1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Журнал физической химии
  4. T. 94, № 11, 2020

Журнал физической химии, 2020, T. 94, № 11, стр. 1636-1641

Квантово-химическое моделирование взаимодействия наиболее устойчивых таутомеров метиламин-пиридоксаль-5'-фосфата с водой. Строение и свойства моно- и дигидратов

Э. И. Хорошева a, С. А. Шарапова a, Г. М. Курамшина a, *

a Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, Химический факультет
Москва, Россия

* E-mail: kuramshi@phys.chem.msu.ru

Поступила в редакцию 24.12.2019
После доработки 24.12.2019
Принята к публикации 21.01.2020

Полный текст (PDF)

Аннотация

В рамках теории функционала плотности на уровнях B3LYP/6-31+G**, M062X/6-31+G** и BVP86/TZVP выполнены квантово-химические расчеты наиболее устойчивых конформеров для трех (енольной, кето- и цвиттер-ионной) таутомерных форм Шиффова основания метиламин-пиридоксаль-5-фосфата и их моно- и дигидратов, для которых получены оптимизированные структуры, гармонические силовые поля и частоты колебаний. В рамках модели поляризованного континиума исследовано влияние макрогидратирования на конформационный состав таутомеров. Рассчитаны величины вертикальных энергий ионизации устойчивых моно- и дигидратов наиболее стабильных таутомеров метиламин-пиридоксаль-5'-фосфата, а также их моно- и дигидратов. Обсуждено влияние макро- и микрогидратирования на строение, спектры и величины вертикальных энергий ионизации моно- и дигидратов таутомеров метиламин-пиридоксаль-5-фосфата.

Ключевые слова: метиламин-пиридоксаль-5-фосфат, таутомер, конформер, микрогидратирование, теория функционала плотности, колебательный спектр

Пиридоксаль – биологически активное соединение, один из представителей витамина В6, который включен в большое число разнообразных ферментативных систем, связанных с азотным и аминокислотным обменом, и играет ключевую роль в процессах метаболизма аминокислот. Важным свойством этого соединения являются его способность модифицировать протеины и менять их функциональные состояния и свойства.

Пиридоксаль-5'-фосфат является коферментной формой пиридоксаля и является коэнзимом, катализирующим различные реакции, происходящие при метаболизме аминокислот [1–12]. Наличие альдегидной группы в молекуле способствует образованию шиффовых оснований с субстратами, в то время как фенольная группа стабилизирует эти шиффовы основания за счет внутримолекулярной водородной связи и также может участвовать в стабилизирующих межмолекулярных водородных связях.

Наличие пиридинового азота и гидроксильной группы способствует образованию двух таутомерных форм пиридоксаля – нейтральной гидрокси- и цвиттер-ионной структур. Гидроксиметильная группа пиридоксаля играет важную физиологическую роль, являясь местом присоединения фосфатной группы. Равновесие между двумя таутомерами пиридоксаля исследовано спектральными методами в ряде работ [13–19], колебательные спектры соединения в жидком и твердом состояниях и в растворах в CCl4 изучены в [20–23], а спектры ЯМР в [11, 12]. На основе данных низкотемпературных исследований колебательных спектров пиридоксаль-5'-фосфата в аргоновой матрице [24], интерпретация которых была выполнена с помощью квантово-химических расчетов на уровне B3LYP/6–311++G(2p,2d), был сделан вывод о возможности существования пяти устойчивых конформеров молекулы пиридоксаль-5'-фосфата, имеющих внутримолекулярные водородные связи между фенольной и карбонильной группами и 13 конформеров, отличающихся взаимным расположением альдегидной и гидроксильной групп. Наиболее стабильными оказались два конформера, стабилизирующиеся за счет сильных внутримолекулярных водородных связей.

