УДК 543.42:577.115.7; КОНФОРМАЦИОННЫЕ И ЭЛЕКТРОННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ В МОЛЕКУЛАХ ФОСФАТИДИЛЭТАНОЛАМИНОВ И ДИОКСИНОВ ПРИ

Структура и динамика молекулярных систем. Яльчик-2002
43
УДК 543.42:577.115.7;
КОНФОРМАЦИОННЫЕ И ЭЛЕКТРОННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ В
МОЛЕКУЛАХ ФОСФАТИДИЛЭТАНОЛАМИНОВ И ДИОКСИНОВ ПРИ
ОБРАЗОВАНИИ КОМПЛЕКСОВ
Байгулова О.В., Насибуллин Р.С.
Башкирский государственный медицинский университет
Представленная работа является продолжением наших исследований по
взаимодействию
биологически
активных
веществ
из
класса
полихлорированных дибензо-п-диоксинов (ПХДД) с фосфолипидами
клеточных мембран, проводимых методами квантовой химии с использованием
полуэмпирического метода MNDO.
Ранее [1-3] было установлено существование комплексов ряда ПХДД
одновременно с 2-мя молекулами фосфатидилэтаноламина (ФЭ) на крайних
кольцах диоксиновой молекулы, когда обе молекулы ФЭ располагаются с
одной стороны относительно плоскости диоксинов, образующихся за счет
взаимодействия π-системы электронов колец диоксинов и NH3-группы ФЭ (рис.
1). В результате варьирования пространственного расположения молекул
ПХДД и ФЭ относительно друг друга было выявлено нескольких наиболее
вероятных состояний данных комплексов, характеризующихся наиболее
значительными изменениями электронного строения и конформации молекул
ФЭ. Параметры, характеризующие положение диоксиновых и фосфолипидных
Рис. 1. Комплекс ПХДД с 2-мя ФЭ с
одной стороны относительно
плоскости диоксиновой молекулы: a
– молекула ПХДД, b и c – молекулы
ФЭ1 и ФЭ2
молекул относительно друг
друга, показаны на рис. 2: CR1
и CR2 – центры I-го и II-го
диоксиновых колец; N[1,1], C[5,1]
и N[1,2], C[5,2] – атомы N1, C5
ФЭ1 при его взаимодействии с
I-м диоксиновым кольцом и
ФЭ2 при его взаимодействии
со II-м диоксиновым кольцом;
δ1 и δ2 – торсионные углы,
определяющие
положение
молекулы
ФЭ1
и
ФЭ2
относительно ПХДД;
Байгулова О.В., Насибуллин Р.С.
44
δ1=∠ C[5,1]–N[1,1]–CR1–CR2, δ2=∠ C[5,2]–N[1,2]–CR2–CR1, R1 = N[1,1]–CR1, R2 = N[1,2]–
CR2; начальные условия: ∠ N[1,1]–CR1–CR2 = 90°, ∠ N[1,2]–CR2–CR1 = 90°, ∠
C[5,1]–N[1,1]–CR1 = 180°, ∠ C[5,2]–N[1,2]–CR2 = 180°, δ1 = 0°, δ2 = 0°.
Первое
состояние,
соответствующее
структуре комплекса с минимальным значением
энергии ("минимум"), отмечено при значении углов
δ1–δ2 = 0–0°. Энергия комплексообразования
приведена в табл. 1. Эта энергия значительно
повышается по сравнению с энергией образования
комплексов ПХДД с одной молекулой ФЭ на
крайнем диоксиновом кольце, которая составила 1,32 -3,76 ккал/моль. Результаты исследования
структуры и электронного строения молекул
фосфолипидов в комплексах в точках минимумов
Рис. 2. Параметры,
энергии показали, что все отмеченные изменения
определяющие
не оказывали существенного влияния как на общую
пространственное
расположение молекул ПХДД конформацию фосфолипидных молекул, так и на их
электронное строение. Для объяснения причины
столь резкого повышения энергии комплексообразования были проведены
исследования структурных и электронных параметров молекул ПХДД в
комплексах.
