Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,580

КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ СПЕКТРЫ НЕЗАРЯЖЕННЫХ КОНФОРМЕРОВ ЦИСТЕИНА И СЕЛЕНОЦИСТЕИНА

Тен Г.Н. 1 Щербакова Н.Е. 2 Баранов В.И. 3
1 Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского
2 Российский научно-исследовательский противочумный институт «Микроб»
3 Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН
Методом DFT выполнен расчёт и проведена интерпретация колебательных (ИК и КР) спектров двух незаряженных конформеров цистеина и селеноцистеина в гармоническом и ангармоническом приближениях. Показано, что величина энергетического барьера между двумя конформерами Cys1 и Cys2 составляет 0,48 ккал/моль, а для конформеров Sec1 и Sec2 – 0,19 ккал/моль. Согласно выполненному расчёту в колебательном спектре Cys2 одно из низкочастотных колебаний имеет отрицательное значение. Форма данного колебания характеризуется смещением атома Н относительно атома S с одновременным вращением связи SH относительно связи CS, что может привести к конформерному превращению Cys1 в Cys2. Сравнение колебательных спектров конформеров Sec1 и Sec2 показывает, что основное различие ИК спектров наблюдается в области 1100–1400 см-1, где интенсивности полос поглощения конформеров отличаются в ~2 раза, что связано с поворотом связи Se-H относительно связи Se-C. Выполненный анализ колебательных спектров конформеров Cys1(2) и Sec1(2) показал, что каждый из них имеет характерные полосы поглощения и линии КР, позволяющие однозначно выполнять их идентификацию и определять присутствие в смеси аминокислот.
цистеин
селеноцистеин
незаряженные конформеры
структуры
колебательные спектры
газовая фаза
расчёт
интерпретация
ангармоническое приближение
1. Гутман Б., Гриффитс Э., Сузуки Д., Кулис Т. Генетика. – М.:ФАИР_ПРЕСС. 2004. – 448 с.
2. Рис Э., Стенберг М. Введение в молекулярную биологию: От клеток к атомам. – М.: Мир, 2002. – 142 с.
3. Frisch M.J., Trucks G.W., Schlegel H.B. et al. Gaussian 09. – Gaussian Inc., Pittsburgh PA. 2009. – 394 p.
4. Linder R., Seefeld K., Vavra A., Kleinermanns K. Gas phase infrared spectra of nanoromatic amino acids // Chem. Phys. Lett. – 2008. – V. 453. – P. 1–6.
5. Naganathappa M., Chaudhari A. Spectroscopic characterization of cysteine and methionine using density functional theory method // Astrophysics and Space Science. – 2015. – V. 357. – P. 2–14.

Цистеин (Cys) играет особую, неповторимую роль в формировании структуры белков, поскольку именно с его участием образуются поперечные сшивки между полимерными белковыми молекулами. Молекулы Cys содержат реакционно-способные сульфгидридные группы –SH, которые взаимодействуют между собой, образуя дисульфидные мостики –S-S-. Во многих случаях свойства Cys зависят не только от фазового состояния, но и от его конформации [1, 2]. При этом идентификация и исследование различных конформеров Cys, как и его структурного аналога селеноцистеина (Sec), затруднено из-за небольшой величины энергетического барьера.

Цель работы – выполнить интерпретацию колебательных спектров двух незаряженных конформеров Cys, как и Sec, в газовой фазе и определить характерные спектральные особенности каждого конформера.

Расчёт был выполнен методом DFT (базис 6-311++G(d,p)) с использованием программного продукта Gaussian-09 [3].

Цистеин

Молекулярные диаграммы двух конформеров Cys1 и Cys2, полученных в результате вращения связи SH вокруг связи SC, приведены на рис. 1. Согласно результатам расчёта, значение полной энергии Cys1 всего на 0,48 ккал/моль меньше полной энергии Cys2, что, как отмечалось выше, затрудняет экспериментальное исследование свойств Cys определённой конформации.

ten1a.tif ten1b.tif

а  б

Рис. 1. Молекулярные диаграммы Cys1 (a) и Cys2 (б) с обозначением и нумерацией атомов

В ИК спектрах конформеров Cys1 и Cys2 (табл. 1) наибольшую интенсивность имеют полосы поглощения, отвечающие деформационным колебаниям 11, 15, 20 и 29, формы которых содержат изменения углов СОН, NH2 и валентной связи С=О. В спектрах КР наиболее интенсивными для обоих конформеров являются линии, отвечающие колебаниям 12, 29. Кроме этого, для Cys2 имеется ещё одна линия сильной интенсивности, отвечающая колебанию с частотой 730 см-1, т.е. в спектре данного соединения проявляются две близлежащие линии сильной интенсивности.