Среди многих возможных производных пиридоксаль-5'-фосфата особый интерес представляет метиламин пиридоксаль-5'-фосфат, являющийся конечным продуктом распада аминогрупп в лизине. Ранее [10] нами на различных уровнях теории были проанализированы возможные конформации трех основных таутомеров метиламин пиридоксаль-5'-фосфата и сделан вывод о том, что из 30 возможных структур енольной, кето- и цвиттер-ионной форм соединения наиболее устойчивыми являются енольная и кетонная формы, стабилизирующиеся за счет образования сильных внутримолекулярных Н-связей. По результатам расчета на уровне B3LYP/6-31+G** енольная форма оказалась более устойчивой с разницей в полной энергии с кето-формой ∼3.2 ккал/моль [10]. В [10] была предложена детальная интерпретация экспериментальных спектров ИК-поглощения и КР енольного таутомера метиламин пиридоксаль-5'-фосфата с учетом возможной таутомерии на основе квантово-химических расчетов изолированных молекул, выполненных на уровне B3LYP/6-31+G**.

Целью настоящей работы является исследование влияния микрогидратации (взаимодействия с ограниченным количеством молекул воды) и макрогидратации (взаимодействия с водой как континуумом молекул) на строение и спектры устойчивых таутомеров метиламин-пиридоксаль-5-фосфата, поскольку физико-химические свойства производных пиридоксаля в водной среде представляют особый интерес. Внимание к гидратации объясняется очевидным влиянием водного окружения на биологические функции метиламин пиридоксаль-5-фосфата. Для метиламина пиридоксаль-5-фосфата отсутствуют экспериментальные и теоретические исследования влияния подобных эффектов на физико-химические свойства соединения. С помощью квантово-химических расчетов на трех уровнях теории (B3LYP/6-31+G**, M062X/6-31+G**, BVP86/TZVP) и в рамках континуальной модели сольватации [25, 26]) выполнено углубленное исследование влияния микро- и макрогидратации на строение и геометрические параметры моно- и дигидратов метиламин пиридоксаль-5'-фосфата. Использованная модель сольватации, в которой растворитель рассматривается как среда с бесконечной диэлектрической проницаемостью (ε → ∞), т.е. как идеальный проводник, обеспечивает достаточно высокую точность оценок эффектов сольватации для растворителей, имеющих большие значения диэлектрической проницаемости среды, в том числе для воды. При использовании других континуальных моделей, в которых растворитель рассматривается как изотропная непрерывная среда, к сожалению, не в полной мере учитываются специфические взаимодействия, возникающие между молекулами растворителя и растворенного вещества. Для оценок такого рода эффектов можно использовать прямые квантово-химические расчеты молекулярных кластеров типа растворитель–субстрат. При учете большого числа молекул растворителя можно надеяться на получение более детальной информации о взаимодействии субстрата с молекулами воды, однако увеличение числа молекул растворителя ведет к существенному росту времени расчета, поэтому на практике начинают анализ влияния с небольшого числа молекул растворителя.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ. МЕТОДЫ РАСЧЕТА

Квантово-химические расчеты выполнены с помощью комплекса программ Gaussian 09 (Revision D.01) [27] с использованием теории функционала плотности в виде функционалов B3LYP и M062X с рядом базисных наборов (6-31G*, 6-31+G* and 6-31+G**) и функционала BVP86 с базиcным набором TZVP [28–36]. Уровень расчета BVP86/TZVP продемонстрировал хорошие результаты для расчетов водных биологических молекул [37].

На всех использованных уровнях теории были рассчитаны оптимизированные структуры и гармонические силовые поля различных конфигураций комплексов енол-метиламин пиридоксаль-5-фосфата с молекулами воды в различных конфигурациях, а также для сравнения соответствующие комплексы кето- и цвиттер-ионной форм. Оптимизация геометрических структур проводилась без каких-либо ограничений. Все величины разностей энергий, приведенные далее в работе, рассчитаны с учетом поправки на нулевой колебательный уровень. Для визуализации оптимизированных структур и колебательных спектров использована программа Chemcraft [38]. Учет влияния водного окружения на геометрические параметры, дипольные моменты и энергии таутомеров проводили методом самосогласованного реакционного поля в модели поляризованного континуума (CPCM) [25, 26]. Для интерпретации теоретических колебательных спектров рассчитанных таутомеров метиламин-пиридоксаль-5-фосфата и их моно- и дигидратов использовались результаты анализа нормальных координат, выполненные с помощью программы СПЕКТР [39, 40].

