ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СВЯЗЫВАНИЯ АМИНОКИСЛОТЫ ВАЛИНА С КАТИОНАМИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ. ЧАСТЬ 1: СТРУКТУРНЫЕ СВОЙСТВА

Введение

Исследования биологических систем металлопротеидов и металлоэнзимов являются перспективно развивающимся направлением науки и по сей день для большинства ученых. Связано это с тем, что системы металлокомплексов биологически важных структурных единиц (аминокислот, белков, фосфолипидов, ферментов, полисахаридов и прочих) позволяют объяснить многие интересующие вопросы. К ним можно отнести: механизмы накопления катионов металлов в той или иной области живого организма, растения или бактерии; процессы замещения в ферментативном центре одного катиона металла на другой [1]; процессы транспорта биотических количеств катионов металлов внутри живого организма [2] и другие.

Объектом настоящего исследования стали металлокомплексы валина с тяжелыми металлами вида: [Val^–-Me²⁺-Val^–] (Me²⁺ = Zn²⁺, Co²⁺, Cd²⁺, Pb²⁺) с целью углубления фундаментальные знаний этих малоизученных систем, а также внесения дополнительных сведений при решении прикладной задачи касательно объяснения механизмов аккумуляции тяжелых металлов в клетках живых организмов.

Методы расчёта

В работе [3] были рассмотрены комплексы тяжелых металлов с нейтральной и ионной формами валина вида: [Val⁰-Me²⁺], [Val⁺-Me²⁺], [Val^–-Me²⁺], рассчитанные методами DFT с гибридным функционалом B3LYP, и MP2 с использованием полноэлектронного базиса DZP (Double Zeta Polarization). По результатам расчетов [3] комплексов [Val⁰-Me²⁺] нами была построена энергетическая диаграмма распределения относительной устойчивости комплексов (рисунок 1). Наибольшей устойчивостью обладает конформация комплекса [Val⁰_B-Me²⁺]. Именно эти структуры и стали начальными объектами при моделировании комплексов с двумя молекулами валина. Геометрические структуры комплексов [Val^–-Me²⁺-Val^–] рассчитаны методом DFT/DZP с использованием точеной группы симметрии C_2n. Все расчеты проведены в программе Firefly 8.1 [4].

Рисунок 1. Энергетическая диаграмма относительной устойчивости комплексов нейтральной молекулы валина с катионами металлов

Обсуждение результатов

Самым распространенным типом координации аминокислот, таких как глицин, α-аланин, валин и других с d-элементами в твердых комплексах, является глицин-подобный (через атом азота α-аминогруппы и атом кислорода карбоксильной группы) пятичленный хелатный узел (рисунок 2).

Рисунок 2. Схема глицин-подобного пятичленного хелатного узла

На рисунке 3 представлены равновесные геометрические структуры комплексов [Val^–-Me²⁺-Val^–]. Установлено, что в этих комплексах молекулы валина связываются с ионом металла бидентатно (катион металла образует химические связи с атомами валина одновременно по карбоксильной и аминной группам). В комплексах [Val^--Me²⁺-Val^-] для катионов цинка(II), кадмия(II) реализуется тетраэдрическое окружение центрального иона атомами O и N.

В комплексе с катионом свинца (II) атомы кислорода и азота двух молекул валина, связанные ионной и координационной связями с металлом, располагаются в одной плоскости. Для комплекса [Val^--Co²⁺-Val^-] «центр комплексообразования» (место связи катиона металла с ближайшими атомами кислорода, азота и углерода аминокислот) не является плоским, угол отклонения составляет 24,14 .

Длины связей между катионом металла и молекулами аминокислот представлены в таблице 1. Получены идентичные значения длин связей R(Zn-O) и R(Zn-N) в комплексах [Val^–-Zn²⁺-Val^–] с теми же значениями в работе [5], несмотря на выбор меньшего базисного набора функций при описании геометрических параметров комплексов (DZP в нашей работе, по сравнению с 6-311G++(p,d)). Длины связей R(Me-O), R(Me-N) в остальных комплексах ([Val^–-Co²⁺-Val^–], [Val^–-Cd²⁺-Val^–], [Val^–-Pb²⁺-Val^–]) находятся в «разумных» пределах численных значений по сравнению со схожими системами металлокомплексов [5, 6].

Рисунок 3. Структуры равновесных конформаций комплексов [Val^–-Me²⁺-Val^–], Me²⁺ = Zn²⁺, Cd²⁺, Co²⁺, Pb²⁺, рассчитанные методом DFT/DZP. Точеная группа симметрии комплексов – C_2n

Таблица 1.

Длины связей Me-O, Me-N в комплексах катионов металлов (Zn²⁺, Co²⁺, Cd²⁺, Pb²⁺) с аминокислотами (Val – валин, Ala – аланин, Cys – цистеин)

Заключение

В результате работы рассчитаны геометрические структуры комплексов катионов тяжелых металлов с двумя молекулами валина. Значения длин связей металла с аминокислотой хорошо согласуются с результатами аналогичных работ.

Огромную благодарность выражаю выпускнику кафедры химии ОГУ Щепину Антону Сергеевичу за помощь в расшифровке результатов квантово-химических расчетов.

Список литературы:

1. Клесов, А.А. Магнитный круговой дихроизм Co²⁺-карбоксипептидазы: множественный характер взаимодействия эффекторов с активным центром фермента / А.А. Клесов, Б.Л. Вэлли // Биоорганическая химия, 1977. – Т. 3. – № 7. – С. 958–963.
2. Фетисова, А.В. Транспорт ионов металлов через цитоплазматическую мембрану / А.В. Фетисова, С.А. Иларионов // Вестник Пермского университета, 2012. – Вып. 1(5). – С. 86–91.
3. Кобзев, Г.И. Структурные и спектральные свойства комплексов валина в нейтральной и ионной форме с катионами Zn²⁺, Cd²⁺ (Квантово-химическое исследование) / Г.И. Кобзев, А.С. Щепин, С.А. Пешков // Вестник ОГУ, 2015. – № 9(184). – С. 64–71.
4. Granovsky, Alex A. Firefly version 8.1.G, http://classic.chem.msu.su/gran/firefly/index.html
5. Mandal, S. Physicochemical investigations of the metal complexes of L-valine with doubly charged ions of nickel, copper and zinc: a combined experimental and computational approach / S. Mandal, G. Das, H. Askari // RSC Adv., 2014. – № 4. – P 24796–24809.
6. Belcastro, M. Interaction of cysteine with Cu²⁺ and Group IIb (Zn²⁺, Cd²⁺, Hg²⁺) metal cations: a theoretical study / M. Belcastro, T. Marino, N. Russo, M. Toscano // J. Mass Spectrom, 2005. – № 40. – P. 300–306.