Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Спектроскопия и электронное строение соединений группы витамина B6, нуклеиновых оснований и их аналогов

ВАК РФ 03.00.03, Молекулярная биология

Автореферат диссертации по теме "Спектроскопия и электронное строение соединений группы витамина B6, нуклеиновых оснований и их аналогов"

г

ю РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

о} ИНСТИТУТ МОЛЕКУЛЯРНОЙ БИОЛОГИИ

О им. В. А, Энгельгардта

из

«— г^. О-

На правах рукописи

Боковой Владимир Александрович

СПЕКТРОСКОПИЯ И ЭЛЕКТРОННОЕ СТРС7НИЕ

СОЕДИНЕНИЙ ГРУППЫ ВИТАМИНА Вб, НУКЛЕИНОВЫХ ОСНОВАНИЙ И ИХ АНАЛОГОВ

03.00.03 — Молекулярная бис \ ' 03.00.02 - Биофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Москва - 1995

Работа выполнена в Институте молекулярной биологии им. В. А. Энгельгардта РАН

Научный руководитель

доктор физико-математических наук, профессор .

Ю. В. Морозов

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Иванов В.И. ' кандидат химических наук

Хомутов А.Р.

Ведущая организация — Биологический факультет МГУ.

Защита состоится 1995 года в на заседании

диссертадионного совета Д 002.79.01 при Институте молекулярной биологии им. В. А. Энгельгардта РАН по адресу: 117984, Москва, ул. Вавилова, дом 32.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Институте молекулярной биологии им. В. А. Энгельгардта РАН.

Автореферат разослан 1995 г.

Ученый секретарь диссертационного сова

кандидат химических наук /¿¡Г7 ____________—-"АГМ. Кркцын

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Проблема взаимосвязи электронного и пространственного строения молекул с их спектроскопическими свойствами и реакционной способностью является весьма важной и актуальной в таких областях, в частности, как молекулярная физика, химия, биохимия, молекулярная биология, медицина,- поскольку ее реализация дает возможность предсказать свойства различных молекул, синтезировать соединения с наперед заданными свойствами и т.д.

В рак:;ах указанной проблемы существует ряд частных, но -имеющих принципиальное значение вопросов, внесение ясности в которые позволит приблизиться к намеченной цели. Так как основным источником информации об электронном строении молекул являются квантово—химические расчеты, то чрезвычайно важно знать, какова абсолютная и относительная точность рассчитываемых с их помощью, молекулярных характеристик. Поскольку эксперимент является критерием адекватности теоретических расчетов, очевидно, что сопоставление расчетных данных следует проводить лишь с гарантированно надежными экспериментальными. В связи с этим возникает . нетривиальная задача грамотного и эффективного извлечения из спектроскопического материала заложенной в нем- информации и ее анализа. Учитывая то обстоятельство, что в последнее время спектроскопические методы исследования (в частности, методы оптической спектроскопии) получают все большее распространение, что' связано с целым' радом их преимуществ • — высокой информативностью и чувствительностью, щадящим воздействием на объект исследования, сравнительной дешевизной реализации, правильная постановка такого рода вопросов, формулировка принципов и подходов к их решению, их анализ на примере конкретных классов соединений является задачей в высшей степени значимой на сегодняшний день. •

Целью работы является развитие экспериментально—теоретического подхода применительно к проблеме взаимосвязи электронного и пространственного строения молекул с их физико-химическими свойствами.

В связи с этим ч задачи настоящего исследования входило: разработка физических основ математических разложений электронных и электронно— колебательных спектров на полосы, соответствующие отдельным электронным переходам, для извлечения максимально' возможной, но в" то же время достоверной информации из имеющегося экспериментального

V

X - .

3 ,

спектроскопического материала.-. Наряду с этим, так как эти разложения возможны лишь на базе строгих физических моделей, необходимо было обосновать принципы построения таких моделей на основе известного теоретического и экспериментального материала. Наконец,- апробацию всех этих новых методических разработок предполагалось провести на базе трех групп соединений — производных витаминов В6_ пиримндщгоЕ и пуринов, играющих важную роль в современных молекуляряо—биологических исследованиях, в связи с чем исследование физико-химических свойств указанных соединений представляло бы самостоятельный интерес.

Научная ^новизна. Впервые сформулированы физические основы и принципы разложения сложных спектров на полосы отдельных электронных переходов с учетом согласования и самосогласования спектров, что весьма существенно повышает точность проводимых разложений х увеличивает объем

извлекаемой спектральной информации. Это позволило, в частности, впервые

ч

показать, что для соединений группы витамина В5, имеющих дополнительное сопряжение в положении 4', в растворах возможно существование не только плоских сия— и антн—изомеров, но и поворотных конформеров, у которых заместитель в положении 4' выведен из плоскости пиридинового цикла. Наряду с этим разработаны модели и проведены аналогичные разложения спектров с явно выраженной колебательной' структурой. Кроме того, впервые осуществлена оптимизация квантово—х^ичесрих.параметров в методе ППДП/С для расчетов сложных иеплоских соединений с целью улучшения передачи их расчетных спектроскопических характеристик.

Впервые показано, что по крайней мере для атома серы необходимо в методах ППДП/С модифицировать квантово—химические параметры в зависимости от. ионного или геутомергюго состояния молекулы, в которую входит этот атом.

