Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,736

СРАВНЕНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИК-СПЕКТРОВ КОМПЛЕКСОВ АТОМА ЦИНКА С МОЛЕКУЛАМИ АЛАНИНА

Пешкова Т.В. 1 Сальникова Е.В. 1 Пешков С.А. 1
1 ФГБОУ ВО «Оренбургский Государственный Университет»
На основе DFT и ab initio расчетов определены геометрическая структура и устойчивость комплексов иона цинка, расположенного между двумя аминокислотами аланина, с участием и без участия двух молекул воды. Построены профили трехмерного сечения поверхности потенциальной энергии (ППЭ) реакции образования гидроксида цинка в комплексах цинка с двумя молекулами аланина в присутствии молекул воды Zn2+ + 2Ala + 2Н2О↔Zn(OH)2 + продукты. Ограниченным методом Хартри – Фока ROHF с энергетической поправкой второго порядка Мёллера – Плессе МР2 рассчитаны теоретические ИК-спектры комплексов цинка с молекулами аланина в отсутствии и присутствии молекул воды. Проведено сравнение теоретических ИК-спектров поглощения аланина и металлокомплексов цинка с молекулами аланина с экспериментальными ИК-спектрами среды супернатанта без металла и среды супернатанта после инкубации с бактериями, аккумулировавшими Zn. Выявлена закономерность проявления отдельных комбинированных частот в сложных ИК-спектрах комплексов аланина.
аланин
комплексы цинка с аминокислотами
ИК-спектры
сечение ППЭ
1. Винокуров Л.М., Алахов Ю.Б. Катехольный сидерофор, продуцируемый терморезистентным штаммом Bacillus licheniformis VK21 // Биоорганическая химия. – 2003. – № 29. – С. 597–604.
2. Destro R., Marsh R.E., Bianchi R. A low-temperature (23 K) study of L-alanine // J. Phys. Chem. – 1988. – № 92. – P. 966–973.
3. Foulkes E.C. Transport of toxic heavy metals across cell membranes // Proceedings of the Society for Experimental Biology and Medicine. – 2000. – № 223. – P. 234–240.
4. Mandal S., Das G., Askari H. Experimental and quantum chemical modeling studies of the interactions of L-Phenylalanine with divalent transition metal cations // J. Chem. Inf. Model. – 2014. – № 54. – P. 2524–2535.
5. Mandal S., Das G., Askari H. A combined experimental and quantum mechanical investigation on some selected metal complexes of l-serine with first row transition metal cations // J. Mol. Struct. – 2015. – № 1081. – P. 281–292.
6. Merrick J.P., Moran D., Radom L. An evaluation of harmonic vibrational frequency scale factors // J. Phys. Chem. A. – 2007. – № 111. – P. 11683–11700.
7. Remko M., Fitz D., Broer R., Rode B.M. Effect of metal Ions (Ni2+, Cu2+ and Zn2+) and water coordination on the structure of L-phenylalanine, L-tyrosine, L-tryptophan and their zwitterionic forms // J Mol Model. – 2011. – № 17. – P. 3117–3128.
8. Umadevi P., Senthilkumar L. Influence of metal ions (Zn 2+, Cu 2+, Ca 2+, Mg 2+ and Na+) on the water coordinated neutral and zwitterionic l-histidine dimer // RSC Adv. – 2014. – № 90. – P. 49040–49052.
9. Simpson H.J., Marsh R.E. The crystal structure of L-alanine // ActaCryst. – 1966. – № 20. – P. 550–555.
10. Smit H., Van der Goot H., Nauta W.T., Timmerman H., de Bolster M.W., Stouthamer A.H., Vis R.D. Mechanism of action of th ecopper (I) complex of 2, 9-dimethyl-1, 10-phenanthroline on Mycoplasma gallisepticum // Antimicrob. Agents. Chemother. – 1982. – № 21. – P. 881–886.
11. Stepanian S.G., Reva I. D., Radchenko E.D., Adamowicz L. Conformational behavior of α-alanine. Matrix-isolation infrared and theoretical DFT and ab initio study // J. Phys. Chem. A. – 1998. – № 102. – P. 4623–4629.
12. Venkatachalam C.M. Stereochemical criteria for polypeptides and proteins/ V. Conformation of a system of three linked peptide units // Biopolymers. – 1968. – № 6. – P. 1425–1436.
13. Yang G., Zhu R., Zhou L., Liu C. Interactions of Zn (II) with single and multiple amino acids. Insights from density functional and ab initio calculations // J. Mass Spectrom. – 2012. – № 47. – P. 1372–1383.

