Количественный анализ Н-связей в b-петлях на основе аланина. Частотные сдвиги и электронные характеристики критических точек

М.В. Венер, Д.П. Фомин, А.Н. Егорова, В.Г. Цирельсон

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия

КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ Н-СВЯЗЕЙ В р-ПЕТЛЯХ НА ОСНОВЕ АЛАНИНА. ЧАСТОТНЫЕ СДВИГИ И ЭЛЕКТРОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КРИТИЧЕСКИХ ТОЧЕК

Structure, harmonic frequencies and electron-density properties of the alanine-based p-turns were computed at the B3LYP/6-31+G** approximation. Combined use of the spectral and topological properties of the intraturn H-bonds enabled us to give a quantitative desription of the noncovalent interactions. Spectral shifts of the N-Н and C=O stretching vibrations are found to be very sensitive to the intrinsic local conformational preference of the considered secondary structure and the side-chain/backbone interactions. The quantum-topological analysis enabled us to identify a large number of the intraturn closed-shell stabilizing interactions in p-turns.

Пространственное строение, колебательные частоты и характеристики электронной плотности р-петель на основе аланина рассчитаны в приближении B3LYP/6-31+G**. Совместное использование спектральных и топологических характеристик Н-связей позволило количественно охарактеризовать «структурообразующие» нековалентные связывающие взаимодействия. Спектральные сдвиги N-Н и C=O валентных колебания оказываются очень чувствительными к пространственному строению рассмотренных вторичных структур. Квантово-топологический анализ электронной плотности позволил выявить «дополнительные» нековалентные (по типу замкнутых оболочек) межатомные взаимодействия, стабилизирующие структуру р-петель.

Пространственное строение вторичных структур олиго- (у- и Р-петли) и полипептидов ф-складчатые структуры и белковая а-спираль) определяется водородными связями (Н-связи). Эти нековалентные связывающие взаимодействия экспериментально характеризуют геометрическими параметрами X-H...Y фрагмента (X = N, C и Y = O, N, C) и частотными сдвигами валентных колебаний групп, образующих Н-связи [1], а также характеристиками электронной плотности (ЭП) в критической точке связи Н..^ [2]. Поскольку геометрическое строение вторичных структур в газовой фазе или конденсированных средах экспериментально, как правило, не определяется, то здесь на первый план выдвигаются вычислительные методы -квантово-химические расчеты изолированных структур и молекулярно-динамическое моделирование в растворителях. Одним из критериев адекватности используемых расчетных подходов является сопоставление вычисленных и экспериментальных значений сдвигов валентных колебаний N-H и С=О групп, Av(N-H) и Ау(С=О), соответственно, вызванных образованием Н-связей. В кристаллическом состоянии Н-связи могут быть также количественно охарактеризованы ЭП в критической точке связи. Значения ЭП могут быть получены как экспериментально прецизионным методом рентгеноструктурного анализа [2], так из квантово-химических расчетов систем с периодическими граничными условиями [3]. На данный момент в литературе имеются работы, в которых Н-связи во вторичных структурах полипептидов характеризуются либо экспериментальными значениями Av(N-H) и Av^=0) [4], либо расчетными значениями ЭП в критических точках Н-связей, образованных группами NH и С=О [5]. Однако, комплексного рассмотрения этих свойств, а также их сопоставления при количественном описании Н-связей во вторичных структурах полипептидов до сих пор сделано не было.

Цели данной работы следующие. (1) Дать количественное описание «структурообразующих» нековалентных связывающих взаимодействий в Р-петлях олигоаланина (см. рис. 1) при одновременном использовании расчетных значений частотных сдвигов валентных колебаний N-H и C=O групп и ЭП Н-связей, образованных этими группами. (2) Сопоставить спектральные и топологические

характеристики Н-связей для выявления преимуществ или недостатков указанных характеристик при описании нековалентных взаимодействий.

Рис. 1. Пространственное строение конформеров модельного тетрапептида: (а) - А (тип I в- петли),

(б) - В (тип II в- петли) и (с) - D (тип ГУа в- петли). Н-связи даны пунктирными линиями, КТ этих связей обозначены маленькими красными кружками, кольцевые КТ даны маленькими желтыми

кружками.

