傘 孝之

石井 郁子

40007476591application/pdfdepartmental bulletin pape

石井, 郁子

イシイ, イクコ

9000010235008

00184458

傘, 孝之

カラカサ, タカユキ

9000008409757

20147763

The Nippon Dental University Repository

ケミカルシフトを使った単糖の配座解析著者 石井 郁子, 傘 孝之雑誌名 日本歯科大学紀要. 一般教育系巻 35ページ 35-40発行年 2006-03-20URL http://doi.org/10.14983/00000613Creative Commons : 表示 - 非営利 - 改変禁止http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/deed.jaケミカルシフトを使った単糖の配座解析Conformational analysis of monosaccharide using chemical shifts 北里大学石井郁子歯学部傘孝之Ikuko ISHII Department ofBiochemistry， School ofMedicine， Kitasato University， Kitasato 1-15・1， Sagamihara， Kanagawa， 228-8555， JAP.必4Taka刊kiKARAKASADepa此mentof Chemistry， The Nippon Dental University， Fujimi 1-9-20， Chiyoda-ku， Tokyo， 102-8159， JAPAN (2005年12月16日 受理)The chemical shifts and 2JH，H and 3JH，H spin-couplings of Gals 1・Mewere performed with ab initio molecular orbital calculations using HF/6・31G(d)and B3LYP/6-31G(dラp).The conformation of Galsl-Me was assigned by comparison with the observed chemical shifts (600 MHz lH-NMR spec回 m)and the calculated chemical shifts. 水溶液中のオリゴ、糖の配座解析するためには、グリコシド結合のねじれ角を決定する必要がある(Scheme1)。グリコシド、結合のねじれ角中~\jIは、通常グリコシド、結合近傍プロトンの核オーバーノ、ウザー(NOE)効果から推定し反映しているNOEの数は少ない。また、オリゴ糖がグリコシド結合に由来する(ねじれ角中と¥jI)幾つかの配座異'性体の平衡混合物である場合、各配座に由来する NOEの寄与を定量的に取り扱う方法がない。そのため、配座異性体の構造を決定することは困難となる。H。ヘハ^'。 。へハんOH OH OH OH Scheme 1 ている。 1)しかしながら、グリコシド結合のねじれ角中とvを最近、NOE以外の NMR測定法を用いてグリコシド‘結合に由来する配座異性体の構造を帰属する方法が報告されている。たとえば、ねじれ角やと3J白羽1，2JC1，α，3Jc2，四'およびねじれ角v左3JC1，H4'，3JC1，C3'， 3JC1，C5"との聞の関係を密度汎関数法(DFT)で計算し、測定した 3J白百lラ2JC1，ω， 3Jc2，目'、 3JC1，H4'ヲ3JC1，C3'，3JC1，C5"と比較することにより、配座を決定する試みがなされている。勾さらに最近36 日本歯科大学紀要第 35巻3Jc畑 3Jcoccカップリング定数とねじれ角との関係、式を非経験的分子軌道計算から求め、この関係式を使って配座異4性体の構造を決定する報告がされている。 3)しかしながら、これらの方法を使用するためには、天然存在比の少ない¥3Cのスベクトノレ測定を行う必要がある。そのため、観測音M立の炭素原子を13Cリッチにした試料で、測定するか、高濃度の試料で測定する必要がある。多くの天然由来オリゴ糖は、微量しか得られず、また観測部位の炭素原子を 13Cリッチする一般的な方法がないために 13C_NMRスベクトノレの測定ができない場合が多い。したがって、オリゴ糖の配座解析の一般的方法となりえないのが現状である。