Практическая ценность. В рамках развиваемого экспериментально— теоретическою подхода сформулированы физические принципы спектроскопических разложений, позволяющие практически для любого класса соединений получать исчерпывающую информацию не только о кислотно— основных, но и о таутомерных равновесиях. Развиваемые в работе методы и полученные выводы справедливы не только д\я электронной, но и для колебательной, вращательной спектроскопии, е тагсже не только для абсорбционной, но и эмиссионной спёктроскошш, в частости, люминесценции.

Апробация. Результаты работы докладывались и обсуждались на:

— Всесоюзном симпозиуме "Биохемилюминесценция в медицине и сельском хозяйстве" (Ташкент, 1986 г.);

• — VI и VII Всесоюзной конференции по спектроскопии биополимеров (Харьков, IS88 г., 1991г.);

— • Всесоюзной конференции "Люминесцентный анализ в медицине, биологии и его аппаратурное обеспечение" (Рига, 1988 г.).

— Vitamin Bg Meeting. International Congress on Chemical and Biological , Aspects of Vitamin B6 Catalysis. 1987, Turku, Finland.

— International Symposium of Vitamin Bg and Caibonil Catalysis, Osaka, Japan, 1990.

Публикации. По результатам диссертации опубликовано 18 работ, основные из которых приведены в конце автореферата.

Структура к объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы. Работа изложена на ?? страницах машинописного текста, включая 36 рисунков, 24 таблицы и библиографию ( 69 наименований).

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении- обосновывается актуадмносгь поставленной задачи, формулируется цель работы"и кратко излагается содержание диссертации. Первый параграф каждой главы носит обзорный характер затрагиваемых в этой главе проблем. " . . -. , ■

В первой главе детально рассматриваются основы метода разложения спектров на полосы, - соответствующие отдельных электронным переходам, обсуждаются модели, служащие основой любого разложения. Обсуждаются алгоритмы программ разложения спектров, предлагается модель разложения спектров с колебательной структурой, формулируются принципы согласования и самосогласования спектров, анализируются вопросы однозначности и. точности проводимых разложений.

Во второй главе на примере многочисленных аналогов витаминов Bg и нуклеиновых.оснований продемонстрирована применимость сформулированных, принципов и возможность детального качественного и количественного анализа имеющихся в растворах форм.

В третьей главе обсуждается взаимосвязь электронного, и пространственного строения пиридоксиновых и придоксалевых производных нуклеиновых

оснований с их спектроскопическими свойствами. Анализируются некоторые пути оптимизации параметров в методе ППДП/С для более корректного предсказания спектроскопических характеристик.

В четвертой главе производится уточнение квантово—химических параметров атома сера и рассматриваются спектроскопические свойства и электронное строение серосодержащих производных нуклеиновых оснований — 4—тиоурацила и 6—таогуанива, } ■>

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ГЛАВА I. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СПЕКТРАЛЬНЫХ РАЗЛОЖЕНИЙ

В основу разложения спектра на полосы, соответствующие отдельным электронным переходам, закладывается предположение, что форма полосы может быть представлена математической функцией, достаточно точно ее описывающей. Это должна быть параметрическая функция, отражающая основные физические свойства полосы поглощения (излучения): энергию перехода, силу его осциллятора, полуширину и асимметрию. В качестве такой функции бралась логнормальная:

«КУ.УрЕ,,щр) = е,-вср{-1п2/1п2Д1п(V- при у>а

• = 0 - ..- _ при у><а (1) . ..

где у— текущее волновое число, соответствующее максимуму полосы, е0— значение коэффициента эхстинкции в.максимуме, V и р- полуширина и асимметрия. Если количество 'полос в интересующем спектральном диапазоне известно, то математическая задача разложения спектра формулируется следующим образом: требуется отыскать такие параметры полос, представляемых лошормальными функциями, чтобы их огибающая ("теоретический спектр") была наиболее близка ' экспериментальному. Это достигается минимизацией функционала

. I 1 г '

М - ы

где V— нумерует дискретные значения волновых чисел, для которых берутся величины молярных экстинкций е\ в экспериментальном спектре еы, V/,, р,, имеют тот же смысл, что и в (1), но относятся к разиым полосам 1; £.— полное

б'

число полос в исследуемом спектральном диапазоне, п— количество точек в спектре. -

Смысл решаемой задачи может быть алгоритмически сформулирован следующим образом. Сопоставление данных спектроскопического эксперимента с известными физюсо—химическими свойствами изучаемого и родственных ему соединений, а также с результатами теоретйческих расчетов их спектров дает возможность сформулировать начальную модель изучаемой системы. На ее основе проводится математическая обработка имеющейся спектральной информации, т.е. ищется минимум выражения (2). Результаты обработки сравниваются с исходным экспериментальным материалом. Если расхождение между ними лежит в пределах экспериментальной ошибки, значит, предварительная модель является справедливой. Такое встречается, к сожалению, очень редко и относится, как правило, к тем случаям, когда производится разложение спектра,- относительно которого имеется большая исходная информация (например, разлагаются спектры близких аналогов). Если же расхождение превышает экспериментальную ошибку, то модель требует корректировки, для проведения которой необходимо подчас привлечение дополнительной информации. Такой циклический процесс продолжается до той поры, пока расхождение между результатами математической обработки спектроскопического материала (в соответствии с уточненной моделью) и исходными спектральными данными не окажется лежащим в пределах ошибки эксперимента, ~ •

