engleski

Modeling of noncovalent interactions of bis(amino acidato)copper(II) complexes in the solid state and aqueous solution

ABSTRACT Low-molecular-weight copper(II) amino acid complexes are biologically important compounds as a part of accessible physiological pool for transport and storage of an essential element copper. The knowledge of the extent of effects of environment (such as crystal and solution) and amino-acid side-chains interactions on the changes in the copper(II) coordination sphere is a prerequisite to understand the impact of noncovalent interactions on the copper-binding sites in metalloproteins. The X-ray crystal structures are the most usual source of experimental information on the structural properties of the copper(II) complexes with amino acids. Environment-free molecular mechanics (MM) force field FFWa-SPCE was developed for bis(amino acidato)copper(II) complexes with the aim to predict the properties of this class of compounds in different environments (vacuum, crystal, solution) by using the same set of potential energy functions and empirical parameters, and by including the environment explicitly in the calculations. This report summarizes the main computational results from our two articles published in Inorganic Chemistry (2011) and Crystal Growth & Design (2012). These computational results obtained using FFWa-SPCE were aimed at examining the effects of intermolecular interactions in the solid state and aqueous solution on the structural properties of cis- and trans-isomers of bis(L-valinato)copper(II) and bis(L-isoleucinato)copper(II). Heating of polycrystalline cis-aquabis(L-valinato)copper(II) at 363 K resulted in a dehydrated powder. Recrystallization from aqueous solution of the obtained product yielded a new crystal structure of anhydrous trans-bis(L-valinato)copper(II). However, recrystallization of initially synthesized powder from aqueous solution resulted in the aqua cis-isomer. Molecular modeling calculations were attempted to resolve factors that influenced the isomerization and crystallization of either the aqua cis- or the anhydrous trans-isomer. Fifty-nanosecond molecular dynamics (MD) simulations accomplished for a system consisting of equal numbers of bis(L-valinato)copper(II)complexes and water molecules at 298 and 370 K suggested complete cis-to-trans transformation at the higher temperature. The MD modeling of the self-assembly of 16 bis(L-valinato)copper(II) complexes in aqueous solution for the first time predicted the crystallization nucleus formation to proceed from monomers to oligomers by Cu-to-Ocarboxylato and/or N−H...Ocarboxylato weak bonds ; these oligomers then bind together via water molecules until they acquire the right positions for noncovalent bonding like in the experimental crystal structures. The computational results suggest that prevalence of either cis- or trans-isomers in water upon dissolvation may explain the crystallization results. The X-ray crystal and molecular structure of a new polymorph of cis-aquabis(L-isoleucinato)copper(II) was determined at 120 and 295 K. Triple dynamic disorder over one isoleucinato ligand occurred at both temperatures. The complicated disorder was resolved with the help of extensive MM crystal structure simulations, which were undertaken for the first time to interpret disorder in a crystal of bioinorganic compound. The MM crystal structure reproduction of all possible arrangements of three identified conformers in C2 unit cell helped to find the most plausible crystal packing motif otherwise disguised by the triple disorder in the average experimentally determined structures. To conclude, the computational results are essential to understand the experimental results and processes which occurred at the molecular level and influenced the isomerization and crystallization of specific isomers and/or conformers. SAŽETAK Smatra se da