ЭЛЕКТРОННОЕ СТРОЕНИЕ И РЕАКЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ ВИТАМИНА A И ЕЕ РОЛЬ В ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА

АННОТАЦИЯ

Витамин А – входит в класс жирорастворимых важных витаминов для организма, является одним из питательных веществ, имеющий форму ретиноида и каротиноида с брутто формулой C₂₀H₃₀O. Являясь в числе зрительных пигментов сетчатки глаз, служит для улучшения зрения [1]. Здоровье органов: кожи, волос, ногтей, слизистой оболочки дыхательных, желудочно-кишечных, мочевыводящих и половых путей в основном поддерживается за счет функционирования именно этого вещества. Витамин А был объектом исследования многих ученых экспериментаторов, которые изучали свойства, химические превращения и метаболизм данного объекта в организме человека [2]. Несмотря на эти сведения, теоретические исследования этого объекта остаются актуальной для объяснении его реакционной способности, механизма, пути реакции и метаболизма в организме. Поэтому нами в данной работе проведен квантово-химический расчет витамина А (ретинола). Данные полученные нами представлены в табличном, схематическом видах; сделаны выводы о геометрии, электронном строении, оценены потенциальные центры для электрофильных и нуклеофильных реагентов, пути возможных реакций, которые могут быть полезнымы для глубокого изучения процесса метаболизма в организме человека. Теоретические расчеты проведены по метду DFT программой Gaussian98, полученные данные хорошо коррелируют с результатами экспериментальных исследований.

ABSTRACT

Vitamin A - part of the class of fat-soluble vitamins important for the body, is one of the nutrients in the form of a retinoid and carotenoid with a gross formula of C₂₀H₃₀O. Being one of the visual pigments of the retina, it serves to improve vision [1]. The health of organs: skin, hair, nails, mucous membranes of the respiratory, gastrointestinal, urinary and genital tracts is mainly maintained due to the functioning of this particular substance. Vitamin A has been the object of study by many experimental scientists who studied the properties, chemical transformations and metabolism of this object in the human body [2]. Despite this information, theoretical studies of this object remain relevant to explain its reactivity, mechanism, reaction pathway and metabolism in the body. Therefore, in this work, we carried out a quantum chemical calculation of vitamin A (retinol). The data we obtained is presented in tabular and schematic forms; conclusions were drawn about the geometry, electronic structure, potential centers for electrophilic and nucleophilic reagents, and possible reaction paths that could be useful for an in-depth study of the metabolic process in the human body were assessed. Theoretical calculations were carried out using the DFT program Gaussian98, the data obtained correlate well with the results of experimental studies.

Ключевые слова: витамин А, жиры, белки, нервная, пищеварительная, сердечно-сосудистая системы, метаболизм, квантово-химический расчет, метод DFT B3LYP, электронное строение, реакционная способность, биологическая активность.

Keywords: vitamin A, fats, proteins, nervous, digestive, cardiovascular systems, metabolism, quantum chemical calculation, DFT B3LYP method, electronic structure, reactivity, biological activity.

Введение. Витамин А (ретинол) является структурным компонентом клеточных мембран, обеспечивает антиоксидантную защиту организма. Витамина A защищает от различных поражений эпителия, улучшает зрение, поддерживает смачивание роговицы. А его недостаток приводит к снижению функции иммунитета и замедляет рост организма. Суточная доза применения витамина А для взроcлого человека составляет 900 мкг рет. экв./сут. Основными его источниками являются: овощи - морковь, красный и зеленый перец, тыква; зелень - укроп, черемша, петрушка, сельдерей, шпинат кинза, щавель, салат латук, руккола зеленый лук; морские водоросли; ягоды – шиповник, облепиха; свежие и сушеные фрукты — абрикосы, хурма, урюк, курага [3].

Метаболизм. Основная масса всасываемого каротина 1A (см. схему, ниже) уже в пределах кишечных эпителиоцитов (процесс а) превращается в витамин А (1B). В сетчатке глаза ретинол (1B) превращается (процесс b) в ретиналь (1C), а в печени он подвергается биотрансформации (процесс c), превращаясь сначала в активные метаболиты в ретиналь (1C), а затем в ретиноевую кислоту (1D), которая выводится с желчью в виде глюкуронидов, а затем в неактивные продукты, выводимые почками и кишечником [4].