Рассмотренный алгоритм показывает, на наш' -взгляд. полную некорректность и несостоятельность часто возникающих вопросов об однозначности разложения при получении близких друг другу результатов, главном или побочном минимуме задачи и т.д. Действительно, если расхождение между результатами математической обработки и экспериментом превышает экспериментальную точность, то задача еще не решена и нет предмета для обсуждения, а если это расхождение лежит в пределах точности, то задача в рамках используемой модели решена заведомо однозначно, т.к. дальнейшее уточнение разложения на основе использованного экспериментального • материала (т.е. з пределах точности) лишено физического смысла. Это, однако, не означает, что последующее экспериментальное исследование, повышающее точность имеющейся спектроскопической информации, не может привести к дополнительному уточнению модели и более высокой точности проводимого спектрального разложения. Таким образом, вопросы однозначности или

неоднозначности относятся не" к математической процедуре, а. к модели, положенной в ее основу. Нахождение минимума функционала (2) — это математическая процедура минимизации, физической задачи в 41.—мерном пространстве параметров полос, каждый их которых имеет определенную 1 точность. Поэтому точность спектрального разложения определяется объемом имеющейся информации и ее точностью относительно всех 41, параметров. Естественно, чем большее число параметров может быть зафиксировано (это означает, что они известны с экспериментальной точностью), или чем уже могут быть выбраны интервалы их варьирования, тем выше будет точность проводимого разложения.

Каковы же источники повышения точности исходной информации? Для хорошо разрешенных полос повышение приборной точности и степени очистки исследуемых соединений может в известной мере способствовать решению поставленного вопроса. Однако, для сильно перекрывающихся полос это оказывается практически неэффективным, т.к. ни в коей мере не сказывается на степени их перекрывания.

В принципе, практически для любого соединения могут быть найдены такие внешние факторы (смена растворителя, введение в молекулу не очень сильно влияющих на спектральные свойства заместителей и т.д.), которые, не слишком существенно сказываясь на значениях энергии электронных переходов и соответствующих им сил осцилляторов, оставляют практически неизменными величины полуширин и асимметрий полос. При этом соотношения между различными таутсмерами, конформерами и пр. могут меняться весьма значительно. Сравним, например, между собой спе:стры, измеренные в двух растворителях (отвечающих сформулирозанным требованиям)., в которых заметно различаются таутомерные соотношения. Тогда из первого спектра можно определить нулевые значения параметров полос для доминирующего в этом растворителе таутомера, из второго — для другого таутомера. Эта нулевые значения параметров одних полос позволяют получить уточненные значения параметров других я та- Эта процедура уточнения продолжается до тех пор, пока полосы поглощения £ обоих спектрах не оказываются полностью согласованными по всем параметрам всех полос. Процедура согласования параметров соответствующих полос в разных" спектрах позволяет существенно, ограничить интервалы их вариации. В то же время процедура минимизации -функционала (2) с учетам зтах ограничений сводится по существу к поиску наилучших физически разумных однополосных функций в суперпозиции всех

остальных (также наилучших), т.е. по сути дела является процедурой самосогласования.

СНгОН

сирн - - " "

^н^СНз

Г

н+

р№

Рис. 1. Схема кислотно—основных и таугомерных равновесий пиридоксина.

ВоАмваи «нем. |Х ДО 40_30 40_ ДО 40

| ^ X

5

I 1

к

250 Э00 130 300 Дипмаомпыч

Рис. 2. Спектры поглощения ионных форм пиридоксина в воде(А.Б.В) и этаноле (ПД.Е) при 293 К, разложенные на полосы отдельных электронных

переходов. .

Ниже на примере разложения спектров ионных форм пиридоксина (РЫ) мы подробно рассмотрим один из способов получения информации для уменьшения

доверительных интервалов варьирования параметров. В водных растворах при разных рН PN существует в виде: катиона (РЫ+), нейтральной молекулы (Р№), биполярного иона (РЬГ*) и аниона (РЫ-) (см. рис. 1).

На рис. 2 приведены спектры поглощения различных ионных форм Р1Ч, разложенные на полосы, соответствующие отдельным электронным переходам, а в табл. 1 суммированы результаты этих разложений, к обсуждению которых мы и переходим.

Таблица 1 •

Расчетные и экспериментальные значения энергии электронных переходов {Е в эв) и соответствующих им сил осцилляторов {£); величины полуширин'полос Ы в кК)

и их асимметрий (р); а также процентные содерхания(З) РН* и РЫ°

Теория Эксперимент

Е(1Е) ППП Е Ш X и Р *

4,28(0,26) 4,26(0,28) 291 3,23 1,45

Вова 5,19(0,03) 5,41(0,12) 229 4,80 1,20

5,91(0,87) 5,87(0,17) 211 3,62 1,20

6,36(0,59) 6,05(0,33) 205 2,66 1,20

4,22(0,29) 293 3,22 1,55

Этанол 5,32(0,12) 233 4,80 1,25

6,01(0,65)* 206* 3,89* 0,93*

3,80(0,33) 3,82(0,30) 324 3,53 1,36 81,0

Вода 4,74(0,26) 4,90(0,20) 253 4,46 1,46

6,05(0,69) 5,64(0,76) 220, 3,87 1,36'

РЫ±

3,75(0,30) ^ 331, 3,47 1,40 6,3

Этанол 4,87(0,49) ' 255 4,60 1,43

5,56(0,76) 223 3,85 1,28

Вода

Р№

4,49(0,15)