niskomolekulski kompleksi bakra(II) s aminokiselinama sudjeluju u skladištenju i prijenosu bakra do mjesta u organizmu gdje taj esencijalan element u optimalnim koncentracijama ima važne fiziološke uloge. Spoznaje o razmjerima utjecaja okoline u kojoj se bakrov kompleks nalazi (kao što su otopina i kristalna rešetka) kao i međudjelovanja pobočnih lanaca aminokiselinskih ostataka na promjene u geometriji koordinacijske sfere bakra(II), jesu preduvjet za razumijevanje utjecaja nekovalentnih interakcija na vezna mjesta bakra u metaloproteinima. Rentgenske kristalne i molekulske strukture najčešći su eksperimentalni izvor podataka o strukturnim svojstvima kompleksa bakra(II) s aminokiselinama. U našim istraživanjima razvijeno je molekulsko-mehaničko (MM) polje sila FFWa-SPCE za predviđanje i reproduciranje svojstva kompleksa bis(amino acidato)bakra(II) u različitim okruženjima (vakuum, kristal, otopina) s istim skupom funkcija potencijalne eneregije i empirijskih parametara. Pri tome se okruženje u kojem se nalazi bakrov kompleks računa eksplicitno. U ovom kratkom pregledu objedinjeni su najvažniji računalni rezultati prikazani u naša dva znanstvena članka objavljena u časopisima Inorganic Chemistry (2011. godine) i Crystal Growth & Design (2012. godine). Primjenom polja sila FFWa-SPCE istraživan je utjecaj međumolekulskih interakcija u čvrstom stanju i vodenoj otopini na strukturna svojstva trans- i cis-izomera kompleksa bis(L-valinato)bakra(II) i bis(L-izoleucinato)bakra(II). Prekristalizacijom dehidriranog praha dobivenog zagrijavanjem polikistaličnog uzorka cis-akvabis(L-valinato)bakra(II) pri 363 K iz vodene otopine određena je nova kristalna struktura bezvodnog trans-bis(L-valinato)bakra(II). Međutim, prekristalizacijom početno sintetiziranog praha iz vodene otopine dobiven je akva cis-izomer. Svrha molekulskog modeliranja bila je rasvjetliti faktore koji utječu na izomerizaciju te kristalizaciju akva cis-izomera ili bezvodenog trans-izomera. Molekulsko-dinamičke (MD) simulacije u trajanju od 50 ns, izračunate za sustav s jednakim brojem kompleksa bis(L-valinato)bakra(II) i molekula vode pri 298 i 370 K, upućivale su na potpunu cis→trans transformaciju pri višoj temperaturi. MD modeliranjem agregiranja 16 kompleksa bis(L-valinato)bakra(II) u vodenoj otopini po prvi puta je predviđen način stvaranja kristalizacijske jezgre: monomeri se vežu u oligomere preko međumolekulske veze Cu...Okarboksilato i/ili vodikovih veza N−H...Okarboksilato ; ti oligomeri se dalje vežu preko molekula voda dok se ne nađu u položajima za nekovalentno vezanje kao u eksperimentalnim kristalnim strukturama. Računalni rezultati upućivali su da bi se suviškom bilo cis- ili trans-izomera u vodi odmah nakon otapanja mogli objasniti kristalizacijski rezultati. Rentgenska kristalna i molekulska struktura novog polimorfa cis-akvabis(L-izoleucinato)bakra(II) određena je pri 120 i 295 K (prostorna grupa C2). Trostruki i dinamički nered za sve atome jednog ostatka L-izoleucinskog liganda opažen je u polimorfu pri obje temperature. Taj složen nered riješen je pomoću iscrpnih MM simulacija kristalne strukture, koje su prvi puta načinjene da bi se objasnio nered u kristalu bioanorganskog spoja. MM reprodukcijama eksperimentalnih struktura sa svim mogućim kombinacijama pakiranja triju identificiranih konformera u jediničnoj ćeliji predložen je najvjerojatniji motiv kristalnog pakiranja koji rezultira trostrukim neredom u prosječnim eksperimentalno određenim kristalnim strukturama. Na temelju naših spoznaja može se zaključiti da su računalni rezultati bitni za razumijevanje eksperimentalnih rezultata i dobivanje uvida u procese na molekulskoj razini koji utječu na izomerizaciju i kristalizaciju određenog izomera i/ili konformera.

bioinorganic; molecular mechanics; molecular dynamics; environment-free force field; cis-trans isomerism; conformational disorder

nije evidentirano