توصيفگر ها :
دي‌پپتيد , مكانيسم قطعه قطعه شدن , انرژي فعال‌سازي , Li+ , Na+ , آب‌پوشي , DFT
چكيده فارسي :
در اين پايان‌نامه مكانيسم دو مرحله اي واكنش قطعه قطعه شدن پپتيد ها در حضور دو يون قليايي Li+ و Na+ ارائه شده توسط گروس و همكاران مورد بررسي شيمي كوانتومي قرار گرفت تا پرامتر‌هاي ترموديناميكي هر مرحله از واكنش و انرژي‌هاي فعال‌سازي آن محاسبه شود. همين‌طور ساختار‌هاي بهينه واكنش‌دهنده و محصول در ارتباط با حالت‌گذار هر مرحله مشخص شد. در راستاي انجام اين بررسي، چهار دي‌پپتيد متداول به نام‌هاي تيروزين-آلانين (Tyr-Ala)، فنيل‌آلانين-آلانين (Phe-Ala)، آلانين-فنيل‌آلانين (Ala-Phe) و آلانين-گلوتامين (Ala-Gln) انتخاب شد. انتخاب اين چهار دي‌پپتيد به منظور بررسي اثر نوع امينواسيد‌هاي شركت كننده در ساختار پپتيد بر روي كميت‌هاي سينتيكي و ترموديناميكي اين مكانيسم است. علاوه بر اين، تاثير آب‌پوشي كاتيون فلزي با تعداد مولكول‌هاي آب متفاوت در محيط گازي و در نظر گرفتن ميدان الكتروستاتيك آب بررسي شد. نتايج محاسبات NBO و QTAIM به عنوان نتايج تكميل كننده براي تفسير تغييرات انرژي فعال‌سازي در شرايط مختلف استفاده شد. بدين منظور، تغييرات قدرت پيوند پپتيدي در مرحله اول و دوم مكانيسم، تغييرات پيوند CO كه مسئول بسته شدن حلقه در مرحله اول مكانيسم است، و تغييرات پيوند CO در مرحله دوم مكانيسم به عنوان يك پيوند تضعيف شده از طريق محاسبات NBO و محاسبات QTAIM براي دي‌پپتيد تيروزين-آلانين به عنوان يك مثال مورد بررسي جامع قرار گرفت. به‌طور كلي مشاهده شد كه در شرايط بدون آب‌پوشي، جايگزين كردن Li+ با Na+ باعث تغيير قابل توجه در انرژي فعال‌سازي دو مرحله شده به‌طوري كه كاهش انرژي فعال‌سازي براي مرحله اول مكاميسم و افزايش انرژي فعال‌سازي براي مرحله دوم مكانيسم ديده شد. هيدراته شدن كاتيون فلزي بسته به تعداد مولكول‌هاي آب اطراف كاتيون فلزي، تغييرات افزايشي يا كاهشي در انرژي فعال‌سازي مراحل اول و دوم مكانيسم نشان مي‌دهد كه از ديدگاه بيوشيمي داراي اهميت است. به عنوان مثال، انرژي فعال‌سازي مرحله اول و دوم مكانيسم براي تيروزين-آلانين ليتيوم‌دار در فاز گازي به ترتيب برابر با 09/29 و 31/38 كيلوكالري بر مول است كه در شرايط آب‌پوشي با سه مولكول آب، اين مقادير به ترتيب برابر با 02/22 و 69/40 كيلوكالري بر مول مي‌رسد. بر اساس مطالعات انجام شده و محاسبات IRC صورت گرفته بر روي هر دو مرحله مكانيسم، حد واسط پيشنهاد شده مرحله اول توسط گروس و همكاران كه يك حد واسط با حلقه هفت عضوي است، تاييد نمي‌شود و براي اكثر دي‌پپتيد‌ها به جز تركيب يك آبه تيروزين-آلانين مورد تاييد قرار نگرفت. مقايسه دي‌پپتيد تيروزين-آلانين ليتيوم‌دار در فاز گازي با دي‌پپتيد آلانين-گلايسن كه هر دو امينواسيد آن آليفاتيك است، نشان داد كه در حضور دو آمينواسيد آليفاتيك در ساختار دي‌پپتيد افزايش قابل توجه در انرژي فعال‌سازي مي‌شود به‌طوري كه براي مرحله اول و مرحله دوم مكانيسم آلانين-گلوتامين در فاز گازي، انرژي فعال‌سازي به ترتيب برابر با 44/34 و 20/45 كيلوكالري بر مول مي‌شود.
چكيده انگليسي :
In this study, a two-step reaction mechanism of peptide fragmentation in the presence of two alkali metal cations (Li+ and Na+) was investigated by quantum chemistry calculations to obtain the thermodynamic parameters and activation energy of each reaction step. The optimized structures of the reactants, products, and transition states of each step were determined. Four well-known dipeptides including tyrosine-alanine (Tyr-Ala), phenylalanine-alanine (Phe-Ala), alanine-phenylalanyl (Ala-Phe), and alanine-glycine (Ala-Gln) were selected for this study. The reason of the selection for the four dipeptides was to investigate the effect of the type of amino acids participating in the dipeptide structure on the kinetics and thermodynamic of the mechanism. In addition, the impact of microhydration of metal cation with different numbers of water molecules (n = 1-3) in the gas phase and taking into account the electrostatic field of water as the solvent was investigated. The results of NBO and QTAIM calculations were also employed as complementary results to interpret the change in the activation energy changes at different conditions. For this purpose, the change in the strength of the peptide bond in the first and second steps of the mechanism, the change in the strength of the CO bond responsible for the ring closure in the first step of the mechanism, and the change in the strength of the CO bond in the second step of the mechanism for the tyrosine-alanine, as an example, were comprehensively investigated. In general, it was observed that substituting Li+ with Na+, caused significant changes in the activation energies of two steps so that the decrease and increase of the activation energy for the first step and second step of the mechanism can be seen, respectively. Depending on the number of water molecules participating in the metal cation hydration, the increase or decrease in the activation energy of the first and second steps of the mechanism is observed. For example, the activation energies of the first and second steps of the mechanism for lithiated tyrosine-alanine in the gas phase is equal to 29.09 and 38.31 kcal/mol, respectively, which changed to 22.02 and 40.69 kcal/mol, respectively in microhydrated condition (n = 3). The IRC calculations performed on both steps of the mechanism, the intermediate proposed in literature which is a seven-membered ring, is not confirmed, except for the lithiated tyrosine-alanine hydrated with one water molecule. Comparison of lithiated tyrosine-alanine with lithiated alanine-glycine, both amino acids of which are aliphatic, showed that the presence of two aliphatic amino acids in the structure of dipeptide, leads to a significant increase in the activation energy of the two steps of the mechanism. The calculated activation energies for the first and second steps of the mechanism for alanine-glycine are 34.44 and 45.20 kcal/mol, respectively.