Биоаккумуляция металлов бактериями может осуществляться, в частности, вследствие образования комплексов аминокислот и белков с атомами металлов, которые могут поглощаться бактериями по известным специальным механизмам транспорта [1, 3].

Большинство теоретических работ по исследованию процессов связывания металлов с аминокислотами и белками основаны на квантово-химических расчетах комплексов аминокислот с металлами [4, 6–8]. Это связано с тем, что белки являются громоздкими системами, расчеты комплексов белков затруднительны и требуют больших ресурсов ЭВМ. В свою очередь, аминокислоты, являясь структурными единицами белков, содержат в составе порядка двадцати атомов, что делает их удобными для квантово-химического моделирования. Однако представляет интерес исследование процессов образования комплексов металлов с аминокислотами в присутствии молекул воды, поскольку процессы аккумуляции металлов бактериями протекают в растворе.

В связи с этим целью работы является определение структуры и устойчивости комплексов атома цинка с двумя аминокислотами аланина при участии и без участия молекул воды; сравнение теоретических ИК-спектров поглощения аминокислот и металлокомплексов цинка с молекулами аланина с экспериментальными ИК-спектрами среды супернатанта без металлов и среды супернатанта после инкубации с бактериями аккумулировавших Zn.

В работе квантово-химическими методами проведено моделирование структуры комплексов цинка с двумя молекулами аланина без участия воды и в их присутствии; исследована реакция Zn + 2Ala + 2H2О>Zn(OH)2 + фрагменты. Рассчитаны и проанализированы ИК-спектры поглощения металлокомплексов цинка с аланином и экспериментальные ИК-спектры сред супернатанта.

Материалы и методы исследования

Оптимизация геометрических параметров равновесных состояний комплексов осуществлялась в рамках метода теории функционала плотности (DFT), с обменно-корреляционным функционалом B3LYP [10], на функциях неограниченного метода Хартри – Фока с базисом 6-31G(1p,1d) с учетом теории возмущений Меллера – Плессе (MP2) [8]. Оптимизация проводилась только для связей атомов кислорода и азота с атомом цинка и связей, ближайших к атомам кислорода и азота, остальные естественные переменные замораживались. Расчет и анализ профилей сечений поверхности потенциальной энергии (ППЭ) произведен по методу DFT с использованием B3LYP/6-31G(p,d) базиса. Расчет колебательных спектров отдельной молекулы аланина и комплексов двух молекул аланина с цинком проведен с помощью метода DFT с учетом энергетической поправки MP2. Все рассчитанные частоты ИК–спектров, полученные при использовании функционала B3LYP/6-31G(p,d), были умножены на множитель 0.9627 (scaling factor), а при использовании метода MP2/6-31G(p,d) – на 0.9377. Scaling factor выбран на основании данных статьи [6]. Все расчеты проведены в пакете программ FireFly 8.1. Экспериментальное определение ИК-спектров произведено с помощью ИК Фурье-спектрометра ФТ-10 (Россия). Получение спектров происходило в атмосфере воздуха.

Результаты исследования и их обсуждение

Рассчитанная структура комплексов 1[Ala-Zn-Ala]0 без молекул воды и в присутствии молекул воды приведена на рис. 1.

pehk1a.tif pehk1b.tif

Рис. 1. Структура оптимизированных комплексов аланина с цинком: а – оптимизированное равновесное состояние комплекса 1[Ala-Zn-Ala]0 в отсутствии молекул воды, б – оптимизированное равновесное состояние комплекса 1[Ala-Zn-Ala]0с двумя молекулами воды

Согласно расчетам, атомы азота и кислорода координируются вокруг металла в виде тетраэдра, при этом расположение атомов азота и кислорода с противоположных сторон от атома цинка (L-аланин) менее выгодно по энергии. Разница между D-аланином, где с противоположных сторон от атома цинка находятся два атома азота или два атома кислорода, и L-аланином составляет 0,002 а.е.м. (0,054 эВ). В живых системах в большинстве случаев присутствует L-аланин, поэтому при проведении расчетов выбрана L-конфигурация.