Расчеты проводились методом Кона-Шэма (приближение B3LYP/6-31+G**) [5]. Пространственное строение в-петель получено в результате полной оптимизации геометрических параметров. Соответствие рассчитанных структур минимумам на поверхности потенциальной энергии подтверждено отсутствием гармонических колебаний с мнимыми частотами.

Структуры 00 конформеров №ацетил-(Ь)-аланил-(Ь)-аланина метиламида -модельного тетрапетида [6], - представлены на рис. 1. Они стабилизируются внутримолекулярной Н-связью между N-H группой в положении г и C=O группой в положении г +3. Цифра 10 обозначает число атомов, вовлеченных в псевдоцикл, образованный «структурообразующей» Н-связью. В литературе широко используется альтернативное обозначение этих конформеров, а именно - Р-петли. Конформеры B (тип II Р- петли) и D (тип IVa Р- петли) соответствуют локальным минимумам, находящимся на 2.88 и 1.11 ккал/моль выше глобального минимума, которому соответствует конформер А (тип I Р- петли).

б)

Расчетные значения длин Н-связей, электронной плотности в критической точке Н-связи, сдвигов валентных колебаний N-H, С-Н и С=0 групп, образующих Н-связи, и относительных интенсивностей этих колебаний, приведены в Таблице 1.

Таблица 1. Расчетные значения длины Н-связи (Д) и ЭП в критической точке Н-связи (р) С10 конформеров модельного тетрапептида. Для групп, образующих эти Н-связи, приведены расчетные значения сдвигов валентных колебаний, Ау=у0-у и относительные значения интенсивностей колебаний 1/10, где у0 и 10 обозначают частоту и интенсивность валентного колебания свободной группы, соответственно. Рассматриваемые Н-связи определены на рис. 1, обозначение Нь указывает, что водород участвует в бифуркатной связи.

Конф орме р Фрагмент Связь

^связь N-H, С-H 0=C, H [-N, H-C

R, A Pb, а.е. Av, см"1 I/I0 Av, см"1 I/I0

А N-Hb.,.0,+3 2.172 0.015 54а) ~ 10 25б) ~ 1

N!-Hb...N!+1 2.353 0.016 54 ~ 10 - -

N+1-H...N+2 2.332 0.016 -в) - - -

B Ni-Hb.Oi+3 2.433 0.009 23 ~ 3.5 58 ~ 1

N +1 - O 3 2.031 0.024 86 ~ 4.0 58 ~ 1

CPi+1-H.0i+2 2.553 0.010 -10г) ~ 0.5 15 ~ 1

N-Hb...Hb-N!+1 1.930 0.013 23 ~ 3.5 86 ~ 4.0

D Ni-H.Oi+3 2.026 0.020 103 ~ 8.0 39 ~ 1

C“+2-Hb...0i+3 2.597 0.009 -50д) ~ 0.5 39 ~ 1

r^a и и na C i+2-Hb.H-C i+1 1.901 0.015 -50 ~ 0.5 -86 ~ 0.5

а) Для свободной N-H группы расчетные значения составляют: v(N-H) = 3625 - 3631 см"1, I0 = 20 - 35; б) Для свободной С=О группы расчетные значения составляют: v(C=0) = 1748 - 1759 см"1, I0 = 260 - 325; в) согласно результатам расчетов, группы N i+1-H и N,-+2-H взаимодействуют друг с другом и их вклад в нормальные колебания с частотами 3625 и 3631 см"1 приблизительно одинаков; г) Для свободной CeiH-Н группы расчетные значения составляют: v(C-H) = 3140 - 3143 см"1, I0 ~ 12; д) Для свободной C“+1-H группы расчетные значения составляют: v(C-H) = 3071 - 3074 см"1; в случае Ca ¿+2-И группы расчеты дают: v(C-H) = 3093 - 3096 см"1, I0 = ~ 12.