5,51(0,14) 6,39(0,85)

4,37(0,19) 5,72(0,15) 6,35(2,34)*

4,34(0,19) 5,64(0,20) 6,36(0,981*

284 3,25 1,45 19.0 217 4,60 1,20 195* 5,00* 1,10*

285 220

-3,18 4,64

1,49 93,7 1,20

Вода

4,03(0,29) 5,04(0,27) 5,93(0,63)

4,01(0,24) 5,08(0,29) 5,90(0,631*

4,01(0,24) 5,02(0,29) 5,87(0,59)*

309 244

3,67 4,66

309 3,63 247 4,25 211"

1,35 1,30^

1,43

1,37 3,62* Л,95*

Наиболее простая ситуация реализуется в кисдьис и щелочных растворах, в которых существует только по одной ионной форме. Из табл. 1 видно, что

РЫ

переход от воды к этанолу сопровождается, как правило, небольшим батохромным сдвигом всех регистрируемых полос (исключение составляет величина Е] для РЫ", для которой сдвиг отсутствует). В то же время значения полуширин (мг) и асимметрий (р) соответствующих полос, а также величины сил осцилляторов наиболее длинноволновых полос (Г)) практически не зависят от используемых растворителей. Отметим также хорошее соответствие между величинами Е и полученными в результате разложения и предсказываемые теорией. Здесь следует сказать еще и то, что по крайней мере для соединений группы витаминов Вб результаты квантово—химических расчетов в л — электронном приближении хорошо согласуются с результатами ^ спектроскопического эксперимента и могут быть использованы даже в аналитических целях для предсказания как спектроскопических характеристик, так и для идентификации интермедиатов в фотохимических и энзиматических реакциях.

Из табл. 1 можно видеть, что для всех полос величина асимметрии заведомо больше единицы. И лишь в случае последних полос возможна обратная ситуация. , Причину этого легко понять из анализа разложения . В случае этанольного раствора недостаток информации не позволил разделить третью и четвертую полосы, которые были объединены в одну. Между тем в этой области, судя по данным квантово—химических расчетов и разложению спектра в воде,

имеются две полосы, асимметрии которых больше единицы. Разложение показало, что более длинноволновая имеет примерно вдвое меньшую силу осциллятора. Таким образом, . третья полоса РЫ + . в этаноле .фактически представляет собой сумму двух полос, а указанное соотношение сил осцилляторов определяет ее асимметрию как меньшую единицы.

Для нейтральных растворов, по сравнению с кислыми и щелочными, ситуация более сложная, т.к. в них одновременно присутствуют Р№ и Р№. Однако в этом случае весьма эффективно можно воспользоваться тем обстоятельством, что в этих растворах процентное содержание форм резко различается. При проведении разложений по аналогии с Р1Ч+ и РГ*1-предполагалось, что при смене растворителя сохраняются величины \<г, р и Г]. Разложив спектр в воде, мы взяли параметры доминирующей биполярной формы и, используя их в качестве начальных данных, разложили спектр РЫ в этаноле. Получив более точные (в сравнении с первым разложение) параметры доминирующей здесь нейтральной формы, подставили ах в первое разложение для корректировки параметров полос биполярного иона, с которыми вновь

'. И

разложили спектр в этаноле и т.д. вплоть до полного согласования всех параметров по всем полосам в пределах экспериментальной ошибки. Такая процедура позволила определить параметры полос с более высокой точностью, чем без описанного согласования н самосогласования.

Отметим, что в этом случае разлагались два спектра, содержащие каждый -по б полос, т.е. мы имели 24 формально варьируемых параметра. Спектры многократно согласовывались по соответствующим параметрам, конечный результат находится в хорошем соответствии с теорией по всем полосам. Вся совокупность данных позволяет утверждать, что высказанное предположение о сохранении для РМ* и Р№ в разных растворителях величия уг, р и ^ соответствует реальности (см. табл. 1 для РЫ* и Р№). Экспериментальные спектры совпали с теоретическими с высокой степенью точности. Возможность случайного совпадения по большому количеству параметров в этом случае представляется практически невероятной.

Анализ данных в табл. 1 позволяет также сделать вывод о слабой зависимости от растворителя параметров всех полос. Исключение составляет вторая полоса значение ^ которой при переходе к этанолу возросло более чем в два раза. Квантово—химические расчеты позволяют утверждать, что в данном диапазоне никаких других полос не имеется. Поэтому это возрастание можно считать достаточно надежно установленным экспериментальным фактом.

Следует также подчеркнуть, что практическое постоянство величин \яг, р и ^ в разных растворителях позволило наложить на них весьма существенные ограничения, исключив их по сути дела из вариации, что в целом привело к более быстрой сходимости процедуры поиска минимума функционала (2).

Использование этих процедур .позволило для рассмотренных соединений повысить более чем на порядок точность проведенных спектральных разложений.

