ОПТИКА И СПЕКТРОСКОПИЯ, 2015, том 118, № 2, с. 227-236
^^^^^^^^^^ СПЕКТРОСКОПИЯ
КОНДЕНСИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ
УДК 535.36:535.333+577.17
ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ЭФФЕКТЫ В НИЗКОЧАСТОТНЫХ СПЕКТРАХ КОМБИНАЦИОННОГО РАССЕЯНИЯ СВЕТА КОРТИКОСТЕРОИДНЫХ ГОРМОНОВ
© 2015 г. В. А. Минаева*, Б. Ф. Минаев***, Г. В. Барышников*, Н. В. Суровцев***, О. П. Черкасова****, Л. И. Ткаченко*, Н. Н. Карауш*, Е. В. Стромыло*
*Черкасский национальный университет им. Б. Хмельницкого, 18031 Черкассы, Украина **Томский государственный университет, 634050 Томск, Россия ***Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения РАН, 630090 Новосибирск, Россия ****Институт лазерной физики Сибирского отделения РАН, 630128Новосибирск, Россия
Е-таИ: Ъ/тпСФгатЫвг.гы Поступила в редакцию 16.05.2014 г.
При разных температурах (в диапазоне 30—310 К) получены экспериментальные спектры комбинационного рассеяния (КР) света кортикостероидных гормонов кортикостерона и дезоксикортико-стерона в области низкочастотных колебаний (15 —120 см-1) при возбуждении твердотельным лазером 532.1 нм. Внутримолекулярные колебания обоих гормонов интерпретированы на основе расчета спектров КР методом теории функционала плотности Б3ЬУР/6-3Ю(ё). Межмолекулярные связи исследованы с помощью топологической теории Бейдера для тетрамеров гормонов с использованием данных рентгеноструктурного анализа для кристаллических образцов гормонов. Суммарная энергия межмолекулярных взаимодействий в тетрамере дезоксикортикостерона (-49.1 кДж/моль) выше по сравнению с кортикостероном (-36.9 кДж/моль). При этом в молекуле кортикостерона выявлена и прочная внутримолекулярная водородная связь О21 -Н-О=С20 с энергией -42.4 кДж/моль, которая отсутствует в молекуле дезоксикортикостерона. Это накладывает отпечаток на различие спектров КР обоих гормонов. Показано, что низкочастотные линии в спектрах КР принадлежат скелетным колебаниям молекул и деформационным колебаниям заместителя при атоме С17. Расчет спектра КР для димера дезоксикортикостерона позволил объяснить расщепление и сдвиги некоторых линий, а также дал возможность интерпретировать новые интенсивные линии, наблюдаемые в спектрах при низкой температуре, обусловленные межмолекулярным взаимодействием и смешиванием нормальных колебаний в кристаллической ячейке. Рассчитанные частоты в целом хорошо согласуются с экспериментальными.
DOI: 10.7868/80030403415020142
ВВЕДЕНИЕ
Изучение динамического отклика биомолекул в широкой области температур (от криогенных до комнатных) позволяет путем решения обратной спектральной задачи определить внутри- и межмолекулярные силовые константы и потенциалы, а в конечном итоге - предсказывать конформа-ции биологических ассоциатов и полимеров, их изменения при варьировании внешних условий [1-8]. Это особенно важно для гормонов, так как возникает возможность прогнозировать их взаимодействие с рецепторами, что является ключевой задачей биохимии и биомедицины. Поэтому неудивительно, что исследованию температурной зависимости спектральных свойств гормонов уделяется большое внимание [1, 2, 7, 8].
Эксперименты по рассеянию нейтронов для стероидных гормонов тестостерона, прогестеро-
на и его производных при 20 и 290 К [1, 2] позволили выполнить отнесение низкочастотных колебаний, сравнивая их с квантово-химическими расчетами ИК спектров. Неупругое рассеяние нейтронов дает ряд преимуществ по сравнению с ИК спектроскопией в исследовании низкочастотных колебаний молекул и фононов в кристаллах за счет расширения диапазона и изменения правил отбора [2].
Подробный анализ природы низкочастотных колебаний для прогестерона, 17а-гидроксипроге-стерона и кортизона был дан в работе [9]. В этой работе авторами предпринята попытка связать изменение положения наблюдаемых полос поглощения при изменении температуры от 300 до 18 К с наличием межмолекулярных водородных связей.
Ранее нами были исследованы спектры поглощения и комбинационного рассеяния (КР) света
Рис. 1. Структуры молекул КС (а) и ДКС (б). На примере (а) дана стандартная нумерация атомов углерода, на примере (б) — обозначения колец.
(а) о (б) о
ряда кортикостероидных гормонов, относящихся к прогестинам и глюкокортикоидам [7—12]. Была исследована температурная зависимость линий КР и терагерцового поглощения [7, 8], проведено квантово-химическое моделирование гормонов на уровне теории функционала плотности (ТФП) и сделано соотнесение наблюдаемых спектральных особенностей с типами колебаний в молекулах [10, 11], проведен анализ внутри- и межмолекулярных взаимодействий в кристаллических упаковках гормонов [8, 12].
В настоящей работе проведено исследование температурной зависимости низкочастотных спектров КР кортикостероидных гормонов кортикосте-рона (КС) и дезоксикортикостерона (ДКС) (рис. 1). Эти гормоны в организме человека оказывают влияние на водно-солевой обмен, кроме того, они обладают и глюкокортикоидной активностью [13]. КС образуется в митохондриях клеток коры надпочечников из ДКС под действием фермента Р450с11 (Hß-гидроксилирование). Молекулы этих гормонов отличаются наличием гид-роксильной группы при атоме углерода С11 стероидного ядра (рис. 1). Анализ строения молекул исследуемых гормонов и характера межмолекулярного взаимодействия в кристаллических образцах позволил нам объяснить особенности температурной динамики спектров КР.
