Разработанная учеными из Санкт-Петербургского государственного университета вычислительная модель с высокой точностью воспроизводит поведение положительно заряженных частиц (протонов) в молекулах, обладающих прочными водородными связями. Исследователи определили, что для корректных расчетов необходимо учитывать не только природу растворителя, в котором находится молекула, но и спонтанное перемещение протона, а также неопределенность его положения в молекуле. Этот подход позволит существенно улучшить точность компьютерных моделей, применяемых для анализа химических соединений, используемых при создании новых лекарственных препаратов и материалов. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в Journal of Chemical Information and Modeling.
Водородные связи, возникающие между атомом водорода и двумя электроотрицательными атомами, такими как кислород, широко распространены в биологических соединениях и оказывают значительное влияние на их взаимодействие друг с другом, с молекулами воды и другими соединениями. Для изучения структуры водородных связей ученые используют метод спектроскопии ядерного магнитного резонанса. Этот метод предполагает помещение вещества в магнитное поле и наблюдение за поведением атомов в этих условиях. В результате получаемые спектры, состоящие из наборов «пиков», позволяют исследовать особенности строения химических соединений, поскольку спектр ядерного магнитного резонанса является уникальным идентификатором исследуемого вещества.
Внешнее магнитное поле влияет на собственные магнитные поля атомов, причем характер этого влияния определяется типом и расположением соседних атомов. Это изменение именуется химическим сдвигом. Экспериментальное наблюдение или компьютерное моделирование химического сдвига позволяет определить химическую структуру молекул и прочность химических связей. Для проведения таких измерений в исследуемое вещество обычно добавляют растворитель, что позволяет оценить воздействие окружающей среды на поведение протонов и величину химического сдвига.
При компьютерном моделировании сдвигов нередко оказывается недостаточно простого добавления молекул растворителя к исследуемой системе. Такой метод не учитывает особенности динамики частиц, поскольку их движение определяется законами механики и внешними факторами. Точность расчетов в данном случае критически важна, поскольку она позволяет ученым глубже понимать процессы, происходящие на атомарном уровне, включая электронное строение и принцип действия различных веществ, например ферментов, выполняющих роль «ускорителей» химических реакций.
Впервые исследователи из Санкт‑Петербургского государственного университета провели моделирование, в котором учли и оценили в количественном выражении воздействие трех ключевых факторов на химические сдвиги атомов водорода: наличие молекул растворителя, ядерная динамика протона и квантовая делокализация, характеризующаяся отсутствием фиксированного положения протона и его потенциальной одновременной нахождением в различных точках пространства).
Для оценки воздействия указанных факторов, специалисты Санкт-Петербургского государственного университета применили ряд подходов, включая квантово-химические расчеты, компьютерное моделирование с использованием метода молекулярной динамики, и решение уравнения Шредингера. Уравнение Шредингера часто используется в квантовой химии для определения вероятности нахождения делокализованной частицы в определенной точке пространства. Все расчеты были выполнены на суперкомпьютерных системах.
Авторы провели моделирование химических изменений, происходящих в атоме водорода, используя в качестве примера три соединения, характеризующиеся выраженными водородными связями: анион бифторида (соединение, состоящее из одного атома водорода и двух атомов фтора), катион Цунделя (соединение, в котором дополнительный протон находится между двумя молекулами воды) и катион пиридина-пиридиния, образованный атомами водорода, азота и углерода. Благодаря тому, что эти вещества хорошо исследованы химиками, авторам удалось сопоставить полученные результаты с измерениями других ученых и лучше оценить их точность.
Расчеты продемонстрировали, что учет факторов, связанных с движением атомов и делокализации протона, оказывает значительное влияние на полученные значения химического сдвига. В частности, при рассмотрении растворения статичного катиона пиридина-пиридиния во фреоне, величина сдвига составила 20,8 миллионных долей. Однако, при учете динамики протона в том же растворителе, величина сдвига увеличилась до 22 миллионные единицы, что соответствует экспериментальным данным, полученным ранее в ходе экспериментов. Анализ данных демонстрирует, что учет совокупности факторов, оказывающих влияние на химический сдвиг, позволяет точнее определять его величину.
«Наши результаты имеют значение для экспертов, занимающихся моделированием систем, включающих водородные связи, поскольку предоставляют практические рекомендации по повышению соответствия расчетных данных экспериментальным. Помимо этого, данная работа способствует углублению понимания природы водородной связи, что необходимо для создания новых лекарственных препаратов, материалов и катализаторов, учитывая, что связи этого типа играют основополагающую роль в биологических процессах и передовых технологиях. Более совершенные методы моделирования позволят более детально изучить механизмы действия ферментов и разработать инновационные материалы для энергетики и медицины», — отметила руководитель проекта, грант которого был предоставлен Российским научным фондом, доцент кафедры физической органической химии Санкт-Петербургского государственного университета Елена Тупикина.
В 2025 году Елена Тупикина была удостоена премии имени Л. Эйлера правительства Санкт-Петербурга за создание инновационных подходов к определению характеристик водородных связей в биомолекулах.
Материалы и изображения предоставлены пресс-службой Санкт-Петербургского государственного университета