Глава и. абсорбционная спектроскопия соед инений группы витаминов б£ и нуклеиновых оснований

Во второй главе излагаются результаты детального анализа спектроскопических свойств, кислотно—основных и таутомерных равновесий разнообразных аналогов витаминов а также азотистых оснований "

нуклеиновых кислот. Использование для этого анализа рассмотренных в гл. 1

t

подходов позволило наряду с уточнением кислотно—основных и таутомерных равновесий этих соединений показать, что для всех аналогов витаминов Bg, имеющих дополнительное сопряжение в положении 4" в случае ионизованной , 3—гидроксигруппы, ' в растворе доминируют анти—изомеры, в случае же катионов и нейтральных молекул — син—изомеры.'Впервые обнаружены для оксимов пиридоксаль—5" —фосфата (PLP), его кетоаналогов, 4—пиридоксовой кислоты и альдиминов PLP с аминокислотами поворотные изомеры, у которых соответствующая группировка выведена из плоскости пиридинового цикла и расположена практически перпендикулярно к плоскости этого цикла, а в некоторых случаях (оксимы, кетоаналоги и альдимины PLP) под углом 15°—20° к плоскости пиридинового цикла. При этом оказалось, что изомеры, у которых полностью нарушено сопряжение между заместителем в положении 4' и пиридиновым циклом, ведут себя спектроскопически аналогично пиридоксину (PN), пиридоксамину (РМ) и т.д. Для нуклеиновых оснований использование процедур согласования и самосогласования спектров помимо снятия ряда имевшихся ранее противоречий между результатами* квантово—химических расчетов и спектроскопическим экспериментом позволило также впервые, исходя из анализа спектров поглощения, внести определенную ясность в вопрос о таутомерных равновесиях . прототропньпс таутомеров и для аденина, птоксантина и ксаятина.

Рис. 3. Кислотно—основные равновесия аденина и аденозина.Т1=Н(аденип);

И=Р—Р—ри бофуранозил. В качестве примера проведем анализ полученных результатов для аденина (рис. 3,4, табл. 2). Для катионов переход от основания к нуклеозиду •

сопровождается вполне достоверным гипсохромным сдвигом наиболее длинноволновой полосы поглощения и некоторым уменьшением ее полуширины. Это позволило предположить, что аденин существует в растворе в виде равновесной смеси прототропных таутомеров Ade} и Ade} , причем согласно квантово—химическим расчетам, спектр поглощения Ade} должен быть батохромно сдвинут относительно Ade} . Из табл. 2 можно видеть, что наиболее длинноволновая полоса Ade} сдвинута батохромно относительно аналогичной полосы у Ado+, в толже время значения Ej для Ade} и Ado+ примерно совпадают. Здесь следует подчеркнуть, что в'еличкны w и р для соответствующих полос поглощения Ade}, Ade} и Ado+ практически совпадают. Спектральное разложение, проведенное с учетом изложенных выше соображений, позволило определить в растворе 46,4% Ade} и 53,6% Ade}. При определении процентного содержания таутомеров предполагалось, что значения f j у них одинаковы.

Волновое число. хК

Рис. 4. Спектры поглощения водных растворов аденина (А,Б,В,Г) и аденозина (Д,Е); А—дикатион, Б и Д— катионы, В и Е— нейтральные молекулы,

Г— анион.

Для нейтрального аденина были проведены два разложения: одно в предположении, что в растворе присутствует лишь один таутомер Айе$ , другое

— что в растворе сосуществуют AdeJ и AdeJ . В первом случае раосЬждение между экспериментальным и синтезированным спектрами составило -12%, во

втором--3%. Естественно, что следует отдать предпочтение второму варианту,

который и приводится на рис. 4. Следует заметить, что к этому разложению надо относиться с известной осторожностью, потому что содержание Ade° составляет всего 4,8%.

Таблица 2

Расчетные и экспериментальные значения энергий электронных переходов (Е в эВ, X в км) и соответствующих им сил осцилляторов (£), полуширины полос (и в кК) и их асимметрии (р) для аденина и аденозина, а также процентные содержания (%) Лсе-у и Айед

Теория Е(£Г ГШДП E(f) ППП

Е(£)

ЭКСПЕРИМЕНТ X w р;

Ade2+ 4,81(0,24) 5,31(0,21) 6,44(0,10) 4,64(0,34) 5,25(0,30) 6,13(0,13) 4,65(0,40) 5,06(0,19) 6,27(1,21)* 267 245 198* 4,14 4,90 7,51* 1,35 1.55, 1,30 *

4,71(0,20) 4,77(0,53) 260 4,55 1,27 46,4

Ade 7 5,01(0,03) 5,81(0,57) 5,2S(0„04) 6,17(0,89)* 236 201* 4,87 5,83* 1,15 1,01*

4,56(0,20) 4,64(0,27) 4,68(0,53) 265 4,45 1,27 53,6

AdeJ 4,88(0,19) 6,18(0,20) 5,23(0,22) 6,11(0,57) 5,1440,07) 6,17(0,89)* 241 201* 4,87 5,83* 1,15 1,01* ..... -

Ado+ - - 4,78(0,56) 5,20(0,05) 5, 97(0,84)* 260 239 208* 4,50 4,87 5,09* 1,22 1,15 1,10*

4,98(0,11) 4,72(0,49) 263 4,24 1,35 4,8

Ade", 5,21(0,09) 6,18(0,42) 5,19(0,08) 6,12(1,33)* 239 203* 4,84 5,24* 1,28 1,20* -

4,99(0,26) 4,75(0,08) 4,76(0,49) 261 4,20 1,38 95,2

AdeJ 5,08(0,04) 6,25(0,24) 4,98(0,39) 6,02(0,73) 5,27(0,07) 6,12(1.33)* 235 203* 4,84 5,24* 1,28 1,20* ■

Ado0 - 4,76^0,56) 5,21(0,06) 6,01(0,89)* 261 238 206* 4,28 £785 4,33* 1,33 1,28 1,12*