一方、 lH-NMRスベクトノレの測定は、試料が微量(マイクログ、ラムオーダー)でも可能であり、そのケミカルシフトは、分子の立体構造と密接に関係している。最近、リジッドな構造の有機分子のプロトンのケミカルシフトとカップリング定数が、非経験的分子軌道法を使ってかなり正確に計算できるようになってきた。のそこでケミカノレシフトの構造依存性を利用して糖の配座角科斤に適用することに興味を持った。今回、GalsI-Me(Methyl-s・D-gal都ω'Pyranoside)をモデル化合物としてその側鎖の立体構造とケミカルシフトの問の関係について検討を行った。H GaIs1-Me 計算方法" 。、V'CH3 ab initio計算は、Ga凶Sl組 03w5)を、入力ファイルの作成と出力データの表示にはGa凶siVtewW3.05).を使用した。配座発生は、 CONFL医 2000のを用いた。最適配座計算は、PACAプログラム乃で、行った。IH-NMR測定と解析GalsI-Meの lH-NMRスペクトルは、重水溶媒中、アセトンを基準ピーク(δ2.225ppm)として、VarianUnity 600 (599.907MHz)で測定し、各プロトンのケミカルシフトとカップリング定数は、APASプログラム 8)を用いて制庁した。結果と考察GalsI-Meの環構造は、 4C1いす型に固定し 1・位の-OCH3基と州立の・CH20H基に由来する配座異'性体について検討した。Conflexで発生させた4C1いす型配座異4性体15種類を、半経験的分子軌道法(AM1)で構造最適化すると構造の重複があった。これら重複構造を除いた7配座について、非経験的分子軌道法5)を用いてケミカルシフトとカップリング定数を計算した。 HF/，ふ31G(d)/HF/6-31G(d)で計算したケミカルシフトとカップリング定数およびそれらの測定値をTable1に、水の溶媒効果(SCRF法)を入れた計算結果をTable2に示した。また、B3LVP/6-31G(d，p)/B3LVP/6-31G(d，p)で計算した結果をTable3に示した。ケミカルシフトは、計算値および測定値ともにアセトンを基準物質(82.225ppm)とした。Table 1 " _，J'V'"圃.， 1 ~........ 民座番号測定 。 t 2 s 9 10 1 H-I 4.315 3.863 3.868 3.9日9 4.385 3.833 4.405 3.8831 H-2 3.501 3.704 3.685 4.014 3.847 3.688 3.855 3.397 H-3 3.643 3.443 3岨7 3360 3.441 3.409 3449 3.365 H-~ 39却 3.794 3.577 3.979 3.782 3.508 3.578 3.70日H-5 3.696 2.811 3.298 2.710 2.943 2.924 3.410 3.293 H-6 3.792 3.858 4.311 3.922 3.867 4.501 4.294 4.022 H-6・ 3.753 4.168 3.730 4.144 4.229 3.753 3.745 3.7661 M. 3.573 3.7制 3“3 3.670 3.619 3.748 3.515 3.653 力ッブ1)ンF定数(Hz)Jl，2 8.128 8.143 8.246 8.155 8.975 8.183 9.073 8.226 J2J 10.052 1日177 10.078 10.302 9.715 1日108 9.5ω 10.623 J3A 3368 4.746 4.611 3.991 4.619 4.672 4.447 4.658 J45 0.889 2.693 2.429 1.686 2.752 2j63 2.382 1.887 J5.6 7.911 1.492 1日116 1.817 1.462 10.096 10.023 10到。.語e 4メ43 5.768 3.579 4.398 5.701 2.15 3.393 3.783 .16.6" 1ー1.9日4 -27.848 -28.459 -28.327 -27.985 -29.773 -28.349 -28.825 Tabe 2 ケミカJvシフト4lPnV配座番号測定 目 t 2 6 9 10 R-l 4315 4日27 4.014 4.014 4.488 3.991 4.479 4.016 R-2 3.501 3制7 3.574 3.702 3.97日 3573 3.928 3.444 R-3 3.643 3.496 3.493 3.501 3.489 3.47日 3.472 3.494 R-4 