Вільні енергії зв’язування двозарядних катіонів із функціональними групами амінокислот у силовому полі OPLS-AA
Анотація
Очистка води від іонів важких металів являє собою нагальну екологічну потребу. Активно досліджуються методи зв’язування іонів металів за допомогою природних матеріалів, таких як рослинні білки, а також штучних матеріалів, наприклад функціоналізованих алотропних модифікацій Карбону. Карбоксильні, тіольні, аміногрупи здатні до комплексоутворення з катіонами металів, що призводить до видалення забруднень із води. Методи обчислювальної хімії, включно з класичним молекулярно-динамічним моделюванням, активно застосовуються під час пошуку придатних матеріалів. У статті перевірена правильність відтворення вільних енергій зв’язування ряду двозарядних катіонів металів із функціональними групами, наявними в амінокислотах, із використанням силового поля OPLS-AA. Розглянуті як стандартні вбудовані, так і сучасно застосовані потенціальні моделі. Проведене порівняння з експериментально виміряними константами стійкості модельованих комплексів або їхніх структурних аналогів. Розрахунки вільних енергій виконані методом алхімічного перетворення. Показано, що незважаючи на валідність потенціальних моделей, вільні енергії зв’язування з функціональними групами амінокислот загалом відтворюються погано: сильно перебільшені для карбоксильної групи, занижені для тіолатної та аміногрупи, некоректні для імідазолу. Це вказує, що силове поле OPLS-AA слід застосовувати з обережністю для розрахунку енергетичних характеристик зв’язування металів. Показаний спосіб виправити потенціальні моделі для точного відтворення експериментальних значень, він застосований до чотирьох комплексів катіон – ліганд.
Завантаження
Посилання
Kim, J.-J.; Kim, Y.-S.; Kumar, V. Heavy metal toxicity: An update of chelating therapeutic strategies. J. Trace Elem. Med. Bio. 2019, 54, 226–231. https://doi.org/10.1016/j.jtemb.2019.05.003
Bolisetti, S.; Peydayesh, M.; Mezzenga, R. Sustainable technologies for water purification from heavy metals: review and analysis. Chem. Soc. Rev. 2019, 48(2), 463–487. https://doi.org/10.1039/C8CS00493E
Soon, W. L.; Peydayesh, M.; Mezzenga, R.; Mizerez, A. Plant-based amyloids from food waste for removal of heavy metals from contaminated water. Chem Eng. J. 2022, 445, 136513. https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.136513
Dubey, K. D., Wang, B.; Si, Y.; Tarique Moin, S. Editorial: Molecular Dynamics Simulations of Metalloproteins and Metalloenzymes. Front. Chem. 2021, 9, 789299. https://doi.org/10.3389/fchem.2021.789299
Zhytniakivska, O.; Tarabara, U.; Vus, K.; Trusova, V.; Gorbenko, G. Deciphering the molecular details of interactions between heavy metals and proteins: Molecular docking study. East Eur. J. Phys. 2024, 2, 470–475. https://doi.org/10.26565/2312-4334-2024-2-62
Farafonov, V. S. Estimation of the binding free energy of doubly charged cations to amino acid functional groups by means of modern force fields. Kharkiv Univ. Bull. Chem. Ser. 2025, 44(67), 43–50. [Ukr]
Butovych, H.; Ilnytskyi1, J.; Lähderanta, E.; Patsahan, T. Chelation of the mercury ions by polyethyleneimine: Atomistic molecular dynamics study. 2025, 10.48550/arXiv.2506.18835
Tanis, I.; Kostarellou, E.; Karataso, K. Molecular dynamics simulations of hyperbranched poly(ethylene imine)–graphene oxide nanocomposites as dye adsorbents for water purification. Phys. Chem. Chem. Phys. 2021, 23, 22874. https://doi.org/10.1039/d1cp02461b
Giri, A. K.; Cordeiro, M. N. D. S. Heavy metal ion separation from industrial wastewater using stacked graphene membranes: A molecular dynamics simulation study. J. Mol. Liq. 2021, 338, 118688.