Рисунок 1. Процессы метаболизма витамина А в организме

Однако, проведение квантово-химического расчета витамина А и анализ полученных данных дает возможность более глубокого изучения и теоретического обоснования реакционной способности в реакциях электрофильного замещения, а также процесса его метаболизма в организме.

Методика расчета. Нами использована программа Gaussian-98 для квантово-химического расчета геометрии и электронной структуры витамина А, методом DFT-B3LYP, базисным набором 3-21G [5], применением полной оптимизации геометрических параметров.

Рисунок  2. Номеры атомов (2а) и расположение полиметиленового скелета (2b)

Полная энергия системы составляет E=-530184,85кКал/моль, а дипольный момент µ=2,1814Дб, что указывает на полярность молекулы. В рисунке ниже представлены граничные орбитали (ГО) молекулы: вид верхней заполненной молекулярной орбитали (ВЗМО); нижней свободной молекулярной орбитали (НСМО) и диаграмма энергетических величин ГО.

Рисунок 3. Объемный вид ВЗМО (3a), НСМО (3b), энергодиаграмма ГО (3c)

Из рисунка 3 видно, что основной вклад в объемной картине ВЗМО (3А) имеет сопряженные π-связи кольца и полиметинового фрагмента. Диаграмма 3С показывает энергию граничных орбиталей, согласно которому Е_ВЗМО= -164.92 ккал/моль, а Е_НСМО=+6.59 кКал/моль. Энергетическая разница между ГО молекулы Е=153.33 кКал/моль. По нашим мнениям, дальнейшие реакции с витамином А должны контролироваться электронными зарядами на атомах. Именно, атом кислорода гидроксильной группы О16 выступает как потенциальный реакционный центр для реагентов - электрофилов, имеющий заряд q(O16)=-0.686e. В процессе метаболизма происходит окисление, в результате образуется сначала альдегид – ретинль 1С, а затем процесс заканчивается образованием ретиноевой кислоты 1D.

Таблица

Заряды атомов, длина связей, валентные и торсионные углы молекулы

Обсуждение результатов. Геометрия молекулы. Длина связей. Межатомные связи кольца C1-C2, C2-C3, C3-C4, C4-C5, C5-C6 равны примерно на 1.54Å, 1.53Å, 1.53Å, 1.52Å, 1.33Å, 1.54Å; длина ординарных связей C6-C7, C8-C9, C10-C11, C12-C13, C14-C15 соответственно равны 1.49Å, 1.47Å, 1.46Å, 1.47Å; а длина двойных связей C7=C8, C9=C10, C11=C12, C13=C14 равны 1.32Å, 1.33Å, 1.33Å, 1.32Å; межатомные связи C1-C17, C1-C18, C5-C19 равны 1.54Å, 1.55Å, 1.52Å, 1.52Å; длина связей у периферийной группы С9-С20, С13-С21 равны 1.52Å, 1,52Å соответственно. Длина С-Н связей кольца и у периферии составляет примерно 1.09Å; а длина связи гидроксильной группы О-Н равна 0.96Å.

Валентные углы кольца, содержащие двойную связь С4-С5=С6, С5=С6-С1 имеет величину равные 122.22^о, 123.10^о, соответствующие sp² гибридизации атомов С5, С6; остальные валентные углы карбоциклического кольца С1-С2-С3, C2-C3-C4, С3-С4-С5 равны 112.06^о, 108.90^о, 113.19^о; а валентные углы сопряженных полиметиновых групп немного увеличены, например, углы C7-C8-C9, C9-C10-C11, C11-C12-C13, C13-C14-C15 равны 126.21^о, 127.89^о, 126.12^о, 126.39^о; валентные углы замещенных метильных групп немного укорочены, например, углы С8-С9-С10, С12-С13-С14 равны 118.51^о и 119.34^о. Валентные углы sp³гибридизованных атомов у скелета периферии и кольца С14-С15-О16, С6-С1-С17, С6-С1-С18 соответственно равны 105.80^о, 110.15^о, 109.47^о. Нами расчитанные валентные углы лежат в хорошей корреляции с гибридизацией соответствующих атомов связи. А некоторые отклонения в значении валентных углов зависят от разновидности к ним замещенных групп.