3.920 3.987 3.668 4.045 3.9“ 3.640 3.684 3“日R-S 3.696 3.114 3.491 2.920 3.216 3.334 3542 3.483 R-6 3.792 3.820 4.014 3.887 3.829 3951 4日09 3.895 R-6・ 3.753 3.985 3.636 4.142 3.988 3.710 3.647 3.645 Me 3.573 3.619 3.587 3.586 3.452 3.610 3398 3.573 力':r:Jリンク定数(Hz).n，2 8.128 8.415 8.432 8.300 9.021 8.423 9目指S 8.3592 .12$ 10.052 1日138 10084 10.289 9.735 1日141 9.7362 10.681 .1M 3.368 4.503 4.478 4.403 4.410 4.503 43684 5.1018 .M5 0.889 2.478 2.283 1.708 2.627 2.375 23887 2.1474 .15，6 7.911 l.ol7 10.240 2.337 1.598 10.352 9.9l51 10.365 ，1;.6' 4.443 5.488 3.314 3.900 5.595 2.469 3.0023 350日5.IS，6' -11.904 -28.581 -29.348 -29.6口6-28.506 -29.185 -28.788 -29.484 石井 ・傘T岨 103J ~ ，JJv ./..... . 1111 測定 。 t 2 H.1 4315 41日2 4.11 4198 H.2 3.501 3J55 3.712 4.092 H.3 3.643 3.605 3.591 3.516 H.4 3.92日 4.085 3.803 4.283 H.5 3696 314日 34嗣 3.126 H.6 3.792 4134 4.364 3.945 H.6・ 3.753 4.101 3.589 4.213 M. 3.573 3.635 3.592 3.594 配座番号6 9 4522 4日564.1日9 3.71 3.596 3561 4.065 3.752 3291 3154 4.133 4.378 4.144 3.902 3553 3.634 ケミカルシフ トを使った単糖の配座解析，。 1 4.553 4125 4.135 3.519 3.6∞ 3551 3.806 3.723 3599 3491 4.355 4.080 3.604 3.6日33.472 3595 E 盆4.500 4.000 3.500 3.000 2.500 2.000 Figure 2配座番号 OH-l H-2 H-3 H-4 H-5 H-6 H-6' M. H町6・31G(d)/ HF/6・31G(d)の真空中と水の溶媒効果 Figure 3配座番号1を考慮したときの最適化構造を、 Figure1に示した。 4.500一一37 一+ー 湖定-・-HF/6-31 G(d) HF/6-31 G(d) in water -判一83LYP/6-31 G(d.p) 3.500 1V 三 -+-一理l定作付』|A岨 ，4. jf・ ，.岬i4・・~i，I I I ~ I '- I I -- ~ 附引G(d)! ~ 割 ， ~~ヌbe， ，.d，守 . 3--ー~i・ 3.000I I I HF/6-3IG(d) in water ~ ~ :..~- j"l '! ~ : . ~. ~ ~ :.#.マ'・ 一→←-83LYP/6-31αd.o) 66w d，. a 罰 ，・⑤'4， ?，'?.e-A4ed'4de -• ・ 2.500 ?す 守がマす.・ イ -: ~! ~. ..，j.1 2.000 . ~ - e. - J | H1M MH4HMM Me 9 針v. .~".. I .. .. ~ ・ .. 'J e ，;1..・ '.哩・噌'. サ B f -'dd -弓正哩・ι . ~5~・ ?? fe' .. . I I . '.且 .. I I Figure 4配座番号33w100w ・'，-句eJ・eaSt，・宅， ， d-a J」S..4 1 5.000 そ ! ~.sマぜ・ .i.11 11w i 4.000 出高戸羽-+ー 潤定・-HF/6-31αd) E 35o0 HFW/山 α仰dい 抗Figure 1 →一 日~Y1'/6-3 1G(d.p) 3.000 配座番号 0，1ム6，9，10，1 は真空中での配座 、 2.500 Ow，lw，3w，6w，9¥κlOw，l1w は水の溶媒効果を入れたときH-l H-2 H-3 H-4 H-5 H-6 H-6' M・の配座である。