Рассчитанные длины связей и углов в молекуле аланина хорошо согласуются с экспериментальными данными и результатами расчетов работ [2, 9, 11]. Компьютерное моделирование структуры комплекса 1[Ala-Zn-Ala]0 без молекул воды (рис. 1 а) приводит к результатам, согласующимся с результатами работ, где теоретически рассматриваются комплексы Val-Zn-Val, Gly-Zn-Gly, Ser-Zn-Ser [5, 13].

Определение устойчивости исследуемых комплексов проводилось на основе анализа рассчитанных трехмерных профилей сечений ППЭ (рис. 2) и вычисления энергии диссоциации (D0) связи Ala-Zn с участием двух молекул воды и без участия молекул воды. Можно заметить, что связи Zn-O и Zn-N в обоих комплексах весьма прочные, но вода стабилизирует комплекс и повышает его устойчивость. Энергия связи Zn-O в комплексе 1[Ala-Zn-Ala + 2H2O]0 составляет 3,15 эВ при расстоянии R(Zn-O) = 1,92 A. Энергия связи Zn-N в комплексе 1[Ala-Zn-Ala + 2H2O]0 составляет 3,41 эВ при расстоянии R(Zn-N) = 2,03 A (рис. 3).

pehk2.tif

Рис. 2. Трехмерные профили сечений ППЭ вдоль связей Zn-Ala реакции взаимодействия Zn + 2Ala + 2Н2О: а – координата реакции Zn-O, б – координата реакции Zn-N

pehk3.tif

Рис. 3. Образование гидроксида цинка из метастабильного состояния с двумя молекулами воды, в котором цинк расположен на больших расстояниях от аминокислот: a – в начале реакции, б – в конце реакции

Известно, что аминокислоты в составе свободных белков и белков внутренних частей мембраны бактерий могут находиться на относительно большом (~5-6A) и малом (~3-4A) расстояниях [12]. Квантово-химический расчет показывает, что если металл расположен между двумя аминокислотами на относительно большом расстоянии, то в присутствии двух молекул воды происходит безбарьерная реакция, в которой образуется Zn(OH)2 + фрагменты (рис. 3).

Если же расстояние между молекулами аланина и атомом цинка относительно мало, то образуется комплекс, в котором обе молекулы воды входят в состав системы (рис. 1 б). По-видимому, такая структура комплекса и стереохимические затруднения не позволяют протекать реакции с образованием Zn(OH)2. Присутствие в среде супернатанта молекул гидроксида цинка может быть установлено и при исследовании ИК-спектров супернатанта после инкубирования бактерий с цинком на протяжении 36 часов по смещению и появлению новых комбинированных частот в области 600 и 800 см-1 с основным вкладом ν(ОН), ν(ZnO), δ(ZnOН), отсутствовавших в среде супернатанта без металла и в среде супернатанта на нулевой момент времени инкубации. Рассчитанные колебательные частоты ν(O-H), ν(Zn-O), δ(ZnOН) в изолированной молекуле гидроксида цинка и в комплексе 1[Ala-Zn-Ala-2H2O]0в присутствии молекул воды приведены в таблице.

Частоты валентных ν(O-H), ν(ZnO) и деформационных δ(ZnOН) колебаний, см-1, в ИК-спектрах поглощения в изолированной молекуле гидроксида цинка и в гидроксиде цинка, образованном в ходе реакции Zn2+ + 2Ala- + 2Н2О>Zn(OH)2 + 2Аla (частоты умножены на множитель 0.9627-scaling factor), расчет DFT/B3LYP/6-31(p,d)

Система

Теоретический расчет

Нейтральная (протонированная) форма аланина (рис. 3 б)

1[Ala-Zn(OH)2-Ala]0

1[Zn(OH)2]0

ν(O-H)

3753.90, 3707.00

3747.33, 3704.60

ν(Zn-O)

608,45(сим.) 785.76 (антисим.)

661,9 (сим.) 831,92 (антисим.)