Таблица 1

Экспериментальные [4] (nэксп) и вычисленные значения частот колебаний в гармоническом и ангармоническом приближениях (nг, nанг, cм-1)
и интенсивностей спектров ИК (IИК, км/моль) и КР (IКР, Å4/а.е.м.) Cys1 и Cys2

νэксп (Iотн )

Cys1

Cys2

Отнесение

νг

νанг

IИК

IКР

νг

νанг

IИК

IКР

9

 

484

477

34,2

1,7

478

472

25,8

3

γ (SCN), γ (OCN)

10

 

596

577

32,9

2,7

614

597

42,3

2,1

β(OH), β(CH2)

11

 

626

590

89,4

2,4

638

630

78,3

3,3

β(OH), β(CH2)

12

 

715

693

11,9

15,3

730

719

9,5

12,1

Q(CS)

13

 

770

749

46,8

3,5

745

735

19,5

12,4

γ (CCN)

14

 

781

762

8,9

5,2

800

781

37,2

1,9

β(SH), γ (CCO)

15

 

821

878

117,1

1,5

827

789

102,3

0,7

β(NH2)

16

 

867

824

37,8

6,5

870

829

58,2

4,6

β(SH), β(NH2,CH2)

17

 

991

959

13,9

2,7

1007

991

13,5

3,4

β(NH2), β(CH2)

18

 

1039

1006

18,6

3,5

1014

989

22,6

4,1

β(SH), β(NH2)

19

 

1097

1059

56,4

9,2

1101

1068

18,5

6,6

Q(C-N)

20

1118

(0,74)

1147

1110

249,7

1,2

1144

1111

262,4

1,4

Q(C-O)

21

 

1160

1134

6,5

1,6

1182

1159

3,2

2,8

β(NH2), β(CH2,CH)

22

 

1248

1216

10,6

5,6

1236

1204

12

3,8

β(NH2), β(CH2,CH)

23

 

1293

1255

4,8

4,1

1292

1270

4,8

6,3

β(OH)

24

 

1316

1279

16,1

3,1

1321

1289

14,9

2,9

β(CH2)

25

 

1394

1352

3,3

4,2

1388

1352

19,7

4,0

Q(C2C3)

26

1364

(0,28)

1400

1372

23,7

4,1

1410

1386

11,8

5,2

β(CH)

27

 

1462

1431

11,7

6,6

1466

1445

12,3

6,8

β(CH2)

28

1627

(0,16)

1658

1628

33,8

2,2

1660

1660

32,4

2,2

β(NH2)

29

1782

(1,0)

1799

1766

275,7

10,9

1806

1774

275,3

8,8

Q(C=O)

30

 

2676

2508

0,5

93,1

2661

2501

5,3

118,6

Q(SH)

31

 

3075

2960

5,6

133,5

3071

2965

4,2

125,2

Q(CH2) sym, q(CH)

32

2952

(0,1)

3086

2948

7,6

30,9

3085

2951

12,2

29,5

Q(CH2) sym, q(CH)

33

 

3133

2981

2,9

46,7

3132

2983

2,7

53,6

q(CH2) asym

34

 

3500

3333

2,4

122,4

3497

3369

2,2

126,9

q(NH2) sym

35

 

3587

3423

7,0

64,5

3581

3408

7,2

67,9

q(NH2) asym

36

3572

(0,32)

3749

3548

69,3

141,3

3741

3540

62,5

152,9

q(OH)

Максимальные отличия частотных смещений в спектрах Cys 1 и Cys 2 наблюдаются для колебаний 13, 14 (DCys1 = 9, DCys2 = 56 см-1);
20, 21 (DCys1 = 13, DCys2 = 37 см-1) и 25, 26 (DCys1 = 6, DCys2 = 23 см-1). Это приводит к тому, что в спектрах (ИК и КР) Cys 1 и Cys 2 слабые по интенсивности полосы поглощения проявляются как плечи на близлежащих более интенсивных полосах поглощения, что наблюдается для колебаний с частотами 781, 1160, 1394 см-1 в ИК спектре Cys 1.