親水性の基を多く含む構造で、あるにもかかわらず、両構造(0とOw、Iとlw、3と3w、6と6w、9と 配座番号Fi思Jre5 ~H!:.~6 9w、10とIOw、 1と1w、)を比較するとほとんど変わりがなく、6・31G(d)の計算では、配座構造に溶媒効果は、 ほと 4.500 んど見られなし、ことがわかったO一1田川町 H 6'.M e…wフ卜 抽 l山町、グ オl ト卜一4+・-一-HB理F3l定/L6Y6-P3  /とカップM 、定数川 ぉM法の違いにより比較した結果を Figure 2・8とFigure 9-1 に示した。2.000 H-l H-2 H-3 H-4 H-5 H-6 H-6' M. 38 日本歯科大学紀要第35巻Fi割問 6li!座番号9 Rgure 10配座番号14.500 r m 15.000 色、_"- ./:.-"-.. L~・-~ I 5.000 醐「子守~!3.500 、 、 ・ 一+一書I定 0.000 E て -← HF/6引刷 Jl.2 J2345.6 J6.6 一φ一 刻定8: '¥ '!.f • 1 HF/6-31 G(曲onw...，1I N -5.0∞ -ー HF/6-31G(cO 3.000 一弾一 日3LYP/6-31GI白) 工 -10.000 1 " ~---1 1 HF/6-31G(cOin帽.，2.5凹|白 15.000 →ー←-B3L YP/6-31αd.o) -20.000 2.000 E -25.000 H-1 H-2 H-3 H-4 H-5 H-6 H-O' M. -30000 Figure 7配座番号10刊凹[、 一一一 l 念入10.000 -・-HF/O-31αa 回c γ 当一・一刻定 5.000 E 佳3.000 ， I ， ... ~ H内F角A川 品-3川1α角品・内附，咽白、MV -O5D00  2.500 l N 工-10.000 -15.000 2.000 ' -20.000 H-1 H-2 H-3 H-4 H-5 H-6 H-6' M. -25.000 -30.000 Figure 8配座番号114.5回 目gure12配座香号6叩 b平 、当 + 純 10.000E 一品 - HF/6-31αa 8: 1 1 HF/6-31αd)附帽.， 11 0.000 工 5.000 1 -.- --.- --" -，- -.--.-'('" 1 1--HF/6-31 G(cO ぺ 叩 肝/6-31α…r-15.000 1 ~ I--B3LYP/6-31Gld.p) 2.000 -20.000 H-1 H-2 H-3 H-4 H-5 H-6 H-6・M.-25.000 -30.000 Figure 9配座番号015.0ω Rgure 13配座番号910.000 トー τ一、-礼¥/-¥ 1I------.J 15.000 5.000 1 "'Qもぱ べ 10.000 0.000 J1.22J3.4 J4.556 JS，6¥ J66' → ー腕 5.000 -5.000 I ..- --" -- -" --" -"¥Y'" 1 1-・-HF/6-31αdl 工 ¥¥ 11 u< ，._""，.n~ ...... ，， 1 1 0.000 -10.000 I \ ~ I HF/6-31G:d)inwalel' 一・一割定JI，2. .J2.3 J3.4 J4.5 J5.6 刷-15.000 川 →- B3LYP/6 ~31 G\d.p) 工N -5.000 1 -.. ••.• .. ..~ I--HF/6-31刷， .l. -10.000 ， ， ~ I I HF/6-3 -20 000 1 1 4000 4 -mLYP/ト31G(d.o)-25.000 -30.000 -25.000 石井 ・傘 ケミカルシフトを使った単糖の配座解析 39 15.000 10.000 5.000 0.000 -5.000 ヱ-10.000 -15.000 -20.000 -25.000 -30.000 Figure 14配座番号10一。一剥定-・-HF/6-31C紛HF/6-31 G(d)"， w.t・r-今←ー 日3LVP/6-31Gω，)h 15.000 10.000 5.000 0.000 N -5.000 エ-10.000 -15.000 -20.000 -25.000 -30.000 Figure 15配座番号11一+一刻定-・-HFIト31ぼd)HF/6-31 G(d)附 water'-+←-B3L VP/6-31G(d，) a町Figure 2-8で明らかな様に、計算法が異なっても Hl，H2， H3 H4， H5， H6， H6' ， Meのケミカノレシフトのパターンは、ほぼ同じである。