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

В табл. 1 приведены величины энергий связывания (стабилизации) микрогидратированных молекул енольного и кетонного таутомеров метиламин пиридоксаль-5-фосфата. Наиболее устойчивые конформации двух таутомеров и их моно- и дигидратов, оптимизированные на уровне BVP86/TZVP, приведены на рис. 1 и 2. Для рассмотренных структур также оценены величины вертикальных энергий ионизации, результаты расчетов на уровне BVP86/TZVP приведены в табл. 2. Результаты расчетов на уровнях M062X/6-31+G** и BVP86/TZVP подтверждают выводы об относительной устойчивости таутомеров, сделанные ранее [10] на основании расчетов на уровне B3LYP/6-31+G**, однако, на уровне BVP86/TZVP более устойчивой (∼ на 2 ккал/моль) оказывается кето-форма.

Таблица 1.  

Энергии связывания (Есв., ккал/моль) моногидратов и дигидратов енольного (1–3) и кетонного (4,5) таутомеров метиламина-5'- пиридоксальфосфата

№ Соединение M062Х/6-31+G** B3LYP/6-1+G** BVP86/TZVP
1 енол-Н2О (Н2О···N) 13.64 13.64 11.77
2 енол-Н2О (Н2О···О) 3.67 3.63 3.44
3 енол-2Н2О 10.19   10.73 7.66
4 кето-Н2О (Н2О···N) 10.18   10.73 7.66
5 кето-Н2О (Н2О···О) 17.71   13.20 14.57
6 кето-2Н2О 18.21   18.19 11.76
Рис. 1.

Равновесные (оптимизированные на уровне теории BVP86/TZVP) геометрические конфигурации енольного таутомера (а) и его моно- (б, в) и ди- (г) гидратов. Длины связей приведены в ангстремах.

Рис. 2.

Равновесные (оптимизированные на уровне теории BVP86/TZVP) геометрические конфигурации кетонного таутомера (а) и его моно- (б, в) и (г) дигидратов. Длины связей приведены в ангстремах.

Таблица 2.  

Рассчитанные на уровне BVP86/TZVP величины вертикальных потенциалов ионизации (Е, эВ) и дипольные моменты (μ, Д) для енольного таутомера метиламин-пиридоксаль-5-фосфата и его моно- и дигидратов

Соединение μ, (ней-тральная система) Е μ, (катион)
Енол 2.84 8.12 6.43
Енол-Н2О (Н2О···О) 4.73 8.19 5.70
Еенол-Н2О (Н2О···N) 3.24 8.15 6.58
Енол-2Н2О 1.70 8.24 5.21
Енол (CPCM) 6.39 6.33 9.16
Енол-Н2О (Н2О···О) (СРСМ) 6.34 6.45 6.93
Енол-Н2О (Н2О···N) (СРСМ) 4.45 6.46 10.90
Енол-2Н2О (СРСМ) 2.45 5.82 7.19
Кетон 5.35 7.58 5.24
Кетон-Н2О 4.19 8.06 6.18
Кетон-2Н2О 3.13 7.87 6.36
Кетон (CPCM) 7.85 5.92 7.42
Кетон-Н2О (CPCM) 6.62 5.98 12.83
Кетон-2Н2О (CPCM) 5.15 6.11 8.70

Анализ структурных параметров для межмолекулярных водородных связей NH···O и OН···O в оптимизированных на уровне BVP86/TZVP структурах исследованных комплексов (рис. 1, 2) показывает, что оба варианта присоединения первой молекулы воды к молекуле енольной формы метиламин пиридоксаль-5-фосфата приводят к образованию межмолекулярных водородных связей, характеризующихся длинами связей ОН···О и ОН···N, равными ∼1.91 и 1.86 Å соответственно. При этом в случае образования гидрата енольной формы через связь ОН···О происходит заметное укорочение (примерно на 0.10 Å) внутримолекулярной водородной связи OH···N(CH3) до 1.50 Å. Присоединение первой молекулы воды к енольной форме по пиридиновому циклу приводит к образованию дополнительной достаточно сильной водородной связи О···НО с фосфатной группой (с длиной связи 1.66 Å), это наиболее прочный из рассмотренных ассоциатов с одной молекулой воды, энергия стабилизации которого равна ∼12–14 ккал/моль по результатам расчетов на использованных уровнях. Для сравнения, энергия стабилизации моногидрата енола с присоединением молекулы воды к гидроксигруппе составляет около 3.5 ккал/моль.

