квантово-химические расчеты электронной структуры

КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ЭЛЕКТРОННОЙ
СТРУКТУРЫ АМИНОКИСЛОТНЫХ ОСТАТКОВ-ПРОЛИНА И
L- , D- ИЗОМЕРОВ АСПАРАГИНОВОЙ КИСЛОТЫ
Нифталы Годжаев
Университет Qafqaz
Баку/Азербайджан
Ирада АЛИЕВА
Бакинский Государственный Уневерситет
Баку/Азербайджан
[email protected]
Светлана ДЕМУХАМЕДОВА
[email protected]
АННОТАЦИЯ
Полуэмпирическими методами квантовой химии рассчитана
электронная структура остатков пролина и L-, D-изомеров аспарагиновой
кислоты. Изучено влияние абсолютной конфигурации замещающих групп
при асимметрическом атоме углерода на распределение электронной
плотности и поверхность потенциальной энергии исследуемых молекул.
Ключевые слова: аминокислота, пролин, аспарагиновая кислота,
квантово-химический расчет, электронная структура
QUANTUM-CHEMICAL CALCULATIONS OF THE PROLINE AND
L-, D- ASPARAGINE AMINO ACIDS ELECTRONIC STRUCTURES
ABSTRACT
Electronic structures of the proline and L-, D-asparagine amino acids were
investigated by the semi-empirical methods of quantum chemistry. The effect of
the absolute configuration of the substituted groups at the asymmetrical carbon
atom on the electronic density and potential energy surface of the investigated
molecules was carried out.
Key words: amino acid, praline, asparagine acid, quantum-chemical
calculations, electronic structure
PROLİNİN VE ASPARAGİN ASİTLERİNİN L VƏ D İZOMERLEİNİN
ELEKTRON YAPISININ QUANTUM – KİMYASAL HESAPLANMASI
ÖZET
Quantum kimyasının yarı ampirik yöntemleri ile asparigin asit artığının
L və D izomerinin vr prolin artığının electron yapısı hesaplanmıştır. Asimmetrik
karbon atomuna bağlı qrupların yerdeğişiminin moleküllerin electron
yoğunluğunun dağılımına potensiyel enerji yüzeyine etkisi incelenmiştir.
Anahtar kelimeler: aminturşusu, prolin, asparagin turşusu, quantum –
kimyasal hesaplama, electron yapısı.
2
PROLİNİN
VƏ
ASPARAGİN
TURŞUSUNUN
L
VƏ
D
İZOMERLƏRİNİN ELEKTRON QURULUŞUNUN KVANT – KİMYƏVİ
HESABLANMASI.
Açar sözlər: aminturşusu, prolin, asparagin turşusu, kvant – kimyəvi
hesablama, elektron quruluşu.
XÜLASƏ
Yarıtempirik kvant-kimyəvi metodlarla prolin qalığını və asparagin
turşusunun L-, D izomerlərinin elektron quruluşu hesablanmışdır. Assimmetrik
karbon atomuna bağlı qrupların dəyişməsinin molekulları elektron sıxlığının
paylanmasına və potensial enerji səhtlərinə təsiri öyrənilmişdir.
ВВЕДЕНИЕ
Аминокислоты−это небольшая группа сравнительно простых
молекул, играющих роль строительных блоков для белковых молекул.
Каждая аминокислота благодаря специфическим особенностям ее боковой
цепи наделена химической индивидуальностью. Асимметрический α-атом
углерода в пространственной структуре аминокислот является хиральным
центром, благодаря чему аминокислоты (за исключением глицина, не
имеющего асимметрического атома углерода) обладают оптической
активностью, т.е. способны вращать плоскость поляризации света в том
или ином направлении. В результате каждая аминокислота может
существовать в двух конфигурациях, представляющих собой
несовместимые зеркальные отображения друг друга и получивших
название оптических изомеров, энантиомеров или стереоизомеров (L- или
D-аминокислота). Почти все аминокислоты, входящие в состав молекул
белков являются L-стереоизомерами. Кроме того, характерная трехмерная
структура белков, благодаря которой они проявляют самые разные виды
биологической активности, возникает только в том случае, если все
входящие в их состав аминокислоты принадлежат к одному
стереохимическому ряду. С целью изучения влияния абсолютной
конфигурации замещающих групп при хиральном атоме углерода
проведены квантово-химические расчеты электронной структуры
и
поверхностей потенциальной энергии для остатков пролина и
аспарагиновой кислоты.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В квантово-химических расчетах система ядер и электронов в
исследуемой молекуле описывается уравнениями квантовой теории [4].
Построение поверхностей потенциальной энергии (ППЭ) представляет
важнейшую составную часть компьютерного эксперимента. Прежде всего
на поверхностях потенциальной энергии находят стационарные точки, т.е.
