Молекулярно-динамическое моделирование адсорбции оптических изомеров лейцина на хиральной супрамолекулярной поверхности γ-глицина
Аннотация
Для установления механизма хирального распознавания поверхностью с супрамолекулярной хиральностью проведено молекулярно-динамическое моделирование адсорбции энантиомеров лейцина на фрагменте кристалла γ-глицина. Симуляции проведены с помощью программного пакета GROMACS c использованием силового поля GROMOS96 54a7. Моделирование сорбции D-, L-лейцина проводили в NVT-ансамбле с модифицированным термостатом Берендсена (V-rescale), предварительно системы подвергали процедуре минимизации энергии и NVT, NPT уравновешиванию в течение 200 пс при 300 К. Для равномерного распределения молекул адсорбата на поверхности монослоя кристалла глицина применили протокол отжига при 433 K с плавным охлаждением до 230 К. Для того чтобы молекулы глицина не меняли геометрию в процессе симуляции их «заморозили» до 0 К, время симуляции 20 нс. Для исключения взаимодействий молекул адсорбата с обратной стороной слоя кристалла, использованы периодические граничные условия только в направлениях x и y. Проведено моделирование 20, 40, 60, 80 молекул энантимеров лейцина на фрагменте кристалла γ-глицина размером 147 молекул и поверхности графена 12х6 нм. Рассчитаны Кулоновские энергии и энергии Леннарда-Джонса межмолекулярных взаимодействий глицин-лейцин, лейцин-лейцин, графен-лейцин. При адсорбции 20 молекул лейцина на поверхности γ-глицина с направленными вверх COO– группами степень заполнения поверхности глицина θ≈0.44. При такой степени заполнения между энантиомерами лейцина не наблюдается заметных различий по Кулоновской энергии и энергии Леннарда-Джонса взаимодействий глицин-лейцин. Однако при адсорбции 40 молекул лейцина (θ≈0.88) Кулоновская энергия взаимодействий энантиомеров лейцина с поверхностью глицина различается на 168.0 кДж/моль, а энергия Леннарда-Джонса на 15.1 кДж/моль. При адсорбции 60 молекул лейцина (θ≈1.32) наблюдается значительное отличие в энергии Кулона (∆ ECoulGly-Leu=664.1 кДж/моль) и Леннарда-Джонса (∆ ELJGly-Leu=194.5 кДж/моль) взаимодействий глицин-лейцин. При адсорбции 80 молекул лейцина (θ≈1.76) отличие в энергиях взаимодействий лейцин-глицин (∆ ECoulGly-Leu=116.7 кДж/моль, ∆ ELJGly-Leu=105.4 кДж/моль). При адсорбции лейцина (θ≈0.44) на поверхности γ–глицина с направленными вверх NH3+ группами, наблюдается значительная разница в энергиях взаимодействиях глицин-лейцин уже при адсорбции 20 молекул (θ≈0.44, ∆ ECoulGly-Leu=420.0 кДж/моль). При адсорбции 40 молекул лейцина (θ≈0.88) ∆ ECoulGly-Leu=624.4 кДж/моль, ∆ ELJGly-Leu=71.5 кДж/моль. При адсорбции 60 молекул лейцина (θ≈1.32) ∆ ECoulGly-Leu=304.4 кДж/моль, ∆ ELJGly-Leu=59.1 кДж/моль. При адсорбции 80 молекул лейцина (θ≈1.76) отличие в энергиях взаимодействий глицин-лейцин ∆ ECoulGly-Leu=384.8 кДж/моль, ∆ ELJGly-Leu=122.2 кДж/моль.
Таким образом, по результатам молекулярно-динамического моделирования установлено, что выбранная форма кристалла γ-глицина проявляет энантиселективность аналогично изученному ранее цитозину. При моделировании адсорбции на разных гранях γ-глицина наблюдается хиральная селективность по отношению к L-лейцину. Обнаружено, что грани с различными функциональными группами проявляют энантиоселективность в различном диапазоне степеней заполнения поверхности. Данное явление позволит в будущем добиваться большей энантиоселективности поверхности γ-глицина за счёт блокирования грани с карбоксильными группами.
Скачивания
Литература
Davankov V.A., Biological Homochirality on the Earth, or in the Universe? A Selective Review, Symmetry, 2018; 10: 749-761. https://doi.org/doi:10.3390/sym10120749
Percec, V., Leowanawat, P., Why are biological systems homochiral, Isr. J. Chem., 2011; 51 (1107-1117): 1107. https://doi.org/10.1002/ijch.201100152
Coquerel G., Chiral Discrimination in the Solid State: Applications to Resolution and Deracemization. In Advances in Organic Crystal Chemistry: Comprehensive Reviews 2015, Tamura, R.; Miyata, M., Eds. Springer Japan: Tokyo, 2015; 393-420.