В молекуле дигидрата енольного таутомера происходит дальнейшее усиление внутримолекулярной Н-связи, что отражается в существенном (до 1.54 Å) уменьшении ее длины. Для енольной формы также были рассмотрены микрогидратированные структуры с участием трех и четырех молекул воды, результаты расчетов которых демонстрируют, что при введении в окружение данного таутомера дополнительных молекул воды происходит дальнейшее усиление внутримолекулярной водородной связи и ее длина уменьшается до 1.49 и 1.47 Å соответственно. Присоединение третьей молекулы воды к кето-форме также ведет к укорочению внутримолекулярной Н-связи на 0.1 Å.

Заметим, что результаты расчетов негидратированных молекул таутомеров в приближении поляризованного континуума (CPCM) демонстрируют, что учет макрогидратации в рамках данной модели также приводит к подобным, хотя и не столь существенным изменениям в соответствующих структурных параметрах. Анализ полученных величин энергий вертикальной ионизации показывает, что в моно- и дигидратах енольного и кетонного таутомеров потенциал ионизации практически не меняется по сравнению с аналогичными потенциалами изолированных структур, в то время как учет водного макроокружения в рамках модели СРСМ существенно снижает величину вертикальной энергии ионизации молекул, как ‬изолированных, так и микрогидратированных. Понижение потенциалов ионизации под действием макрогидратации составляет 1.7–3.5 эВ, что находится в хорошем соответствии с диапазоном средних величин (2.0–3.5 эВ), известным для биологических молекул.

Изменения строения таутомеров, происходящие при микрогидратации, оказывают влияние на рассчитываемые ИК-спектры, прежде всего, в высокочастотной области, соответствующей колебаниям гидроксильных групп, в которой появляются дополнительные полосы валентных колебаний ОН-связей. Существенные изменения, в частности, перераспределение интенсивностей ИК-полос также происходят в области “отпечатков пальцев”, в которой с увеличением числа молекул водного окружения молекулы, происходит заметное перераспределение интенсивностей полос рассчитываемого спектра ИК-поглощения, практически воспроизводящее картину экспериментального спектра соединения [10]. Аналогичные, хотя и менее выраженные изменения происходят в теоретических ИК-спектрах поглощения рассмотренных соединений, рассчитанных с учетом водного окружения в рамках модели СРСМ.

Таким образом, выполненные квантово-химические расчеты с учетом корреляции электронов в рамках теории функционала плотности Шиффова основания метиламин пиридоксаль-5-фосфата в изолированном состоянии и при взаимодействии с ограниченным (для моно- и дигидратов) и неограниченным количеством молекул воды (в рамках континуальной модели) позволяют сделать вывод о том, что взаимодействие данного соединения и его моно- и дигидратов с молекулами воды существенно изменяет ряд их биологически важных физических и химических свойств по сравнению с изолированным состоянием. Для адекватного описания механизмов функционирования производных витамина В6 в биологических системах необходимо учитывать степень гидратации рассматриваемых объектов.

Данная работа выполнена при поддержке гранта Российского фонда фундаментальных исследований (код проекта № 18-03-00412а).

