КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО СТРОЕНИЯ ВИТАМИНА В2

QUANTUM CHEMICAL RESEARCH OF ELECTRONIC STRUCTURE OF VITAMIN B2
Цитировать:
КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО СТРОЕНИЯ ВИТАМИНА В2 // Universum: химия и биология : электрон. научн. журн. Мамарахмонов М.Х. [и др.]. 2024. 6(120). URL: https://7universum.com/ru/nature/archive/item/17472 (дата обращения: 18.06.2024).
Прочитать статью:
DOI - 10.32743/UniChem.2024.120.6.17472

 

АННОТАЦИЯ

Для нормального существования всяких организмов требуются многие биологически активные вещества. Такими жизненноважными соединениями для живого организма, в частности, человека являются витамины. Водорастворимые витамины и их метаболизм, роль в протекании биохимических процессов в организме изучена достаточно широко. Однако, теоретические исследования таких классов соединений остаются по сей день очень важнымы, ибо методами современной квантовой химии проведены совсем немногочисленные исследования и этот область знаний нуждаются в некоторых дополнениях. Поэтому, такая серия проводимых исследований должны служить обновлению круг наших знаний с современными данными. Таким образом, данное исследование направлено на изучение электронной структуры биологически активного витамина В2, данные которого может быть полезным при оценке на молекулярном уровне реакционную способность и далнейшие процессы его метаболизма в организме.

ABSTRACT

For the normal existence of all organisms, many biologically active substances are required. Vitamins are such vital compounds for a living organism, in particular for humans. Water-soluble vitamins and their metabolism, role in the course of biochemical processes in the body have been studied quite widely. However, theoretical studies of such classes of compounds remain very important to this day, because very few studies have been carried out using modern quantum chemistry methods and this area of knowledge needs some additions. Therefore, such a series of ongoing studies should serve to update the range of our knowledge with modern data. Thus, this study is aimed at studying the electronic structure of biologically active vitamin B2, the data of which can be useful in assessing at the molecular level the reactivity and further processes of its metabolism in the body.

 

Ключевые слова: живой организм, метаболизм, биологически активные вещества, витамин В2, биохимические процессы, квантово-химический расчет, метод DFT B3LYP, базис 3-21G,  электронное строение, молекулярные орбитали, правильная геометрия.

Keywords: living organism, metabolism, biologically active substances, vitamin B2, biochemical processes, quantum chemical calculation, DFT B3LYP method, 3-21G basis set, electronic structure, molecular orbitals, correct geometry.

 

Введение. Продолжая наши систематические теоретические исследования витаминов [1], в данной статье нами проведен квантово-химический расчет витамина В2, химической формулой C17H20N4O6, для определения правильной геометрии и электронной структуры молекулы. Результаты наших исследований могут быть полезными в понимании данных о сопряжении орбиталей [2], при определении реакционной способности молекулы и дальнейшего ее метаболизма в живом организме [3]. Тонко-кишечная абсорбция витамина В2 (рибофлавин, лактофлавин) приводит к фосфорилированию ее в ткани. В результате формируются пара коферментов для многих биохимических процессов: флавинмононуклеотид (ФМН) и флавинадениндинуклеотид (ФАД) [4]. Активное применение зеленых растений стимулирует активный синтез рибофлавина. В значительных количествах которого присутствует в зерновых продуктах, мясокостной и рыбной муках, кормовых дрожжах и в молоке. Квантово-химическое изучение витамина В2 дает возможность глубже выявить процесс ее преобразования в организме [5].

Методика расчета. Нами использована программа Gaussian-98 для квантово-химического расчета геометрии и электронной структуры витамина В2, методом DFT-B3LYP, базисным набором 3-21G [6], применением полной оптимизации геометрических параметров. При расчетах, последовательность нумерации атомов цикла А, В, С, также экзоциклических фрагментов молекулы произведено условно, в удобной для анализа результатов форме. В мировой литературе, особенно, научных статьях последних лет, по квантово-химическим расчетам [7], применение такого метода приветствуется, в связи достоверности получаемых данных. Анализ результатов полученные нами, конденсированных шестичленных азотистых гетероциклов и сделанные соответствующие выводы дополняют полезными информациями современную химию в целом.

Обсуждение результатов.  Нами  расчитанная полная энергия системы составляет Eп=-823883,524 кКал/моль, а дипольный момент равен µ=4,624Дб, который показывает насколько полярной является молекула. На рисунке 1, в схематическом виде представлены порядок нумерации атомов () зарядовое распределение на атомах (1b) и энергетическая диаграмма граничных верхней занятой  и нижней свободной молекулярных орбиталей (1c).