Из данных, представленных в таблице, можно сделать следующие выводы.

(1) Для всех групп, вовлеченных в образование Н"связи, наблюдается изменение частоты валентных колебаний, по сравнению с соответствующим значением для свободной группы. В случае N-H и С=О групп сдвиг имеет положительный знак, то есть частота валентного колебания уменьшается (так называемые, red"shifted H"bonds). Полученные значения согласуются по знаку и величине с экспериментальными и расчетными значениями, найденными в работе [6] для «структурообразующего» N-Hb...0;+з взаимодействия в в" петлях тетрапептидов разнообразного состава: Av(N-H) = 50-70 см"1. В случае C-H групп расчеты приводят к отрицательному знаку, то есть увеличению частоты валентного колебания (blue"shifted H"bonds). Полученные значения сдвигов хорошо согласуются с доступными экспериментальными и расчетными данными, составляющими от -10 до -100 см"1 в системах с C-H...Y фрагментом [7].

(2) Расчетные значения сдвигов оказываются очень чувствительными к взаимному расположению функциональных групп, образующих Н"связь, то есть, к пространственному строению конкретного C10 конформера модельного тетрапетида. Это также согласуется с известными экспериментальными данными [4,6].

(3) Только у N-H групп, вовлеченных в Н"связи, относительная интенсивность валентного колебания резко возрастает по сравнению с интенсивностью

соответствующего колебания свободной группы. В случае С=О группы интенсивность валентного колебания практически не меняется, в то время как у C-H групп рассматриваемая интенсивность при образовании Н-связи даже понижается. Эти результаты согласуются с данными [8].

(4) В рассматриваемых соединениях частоты валентных колебаний C-H групп лежат в области ~ 3100 см-1, причем ИК-активными являются 14 колебаний метильных и метиленовых водородов. Поскольку относительные интенсивности этих колебаний слабо меняются при образовании Н-связей (Таблица 1), то использование ИК-спектроскопии для выявления нековалентных взаимодействий с участием C-H групп представляется весьма затруднительным. С другой стороны, образование Н-связей N-H...Y типа приводит к появлению интенсивных полос в области частот, лежащих выше частот валентных колебаний C-H групп, то есть ИК-спектроскопия может использоваться (и успешно используется [4,6]) при определении нековалентных взаимодействий N-H...O типа, в частности, «структурообразующих» взаимодействий во вторичных стуктурах полипептидов.

(5) Значения ЭП в критической точке H-связей, см. Таблицу 1, позволяют фиксировать (практически) все типы нековалентных связывающих взаимодействий в рассматриваемых структурах, причем абсолютные значения ЭП, как показано нами ранее, прямо пропорциональны силе Н-связи [3].

(6) В конформере D (тип IVa ß- петли) модельного терапептида, найдено сильное взаимодействие между N+1-H и С=Ог+2 группами, находящимися в цис-положении, (см. рис. 1в). Расчетные значения частотных сдвигов валентных колебаний N+1-H и С=<0+2 групп составляют 45 см-1 (~1.3) и 15 см-1 (~2.0), соответственно (в скобках даны относительные интенсивности этих колебаний). Топологический анализ электронной плотности не выявил нековалентных взаимодействий в рассматриваемом четырехчленном цикле, образованном группами Ог+2=С и N+1-H. С другой стороны, расчеты указывают на возможность спектрального определения конформера D в смеси в другими С10 конформерами, поскольку в структурах А и B соседние N—H и С=Ог+1 группы не находятся в цис-положении.

Наше исследование показывает, что спектральные характеристики Н-связей во вторичных структурах являются эффективным средством для количественной характеристики «структурообразующих» взаимодействий, в то время как квантовотопологический анализ электронной плотности позволят выявить и количественно охарактеризовать «дополнительные» нековалентные связывающие взаимодействия, прежде всего, C—H. . .Y типа. Таким образом, спектральные и квантово-топологические методы взаимно дополняют друг друга при изучении пространственного строения олиго- и полиаминокислот как в газовой, так и конденсированных средах, существенно расширяя объем информации о структурной природе свойств биомолекул.

