نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران

نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران

تأثیر فلزات قلیایی و روی بر قدرت اسیدی آمینواسیدهای غیر قطبی

نوع مقاله : علمی-پژوهشی

نویسندگان
علیرضا فتاحی
سپیده کلهر
دانشکده شیمی، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران
چکیده
آمینواسیدها ساختارهای منحصر به فردی هستند که به طور همزمان خواص اسیدی و بازی را نشان می‌دهند. تا به امروز، بیش از 500 آمینواسید کشف شده است، اگرچه تنها 20 مورد برای زیست‌شناسی انسان ضروری هستند. آمینواسیدها نقش محوری در متابولیسم زیستی ایفا می‌کنند. شایان ذکر است که تا به حال بخش عمده ای از مطالعات اعم از مطالعات آزمایشگاهی و محاسباتی بر نقش برهم­کنش­ های بین فلزات واسطه و آمینواسیدها متمرکز بوده است و کمتر به بررسی برهم­کنش­ های فلزات گروه­ های اصلی و آمینواسیدها پرداخته شده است. با در نظر گرفتن این موضوع، ما به بررسی کمپلکس‌سازی آمینواسیدهای غیرقطبی با فلزات قلیایی پرداختیم. به طور خاص، هدف ما تعیین چگونگی تأثیر کاتیون‌های فلزات قلیایی بر اسیدیته آمینواسیدها بود. برای دستیابی به این هدف، از روش محاسباتی /B3LYP DFT و مجموعه پایه 6-311 + + G** برای اتم‌های کربن، هیدروژن، اکسیژن، نیتروژن، گوگرد، یون‌های لیتیوم، سدیم و پتاسیم، استفاده شد، و برای یون­ های سنگین روبیدیم، سزیم و روی، محاسبات با استفاده از مجموعه پایه LANL2DZ  انجام شد. نتایج محاسبات نشان دهنده تأثیر بسیار زیاد یون­ های ذکر شده بر روی افزایش قدرت اسیدی آمینواسیدهای غیر قطبی می­ باشد. این پژوهش با استفاده از محاسبات DFT  نشان می‌دهد که یون‌های فلزات قلیایی و روی، با تشکیل کمپلکس با آمینواسیدهای غیرقطبی، قدرت اسیدی آن‌ها را به‌طور قابل‌توجهی افزایش می‌دهند. روند اسیدیته کمپلکس‌ها با اندازه و سختی یون فلزی مرتبط است  (یون لیتیوم بیشترین تأثیر را دارد). همچنین، تفاوت‌های ساختاری بین آمینواسیدها - مثل نقش گوگرد در متیونین یا ساختار حلقوی در پرولین- نحوه و پایداری اتصال به یون‌ها را تعیین می‌کند. این یافته‌ها درک دقیقی از اثر فلزات در ویژگی‌های شیمیایی آمینواسیدها فراهم می‌کند.
کلیدواژه‌ها
آمینواسیدها
نظریه تابع چگالی
فاز گازی
قدرت اسیدی