координаты минимумов, максимумов, седловых точек. Для того, чтобы
можно было говорить о существовании стабильной молекулы или
молекулярного комплекса, на потенциальной поверхности основного
электронного состояния должен быть минимум, энергия которого меньше
энергии любой совокупности фрагментов, на которые можно разбить
молекулу. Если этих минимумов несколько, то для молекулы возможно
несколько изомеров. Координаты ядер, отвечающие точкам минимумов,
определяют равновесные геометрические конфигурации, а энергии по
отношению к соответствующим пределам диссоциации на составные
части-энергии связи химической системы.
Установление
взаимосвязи
между
пространственным
и
электронным строением молекул с одной стороны и функциональным
проявлением их с другой стороны, является одной из важных проблем
современной науки. Структурные изменения по разному влияют на
3
биологическую
активность.
Замещение
меняет
электронное
распределение, в результате чего меняется характер взаимодействия и
функциональные свойства. В данной работе нами было проведено
исследование электронного строения остатков пролина, L-, D- изомеров
аспарагиновой кислоты методами квантовой химии CNDO/2, АМ1 и
РМ3. Расчеты проводились с использованием сервисного комплекса
программ LEV [5]. Квантово-химический раздел программы LEV
позволяет рассчитывать распределение зарядов на атомах, проводить
оптимизацию геометрических характеристик сложных молекулярных
структур, вычислять силовые и электрооптические потенциалы,
электронные плотности и ядерные силы. Кроме того, программа позволяет
строить наглядные карты и рельефные поверхности распределения
валентной электронной плотности в заданных плоскостях, а также карты и
поверхности распределения проекций электронно-ядерных сил,
действующих на ядро любого атома, тем самым изучая характер
взаимодействия сил. Расчеты позволяют количественно оценить
суммарное влияние структурных изменений на распределение
электронной плотности молекулы в целом и в любой ее части.
В таблице 1 приведено полученное распределение зарядов на атомах
исследуемых пептидов, вычисленные методами CNDO/2, AM1 и РМ3.
Модели молекул были заданы, используя координаты атомов, полученных
методом теоретического конформационного анализа. Для сравнения в
таблице приведены данные Шераги и сотр., рассчитанные по методу
CNDO/2 [6].
Таблица 1. Результаты квантово-химических расчетов зарядов на атомах
остатков пролина, L- и D-аспарагиновой кислоты (в единицах заряда
электрона)
ПРОЛИН
Данные квантово-химических расчетов
№ Атом СNDO/2
AM1
PM3
1
C
-0.072
0.031
-0.032
2
N
-0.207
-0.507
-0.203
3
C
0.130
0.027
-0.004
4
H
-0.030
0.058
0.032
6
C
0.028
-0.166
-0.113
7
H
-0.008
0.080
0.053
9
C
0.026
-0.158
-0.100
10
H
-0.009
0.083
0.055
12
H
0.074
0.309
0.163
13
H
-0.015
0.081
0.056
14
C
0.344
0.280
0.177
Данные [6]
0.050
-0.285
0.100
0.010
-0.050
0.025
-0.025
0.015
0.040
0.455
4
15
16
17
O
-0.361
-0.376
-0.411
-0.385
N
-0.247
-0.426
0.047
H
0.120
0.225
0.067
L-АСПАРАГИНОВАЯ КИСЛОТА
Данные квантово-химических расчетов
Данные [6]
№ Атом СNDO/2
AM1
PM3
1
N
-0.021
-0.053
0.783
-0.356
2
C
0.036
-0.119
-0.290
-0.064
3
C
0.367
0.305
0.203
0.450
4
N
-0.247
-0.430
0.044
5
O
-0.301
-0.265
-0.290
-0.384
6
H
0.104
0.200
0.042
9
H
0.196
0.225
0.012
0.176
10
C
-0.075
-0.260
-0.190
-0.170
12
H
0.061
0.167
0.140
0.020
13
C
0.390
0.349
0.436
0.500
14
O
-0.520
-0.507
-0.568
-0.570
15
O
-0.517
-0.506
-0.562
-0.570
16
H
-0.019
0.071
0.043
0.020
D-АСПАРАГИН ОВАЯ КИСЛОТА
Данные квантово-химических расчетов
AM1
PM3
№
Атом СNDO/2
1
N
-0.015
-0.044
0.802
2
C
0.041
-0.117
-0.286
3
C
0.335
0.248
0.138
4
N
-0.256
-0.456
-0.004
5
O
-0.245
-0.171
-0.181
6
H
0.095
0.191
0.036
9
H
0.187
0.219
0.007
11
C
-0.072
-0.251
-0.186
12
H
0.054
0.157
0.134
13
C
0.389
0.343
0.429
14
O
-0.528
-0.530
-0.586
Данные [6]
-0.356
-0.064
0.450
-0.384
0.176
-0.170
0.020
0.500
-0.570
5
15
16
O
H
-0.512
-0.020
-0.484
0.076
-0.538
0.048
-0.570
0.020
Анализ
полученных
результатов
распределения
зарядов,
рассчитанных методами CNDO/2, AM1 и РМ3 показывает, что несмотря
на то, что значения самих зарядов, полученных разными методами
отличаются, характер перераспределения зарядов описывается этими
методами одинаково (и отличается только степенью переноса заряда от
акцептора к донору). L- и D- изомеры аспарагиновой кислоты отличаются
друг от друга только поворотом вокруг связи N2- C1α на 1800 и имеют
схожее распределение зарядов на атомах. Наибольшее расхождение
наблюдается на атомах кислорода. Заряды на кислороде О5 пептидной
группы L-аспарагиновой кислоты значительно ближе к результатам,
полученным в работе [6], чем на соответствующем атоме D-аспарагиновой
кислоты. Связь С=О пептидной группы является эффективным
акцептором протонов, обладает высокой химической активностью и
способностью к образованию межмолекулярных комплексов. Расчеты
показывают высокую электронную плотность вблизи атомов кислорода.