Таблица 1
Энергия образования комплексов ПХДД с 2-мя ФЭ на крайних кольцах с одной
стороны относительно плоскости диоксиновых молекул Екомпл (в ккал/моль) и
особенности отрыва атома H2 от NH3-группы ФЭ
Углы
δ1–δ2
0°–0°
0°–120°
2,3,7,8ТХДД
-33,36
–
30°–120°
300°–90°
90°–270°
90°–300°
120°–0°
120°–330°
330°–60°
30°–150°
-37,81
-17,63
-49,36
-47,28
-11,88
-34,25
-44,49
-39,74
Комплекс двух ФЭ с:
1,2,3,7,8,92,3,7,9ГХДД
ТХДД
-32,22
-30,82
-14,69
–
–
-12,31
-37,99
-29,66
-37,04
-24,72
-42,13
-35,74
–
–
-37,24
-29,37
-11,42
-20,21
-44,64
-43,44
2,3,7ТриХДД
-33,19
–
–
–
-48,93
-36,22
-11,33
-22,29
-43,40
-37,57
отрыв H2 от NH3группы у молекулы:
Минимум энергии
ФЭ2, с образованием
связи H2(ФЭ2)–O13(ФЭ2)
ФЭ1, с образованием
связи H2(ФЭ1)–O13(ФЭ2)
ФЭ1, с образованием
связи H2(ФЭ1)–O13(ФЭ1)
ФЭ1, с образованием
cвязи H2(ФЭ1)–O14(ФЭ1)
Исследования показали, что при образовании комплексов с 2-мя ФЭ в
точках минимумов энергии структура ПХДД изменяется: если в свободном
состоянии они являются жесткими практически плоскими молекулами (рис.
3А), то в точках минимумов энергии они приобретают форму "бабочки", как
Структура и динамика молекулярных систем. Яльчик-2002
45
показано на рис. 3В, при этом углы ω1–ω4 (рис. 3С) становятся равными 169172° (в свободном состоянии они составляют 177-179°). Сравнительный анализ
межатомных расстояний показал, что, по-видимому, на такое изменение
структуры диоксиновых молекул оказывает влияние близкое расположение
атомов фосфатной группы PO4 ФЭ, о чем также свидетельствует и
существенное изменение зарядов на атоме O13 ФЭ и тех атомах C диоксиновых
колец, к которым фосфатная группа располагается ближе всего (см. рис. 1).
В состоянии 2, обозначенном
как "отрыв Н2", в одной из молекул
ФЭ происходит заметное удлинение
связи N1–H2 до 2,49-4,40 Å с
одновременным образованием связи
H2–O13
или
H2–O14,
которая
становится равной 0,94-0,95 Å. При
этом длина связей P12=O13 или P12–O14
увеличивается на 0,08-0,10Å. Длины
связей между остальными атомами
полярной части изменяются в
среднем на 0,01-0,06Å. Одновременно
на атомах N1, H3, H4, O10, O13 и O14
полярной части того ФЭ, на котором
происходит
отрыв
атома
Н2,
наблюдается значительное изменение
зарядов (см. рис. 1): 1) при
образовании связи H2–O13 у одного и
Рис. 3 Формы диоксиновых молекул. A - в
того же ФЭ на атомах N1, H3, H4
свободном состоянии, B - в комплексе с 2-мя
ФЭ, С - торсионные углы, определяющие
заряд увеличивается на 0,30-0,34е,
форму молекул: ∠ω1=C1–C3–O7–C8, ∠ω2=C3–
0,12-0,16е, 0,06-0,10е, соответственно;
O7–C8–C10, ∠ω3=C13–C9–O14–C5, ∠ω4=C9–O14– на атомах O10, O13, O14 заряд
C5–C6; ось симметрии, относительно которой
уменьшается на 0,05-0,11е, 0,16-0,25е,
определяется форма диоксиновых молекул,
0,14-0,18е, соответственно; на этих
проходит через атомы O7 и O14
же атомах второго ФЭ при этом
изменения зарядов составляет 0,01-0,09е; 2) при образовании связи H2–O14 у
одного и того же ФЭ на атомах N1, H3, H4 заряд увеличивается на 0,32-0,33е,
0,14е, 0,06-0,07е, соответственно; на атомах O10, O13, O14 заряд уменьшается на
0,09-0,11е, 0,04е, 0,28-0,29е, соответственно; при этом на атоме O13 второго ФЭ
заряд увеличивается на 0,06-0,13е, а на атоме O14 он уменьшается на 0,10-0,11е;
на остальных атомах этого ФЭ изменения зарядов составляют 0,03-0,05е; 3) при
образовании связи H2(первый ФЭ)–O13(второй ФЭ) на атомах первого ФЭ N1, H3, H4
заряд увеличивается на 0,30-0,32е, 0,14-0,16е, 0,08-0,10е, соответственно; на
атомах O13 заряд уменьшается на 0,16-0,29е, на атоме O14 он изменяется на 0,020,05е; на этих же атомах второго ФЭ при этом изменения зарядов составляют
0,01-0,05е. На атоме P12 обоих ФЭ заряд изменяется на 0,02-0,05е, на всех
46
Байгулова О.В., Насибуллин Р.С.