1a

1b

1c

Рисунок 1. Схема, условная нумерация, заряды на атомах и МО молекулы В2

 

Ниже, в таблице 1 приведены данные об атомных зарядах и геометрии молекулы, по результатам проведенного квантово-химического расчета.

Таблица 1.

Распределение зарядов на атомах и геометрические параметры молекулы В2

Атом

Заряд, e

Связь

Длина, Å

Валентный угол

Градус

1

N1

-0,311

N1-C2

1.402

N1-C2-N3

116.166

2

C2

0,293

C2-N3

1.418

C2-N3-C4

128.577

3

N3

-0,322

N3-C4

1.392

N3-C4-C5

112.577

4

C4

0,228

C4-C5

1.489

C4-C5-C6

117.029

5

C5

0,066

C5-C6

1.451

C5-N7-C8

119.121

6

C6

0,180

C5-N7

1.308

N7-C8-C9

121.108

7

N7

-0,204

N7-C8

1.379

C8-C9-N10

117.956

8

C8

0,061

C8-C9

1.418

C8-C11-C12

121.401

9

C9

0,092

C9-N10

1.390

C12-C13-C14

120.626

10

N10

-0,192

C8-C11

1.409

N1-C2-O15

123.177

11

C11

-0,069

C11-C12

1.382

N3-C4-O16

122.656

12

C12

0,001

C12-C13

1.428

C11-C12-C17

120.821

13

C13

0,020

C13-C14

1.390

C12-C13-C18

119.886

14

C14

-0,101

C2-O15

1.230

C9-N10-C19

120.102

15

O15

-0,210

C3-H

1.018

N10-C19-C20

113.113

16

O16

-0,204

C4-O16

1.232

C19-C20-C21

110.474

17

C17

-0,228

C11-H

1.083

C20-C21-C22

110.640

18

C18

-0,228

C12-C17

1.515

C21-C22-C23

112.117

19

C19

-0,059

C13-C18

1.514

C19-C20-O24

105.378

20

C20

0,018

C14-H

1.093

C20-C21-O25

112.658

21

C21

0,018

C17-H

1.097

C21-C22-O26

108.411

22

C22

0,025

C18-H

1.086

C22-C23-O27

102.566

23

C23

-0,063

N10-C19

1.481

Торсионный угол

Градус

24

O24

-0,307

C19-C20

1.549

N1-C2-N3-C4

2.566

25

O25

-0,305

C20-C21

1.543

C2-N3-C4-C5

-1.710

26

O26

-0,288

C21-C22

1.525

C4-C5-C6-N1

3.752

27

O27

-0,275

C22-C23

1.527

C4-C5-N7-C8

-178.501

28

H3

0,228

C20-O24

1.452

N7-C8-C9-N10

-2.699

29

H11

0,102

C21-O25

1.440

N7-C11-C12-C13

-178.247

30

H17

0,086

C22-O26

1.465

C11-C12-C13-C14

-1.673

31

H18

0,089

C23-O27

1.475

C4-N3-C2-O15

-177.301

32

H14

0,111

O24-H

1.015

C2-N3-C4-O16

178.320

33

H19

0,116

O25-H

1.015

C8-C11-C12-C17

179.909

34

H20

0,065

O26-H

1.003

C11-C12-C13-C18

177.527

35

H21

0,058

O27-H

0.991

C9-N10-C19-C20

-81.325

36

H22

0,077

 

 

N10-C19-C20-O24

116.122

37

H23

0,093

 

 

C19-C20-C21-O25

67.291

38

H24

0,203

 

 

C20-C21-C22-C26

59.761

39

H25

0,203

 

 

C21-C22-C23-O27

-166.199

40

H26

0,210

 

 

 

 

41

H27

0,195

 

 

 

 

 

В соотвествтвии табличным данным, длины связей, валентные и торсионные углы имеют хорошие корреляции с их экспериментальными значениями [8].

Максимальные отрицательные заряды у конденсированных циклов A, B, C сосредоточены на атомах N1, N3, N7, N10, C11, C14 (q=-0,311e, -0,322e, -0,204e, -0,192e, -0,069e, -0,101e), и на атомах кислорода периферийных гидроксиьных групп: O24, O25, O26, O27 (q=-307e, -305e, -0,288e, -0,275e). А на атомах водорода H24, H25, H26, H27 положительные заряды равны: q=+0,203e, +0,203e, +0,210e, +0,195e. А межатомные связи O24-H24, O25-H25, O26-H26, O27-H27 соответственно равны: d ≈ 1,015Å, 1,014Å, 1,003Å, 0,991Å. Как известно, более реакционноспособными группами в таких соединениях выступают в первую очередь гидроксильные группы [9].