Торсионные углы. Насышенные атомы кольца составляют непоские торсионные углы, например: C1-C2-C3-C4, С2-С3-С4-С5 составляют 61.95^о, -46.36^о; а у ненасышенной двойной связи углы C4-C5=C6-C1, C4-C5=C6-C7, С1-С6=С5-С19 составляют: -2.27^о, 179.84^о, 177.88^о, что близко к плоской расположении этих атомов. Атомы скелета циклогексена не лежит в плоскости, но полиметиновая сопряженная группа почти сохраняет планарность расположения, согласно нашим данным.

Заряды на атомах молекулы. На углеродных атомах циклогексена C1, C2, C3, C4, C5, а также полиметиногого фрагмента C7, C8, C9, C10, C11, C12, C13, C14, C15 и углеродов метильных групп C17, C18, C19, C20, C21 сосредоточены отрицательные заряды равные: -0.274е, -0.345е, -0.420е, -0.420е, -0.030е;  -0.234е, -0.194е, -0.070е, -0.208е, -0.260е, -0.189е, -0.079е, -0.217е, -0.109е; -0.509е, -0.518е, -0.603е, -0.620е, -0.621е, соответственно. Единственно, атом С6 циклогексена заряжен положительно, равной q= +0,012e, в которому замещена полиметиновая цепь. Причиной такого разряжения атома С6 может быть отрицательный электронный эффект сопряжения двойной связи С5=С6 с полиметиновой цепью. При этом электронный заряд на атоме О16 равен q= -0.686е и связь О16-Н имеет длину 0.96Å. Такое укорачивание связи О-Н ожидаемо, при большой разнице модуля зарядов |qO16 – qH| гидроксильной группы. На основе вышеприведенных данных, можно заключить, что в процессе окисления именно связь О-Н выступает в роли потенциального реакционного центра и дальнейших химических превращений в живом организме.

Длина межатомных ординарных, двойных связей, валентных и торсионных углов соответствуют с литературными данными [6], а некоторые отклонения в их величине связаны с электронными эффектами заместителей

Выводы. Таким образом, нами проведено теоретическое исследование, в частности, витамина А из серии работ, посвященные к изучению процесса метаболизма различных витаминов [7, 8], в живом организме. При этом нами полученные теоретические результаты квантово-химических расчетов анализированы и сделаны выводы о правильной геометрии структуры; об электронном строении молекулы; определены потенциальные реакционные центры, участвующие в дальнейших биохимических превращениях.

Список литературы:

1. Ершов, Ю. А. Биохимия человека: учебник для вузов. – М.: Изд-во Юрайт. 2024. – 466 с.
2. Marie Anaıs, etc. Role and Mechanism of Vitamin A. Metabolism in the Pathophysiology of Parkinson’s Disease. Journal of Parkinson's Disease. 2021. - Vol. 11. No. 3. pp. 949-970.
3. Deepshe Dewett, etc. Mechanisms of vitamin A metabolism and deficiency in the mammalian and fly visual system. Developmental Biology. 2021. - Vol. 476. Pages 68-78.
4. Lorraine J Gudas. Retinoid metabolism: new insights. Journal of Molecular Endocrinology. 2022. - Vol. 69: Issue 4. P. T37–T49.
5. Frisch M.J.F and etc. Gaussian 98, Revision A. 5, Gaussian Inc. – Pittsburgh (PA), 1998.
6. Тимощенко Л.В. Органическая химия. Часть 1: учебное пособие. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета. - 2012. – 168 с.
7. 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 обращения 09.05.2024 г.).
8. Мамарахмонов М.Х. [и др.]. Квантово-химическое исследование электронного строения витамина В2 // Universum: химия и биология : электрон. научн. журн. 2024. 6(120). URL: https://7universum.com/ru/nature/archive/item/17472 (Дата обращения: 09.05.2024).