Заряды на атомах кислорода О14 и О15, вычисленные разными методами
для D-аспарагиновой кислоты незначительно отличаются друг от друга, в
то время как для атомов кислорода L-аспарагиновой кислоты
соответствующие заряды были практически одинаковыми.
Программа LEV использует для расчета абсолютных интенсивностей
в колебательных спектрах поглощения валентно-оптическую теорию, в
основе которой лежит представление полного дипольного момента
молекулы в виде векторной суммы параметров, получивших название
дипольных моментов связей. Действительно, при образовании связи
происходит обмен валентными электронами между атомами связи, причем
вероятность перехода электронов с одного атома связи в общем случае не
равна вероятности перехода электронов от другого атома связи, и в
результате возникает первичный дипольный момент. Вычисленные
значения дипольных моментов связей для молекул пролина, L- и Dаспарагиновой кислоты приведены в таблице 2.
Таблица 2. Дипольные моменты (μ, в D) связей в пролине, L-и Dаспарагиновой кислоте
Пролин
Связь
C1-N2
N2-C3
C3-H4
C3-H5
C3-H6
C6-H7
-0.394
0.994
0.306
0.329
-0.042
0.421
μ
Связь
C6-H8
C6-C9
C9-H10
C9-H11
N2-H12
C1-H13
0.439
-0.030
0.434
0.446
2.017
0.425
μ
Связь
C9-C1
C1-C14
C14-O15 C14-N16
-0.100
-0.512
-2.219
0.161
μ
L-аспарагиновая кислота
Связь
N1-C2
C2-C3
C3-N4
C3-O5
N4-H6
N4-H7
-4.531
0.535
-0.952
1.264
0.209
-1.564
μ
Связь
N1-H8
N1-H9
N1-H10
C2-C11
C2-H12
C11-C13
1.142
1.081
1.157
-5.674
0.804
-4.885
μ
Связь C13-O14
C13-O15 C11-H16 C11-H17
-3.046
-3.038
0.371
0.431
μ
D-аспарагиновая кислота
Связь
N1-C2
C2-C3
C3-N4
C3-O5
N4-H6
N4-H7
6
μ
Связь
μ
Связь
μ
-4.552
N1-H8
1.215
C13-O14
-3.182
0.518
N1-H9
1.053
C13-O15
-2.905
-0.039
N1-H10
1.084
C11-H16
0.398
-1.012
C2-C11
-5.612
C11-H17
0.429
0.917
C2-H12
0.755
1.244
C11-C13
-4.928
Как видно из таблицы 2 при сравнении дипольных моментов связей
L- и D-аспарагиновой кислоты наибольшая разница в их значениях
наблюдается для связей С3-О5 и особенно для связи С3-N4, где их значения
отличаются знаком и по величине на два порядка.
Известно, что внутримолекулярные влияния затухают очень быстро и
поэтому во многих случаях ими нельзя объяснить изменения
функциональных свойств. Изменение внешнего электростатического поля
несравненно сильнее зависит от дальних заместителей, чем изменение
электронной плотности. Поэтому для более надежного установления
причин изменения функциональных свойств необходимо исследовать
поведение молекулярных электростатических потенциалов посредством
исследования их электростатических полей и электронно-ядерных сил.