Таблица 2.

Зарядовые, геометрические и энергетические характеристики О-Н связей

Атом

Заряд

Атом

Заряд

Связь

Длина, Å

Энергия связи, Е*

O24

-0,307

H24

0,203

O24-H

1,01528

0,06046

O25

-0,305

H25

0,203

O25-H

1,01494

0,06011

O26

-0,288

H26

0,210

O26-H

1,00307

0,06011

O27

-0,275

H27

0,195

O27-H

0,99153

0,05455

* - модуль энергии связей, относительно условной энергии связи O24-H24.

 

Из данных таблицы 2 видно, что условная единица энергия связи O27-H27 самая наименьшая среди энергии связей четырех гидроксильных групп. Поэтому, по-нашему мнению реакционным центром в молекуле витамина В2 является атом О27. Именно она имеет тенденцию легко дегидрировать протон и может участвует в дальнейшем активном метаболизме молекулы в организме.

При метаболизме в организме витамина В2 именно атом О27 является основным реакционным центром для образования связи с моно- (1), а затем динуклеотидом аденина (2), как показана на схеме:

Выводы. Таким образом, в молекуле витамина В2 существуют несколько центров реакционной способности – ароматические и периферийные атомы. Однако, согласно результатам квантово-химических расчетов, атом кислорода гидроксильной группы О27 является центром атаки в образовании связи в дальнейшем метаболизме молекулы в организме.

 

Список литературы:

  1. Мамарахмонов М.Х. [и др.]. Квантово-химическое исследование электронного строения билогически активного витамина В1 // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. 2024. 4(121). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/17361 (Дата обр. 1.05.024г.).
  2. Norman, Jeremy. "Pauling Publishes "The Nature of the Chemical Bond". History.  of Information. Retrieved. July 11, 2023.
  3.  Shi-tai Guo and etc. A review of quantum chemical methods for treating energetic molecules Energetic Materials Frontiers. Volume 2. Issue 4. December 2021. Pages 292-305.
  4. Капилевич Л. и др. Спортивная биохимия с основами спортивной фармакологии: учебное пособие для вузов. Москва: Издательство Юрайт, 2024. – 151 с.
  5. Ершов. Ю.А. Биохимия человека: учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. - Москва: Издательство Юрайт, 2024. - 466 с.
  6. Frisch M.J.F and etc. Gaussian 98, Revision A. 5, Gaussian Inc. – Pittsburgh (PA), 1998.
  7. Аскаров И.Р. [и др.]. Влияние противоневрозных препаратов на безопастность деятельности человека // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. 2022. 4(97). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/13517 (Дата обращения: 1.05.2024г.).
  8. Britannica, The Editors of Encyclopaedia. “uracil”. Encyclopedia Britannica, 17 Dec. 2018, https://www.britannica.com/science/uracil. Accessed 17 March 2023.
  9. Signe Mosegaard, etc. Riboflavin Deficiency - Implications for General Human Health and Inborn Errors of Metabolism. Int J Mol Sci. 2020 Jun; 21(11): 3847. Published online 2020 May 28. doi: 10.3390/ijms21113847.
Информация об авторах

PhD, старший преподаватель кафедры химии, Андижанского госуниверситета, Узбекистан, г. Андижан

PhD, the senior lecturer of the department of chemistry, Andijan State University, Uzbekistan, Andijan

DSc, доцент, заведующий кафедрой Органической Химии, Каршинский государственный университет, Республика Узбекистан, г. Карши

DSc, docent, Chief of department Organic Chemistry, Karshi State University, Republic of Uzbekistan, Qarshi

PhD, доцент, Каршинский инженерно-экономический институт, Республика Узбекистан, г. Карши

PhD, docent Qarshi engeneering & economy institute, Republic of Uzbekistan, Qarshi

студент 4 курса Кафедра Химии, Андижанский госуниверситет, Республика Узбекистан, г. Андижан

4-course student Department Сhemistry, Andijan State University, Republic of Uzbekistan, Andijan

студент 2-курса, Каршинский педагогико-экономический универитет, Республика Узбекистан, г. Карши

Second course student Qarshi Pedagogic-economical university, Republic of Uzbekistan, Qarshi

стажер-исследователь, преподаватель, Каршинский госуниверситет, Республика Узбекистан г. Карши

Scientific Researcher-teacher, Republic of Uzbekistan Qarshi

Журнал зарегистрирован Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор), регистрационный номер ЭЛ №ФС77-55878 от 17.06.2013
Учредитель журнала - ООО «МЦНО»
Главный редактор - Ларионов Максим Викторович.
Top