4,58(0,11) 4,45(0,18) 4,62(0,44) 269 3,77 1,58

Айе-^ 4,82(0,03) 4,49(0,09) 5, 08 ("0> 05) , 244 4,23 1,54

5,97(0,423 5,59(0,47) 5,66(0,50) 219 4,87 1,38

6,38(0,31) 5,96(0,56) 6,04(0,75)* 205* 5,58* 1,22*

Обсуждая результаты проведенных спектроскопических разложений,

чрезвычайно важно подчеркнуть два важных обстоятельства. Если в процессе

i

спектроскопического разложения происходит отклонение значений параметров от "эталонных* или характерных для данного класса, то это в подавляющем большинстве случаев означает наличие некоей неточности в используемой модели. В частности, Ьри разложении спектров поглощения нейтральных водных растворов пиридоксаля (РЦ мы пренебрегли нейтральными альдегидами, а в случае Р1Р — нейтральными гидратами. Это никак не повлияло на результаты разложения, поскольку вклады указанных форм в суммарное поглощение заведомо лежат в пределах экспериментальной ошибки. В то же время попытки неучета нейтральных форм для РМ, его 51—фосфорного эфира и альдегидов РЬР приводили к заметному уширению полос и увеличению их асимметрии, поэтому, в физическую модель, на базе которой ■ проводилось разложение, необходимо было включить и полосы поглощения указанных форм, хотя их содержание в растворах составляло лишь несколько процентов.

Глава III. ВЗАИМОСВЯЗЬ МЕЖДУ ЭЛЕКТРОННЫМ И ПРОСТРАНСТВЕННЫМ СТРОЕНИЕМ ПИРИДОКСИНОВЫХ И ПИРИДОКСАЛЕВЫХ ПРОИЗВОДНЫХ НУКЛЕИНОВЫХ ОСНОВАНИЙ И ИХ СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ

Квантово—химические методы расчета молекул играют весьма важную роль в физико-химических исследованиях, в частности они являются по существу главным источником информации об электронном строении молекул. В связи с этим совершенно естественно возникают* вопросы о точности этих расчетов, надежности и достоверности результатов, полученных с их помощью. Важноч. также отметить, что эти вопросы приобретают еще большую значимость для исследования поведения молекул в возбужденных состояниях, где их концентрация, как правило, мала по сравнению с основным и » то же время традиционные методы исследования (такие как, например, колебательная спектроскопия), если и дают результаты, то их получение связано с очень большими трудностями.

Все квантово—химические методы расчета молекул являются приближенными и ориентированы на расчет различных групп молекулярных характеристик. .Эффективность предсказаний, делающихся на их основе, в значительной мере зависит от удачного выбора параметров и всегда требуются ' некие экспериментальные критерии, по которых можно было бы судить о надежности и достоверности полученных результатов. Следует также отметить,

что удачная параметризация может. в большой мере скомпенсировать приближения и допущения (подчас весьма грубые), лежащие в основе того или иного полуэмпирического метода, ' - -

Производные нуклеиновых оснований и бензимидазола, у которых к гликозидному центру присоединена молекула пнридоксина (РМ) или пиридоксаля (РЦ, представляет двоякий интерес: как соединения, содержащие два хромофора,. взаимодействие между которыми неизвестно, и как негликозидные аналоги нуклеозидов, могущие найти достаточно широкое применение в молекулярно— биологических и биохимических исследованиях.

.ОН

СН,

4Р1чШга: ^ = №3; И2 = Н 4РМСуЬ Я^СуЪ 1*2= Н 4РЫАс1е: Я,=Ас1е; К2 = Н 4РНВип: 11, = В1го; К2=Н ЗРИШа: ^=Н; И2=ига 5РИСуЬ Л}—Н; Л2=Су1 5РИАс1е: Я, = Н; Я2=Аёе бРИВм: Я1 = Н; Я2 = Впп

.ОН

СН,

4РШга: Я, = ига; Я2=Н 4РШеига: Я, = 4-Ометилига; Я2=Н 5РШга: = Я2=ига 5Р1Меига: 11, = Н;-= 4 — О — метилига

Рис. 5. Строение исследованных соединений.

Предварительное спектроскопическое исследование этих соединений показало, что с высокой степенью точности их спектры являются суперпозицией спектров соответствующего нуклеинового основания и пиридосинового (пиридоксалевого) фрагмента. Отсюда был сделан вывод, что' рассматриваемые соединения являются неплоскими и что их ж—электронные системы взаимодействуют очень слабо. Конформационный анализ этих соединений полностью подтвердил это предположение и позволил определить пространственное строение их преимущественно существующих конформеров. Было проведено двоякое исследование их электронного строения. С одной стороны, поскольку электронные системы ' хромофоров практически не

взаимодействуют, то их электронное строение было изучено фрагментарно, с другой стороны, исследование < электронного строения различных ионных, таутомерных и хояформерных форм рассматриваемых соединений было осуществлено в приближении ППДП/С для неплоских молекул. При этом оказалось, что в обоих случаях получаются аналогичные результаты как в основном, так и в возбужденных состояниях. Кроме того, электронное строение каждого из фрагментов оказалось практически совпадающим с Таковым для ' пиридоксина (диридоксаля) и соответствующего нуклеинового основания.

Поскольку в состав интересующих нас соединений входят молекулы трех классов 3—гидроксипиридинов, пиримидинов и пуринов, а точность расчета молекул указанных классов методами ППДП/С невелика (расхождение с экспериментом в определении энергий переходов достигает 1 эВ по первой полосе), представляется естественным вначале, выбрав одну из вариаций метода ППДП/С(А)(',),Р1), так модифицировать его параметры (разумеется, в пределах разумных физических соображений), чтобы, не ухудшив передачи всех особенностей расчета электронной' структуры молекул, повысить точность расчета их спектроскопических характеристик. Затем с помощью оптимизированной системы параметров рассчитать интересующие нас соединения и, если понадобится, провести дальнейшую оптимизацию.

В качестве критерия оптимизации было выбрано наилучшее воспроизведение энергий первых двух электронных переходов. В качестве реперных молекул были взяты молекулы 3—сидроксипиридина, аденина, "гуанина, цитозина и урацила во всех ионных "формах "(всего 16 молекул).'"Для атомов С N. О производился поиск оптимальных значений. следующих параметров: полусуммы потенциала ионизации'и сродства к электрону для в и р орбиталей, резонансного интеграла, интеграла мёжэлехтрогаюго отталкивания, т.е. модификации подвергались 12 параметров.

С помощью оптимизированной системы параметров были просчитаны все ионные и таутомерные формы соединений (см. рис. 5)

(ЧСавин ФА., Баранов В.И, Грибов АА. Программы расчета электронно-колебательных спектров молекул. М., 1983. 192 с.

P)Hlis R.L., Kuehnienz G., Jaffe H.H. The Use of CNDO Method in Spectroscopy. VI. Furder - Transitions. //Theor. Chem. Acta. 1973. V.26. P. 131 - 140.

Анализ результатов расчета показал, что соответствие экспериментальных и теоретических значений переходов и сил осцилляторов вполне разумное (расхождение по энергиям первых электронных переходов в подавляющем большинстве случаев лежит в пределах 0,3 эВ). Максимальное расхождение наблюдалось.по первой полосе ига0 и составляет 0,78 эВ в расчете 5Р1.+ига°. Это говорит о том, что данная система, параметров! не окончательна и в. принципе может быть улучшена. Однако дальнейшая ее "оптимизация, которая позволила бы добиться еще лучшего соответствия, не проводилась ввиду появления в процессе расчета электронных переходов, связанных, как правило, с существенным межфрагментарным переносом заряда и имеющих очень низкую силу осциллятора. Так как спектральные свойства обсуждаемых соединений хорошо известны, то можно утверждать, что эти переходы являются артефактами расчетного метода и должны- быть исключены из последующего рассмотрения. При этом следует заметить, что такие артефактяые переходы предсказываются не только при расчете рассматриваемых соединений и не только с помощью метода ППДП/С(А), но и в других вариациях ППДП/С. Учитывая то обстоятельство, что в реальных ситуациях действительно возможны внутримолекулярные переносы электронного заряда, решение вопроса о природе возникновения в процессе расчетов "фиктивных" электронных переходов является весьма важным и принципиальным, т.к. позволит либо вообще исключить эти артефакты из расчетов, либо,* по крайней мере, надежно отличать их от реально существующих электронных переходов.

ГЛАВА IV. ЭЛЕКТРОННОЕ СТРОЕНИЕ И СПЕКТРОСКОПИЯ 4-ТИОУРАЦИЛА И 6-ТИОГУАНИНА

' С - ' • .■

В четвертой главе рассмотрены спектроскопические свойства и электронное строение 4—тиоурацила и 6—гиогуанина. Наряду с детальным анализом спектроскопических свойств, кислотно—основных и таутомерии равновесий этих соединений, специальное внимание в этой главе уделено выбору квантово— химических параметров для атома серы в приближении ППДП/С Дело в том, что известные ранее из литературы параметры методов приводили при расчетах энергий к очень большим расхождения (до 1 эВ) между теоретическими результатами я спектроскопическими данными. Новые параметры для атома серы были выбраны на основании анализа спектроскопических свойств ряда серосодержащих соединений и оказались равными: интеграл межэлектронного

отталкивания у=7эВ, резонансный интеграл (3= 14 эВ. Оказалось, что найденные параметры приводят к хорошему соответствию между результатами расчетов и спектроскопическим экспериментом. Расхождение между теорией и экспериментом для первого электронного перехода ве . превышало в подавляющем большинстве случаев 0,2 эВ. Однако для дианионов 4£>ига~ а 6ЭСиа=, а также моноаниона 45ига3 ~ расхождение было существенно большим а составляло 0,5 эВ. При этом, если для всех форм при переходах в состояние наблюдался перенос электронного заряда с атома серы, то у указанных форм такой перенос отсутствовал, что в явной форме противоречило известным экспериментальным данным о повышенной способности к фотоокислению в щелочных растворах. Наличие этих противоречий позволило высказать предположение, что для этих трех форм потенциал ионизации атома серы должен быть по—видимому, понижен, что действительно соответствует повышенной способности к фотоокислению. Проведение соответствующих процедур оптимизации параметров позволило показать, что если потенциал ионизации атома серы понизить, то для этих трех форм имеет место аналогичный внутримолекулярный перенос заряда с атома на пиримидиновый и пуриновый цикл и исчезает- расхождение между результатами. расчета и сп ектроскопическим экспериментом. Обычно при использовании методов ППДП каждый атом характеризуется набором постоянных параметров, независимо от ионного или таутомерного состояния молекулы.!.Нами показано в этом случае, что по крайней мере для атома серы это предположение требует, более расширенного Толкование: "

В заключение хочется еще раз подчеркнуть необходимость использования надежных экспериментальных критериев как для выбора квантово—химических параметров, так и для оценки достоверности результатов теоретических расчетов.