Учёт механического ангармонизма привёл к существенному улучшению согласия между экспериментальными и вычисленными частотами по сравнению с отнесением, выполненным в работе [4]. Если расхождение между вычисленными и экспериментальными частотами колебаний (табл. 1) составляет для средней и высокочастотной области 6 и 14 см-1 соответственно, то, например, в работе [5] расхождение между аналогичными частотами составляет 140 см-1. Одной из основных причин такого существенного отличия теоретических и экспериментальных частот, имеющих место в работе [5], является сравнение авторами частот колебаний, вычисленных для незаряженной молекулярной структуры Cys, с экспериментальными частотами, измеренными для Cys в твёрдом состоянии, где, как известно, аминокислоты существуют в цвиттер-ионной форме.

Согласно выполненному расчёту в колебательном спектре Cys2, одно из низкочастотных колебаний имеет отрицательное значение. Как известно, седловая точка первого порядка характеризуется одним мнимым колебанием и имеет более низкое значение энергии, чем текущее, т.е. является переходным состоянием. Смещения атомов (или формы колебаний) изображают деформацию молекулы при колебаниях в переходном состоянии. Так как состояние, характеризуемое наличием седловой точки, неустойчиво, то анализ деформаций, отвечающих мнимым колебаниям, позволяет выявить структурные изменения, приводящие к перестройке молекулярной структуры при её дальнейшем переходе в состояние с минимумом потенциальной энергии. Форма данного колебания характеризуется смещением атома Н относительно атома S с одновременным вращением связи SH относительно связи CS, что может привести к конформерному превращению Cys1 в Cys2, что вполне возможно, учитывая, что отличие полных энергий этих конформеров меньше 0,5 ккал/моль.

Выполненный расчёт колебательных спектров изолированных конформеров Cys1 и Cys2 показал, что каждый из них имеет характерные полосы поглощения и линии КР, позволяющие однозначно выполнять их идентификацию и определять присутствие в смеси.

Селеноцистеин

На рис. 2 приведены молекулярные диаграммы двух конформеров Sec, а в табл. 2 – результаты расчёта колебательных спектров.

ten2a.tif ten2b.tif

Sec1 Sec2

Рис. 2. Молекулярные диаграммы конформеров цистеина с обозначением и нумерацией атомов

Таблица 2

Вычисленные значения частот колебаний в гармоническом и ангармоническом приближениях (nг, nанг, cм-1) и интенсивностей спектров ИК (IИК, км/моль)
и КР (IКР, Å4/а.е.м.) Sec1 и Sec2

кол.

Sec1

Sec2

Отнесение

νг

νанг

IИК

IКР

νг

νанг

IИК

IКР

1

40

43

2,1

1,2

29

22

2,3

1,5

τ(COO)

2

81

57

0,2

0,5

76

75

0,1

0,5

τ(CCC)

3

155

124

0,3

0,2

149

117

0,3

0,2

τ(NH2)

4

198

234i

6,8

0,4

198

155i

3,1

0,2

τ(SeCC)

5

251

244

3,5

0,3

252

252

9,8

1,3

τ(CH), τ(NH2)

6

265

235

5,6

1,8

267

244

8,2

0,3

τ(SeH), τ(NH2)

7

297

233

26,7

2,7

296

272

21,1

3,2

τ(NH2)

8

329

284

18,5

2,6

322

289

19,8

1,8

γ (SeCN), γ (CCN)

9

475

468

27,6

2,4

470

465

25,2

3,5

γ (SeCN), γ (OCN)

10

595

582

32,1

3,6

604

589

14,4

2,4

β(OH), β(CH2)

11

625

613

95,3

4,1

628

603

108,8

10,1

β(OH), β(CH2)

12

651

639

10,5

14,5

659

644

4,9

9,8

Q(CSe)