δ(ZnOН)

847.77,

683.38,717.22,758.39,792.58, 805.7, 828.08

780,94

767,82

Анализ теоретических ИК-спектров поглощения молекулы [Zn(OH)2] показывает, что частоты ν(ОН), практически совпадают с частотами ν(ОН), в комплексе 1[Zn + 2Ala + 2Н2О]0 (Δν ≈ 10 см-1), частоты ν(Zn-O) несколько сдвинуты в красную область, в то время как частоты деформационного колебания δ(ZnOН) в комплексе 1[Ala-Zn(OH)2-Ala]0 сдвинуты как в красную, так и в синюю область по сравнению с аналогичными колебаниями в 1[Zn(OH)2]0. При этом в комплексе 1[Ala-Н-Zn(OH)2-Ala-Н]0 появляются дополнительные пики, соответствующие комбинированным колебаниям, где основной вклад от δ(ZnOН) смешивается с валентными и деформационными колебаниями скелета молекулы аланина.

Сравнение ИК-спектров поглощения в комплексе 1[Ala-Zn-Ala + 2Н2О]0 с экспериментальным спектром ИК супернатанта после 36 часов культивирования бактерий B. licheniformis штамма ВКПМ В 7038 в жидкой среде в присутствии солей цинка, показывает (рис. 4), что пики на частотах 400–600 см-1 и в области 800 см-1 могут быть идентифицированы как частоты δ(ZnO), δ(ZnOН), характерные для гидроксида цинка Zn(OH)2.

pehk4.tif

Рис. 4. Теоретический и экспериментальные ИК-спектры комплексов и различных сред супернатанта: а – теоретический спектр комплекса [Zn2+-Ala-2], б – спектр супернатанта после 36 ч культивирования с бактериями без металлов, в – спектр супернатанта после 36 ч культивирования с бактериями с цинком

В теоретическом расчете ИК-спектра комплекса 1[Ala-Zn-Ala]0 имеются слабые комбинированные частоты с наибольшим вкладом от колебаний Zn-N, Zn-O в области 400–600 см-1 в сочетании с крутильными колебаниями NH2, CH3, CH2. В области 600–700 см-1 наблюдается частота ν(NH2) = 636 см-1 крутильного колебания функциональной группы NH2, связанной с ионом цинка. Можно полагать, что в экспериментальных ИК-спектрах супернатанта после культивирования бактерий солями цинка полоса поглощения с волновым числом ν(NH2) = 657–669 см-1 можно также отнести к крутильному колебанию функциональной группы NH2. Необходимо отметить, что в теоретическом расчете ИК-спектра безметального бимолекулярного комплекса 1[Ala-Ala]0 пик крутильного колебания функциональной группы NH2 находится в области 200–300 см-1.

Выводы

В результате моделирования комплексов цинка с двумя молекулами аланина в присутствии молекул воды может реализоваться как безбарьерное образование системы [Zn(OH)2 + 2Аla], так и образование единого синглетного комплекса 1[Ala--Zn-Ala- + 2Н2О]0, где атом Zn расположен на близком расстоянии от аминокислот и вследствие стерических затруднений не может образоваться гидроксид цинка.

Сравнение ИК-спектров поглощения среды супернатанта до и после инкубации с бактериями, аккумулировавшими Zn, и теоретических ИК-спектров гидроксида цинка, комплекса 1[Ala--Zn-Ala- + 2Н2О]0 указывает на появление дополнительных пиков в полосе 600–800 см-1 в ИК-спектре среды супернатанта, связанных, предположительно, с колебаниями ν(ZnO), δ(ZnOН) в Zn(OH)2. Наряду с этими колебаниями нужно отметить сложные колебания, отнесенные к колебаниям углеродного скелета комплекса 1[Ala-Zn-Ala]0 и имеющие вклады от ν(ОН), ν(ZnO), δ(ZnOН), что подтверждает экспериментально установленную возможность образования в среде супернатанта гидроксида цинка Zn(OH)2 в процессе аккумуляции ими Zn бактериями B. licheniformis штамма ВКПМ В 7038.

Статья выполнена при поддержке гранта Оренбургской области в сфере научной и научно-технической деятельности № 17.


Библиографическая ссылка

Пешкова Т.В., Сальникова Е.В., Пешков С.А. СРАВНЕНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИК-СПЕКТРОВ КОМПЛЕКСОВ АТОМА ЦИНКА С МОЛЕКУЛАМИ АЛАНИНА // Успехи современного естествознания. – 2016. – № 11-2. – С. 261-265;
URL: http://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=36220 (дата обращения: 21.10.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074