Список литературы

  1. Metzler D.E., Ikawa M., Snell E.E. // J. Am. Chem. Soc. 1954. V. 76. № 3. P. 648.

  2. Metzler D.E., Snell E.E. // Ibid. 1952. V. 74. № 4. P. 979.

  3. Metzler D.E., Longenecker J.B., Snell E.E. // Ibid. 1953. V. 75. № 11. P. 2786.

  4. Metzler D.E., Olivard J., Snell E.E. // Ibid. 1954. V. 76. № 3. P. 644.

  5. Bartl F., Urjasz H., Brzezinski B. // J. Mol. Struct. 1998. V. 441. № 1. P. 77.

  6. Sanchez-Ruiz  J.M., Martinez-Carrion M. // Biochemistry. 1986. V. 25. № 10. P. 2915.

  7. John R.A. // Biochem. Biophys. Acta. 1995. V. 1248. № 2. P. 81.

  8. Krämer R., Zundel G., Brzezinski B., Olejnik J. // J. Chem. Soc. Faraday Trans. 1992. V. 88. № 12. P. 1659.

  9. Kiruba G.S.M., Wong M.W. // Ibid. 2003. V. 68. № 7. P. 2874.

  10. Kuramshina G.M., Takahashi H. // J. Mol. Struct. 2005. V. 735–736. № 1. P. 39.

  11. Sharif S., Denisov G.S., Toney M.D., Limbach H.H. // J. Am. Chem. Soc. 2007. V. 129. № 19. P. 6313.

  12. Chan-Huot M., Niether C., Sharif S. et al. // J. Mol. Struct. 2010. V. 976. № 1–3. P. 282.

  13. Sanchez-Ruiz J.M., Llor J., Cortijo M. // J. Chem. Soc., Perkin Trans. 2. 1984. № 12. P. 2047.

  14. Llor J., Asensio S.B. // J. Sol. Chem. 1995. V. 24. № 12. P. 1293.

  15. Metzler D.E., Snell E.E. // J. Am. Chem. Soc. 1955. V. 77. № 9. P. 2431.

  16. Nakamoto K., Martell A.E. // Ibid. 1959. V. 81. № 22. P. 5857.

  17. Nakamoto K., Martell A.E. // Ibid. 1959. V. 81. № 22. P. 5863.

  18. Matsushima Y., Martell A.E. // Ibid. 1967. V. 89. № 6. P. 1331.

  19. Heinert D., Martell A.E. // Ibid. 1963. V. 85. № 9. P. 1334.

  20. Heinert D., Martell A.E. // Ibid. 1959. V. 81. № 15. P. 3933.

  21. Person W.B., Del Bene J.E., Szajda W. et al. // J. Phys. Chem. 1991. V. 95. № 7. P. 2770.

  22. Buyl F., Smets J., Maes G., Adamowicz L. // Ibid. 1995. V. 99. № 41. P. 14967.

  23. Anderson F.J., Martell A.E. // J. Am. Chem. Soc. 1964. V. 86. № 4. P. 715.

  24. Kwiatek A., Mielke Z. // Spectrochim. Acta Part A: Mol. Biomol. Spectrosc. 2015. V. 135. P. 1099.

  25. Barone V., Cossi M. // J. Phys. Chem. A. 1998. V. 102. P. 1995.

  26. Cossi M., Rega N., Scalmani G. et al. // J. Comp. Chem. 2003. V. 24. P. 669.

  27. Frisch M.J., Trucks G.W., Schlegel H.B. et al. Gaussian 03, Revision C.02, Gaussian, Inc., Wallingford CT, 2004.

  28. Frisch M.J., Trucks G.W., Schlegel H.B. et al. //Gaussian 09, Revision D.01, Gaussian, Inc., Wallingford CT, 2013.

  29. Becke A.D. // Phys. Rev. A. 1988. V. 38. P. 3098.

  30. Becke A.D. // J. Chem. Phys. 1993. V. 98. P. 5648.

  31. Rassolov V.A., Ratner M.A., Pople J.A. et al. // J. Comp. Chem. 2001. V. 22. P. 976.

  32. Jensen F. // Introduction to Computational Chemistry. Chichester. England. John Wiley and Sons Ltd. 1999. P. 446.

  33. Yang Y., Weaver M.N., Weaver K.M. et al. // J. Phys. Chem. A. 2009. V. 113. P. 9843.

  34. Zhao Y., Truhlar D.G. // Theor. Chem. Acc. 2008. V. 120. P. 215.

  35. Schaefer A., Horn Y., Ahlrichs R. // J. Chem. Phys. 1992. V. 97. P. 2571.

  36. Schaefer A., Huber C., Ahlrichs R. // Ibid. 1994. V. 100. P. 5829.

  37. Kosenkov D., Kholod Y.A., Gorb L. et al. // J. Phys. Chem. A. 2009. V. 113. P. 9386.

  38. http://www.chemcraftprog.com. Version 1.8 (build 486).

  39. Кочиков И.В., Курамшина Г.М. // Вестн. МГУ. Сер. 2. Химия. 1985. Т. 26. № 4. С. 354.

  40. Кочиков И.В., Курамшина Г.М., Пентин Ю.А. и др. // Журн. физ. химии. 1990. Т. 64. № 12. С. 3393.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Журнал физической химии

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал