Biopolym. Cell. 1999; 15(5):374-382.
Структура та функції біополімерів
Теоретичне ab initio дослідження бар'єрів
внутрішньомолекулярних конформаційних переходів у гліцині і
α-аланіні
- Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б. І. Вєркіна НАН України
Проспект Леніна, 47, Харків, Україна, 61103
Abstract
Здійснено неемпіричні квантовохімічні розрахунки енергетичних бар'єрів між найстабільнішими конформерами аліфатичних амінокислот гліцину та α-аланіну. Використано методи Хартрі–Фока (HF) та теорії збурення (МР2) з двічі розщепленим валентним базисним набором, що включає поляризаційні та дифузні оболонки на всіх атомах (6–31++G**). Встановлено, що деякі конформери гліцину та α-аланіну розмежовані низькими енергетичними бар'єрами, що дозволяють інтерконверсію у стабільніші форми. Це цілком узгоджується з експериментальними дослідженнями конформаційної структури гліцину та α-аланіну та пояснює, чому з трьох конформерів гліцину та п'яти конформерів α-аланіну з передбаченими відносними енергіями менше, ніж 7 кДж/моль, тільки по два конформери кожної сполуки спостерігаються експериментально та чому третій конформер гліцину був ідентифікований у низькотемпературних матрицях при температурі, нижчій за 13 К. Показано, що структурні дослідження таких конформаційно лабільних сполук, як амінокислоти або короткі олігопептиди, що мають складну поверхню потенційної енергії, повинні враховувати не тільки відносні енергії конформерів, але й величини енергетичних бар'єрів між ними.
Повний текст: (PDF, російською)
References
[1]
Jonsson PG, Kuick A. Precision neutron diffraction structure determination of protein and nucleic acid components. III. The cryslal and molecular structure of the amino acid glycine. Acta Cryst. 1972; 28(6)1821-1833.
[2]
Lehmann MS, Koetzle TF, Hamilton WC. Precision neutron diffraction structure determination of protein and nucleic acid components. I. The crystal and molecular structure of the amino acid L-alanine. J Am Chem Soc. 1972;94(8):2657-60.
[3]
Iijima K, Tanaka K, Onuma S. Main conformer of gaseous glycine: molecular structure and rotational barrier from electron diffraction data and rotational constants. Journal of Molecular Structure, 1991; 246(3-4):257-266.
[4]
Iijima K., Beagle, B. An electron diffraction study of gaseous ?-alanine, NH2CHCH3CO2H. Journal of Molecular Structure. 1991; 248(1-2):133-142.
[5]
Brown RD, Godfrey PD, Storey JWV, Bassez M-P. Microwave spectrum and conformation of glycine. J Chem Soc. 1978;(13):547-8.
[6]
Suenram RD, Lovas FJ. Millimeter wave spectrum of glycine. J Mol Spectrosc. 1978;72(3):372–82.
[7]
Suenram R.D., Lovas F.J. Millimeter wave spectrum of glycine. A new conformer . Journal of the American Chemical Society, 1980; 102 (24):7180-7184.
[8]
Schafer L., Sellers H.L., Lovas F.J., Suenram R.D. Theory versus experiment: The case of glycine [10]. Journal of the American Chemical Society, 1980; 102 (21):6566-6568.
[9]
Godfrey P.D., Brown R.D. Shape of glycine. Journal of the American Chemical Society. 1995; 117 (7):2019-2023.
[10]
Lovas F.J., Kawashima Y., Grabow J.-U., Suenram R.D., Fraser G.T., Hirota E. Microwave spectra, hyperfine structure, and electric dipole moments for conformers I and II of glycine. Astrophysical Journal Letters, 1995; 455 (2 PART 2):L201-L204.
[11]
Godfrey P.D., Firth S., Hatherley L.D., Brown R.D., Pierlot A.P. Millimeter-wave spectroscopy of biomolecules: Alanine. Journal of the American Chemical Society, 1993; 115(21): 9687-9691.
[12]
Sheina GG, Radchenko ED, Ivanov AO Stepanian, SG, Blagoi Yu.P. Vibrational spectra of leucine. Zh fiz khim. 1988; 62(4):985—990.
[13]
Reva ID, SG Stepanian, ED Radchenko intramolecular hydrogen bond and the conformational structure of proline: a study by IR spectroscopy in an argon matrix. Khim fiz. 1993; 12(7):966—972.
[14]
Radchenko E. D., Reva I.D., Plokhotnichenko A. M., Stepanian S. G., Sheina G. G., Blagoi Yu. P. Investigation of the glycine molecular structure by the matrix IR-spectroscopy. Biopolym. Cell. 1992; 8(1):62-72
[15]
Reva I.D., Stepanian S.G., Plokhotnichenko A.M., Radchenko E.D., Sheina G.G., Blagoi Yu.P. Infrared matrix isolation studies of amino acids. Molecular structure of proline. Journal of Molecular Structure,1994; 318(C): 1-13.