一方、カップリング定数は、 Figure9・15から明らかにように、ヒ守シナルカッブリンク守定数は 3つの計算法とも非常によい値を示すが、ジェミナルカップリング定数は、 B3LYP/6-31G(d，p)以外の計算で、は測定値よりも約2倍大きく見積もることがわかった。次に、 lイ立のメトキシ基のねじれ角中と5・位のヒドロキシメチル基のねじれ角0による配座異性体の解析を試みた。ヒドロキシメチノレ基のねじれ角81こよる配座異性体の解析は、測定カップリング定数と B3LYP/6・31G(d，p)1B3LYP/6・31G(d，p)計算によるカップリング定数の比較により求めることが可能である。最適配座の組み合わせをPACAをイ吏って計算し、 Figure16に示した。次に、測定したH1，H2， H3 H4， H5， H6， H6' ， Meのケミカルシフトと各計算法で、のケミカルシフトを比較することにより、最適配座を PACA7)で求め、 Fi思re17， Fi思re18， Figure 19に示した。カップリング定数およびケミカルシフトの計算値と測定値の比較から、B3LYP/6・31G(d，p)1B3LYP/6・31G(d，p)で、計算したものがよいことがわかる。Figure 16 B3L YP/6-31G(d，p)IIB3LYP/6引G(d，p)(らρJ) (C.Ic. J) 8.128 6.130 10.052 7.766 3.368 3.137 0.889 1.051 7.911 7.406 4.443 4.049 11.904 13.473 (E". J)ー(CaIc. J) 1.998059 2.286325 0.231020 -0.162069 0.504656 0.393743 -1.568610 ((Exp. J)ー(Calc.J))^2 3.992240 5.227282 0.053370 0.026266 0.254678 0.155034 2.460537 ?????????? ???????????????? ??，???????????Fi伊re17HF/6・31G(d)1HF/6・31G(d)(Op. 5) (Calc. 5) 4.315 4.142 3.501 3.626 3.643 3.406 3.920 3.660 3飼 3.3唱53.792 U15 3巧剖43.573 日5(E却 5)ー(Calc.5) 0.17320唱-0.124571 0.236562 0.260365 0.391位8'0.323339 -0.050676 -0.021620 ((E即る)-(Calc.5))'2 0.030001 。0155180.055962 0.067790 0.152901 0.10<1548 0∞2568 0低周467???? ?? ???? ?????????????????????????????? ? ????????????????????????????Figure 18 HF/6-31G(柳田16-31G(d)in water (ExP. 5) (Ca1c. o) 4.315 4.157 3目501 3.598 3.643 3.491 3.920 3. m 3.696 3.436 3.792 3.893 3.753 3.714 3.573 3.531 (Exo. o)ー(C.lc.5) 0.158300 ・O.閃66000.152200 0.196400 0.260500 0.101200 0.039200 0.0<11700 ((Exo. 5)ー(Ca1c.5))'2 0.025059 O.日093320.023165 0.038573 0.0678閲0.010241 0.001537 0.001739 ???? ? ? ?? ?????? ? ? … ?????????????? ??????????? ?? ????????????、 ?? ????????????????? ?Figure 19 B3LYP/6-31G(d，p)IIB3LYP/6引G(d，p)(ExP. o) (Calc. o) 4.315 4.204 3.501 3.637 3.643 3.560 3.920 3.792 3.696 3.451 3.792 4.091 3.753 3.711 3.573 3.587 (ExP. o)ー(Calc.o) 。