Работа выполнена при поддержке Федерального Агентства по образованию РФ (Программа «Развитие научного потенциала высшей школы, 2006-2008 годы», грант 2.1.1.5051) и РФФИ (грант 07-03-00702).

Список литературы

1. Steiner T. The Hydrogen Bond in the Solid State. // Ang. Chem. Int. Ed., 2002, V. 41, p. 48-76.

2. Flaig R., Koritsanszky T., Dittrich D., Wagner A., Luger P. Intra- and itermolecular topological properties of amino acids: A comparative stydy of experimental and theoretical results. // J. Amer. Chem. Soc., 2002, V. 124, p. 3407-3417.

3. Vener M.V., Manaev A.V., Egorova A.N., Tsirelson V.G. QTAIM study of strong H-bonds with the O-H.. .A fragment (A = O, N) in the three-dimensional periodical crystals. // J. Phys. Chem. A, 2007, V. 111, p. 1155-1162.

4. Chin W., Piuzzi F., Dimicolli I., Mons M. Probing the competition between secondary structures and local preferences in gas phase isolated peptide backbones. // Phys. Chem. Chem. Phys., 2006, V. 8, p. 1033-1048.

5. Vener M.V., Egorova A.N., Fomin D.P., Tsirelson V.G. QTAIM study of the closed-shell interactions in peptide secondary structures. A cluster treatment of oligo- and polyalanines. // Chem. Phys. Lett., 2007, in print.

6. Vass E., Hollosi M., Besson F., Buchet R. Vibrational spectroscopic detection of beta- and gamma-turns in synthetic and natural peptides and proteins. // Chem. Rev., 2003, V. 103, p. 1917-1954.

7. HoBza P., Havlas Z. Improper, blue-shifting hydrogen bond. // Theor. Chem. Acta, 2002, V. 108, P. 325-334.

8. Wojtulewski S., Grabowski S.J. Blue-shifting C-H.. Y intramolecular hydrogen bonds: DFT and AIM analyses. // Chem. Phys., 2005, V. 309, P. 183-188.

УДК 541.8

М.В. Демидов, Т.Н. Понамарева, Н.Н. Барботина

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия

ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ КОНЦЕНТРИРОВАННЫХ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ ХЛОРУКСУСНОЙ КИСЛОТЫ

В широком интервале температур и концентраций измерена удельная электропроводность водных растворов хлоруксусной уксусной кислоты. Для всех растворов рассчитана энергия активации электропроводности. С ростом содержания в растворе хлоруксусной кислоты удельная электропроводность раствора проходит через максимум, положение которого не зависит от температуры. Энергия активации электропроводности уменьшается при повышении температуры раствора. С использованием максимальной при данной температуре величины удельной электропроводности рассчитана приведенная проводимость исследованных растворов. Показано, что приведенная удельная электропроводность не зависит от температуры. - полученные при различных температурах экспериментальные значения приведенной электропроводности укладываются на единую кривую.

При повышении концентрации растворов электролитов их удельная электропроводность (ЭП) в общем случае проходит через максимум. Экстремальный характер концентрационного изменения удельной ЭП наблюдается как для неассоциированных (сильных) [1,2] так и для ассоциированных (слабых) [3,4] электролитов. Существование данного максимума для водных растворов сильных электролитов обычно связывают с увеличением ассоциации в концентрированных растворах. В этих растворах молекул растворителя уже не хватает для полной сольватации ионов электролита, что приводит к усилению межионного взаимодействия, в частности, образования ионных ассоциатов. Причина существования максимума на концентрационной зависимости ЭП слабых электролитов до сих пор не установлена. Поэтому необходимо дальнейшее накопление экспериментальных данных для выяснения природы рассматриваемой зависимости.

В настоящей работе в широком интервале концентраций и температур измерена удельная ЭП водных растворов хлоруксусной кислоты. Измерения удельной ЭП водных растворов органической кислоты проводились с использованием цифрового автоматического моста переменного тока Р-5083 в интервале частот 10 - 25 кГц. С