13

725

704

2,7

6,6

719

694

6,5

14,3

β(SeH), γ (CCN)

14

765

750

32,6

7,9

782

754

44,8

2,3

β(SeH), γ (CCO)

15

813

789

78,9

1,2

804

777

59,7

2,6

β(NH2)

16

845

755

89,7

4,7

847

734

103,1

3,5

β(SeH), β(NH2), β(CH2)

17

954

928

23

2,6

958

929

28,1

4,5

β(NH2), β(CH2)

18

1013

982

13,6

4,9

1008

983

14,3

4,3

β(SeH), β(NH2)

19

1092

1055

52,1

8,7

1094

1057

28,7

7,5

Q(C-N)

20

1134

1103

76,3

1,5

1139

1105

170,3

1,6

Q(C-O), β(CH2)

21

1148

1110

186,2

1,4

1153

1121

96,5

1,6

Q(C-O), β(CH2)

22

1228

1194

8,5

4,2

1218

1187

8,9

3,9

β(NH2), β(CH2), β(CH)

23

1273

1234

17,5

11,6

1277

1248

17,8

11,8

β(OH)

24

1305

1260

9,2

4,3

1306

1265

7,4

4,8

β(CH2)

25

1395

1355

7,8

3,8

1393

1356

20,2

3,4

Q(CC)

26

1401

1355

20,9

4,8

1407

1372

12,1

6,4

Q(CC)

27

1458

1422

11,2

6,7

1460

1419

12,5

6,6

β(CH2)

28

1657

1650

33,0

1,9

1658

1611

31,6

1,9

β(NH2)

29

1802

1769

266,7

9,9

1805

1774

268,7

9,7

Q(C=O)

30

2372

2419

8,6

110,4

2356

2441

20,2

139,3

q(she)

31

3085

2951

3,1

133,7

3080

2946

2,3

125,8

q(CH2) sym, q(CH)

32

3091

2952

6,5

24,4

3091

2957

9,5

16,4

q(CH2) sym, q(CH)

33

3146

2996

1,6

42,1

3149

2998

1

52,6

q(CH2) asym

34

3498

3371

2

135,6

3497

3365

1,8

139,4

q(NH2) sym

35

3585

3415

6,8

70,8

3582

3415

7

72,7

q(NH2) asym

36

3747

3556

68,5

141,9

3743

3545

65,1

148,9

q(OH)

Как и в случае Cys, в ангармоническом приближении частота колебания 4 имеет отрицательное значение. В отличие от Cys, мнимое колебание характерно для обоих конформеров Sec1 и Sec2, потенциальный барьер между которыми составляет 0,19 ккал/моль, что в 2,5 раза меньше аналогичной величины для конформеров Cys1 и Cys2.

Сравнение колебательных спектров двух конформеров Sec1 и Sec2 показывает, что основное отличие ИК спектров наблюдается в области проявления колебаний 20, 21 и 25, 26 – интенсивности полос поглощения в этих парах колебаний соответственно уменьшаются или возрастают в ~2 раза, что связано с поворотом связи Se-H относительно связи Se-C.

В спектрах КР основное отличие конформеров связано с изменением интенсивности линий для колебаний 12 и 13 – они так же, как и в спектрах ИК, уменьшаются и возрастают в ~1,52 раза.

Выводы

Таким образом, расчёт колебательных спектров незаряженных конформеров Cys и Sec показал, что при интерпретации колебательных спектров аминокислот в газовой фазе необходимо учитывать возможность одновременного существования обоих конформеров 1 и 2.

Интерпретация ИК и КР колебательных спектров, выполненная с учётом ангармонизма колебаний, показала, что каждый конформер Cys и Sec имеет характерные линии, специфичность проявления которых даёт возможность определить присутствие конформеров в смеси аминокислот.


Библиографическая ссылка

Тен Г.Н., Щербакова Н.Е., Баранов В.И. КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ СПЕКТРЫ НЕЗАРЯЖЕННЫХ КОНФОРМЕРОВ ЦИСТЕИНА И СЕЛЕНОЦИСТЕИНА // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2017. – № 8-2. – С. 221-225;
URL: http://www.applied-research.ru/ru/article/view?id=11789 (дата обращения: 06.03.2021).

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