влияние состава реакционной смеси на получение наночастиц CDS, стабилизированных L-цистеином, и их оптические свойства// Теоретическая и экспериментальная химия. Том 47, номер 2, 2011. 99-104 с.
  4. Полубояринов П.А., Лещенко П.П. Качественная реакция на цистеин, восстановленный глутатион и диацетофенонилселенид// Журнал аналитической химии (Москва). Том 68, номер 11, 2013. 1063 с.
  5. Спиридонова В.М. Супрамолекулярные гидрогели на основе L-цистеина и нитрата серебра: получение, структура и физико-химические свойства// Автореферат диссертации. 2012. 19 с.
  6. Панкратов А.Н., Бычков Н.А., Цивилева О.М. Взаимодействие L-цистеина с селенистой и селеновой кислотами: исследование методом теории функционала плотности// Журнал структурной химии. Том 51, номер 1, 2010. 15-21.
  7. Магомедбеков У.Г., Гасангаджиева У.Г., Гасанова Х.М., Магомедова Р.А. Анализ математической модели гомогенного окисления цистеина в колебательном режиме// Вестник дагестанского государственного университета. Номер 4. 2007. 81-83.
  8. Кочергина Л.А., Лыткин А.И., Крутова О.Н., Дамрина К.В. Стандартные энтальпии образования L-цистеина в водном растворе// Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология. Том 56, номер 9, 2013. 38-41 с.
  9. Баделин В.Г., Межевой И.Н.// Термохимические характеристики взаимодействия L-цистеина с глицерином, этиленгликолем и 1,2-пропиленгликолем в водных растворах// Журнал физической химии. Том 85, номер 6, 2011. 1028-1031 с.
  10. Pawlukojc A., Leciejewicz J., Ramirez-Cuesta A.J., Nowicka-Scheibe J. // Ibid. – 2005. – 61A. – P. 2474.
  11. Becke A. D. Density-functional thermochemistry. The role of exact exchange // J. Chem. Phys. 1993. Vol. 98, № 7. P. 5648–5652.
  12. Lee C., Yang W., Parr R. G. Development of the Colle Solvetti correlation-energy formula into a functional of the electron density // Phys. Rev. 1988. Vol. 37B, № 2. P. 785–789.

Интересная статья? Поделись ей с другими:

Внимание, откроется в новом окне. PDFПечатьE-mail

Отправить статью

...

Форма оплаты

Номер статьи, присвоенный редакцией
Количество страниц в статье
Количество экземпляров журнала
Доставка: РФСНГ
Скидка (%)
Заказать свидетельство о публикации
1. Стоимость публикации каждой страницы статьи составляет 200 рублей.
2. Стоимость каждого экземпляра журнала, включая его изготовление и доставку, составляет 300 рублей для России и 600 рублей для стран СНГ.
3. Стоимость печатного свидетельства о публикации составляет 100 рублей

Реквизиты для оплаты через банк