Для более подробного исследования поведения пептидной группы
рассматриваемые молекулы позиционировались относительно плоскости
сечения таким образом, чтобы в плоскости располагалась пептидная
группа. Затем вычислялись значения электронной плотности и
электростатического потенциала точек плоскости. Распределение
плотности исследовалось в сечениях, проходящих через плоскость
пептидной группы и на расстоянии 2 или 4 шага вправо или влево от
плоскости, где изменения плотности максимальны. Вычисленные
значения распределения валентной электронной плотности и
электростатического потенциала вдоль заданных сечений исследуемых
молекул, а также действие электронно-ядерных сил на атомы пептидной
группы представлены на рис.1, 2, 3.
а
г
б
в
д
ж
7
з
и
к
л
м
Рис. 1 Пролин. а) плоскость сечения молекулы; б) контурная карта
электронной плотности; в) поверхность электронной плотности; г) карта
проекций электронно-ядерных сил, действующих на ядро атома C14; д) на
атом O15; ж) на атом N16; з) поверхность проекций электронно-ядерных
сил, действующих на атом C14; и) поверхность электронно-ядерных сил на
атом О15; к) поверхность электронно-ядерных сил на атом N16; л)
поверхность электростатического потенциала; м) контурная карта
электростатического потенциала.
а
б
г
в
д
8
ж
з
Рис.2
L-аспарагиновая кислота. а) плоскость сечения молекулы для
расчета ядерных сил с выходом из плоскости на 2 шага; б) контурная
карта электронной плотности молекулы в плоскости пептидной группы;
в) поверхность электронной плотности; г) контурная карта
электростатического потенциала в плоскости молекулы; д) поверхность
электростатического потенциала в плоскости молекулы; ж) цветная карта
проекций электронно-ядерных сил, действующих на атом N4 на
расстоянии 2 шага от плоскости пептидной группы ; з) поверхность
электронно-ядерных.сил, действующих на атом N4
а
б
г
в
д
9
ж
з
Рис. 3 D-аспарагиновая кислота. а) плоскость сечения; б) контурная карта
электронной плотности; в) поверхность электронной плотности; г)
контурная карта электростатического потенциала; д) поверхность
электростатического потенциала; ж) цветная карта проекций электронноядерных сил, действующих на атом O5; з) цветная карта проекций
электронно-ядерных сил, действующих на атом N4
На рисунках результаты вычислений могут быть показаны в виде
наглядных цветных картин уровней электронной плотности или
электростатического потенциала, каждому из которых соответствует
определенный цвет в соответствии с планкой уровней, контурные карты в
виде границ (белым цветом показаны границы между уровнями) и
трехмерного
графика.
Высота
точки
рельефного
графика
пропорциональна
значению
электронной
плотности
или
электростатического потенциала. На рис. 1, 2 и 3 приведена часть
полученных карт и поверхностей. Во всех случаях имеются области
сильного всплеска потенциала вокруг ядер. Расчеты показывают, что чем
ближе находится точка пространства к ядру, тем меньше чувствуется
влияние других ядер. Это означает, что поведение внутренних оболочек
атомов будет мало зависеть от того, есть ли вокруг данного атома другие
ядра или нет. Поэтому исследование электронно-ядерных сил на атомах
пептидной группы мы проводили на расстоянии 2-х или 4-х шагов от
плоскости сечения. Именно искажения атомных потенциалов за счет
действия других сил (своеобразная “поляризация” атомных потенциалов)
и появление новых областей с повышенным положительным потенциалом
между ядрами (потенциальных ям для электронов) приводит к тому, что
происходит
перераспределение
электронной
плотности.
Такой
дополнительный положительный потенциал в межъядерных промежутках
является необходимым условием для образования химической связи. Из
приведенных карт и поверхностей следует, что влияние любого
заместителя на распределение электронной плотности мало уже в
сравнительно близких участках молекулы. Исследование же характера
связей на уровне сил, действующих на ядра со стороны различных
участков электронного облака молекулы, это не только наглядный прием,
но и открывает многообразие деталей химической связи, особенности
которой определяются особенностями формирования сил.
ЛИТЕРАТУРА
1. Попл Д. А., Квантово-химические модели //Успехи физических наук,
2002, том 172, №3, с.349-356
2. Степанов Н.Ф., Пупышев В.И. Квантовая механика молекул и
квантовая химия. М.: Изд-во МГУ, 1991, 384 с.
10
3. Бурштейн К.Я., Шорыгин П.П. Квантово-химические расчеты в
органической химии и молекулярной спектроскопии, М.:Наука, 1981,
104 с.
4. Грибов Л.А., Муштакова С.П. Квантовая химия, М., 1999, 390 с.
5. Gribov L.A. Light elucidation of vibrations. The description of the program
and instruction to the user // OOO “INLAN”, 1995
6. Momany F.A., McCuire R.F., Burgess A.W., Scheraga H.A. // Phys.Chem.,
1975, v. 79, No.22, p.2361-2381