Liu M., Zhang L., Wang T., Supramolecular chirality in self-assembled systems, Chem. Rev., 2015; 115 (15): 7304-7397. https://doi.org/10.1021/cr500671p
Pasteur L., Recherches sur les relations qui peuvent exister entre la forme crystalline, la composition chimique et le sens de la polarisation rotatoire, Ann. Chim. Phys., 1848; 24: 442-459.
Viedma C., Coquerel G., Cintas P., Crystallization of Chiral Molecules. In Handbook of Crystal Growth, Elsevier: 2015; 952-1002.
Sogutoglu L.-C., Steendam R. R. E., Meekes H., Vlieg E., Rutjes F.P.J.T., Viedma ripening: a reliable crystallisation method to reach single chirality, Chem. Soc. Rev., 2015; 44: 6723-6732. https://doi.org/10.1039/c5cs00196j
Zhang H.-M., Xie Z.-X., Long L.-S., Zhong H.-P., Zhao W., Mao B.-W., Xu X., Zheng L.-S., One-step preparation of large-scale self-assembled monolayers of cyanuric acid and melamine supramolecular species on Au(111) surfaces, Journal of Physical Chemistry C, 2008; 112: 4209-4218. https://doi.org/10.1021/jp076916a
Sakamoto M., Spontaneous chiral crystallization of achiral materials and absolute asymmetric photochemical transformation using the chiral crystalline environment, J. Photochem. Photobiol., C, 2006; 7: 183-196. https://doi.org/10.1016/j.jphotochemrev.2006.11.002
Sakamoto M., Mino T., Yoshida Y., Asymmetric synthesis using crystal chirality, Yuki Gosei Kagaku Kyokaishi/Journal of Synthetic Organic Chemistry, 2017; 75 (5): 509-521. https://doi.org/10.5059/yukigoseikyokaishi.75.509
Matsumoto A., Kaimori Y., Kawasaki T., Soai K., Asymmetric autocatalysis initiated by crystal chirality of achiral compounds. In Advances in Asymmetric Autocatalysis and Related Topics, Pályi, G.; Zucchi, C., Eds. Elsevier: 2017; 337-355.
Soai K., Osanai S., Kadowaki K., Yonekubo S., Shibata T., Sato I., d- and l-quartz-promoted highly enantioselective synthesis of a chiral organic compound, J. Am. Chem. Soc., 1999; 121: 11235-11236. https://doi.org/10.1021/ja993128t
Belonogov E.V., Muslimov I.N., Zinoviev I.M., Guskov V.Yu., Kinetic features of the adsorption of menthol enantiomers on o-toluylic acid and CsCuCl3 crystals with supramolecular chirality, Sorbcionnye i hromatograficheskie processy, 2023; 23 (4): 657-666. https://doi.org/10.17308/sorpchrom.2023.23/11574
Gus’kov V.Yu., Allayarova D.A., Garipova G.Z., Pavlova I.N., Supramolecular chiral surface of nickel sulfate hexahydrate crystals and its ability to chirally recognize enantiomers by adsorption data, New J. Chem., 2020; 44: 17769-17779.
Gus’kov V.Y., Gallyamova G.A., Sairanova N.I., Sharafutdinova Y.F., Khalilov L.M., Mukhametzyanov T.A., Zinoviev I.M., Gainullina Y.Y., Possibility of chiral recognition by adsorption on enantiomorphous crystals: the impact of crystal surface polarity, Phys. Chem. Chem. Phys., 2022; 24: 26785-26794.
Penzien K., Schmidt G.M.J., Reactions in chiral crystals: an absolute asymmetric synthesis, Angew. Chem. Int. Ed., 1969; 8(8): 608-609. https://doi.org/10.1002/anie.196906082
Soai K., Shibata T., Morioka H., Choji K., Asymmetric autocatalysis and amplification of enantiomeric excess of a chiral molecule, Nature, 1995; 378: 767-768. https://doi.org/10.1038/378767a0
Soai K., Asymmetric autocatalysis. Chiral symmetry breaking and the origins of homochirality of organic molecules, Proc. Jpn. Acad., Ser. B, 2019; 95(3): 89-110. https://doi.org/10.2183/pjab.95.009
Gus’kov V.Y., Sidelnikov A.V., Sukhareva D.A., Gainullina Y.Y., Kudasheva F.K., Maistrenko V.N., Separation of the menthol enantiomers on the sorbent based on supramolecular network structure, Sorbtsionnye i khromatograficheskie protsessy, 2016; 16(6): 797-802.