ЭКСПЕРИМЕНТ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ
Синтетические стероидные гормоны КС (4-прегнен-1ф,21-диол-3,20-дион) и ДКС (4-прегнен-21-ол-3,20-дион) произведены фирмой Koch-Light Laboratories Ltd и использовались в работе без дополнительной очистки.
Мелкокристаллические порошки гормонов были спрессованы в таблетки диаметром 8 мм. Спектры КР были записаны на трехрешеточном спектрометре TriVista 777 с возбуждением твердотельным лазером Millenia Pro (длина волны 532.1 нм). Мощность света, сфокусированного в полоску шириной 50 мкм и длиной 250 мкм, составляла около 70 мВт. Эксперимент по измерению КР от образцов проводился в номинальной геометрии
рассеяния под углом 90° без селекции по поляризации. Спектры были измерены в диапазоне температур 30—310 К, вклад фотолюминесценции вычитали в виде кубического полинома, а в некоторых случаях — в виде линейного приближения. Измерения спектров КР были выполнены на оборудовании центра коллективного пользования "Высокоразрешающая спектроскопия газов и конденсированных сред" Института автоматики и электрометрии СО РАН (ЦКП ИАиЭ СО РАН).
Расчет нормальных колебаний (НК) и колебательных спектров молекул исследуемых гормонов проведен в рамках ТФП [14, 15] с функционалом B3LYP в базисе 6-31G(d) с использованием программного пакета Gaussian 03 [16]. Возможность применения данного метода расчета для предсказания частот, форм колебаний и интен-сивностей линий в спектрах КР стероидных гормонов показана в работах [7, 17]. Все частоты НК являются вещественными, что указывает на нахождение истинного минимума на гиперповерхности полной энергии молекул. Рассчитанные частоты НК сравнивались с экспериментальными частотами без использования масштабирующего множителя.
Молекулярные кристаллы исследуемых гормонов принадлежат к моноклинной пространственной группе P2X. Параметры элементарных ячеек приведены в табл. 1.
Структурная информация об исследуемых гормонах (табл. 1) несколько противоречива. Так, в ранних работах 1973 г. сообщалось, что элементарные ячейки КС [18, 20] и ДКС [20, 21] содержат по две молекулы. Однако по результатам исследования авторов работы [22], опубликованной в 1999 г., в элементарной ячейке ДКС было обнаружено 4 молекулы. Также в литературе недостаточно данных о невалентных взаимодействиях в кристаллических структурах КС и ДКС. Авторы [18, 20] указывают на существование в ячейке КС межмолекулярных водородных связей между атомом кислорода кетогруппы при С3 кольца А и атомом водорода гидроксильной группы при С11 соседней молекулы. В кристалле ДКС, по данным работ [20, 21], межмолекулярных водородных
Таблица 1. Описание данных по структурам исследуемых веществ
Вещество КС ДКС
Молекулярная формула C21H30O4 C21H30O3
Молярная масса, г/моль 346.5 330.4
Кристаллическая система моноклинная моноклинная
Группа симметрии Р21 [18, 19] Р21 [21, 22]
Число молекул в ячейке 2 [18-20] 2 [20, 21] 4 [22]
Параметры элементарной ячеики a, b, с, А а 90° [18, 19] 90° [21, 22]
в 97.25° [18] 90° [19] 98.01° [21] 100. 94° [22]
Y 90° [18, 19] 90° [21, 22]
a 8.992 [18] 8.308 [19] 8.718 [21] 11.706 [22]
b 12.293 [18] 12.192 [19] 12.509 [21] 11.171 [22]
c 8.322 [18] 8.953 [19] 8.481 [21] 13.966 [22]
Объем ячейки, А3 912.5 [18] 906.86 [19] 915.8 [21] 1793.11 [22]
Внутримолекулярные водородные связи О20-Н16, О20-Н18, О20 'Н21 [22]
Межмолекулярные водородные связи С3=О - НО(С11) [18, 20]
связей нет, и молекулы связаны между собой силами Ван-дер-Ваальса. Р. Дей с соавторами [22] приводят данные о наличии в ДКС внутримолекулярных водородных связей О20-Н16, О20-Н18, О20-Н21 (рис. 1).
Для исследования невалентных взаимодействий в кристаллических структурах КС и ДКС нами были выбраны фрагменты кристаллов, состоящие из двух элементарных кристаллических ячеек с экспериментальными геометрическими параметрами a, b и c, приведенными в работах [19,21]. Такие модельные объекты, по нашему мнению, дают более надежные результаты, чем элементарная кристаллическая ячейка из двух молекул.
Для расчета межмолекулярных взаимодействий в кристаллах гормонов применяли аддитивную схему разбиения кристаллической упаковки из четырех молекул гормонов на шесть ди-мерных пар. Для полученных димеров проведен расчет ТФП орбиталей Кона-Шема с функционалом B3LYP в базисе 6-31G(d) [14, 23]. На основе полученных расчетов проведен анализ функции распределения электронной плотности p(r) на уровне теории Бейдера "Quantum Theory of Atoms in Molecules" (QTAIM) [24]. Данный метод строго определяет критерий существования химической связи (связывающего межатомного взаимодей-
ствия): наличие критической точки (КТ) связи и связевого пути между взаимодействующими атомами в рамках этой теории является необходимым и достаточным условием существ
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.