ВЫВОДЫ

1. В работе сформулированы физические основы спектральных разложений. Впервые предложены принципы согласования и самосогласования спектров, реализация которых позволила существенно повысить точность, спектральных разложений, что в свою очередь значительно повысило объем информации, извлекаемой из спектроскопического материала.

*

1. В работе также показано, что разумные спектроскопические разложения возможны лишь на базе четко сформулированных физико-химических моделей, в основе которых лежат результаты квантово—химических расчетов изучаемых соединений и известный экспериментальный спектроскопический материал. При этом теория играет двоякую роль, являясь одной из основ для построения фязико—химических моделей и с другой стороны косвенным критерием адекватности проведенного разложения в случае его разумного соответствия по всем параметрам с теоретическими предсказаниями.

3. Использование разработанных методов и приемов позволило детально разобраться в спектроскопическом поведении многочисленных производных нуклеиновых оснований и соединений группы витаминов Вд.

а) В частности, для аналогов витаминов В^ имеющих дополнительное сопряжение в положении 4' впервые было показано, что, наряду с плоскими син— и анти—изомерами, в растворах существуют поворотные изомеры, у которых соответствующий заместитель выведен из плоскости пиридинового цикла примерно на 15° —20° или же расположен в плоскости перпендикулярной плоскости пиридинового цикла.

б) Для пуриновых оснований нуклеиновых кислот впервые на' основе анализа их электронных спектров поглощения удалось определить соотношение между их Ы7Н и N911 прототропными таутомерами.

в) Сопоставление спектроскопического. материала с результатами квантово—химических расчетов (ППДП/С) для 4—тиоурациоа и 6—тногуаниа показало, что по крайней мере, для атома серы характеризующие его квантово— химические параметры зависят от ионного состояния молекул, содержащих этот атом.

Основные работы по теме диссертации

1. Морозов Ю.В,, Бажулина Н.П., Боковой ВА., Чехов В.О. Принципы разложения сложных спектров биологически активных соединений на полосы, соответствующие отдельным электронным переходам. //Биофизика. 1987. Т. 32.

5. С 699—715.

2. ■ Морозов Ю.В., Боковой В.А.. Физические основы спектральных разложений. //Журн. Физ. Химии. 1989. т.'63. Ы%3. с. 652 — 668.

3. Боковой В.А., Морозов Ю.В. Ионные и таутомерные равновесия бензимндазола и его пиридоксильных производных. Анализ электронных

спектров с колебательной структурой.. //Журн. Фнз. Химии. 1988. т. 62. N%9. с.

, 2372-2380. ."

А. Боковой ВА, .Бажулина Н.П., Морозов Ю.В., Чехов В.О. Кислотно-основные, таутомерные и изомерные равновесия оксимов пиридоксаля, пиридоксаль—5*—фосфата и некоторых их аналогов. //Биофизика. 1989. Т. 34. N% 5. С. 741-752.

5. . Бажулина Н.П., Боковой ВА, Карклит Л.В., Морозов , Ю.В. Люминесцентное й фотохимическое поведение пиридоксина и некоторых его аналогов. //Биофизика. 1989. Т. 34. N% 1. С. 1501576. Боковой В Л., Бажулина Н.П., Морозов Ю.В., .Чехов В.О. Спектроскопические свойства и равновесия между ионными, таутомерными и изомерными формами кетоаналогов пиридоксаля и 4—пиридоксовой кислоты и ее лактона. //Биофизика. 1990. Т. 35. N% 3. С. 522 - 532.

7. Морозов Ю.В., Бажулина Н.П., Боковой ВА., Федорова Л.И., Чехов В.О. Кислотно—основные и таутомерные равновесия альдиминов пиридоксаль— 5'—фосфата с аминокислотами. //Молекуляр. Биол. 1988. Т. 22. N% 6. С. 1571 — 1582. -

8. Бажулина Н.П., Боковой ВА, Морозов Ю.В., Федорова Л.И., Чехов В.О. Спектроскопическое поведение альдиминов пиридоксаль—5'—фосфата с аминокислотами. Таутомерные и изомерные равновесия. //Молекуляр. Биол. 1991. Т. 25. N%3. С. 678 - 688.

9. Морозов Ю.В., Боковой В А. Бажулина Н.П. и др. Пространственное и электронное - строение ■ некоторых пиридоксиновых и пиридоксалевых производных нуклеиновых оснований. //Боорган. химия. 1987. Т. 13. N% 6. С. 793- 804.

10. Rabin Yu. V., Blagoy Yu. P., Bokovoy V. A,Leontiev V. S„ Lee R. G. The Investigation of Structural Transitions and Energy Transfer in DNA Solution in Range 4.2-273K Using б-Tioguanine. Int. J, of Quantum Chemistry 21, p. 187-194. 1994

11. Боковой В А, Морозов Ю.В. Бажулина Н.П., Чехов В. О. Электронное строение и Спектроскопические свойства 4—тиоурацила и 6— тиогуагина.//Журн. Физ. Химии. 1591. т. 65. N%4. с. 865— 883.

)