остальных атомах полярной части на 0,01-0,05е. Значения углов δ1–δ2, при
которых наблюдается отрыв атома Н2, и соответствующие им значения энергии
образования комплекса в этих точках приведены в табл. 1 ("–" – отрыв Н2 не
наблюдается). Как видно из этой таблицы, энергия комплексообразования
также значительно повышается по сравнению с энергией образования
комплексов ПХДД с одним ФЭ на крайнем диоксиновом кольце.
Помимо изменений зарядов на атомах и длин связей между ними,
наблюдаются серьезные изменения двугранных углов гидрофильной части
молекул ФЭ, составляющие 5–200°, вследствие чего в ряде точек происходит
переход изогнутой гош- конформации полярной части обеих молекул ФЭ в
транс- гош- или транс- конформацию (δ1–δ2 = 120–0° и 120–330°). Об этом
также свидетельствует и заметное увеличение расстояний между атомами N1–
P12 и N1–C17 на 0,70-1,32Å и 0,97-1,32Å при переходе в транс-гошконформацию и на 1,52-1,57Å и 1,03-1,32Å при переходе в трансконформацию (см.рис. 1). Одновременно с этим молекулы ПХДД приобретают
форму "бабочки", как показано на рис. 3 (углы ω1–ω4 становятся равными 165169°). Анализ межатомных расстояний в этих точках показал, что на такое
изменение структуры диоксиновых молекул, по всей видимости, оказывает
влияние близкое расположение атомов фосфатных групп РО4 ФЭ. Кроме того,
отмечено изменение зарядов практически на всех атомах ПХДД на 0,01-0,05е;
наиболее сильные изменения отмечены тех случаях, когда существенно
изменяется и структура диоксиновых молекул.
Таким образом, показано, что образование комплексов ПХДД
одновременно с 2-мя молекулами ФЭ с одной стороны относительно плоскости
диоксиновой молекулы ведет не только к изменению конформации и
электронного строения полярной части ФЭ, но в ряде случаев – и к изменению
структуры диоксиновой молекулы. Кроме этого, в ряде случаев наблюдается
разрыв связи N1–H2 у ФЭ и образование новой связи H2–O13 или H2–O14.
ЛИТЕРАТУРА
1. Насибуллин Р.С., Байгулова О.В., Косарева Д.И. Комплексообразование
полихлорированных дибензо- п- диоксинов с фосфатидилэтаноламином
//Структура и динамика молекулярных систем. Сборник статей. – Москва:
ИФХ РАН, 2000. вып. VII. С. 431-434.
2. Насибуллин Р.С., Байгулова О.В. II. Квантовохимическое моделирование
взаимодействия полихлорированных дибензо- п- диоксинов с
фосфатидилэтаноламином //Токсикологический вестник.2001. № 1.
С. 10-14.
3. Байгулова О.В., Косарева Д.И. Влияние полихлорированных дибензо- пдиоксинов на конформацию и электронное строение клеточных фосфолипидов
//Структура и динамика молекулярных систем. Сборник статей. – ЙошкарОла, 2001. Ч. 1. С. 47-51.
.