[16]
Reva I.D., Plokhotnichenko A.M., Stepanian S.G., Ivanov A.Yu., Radchenko E.D., Sheina G.G., Blagoi Y.P. The rotamerization of conformers of glycine isolated in inert gas matrices. An infrared spectroscopic study. Chemical Physics Letters, 1995; 232(1-2):141-148.
[17]
Stepanian S.G., Reva I.D., Radchenko E.D., Rosado M.T.S., Duarte M.L.T.S., Fausto R., Adamowicz L. Matrix-isolation infrared and theoretical studies of the glycine conformers. Journal of Physical Chemistry A, 1998; 102(6):1041-1054.
[18]
Stepanian S.G., Reva I.D., Radchenko E.D., Adamowicz L. Conformational behavior of ?-alanine. Matrix-isolation infrared and theoretical DFT and ab initio study. Journal of Physical Chemistry A, 1998 102 (24):4623-4629.
[19]
Ivanov A.Yu., Plokhotnichenko A.M., Izvekov V., Sheina G.G., Blagoi Yu.P. FTIR investigation of the effect of matrices (Kr, Ar, Ne) on the UV-induced isomerization of the monomeric links of biopolymers. Journal of Molecular Structure, 1997 408-409:459-462.
[20]
Snyder L.E., Hollis J.M., Suenram R.D., Lovas F.J., Brown L.W., Buhl D. An extensive galactic search for conformer II glycine. Astrophys. J, 1983; 268:123-128.
[21]
Yu D., Rauk A., Armstrong D.A. Radicals and ions of glycine: An ab initio study of the structures and gas-phase thermochemistry. Journal of the American Chemical Society, 1995; 117(6):1789-1796.
[22]
Barone V., Adamo C., Lelj F. Conformational behavior of gaseous glycine by a density functional approach. The Journal of Chemical Physics, 1995; 102 (1):364-370.
[23]
Csaszar A. Onthee structure of free glycine and a-alanine. J. Moyi. Struct,1995; 346:141-152.
[24]
Hoyau S., Ohanessian G. Absolute affinities of ?-amino acids for Cu+ in the gas phase. A theoretical study. Journal of the American Chemical Society, 1997; 119 (8): 2016-2024.
[25]
Lelj F., Adamo C., Barone V. Role of Hartree-Fock exchange in density functional theory. Some aspects of the conformational potential energy surface of glycine in the gas phase. Chemical Physics Letters,1994; 230 (1-2):189-195.
[26]
Hu, C.-H., Shen, M., Schaefer III, H.F. Glycine conformational analysis (1993) Journal of the American Chemical Society, 115 (7), pp. 2923-2929.
[27]
Csaszar A.G. Conformers of gaseous glycine. Journal of the American Chemical Society, 1992; 114(24):9568-9575.
[28]
Frey R.F., Coffin J., Newton S.Q., Ramek M., Cheng V.K.W. Momany, F.A., Schafer, L. Importance of correlation-gradient geometry optimization for molecular conformational analyses. Journal of the American Chemical Society, 1992; 114(13):5369-5377.
[29]
Yu D., Armstrong D.A., Rauk A. Hydrogen bonding and internal rotation barriers of glycine and its zwitterion (hypothetical) in the gas phase. Can. J. Chem, 1992; 70:1762-1772.
[30]
Jensen J.H., Gordon M.S. The Conformational Potential Energy Surface of Glycine: A Theoretical Study. Journal of the American Chemical Society, 1991; 113 (21):7917-7924.
[31]
Ramek M., K.W. Cheng V., Frey R.F., Newton S.Q., Schafer L. The case of glycine continued: some contradictory SCF results. Journal of Molecular Structure: THEOCHEM, 1991; 235 (1-2):1-10.
[32]
Csaszar A.G. Conformers of gaseous ?-alanine. Journal of Physical Chemistry, 1996; 100(9):3541-3551.
[33]
Jensen J.H., Baldridge K.K., Gordon M.S. Uncatalyzed peptide bond formation in the gas phase () Journal of Physical Chemistry, 1992; 96 (21):8340-8351.
[34]
Palla P., Petrongolo C., Tomasi J. Internal rotation potential energy for the glycine molecule in its zwitterionic and neutral forms. A comparison among several methods. Journal of Physical Chemistry, 1980; 84 (4):435-442.
[35]
Gronert, S., O'Hair, R.A.J. Ab initio studies of amino acid conformations. 1. The conformers of alanine, serine, and cysteine (1995) Journal of the American Chemical Society, 117 (7), pp. 2071-2081.
[36]
Pople J.A., Seeger R., Krishnan R. Variational Configuration interaction methods and comparison with perturbation theory. Int. J. Quant. Chem. Symp, 1977; 11:149-163.
[37]
Schmidt MW, Baldridge KS, Baatz JA, Elbert ST, Gordon MS, Jensen JH, Koseki S, Matsunaga N, Nguyen KA, Su A, Windus TL, Dupuis M, Montgomery JA. General atomic and molecular electronic structure system (CAMESS) J. Comput. Chem, 1993 (14):1347-1363.
