КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО СТРОЕНИЯ ВИТАМИНА В2

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 E_п=-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 (1а) зарядовое распределение на атомах (1b) и энергетическая диаграмма граничных верхней занятой  и нижней свободной молекулярных орбиталей (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

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

* - 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.