110920-0.136018 0.083226 0.128174 0.244的0-0.298868 0.041794 0.013532 (([却 5ト(Calc.o)γ2 0.012303 0.01E医師10.006927 0.01842¥1 0.06匹目10.089322 0.001747 0.000183 H 恕 F帆 Jlat1M (accuraey;. 10%)制球トb(6)' 2日% 4.52236 4.1恒国閃643 4.06545 3.29133 4.13338 4.14355 3.55282 ~( 11)' 80% U 2451 3.51910 3.55061 3.72342 3.49国揖 4園田24 3.60312 3.59496 SI.目包rdde..iat i田市 1713Correlation明 fiCI制 (R)'0.786 R'2 ' 0.618 また、 Fi伊re20にねじれ角8(矢印)に由来する3種類の配座異性体(3，1， 11e)の構造を示し、 Figure21にHl，40 日本歯科大学紀要第35巻H2， H3 H4， H5， H6， H6' ， Meのケミカルシフト計算イ直とその測定値の比較をしたグラフと示した。Figure22には、カップリンク、定数J1ム1z.3，h4， J4，5， J5，6， J5，6'， J6，6'の計算値と測定値を比較したグラフを示した。E E 4.500 4.000 3.500 3.000 2.500 2.000 Figure 20 _.1:.1 e .J':"-4・Hiそ・4..1 Jd仁 0・号6宅・4宅J.. lle Figure 21 .AeLO d命0・d・~~宅・←宅J.1 ...1 11 H-l H-2 H-3 H-4 H-5 H-6 H-6' CH3 Figure 23 4.500 r 4.000 3.000 |工:い|2.500 2.000 H-l H-2 H-3 H-4 H-5 H-6 H-6 M. Figure 24には、そのときのGalsI-Meの構造を示した。.なd!iぷふ:-dd ' 6 Fi伊rre24 ‘ 1 1 文献1. S. W. Homans， Prog. NMR 伽 ctrosc.， 22， 55・81(1990)2. F. Cloran， 1， Carmichael and A. S. Serianni， J Phys. Chem. A， 103，3783-3795(1999); B.Bose， S. Zhao， R Stenutz， F.Cloran， P. Bondo， G. Bond， B. Hertz， I. Carmichael and A. S. Serianni， J Am. Cちem.品c.，I20，11158・11173(1998);M. Hri∞吋ni，O. 1. Malkina， F.15.000 F叩 re22 Bizik， 1. T. Nagy and V. G. MalkinヲJPhyS.αem. A， 101， 9756・9762(1997);M. Stahl， U. Schopfer， G. 10.000 5.000 圭 0.000-5.000 -10.000 ー15.000Figure 23に、 PACAで、計算した最適配座 (Figure19) のHl，H2， H3 H4， H5， H6， H6' ， Meケミカルシフトと測定値の比較を示した。Frenking and R W. Hoffman， J Org， Chem.， 62， 3702-3704(199η 3. F. Cloranヲ 1，Carmichael and A. S. Serianni， J Am Chem. Soc.， 121ヲ9843・9851(1999)4. A. Bagno， Chem. Eur.よ，7，1652・1661(2001)5. Gaussian 03W釦 dGaussViewW 3.0; Ga凶sianInc 6. COFLEX2000 ver. 4.0.2 Rev. Q; Conflex∞中oration.7. 傘 孝之、日本歯科大学紀要、 33，49-53(2004) 8. 傘孝之、日本歯科大学紀要、 34，41-48(2005) 

Conformational analysis of monosaccharide using chemical shifts

ケミカルシフトを使った単糖の配座解析

ケミカルシフトを使った単糖の配座解析

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