موضوعات

[1] Matsuo T., Miyake T., Hirota S., Recent Developments on Creation of Artificial Metalloenzymes, Tetrahedron Letters, 60(45): 151226 (2019).
[2] Berwick M.R., Lewis D.J., Jones A.W., Parslow R.A., Dafforn T.R., Cooper H.J., Wilkie J., Pikramenou Z., Britton M.M., Peacock A.F., De Novo Design of Ln (III) Coiled Coils for Imaging Applications, Journal of the American Chemical Society, 136(4): 1166-9 (2014).
[3] Osuna F.J., Pavón E., Alba M.D., Pb2+, Cd2+ and Hg2+ Removal by Designed Functionalized Swelling High-Charged Micas, Science of The Total Environment, 764: 142811 (2021).
[4] Liu X., Wu M., Li C., Yu P., Feng S., Li Y., Zhang Q., Interaction Structure and Affinity of Zwitterionic Amino Acids with Important Metal Cations (Cd2+, Cu2+, Fe3+, Hg2+, Mn2+, Ni2+ and Zn2+) in Aqueous Solution: a Theoretical Study. Molecules,27(8): 2407 (2022).
[5] Bagchi D., Maity A., De S.K., Chakraborty A., Effect of Metal Ions on the Intrinsic Blue Fluorescence Property and Morphology of Aromatic Amino Acid Self-Assembly. The Journal of Physical Chemistry B. 125(45): 12436-45 (2021).
[6] Knowles T.P., Vendruscolo M., Dobson C.M., The Amyloid State and Its Association with Protein Misfolding Diseases., Nature reviews Molecular cell biology. 15(6): 384-96 (2014).
[7] Aguzzi A., O'connor T., Protein Aggregation Diseases: Pathogenicity and Therapeutic Perspectives. Nature Reviews Drug Discovery, 9(3): 237-48 (2010).
[8] Ha C., Ryu J., Park C.B., Metal Ions Differentially Influence the Aggregation and Deposition of Alzheimer's β-Amyloid on a Solid Template. Biochemistry. 46(20): 6118-25 (2007).
[9] Freland L., Beaulieu J.M., Inhibition of GSK3 by Lithium, from Single Molecules to Signaling Networks. Frontiers in molecular neuroscience, 5: 14 (2012).
[10] Mai L., Jope R.S., Li X., BDNF‐Mediated Signal Transduction is Modulated by GSK3β and Mood Stabilizing Agents. Journal of neurochemistry, 82(1): 75-83 (2002).
[11] Karege F., Perret G., Bondolfi G., Schwald M., Bertschy G., Aubry J.M., Decreased Serum Brain-Derived Neurotrophic Factor Levels in Major Depressed Patients. Psychiatry research. 109(2): 143-8 (2002).
[12] Ge W., Jakobsson E., Systems Biology Understanding of the Effects of Lithium on Affective and Neurodegenerative Disorders. Frontiers in neuroscience. 12: 933 (2018).
[13] Gagnon K.B., Delpire E., Sodium Transporters in Human Health and Disease. Frontiers in Physiology. 11: 588664 (2021).
[14] Skou J.C., The influence of Some Cations on an Adenosine Triphosphatase from Peripheral Nerves. Biochimica et biophysica acta. 23: 394-401 (1957).
[15] Pohl H.R., Wheeler J.S., Murray H.E., Sodium and Potassium in Health and Disease. Interrelations Between Essential Metal Ions and Human Diseases. 29-47 (2013).
[16] Zhao L., Weng W., Ni M., Shen H., Zhang S., Chen Y., Jia R., Fan L., Mao Y., Qin L., Liu S., Rubidium Salt Can Effectively Relieve the Symptoms of DSS-Induced Ulcerative Colitis. Biomedicine & Pharmacotherapy. 181: 117574 (2024).
[17] Kobayashi D., Kakinouchi K., Nagae T., Nagai T., Shimura K., Hazama A., Cesium Reversibly Suppresses HeLa Cell Proliferation by Inhibiting Cellular Metabolism. FEBS letters. 591(5): 718-27 (2017).
[18] Falchuk K.H., The Molecular Basis for the Role of Zinc in Developmental Biology. Molecular and cellular effects of nutrition on disease processes, 41-8 (1998).
[19] Dreosti IE., Zinc and the Gene. Mutation Research/Fundamental and Molecular Mechanisms of Mutagenesis. 475(1-2): 161-7 (2001).
[20] Hoppe C., Kutschan S., Dörfler J., Büntzel J., Büntzel J., Huebner J., Zinc as a Complementary Treatment for Cancer Patients: A Systematic Review. Clinical and Experimental Medicine. 21: 297-313 (2021).
[21] Ahern K., Rajagopal I., Tan T., Biochemistry Free for All. Oregon State University, (2018).
[22] Shao Y., Molnar L., Jung Y., Kussmann J., Ochsenfeld C., Brown S., Gilbert A., Slipchenko L., Levchenko S., O’Neill D. SPARTAN'10, build 1.01, Wavefunction Inc. Irvine CA, (2011).
[23] Kalhor S., Fattahi A., Design of Amino Acid-and Carbohydrate-Based Anticancer Drugs to Inhibit Polymerase η. Scientific Reports. 12(1): 18461 (2022).
[24] Zhang Y., Wang X., Luo B., Xia Y., DFT Study of Crown Ether-Bridged Z-Stilbenes and Their Complexes with Alkali Metal Cations. Journal of Organometallic Chemistry. 699: 31-8 (2012).
[25] Motahari A, Fattahi A., Theoretical Aspects of the Enhancement of Metal Binding Affinity by Intramolecular Hydrogen Bonding and Modulating p K a Values. New Journal of Chemistry. 41(24): 15110-9 (2017).
[26] Topol I.A., Burt S.K., Russo N., Toscano M., Theoretical Calculations of Glycine and Alanine Gas-Phase Acidities. Journal of the American Society for Mass Spectrometry. 10(4): 318-22 (1999).
[27] Marino T., Russo N., Tocci E., Toscano M., Gas‐Phase Acidity of Proline from Density Functional Computations. International Journal of Quantum Chemistry. 84(2): 264-8 (2001).
[28] Jones C.M., Bernier M., Carson E., Colyer K.E., Metz R., Pawlow A., Wischow E.D., Webb I., Andriole E.J., Poutsma J.C., Gas-Phase Acidities of the 20 Protein Amino Acids. International Journal of Mass Spectrometry. 267(1-3): 54-62 (2007).
[29] Kish M.M., Ohanessian G., Wesdemiotis C., The Na+ Affinities of α-Amino Acids: Side-Chain Substituent Effects. International Journal of Mass Spectrometry. 227(3): 509-524 (2003).