УДК 539.182
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