Fard, H. F.; Yusupov, Y.; Madaminov, S.; Khudoynazarov, E.; Raupov, D. Molecular dynamics simulation of selective heavy metal adsorption by functionalized graphene nanolayers. Appl. Surf. Sci. 2026, 728, 165995. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2026.165995.
Kommu, A.; Namsani, S.; Singh, J. K. Removal of heavy metal ions using functionalized graphene membranes: a molecular dynamics study. RSC Adv., 2016, 6, 63190. https://10.1039/c6ra06817k
Anitha, K.; Namsani, S.; Singh, J. K. Removal of Heavy Metal Ions Using a Functionalized Single-Walled Carbon Nanotube: A Molecular Dynamics Study. J. Phys. Chem. A 2015, 119, 8349−8358. https://doi.org/10.1021/acs.jpca.5b03352
Páll, S.; Zhmurov, A.; Bauer, P.; Abraham, M.; Lundborg, M.; Gray, A.; Hess, B.; Lindahl, E. Heterogeneous parallelization and acceleration of molecular dynamics simulations in GROMACS. J. Chem. Phys. 2020, 153(13), 134110. https://doi.org/10.1063/5.0018516
Click, T. H.; Ponomarev, S. Y.; Kaminski, G. A. Importance of Electrostatic Polarizability in Calculating Cysteine Acidity Constants and Copper(I) Binding Energy of Bacillus subtilis CopZ. Comp. Chem. 2012, 33, 1142–1151. https://doi.org/10.1002/jcc.22944
Miyajima, T.; Mori, M.; Ishiguro, S. Analysis of Complexation Equilibria of Polyacrylic Acid by a Donnan-Based Concept. J. Colloid Interface Sci. 1997, E187, 259–266. https://doi.org/10.1006/jcis.1996.4694
Perrin, D. D. Stability constants of metal-ion complexes. Part B: Organic ligands. 2. Suppl. Z. 2. Oxford UK/Elmsford, NY, USA: Pergamon Press. 1979. (Chemical Data Series No 22 IUPAC Publication). https://doi.org/10.1002/prac.19803220331
Berthon, G. The stability constants of metal complexes of amino acids with polar side chains. Pure Appl. Chem. 1992, 67(7), 1117–1240. https://doi.org/10.1351/pac199567071117
Ilcheva, L.; Bjerrum, J. Metal Ammine Formation in Solution. XVII. Stability Constants of Copper (II) Methylamine and Diethylamine Complexes Obtained from Solubility Measurements with Gerhardite, Cu(OH)1.5(NO3)1.5. Acta Chemica Scandinavica A 1976, 30, 343–350. https://doi.org/10.3891/ACTA.CHEM.SCAND.30A-0343
Tanaka, M.; Tabaka, M. Stability Constants of Metal(II) Complexes with Amines and Aminocarboxylates with Special Reference to Chelation. Bull. Chem. Soc. Jpn. 2009, 82(10), 1258–1265. https://doi.org/10.1246/bcsj.82.1258
Mendes de Oliveira, D.; Zukowski, S. R.; Palivec, V.; Hénin, J.; Martinez-Seara, H.; Ben-Amotz, D.; Jungwirth, P.; Duboué-Dijon, E. Binding of Divalent Cations to Acetate: Molecular Simulations Guided by Raman Spectroscopy. Phys. Chem. Chem. Phys. 2020, 22, 24014–24027. https://doi.org/10.1039/D0CP02987D
Shindo, H.; Brown, T. L. Infrared Spectra of Complexes of L-Cysteine and Related Compounds with Zinc(II), Cadmium(II), Mercury(II), and Lead(II). J. Am. Chem. Soc. 1965, 87(9), 1904–1909. https://doi.org/10.1021/ja01087a013
Jalilehvand, F.; Mah, V.; Leung, B. O.; Mink, J.; Bernard, G. M.; Hajba, L. Cadmium(II) Cysteine Complexes in the Solid State: A Multispectroscopic Study. Inorg. Chem. 2009, 48(9), 4219–4230. https://doi.org/10.1021/ic900145n
Watts, J.; Howell, E.; Merle, J. K. Theoretical studies of complexes between Hg(II) ions and L-cysteinate amino acids. Int. J. Quantum Chem. 2014, 114, 333–339. https://doi.org/10.1002/qua.24565