Gus’kov V.Y., Sukhareva D.A., Gainullina Y.Y., Hamitov E.M., Galkin Y.G., Maistrenko V.N., Chiral recognition capabilities of melamine and cyanuric acid supramolecular structures, Supramol. Chem., 2018; 30(11): 940-948 https://doi.org/10.1080/10610278.2018.1489541
Muslimov I.N., Gus'kov V.Yu., Osobennosti supramolekuljarnogo hiral'nogo raspoznavanija pri adsorbcii na poverhnosti kristallov orto-toluilovoj kisloty, Sorbcionnye i hromatograficheskie processy, 2023; 23 (2): 189-198. https://doi.org/10.17308/sorpchrom.2023.23/11143
Gus’kov V.Y., Shayakhmetova R.K., Allayarova D.A., Gilfanova E.L., Pavlova I.N., Garipova G.Z., Mechanism of chiral recognition by enantiomorphous cytosine crystals during enantiomer adsorption, Phys. Chem. Chem. Phys., 2021; 23: 11968-11979.
Ishikawa K., Tanaka M., Suzuki T., Sekine A., Kawasaki T., Soai K., Shiro M., Lahave M., Asahi T., Absolute chirality of the c-polymorph of glycine: correlation of the absolute structure with the optical rotation, Chem. Commun., 2012; 48: 603-6033. https://doi.org/10.1039/c2cc30549f
Abraham M.J., Murtola T., Schulz R., Páll S., Smith J.C., Hess B., Lindahl E., GROMACS: High performance molecular simulations through multi-level parallelism from laptops to supercomputers, SoftwareX, 2015; 1-2: 19-25.
Pronk S., Pall S., Schulz,R., Larsson P., Bjelkmar P., Apostolov R., Shirts M.R., Smith J. C., Kasson P.M., van der Spoel D., Hess B., Lindahl E., GROMACS 4.5: a high-throughput and highly parallel open source molecular simulation toolkit, Bioinformatics, 2013; 29 (7): 845-54.
Hess B., Kutzner C., van der Spoel D., Lindahl E., GROMACS 4: Algorithms for Highly Efficient, Load-Balanced, and Scalable Molecular Simulation, Journal of Chemical Theory and Computation, 2008; 4 (3): 435-447.
Schmid N., Eichenberger A.P., Choutko A., Riniker S., Winger M., Mark,A.E., van Gunsteren W.F., Definition and testing of the GROMOS force-field versions 54A7 and 54B7, Eur Biophys J., 2011; 40(7): 843-856.
Malde A.K., Zuo L., Breeze M., Stroet M., Poger D., Nair P.C., Oostenbrink C., Mark A.E., An Automated Force Field Topology Builder (ATB) and Repository: Version 1.0, Journal of Chemical Theory and Computation, 2011; 7(12): 4026-4037.
Koziara K.B., Stroet M., Malde A.K., Mark A.E., Testing and validation of the Automated Topology Builder (ATB) version 2.0: prediction of hydration free enthalpies, Journal of Computer-Aided Molecular Design, 2014; 28(3): 221-223.
Iitaka Y., The crystal structure of [gamma]-glycine, Acta Crystallographica, 1961; 14(1): 1-10. https://doi.org/doi:10.1107/S0365110X61000012
Hanwell M.D., Curtis D.E., Lonie D.C., Vandermeersch T., Zurek E., Hutchison G.R., Avogadro: an advanced semantic chemical editor, visualization, and analysis platform, Journal of Cheminformatics, 2012; 4 (8): 17. https://doi.org/10.1186/1758-2946-4-17
GLYCIN01 : Glycine Space Group: P 32 (145), Cell: a 7.037Å b 7.037Å c 5.483Å, α 90° β 90° γ 119.99999999999999
Sanner M.F., Python: a programming language for software integration and development, J. Mol. Graph. Model, 1999; 17(1): 57-61.
Brunner H., Tsuno T., Balázs G., Chiral Selectivity in the Achiral Amino Acid Glycine, The Journal of Organic Chemistry, 2019; 84 (24): 16199-16203. https://doi.org/10.1021/acs.joc.9b02726
Zinovyev I., Ermolaeva E., Sharafutdinova Y., Gilfanova E., Khalilov L., Pavlova I., Guskov,V., Manifestation of Supramolecular Chirality during Adsorption on CsCuCl3 and γ-Glycine Crystals, Symmetry, 2023; 15 (2): 498.
