title: Cation-π Interactions in Serotonin:  Conformational, Electronic Distribution, and Energy Decomposition Analysis.
abstract: An adiabatic conformational analysis of serotonin (5-hydroxytryptamine, 5-HT) using quantum chemistry led to six stable conformers that can be either +gauche (Gp), -gauche (Gm), and anti (At) depending upon the value taken by ethylamine side chain and 5-hydroxyl group dihedral angles φ1, φ2, and φ4, respectively. Further vibrational frequency analysis of the GmGp, GmGm, and GmAt conformers with the 5-hydroxyl group in the anti position revealed an additional red-shifted N-H stretch mode band in GmGp and GmGm that is absent in GmAt. This band corresponds to the 5-HT side-chain N-H bond involved in an intramolecular nonbonded interaction with the 5-hydroxy indole ring. The influence of this nonbonded interaction on the electronic distribution was assessed by analysis of the spin-spin coupling constants of GmGp and GmGm that show a marked increase for C2-C3 and C8-C9 bonds in GmGm and GmGp, respectively, with a decrease of their double bond character and an increase of their length. The Atoms in Molecules (AIM), Natural Bond Orbital (NBO), and fluorescence and CD spectra (TDDFT method) analyses confirmed the existence in GmGp and GmGm of a through-space charge-transfer between the HOMO and the HOMO-1 π-orbital of the indole ring and the LUMO σ* N-H antibonding orbital of the ammonium group. The strength of the cation-π interaction was determined by calculating binding energies of the NH4(+)/5-hydroxyindole complexes extracted from stable conformers. The energy decomposition analysis indicated that cationic-π interactions in the GmGp and GmGm conformers are governed by the electrostatic term with significant contributions from polarization and charge transfer. The lower stability of the GmGm over the GmGp comes from a higher exchange repulsion and a weaker polarization contributions. Our results provide insight into the nature of intramolecular forces that influence the conformational properties of 5-HT.
authors.affiliation: Service de Biochimie et de Biologie Moléculaire, IFR 139, Hôpital Lariboisière, 2, rue Ambroise Paré, 75475 Paris Cedex 10, France, E.A. 3621, Laboratoire de Biologie Cellulaire, UFR des Sciences Pharmaceutiques et Biologiques, 4 Avenue de l'Observatoire, 75270 Paris, Cedex 06, France, I.C.M.M.O. Laboratoire de Chimie Structurale Organique, Université Paris-Sud, Bat. 410, 91405 Orsay, Cedex, France, Institut de Chimie des Substances Naturelles, CNRS, F-91198 Gif-sur-Yvette, France, BioQuanta Corp., 2850 South Parker Road (S) 720, Aurora, Colorado 80014, Service de Biochimie 1, Hôpital Bicêtre, 78, rue du Général Leclerc, 94275 le Kremlin-Bicêtre Cedex, France, 7086, 1 rue Guy de la Brosse, 75005 Paris, France, and Laboratoire de Biochimie-Génétique, Hôpital Henri Mondor, 51, rue du Maréchal de Lattre de Tassigny, 94010 Créteil, France.
authors.forename: Jaturong
authors.initials: J
authors.lastname: Pratuangdejkul
authors.affiliation: Service de Biochimie et de Biologie Moléculaire, IFR 139, Hôpital Lariboisière, 2, rue Ambroise Paré, 75475 Paris Cedex 10, France, E.A. 3621, Laboratoire de Biologie Cellulaire, UFR des Sciences Pharmaceutiques et Biologiques, 4 Avenue de l'Observatoire, 75270 Paris, Cedex 06, France, I.C.M.M.O. Laboratoire de Chimie Structurale Organique, Université Paris-Sud, Bat. 410, 91405 Orsay, Cedex, France, Institut de Chimie des Substances Naturelles, CNRS, F-91198 Gif-sur-Yvette, France, BioQuanta Corp., 2850 South Parker Road (S) 720, Aurora, Colorado 80014, Service de Biochimie 1, Hôpital Bicêtre, 78, rue du Général Leclerc, 94275 le Kremlin-Bicêtre Cedex, France, 7086, 1 rue Guy de la Brosse, 75005 Paris, France, and Laboratoire de Biochimie-Génétique, Hôpital Henri Mondor, 51, rue du Maréchal de Lattre de Tassigny, 94010 Créteil, France.
authors.forename: Pascale
authors.initials: P
authors.lastname: Jaudon
authors.affiliation: Service de Biochimie et de Biologie Moléculaire, IFR 139, Hôpital Lariboisière, 2, rue Ambroise Paré, 75475 Paris Cedex 10, France, E.A. 3621, Laboratoire de Biologie Cellulaire, UFR des Sciences Pharmaceutiques et Biologiques, 4 Avenue de l'Observatoire, 75270 Paris, Cedex 06, France, I.C.M.M.O. Laboratoire de Chimie Structurale Organique, Université Paris-Sud, Bat. 410, 91405 Orsay, Cedex, France, Institut de Chimie des Substances Naturelles, CNRS, F-91198 Gif-sur-Yvette, France, BioQuanta Corp., 2850 South Parker Road (S) 720, Aurora, Colorado 80014, Service de Biochimie 1, Hôpital Bicêtre, 78, rue du Général Leclerc, 94275 le Kremlin-Bicêtre Cedex, France, 7086, 1 rue Guy de la Brosse, 75005 Paris, France, and Laboratoire de Biochimie-Génétique, Hôpital Henri Mondor, 51, rue du Maréchal de Lattre de Tassigny, 94010 Créteil, France.
authors.forename: Claire
authors.initials: C
authors.lastname: Ducrocq
authors.affiliation: Service de Biochimie et de Biologie Moléculaire, IFR 139, Hôpital Lariboisière, 2, rue Ambroise Paré, 75475 Paris Cedex 10, France, E.A. 3621, Laboratoire de Biologie Cellulaire, UFR des Sciences Pharmaceutiques et Biologiques, 4 Avenue de l'Observatoire, 75270 Paris, Cedex 06, France, I.C.M.M.O. Laboratoire de Chimie Structurale Organique, Université Paris-Sud, Bat. 410, 91405 Orsay, Cedex, France, Institut de Chimie des Substances Naturelles, CNRS, F-91198 Gif-sur-Yvette, France, BioQuanta Corp., 2850 South Parker Road (S) 720, Aurora, Colorado 80014, Service de Biochimie 1, Hôpital Bicêtre, 78, rue du Général Leclerc, 94275 le Kremlin-Bicêtre Cedex, France, 7086, 1 rue Guy de la Brosse, 75005 Paris, France, and Laboratoire de Biochimie-Génétique, Hôpital Henri Mondor, 51, rue du Maréchal de Lattre de Tassigny, 94010 Créteil, France.
authors.forename: Wichit
authors.initials: W
authors.lastname: Nosoongnoen
authors.affiliation: Service de Biochimie et de Biologie Moléculaire, IFR 139, Hôpital Lariboisière, 2, rue Ambroise Paré, 75475 Paris Cedex 10, France, E.A. 3621, Laboratoire de Biologie Cellulaire, UFR des Sciences Pharmaceutiques et Biologiques, 4 Avenue de l'Observatoire, 75270 Paris, Cedex 06, France, I.C.M.M.O. Laboratoire de Chimie Structurale Organique, Université Paris-Sud, Bat. 410, 91405 Orsay, Cedex, France, Institut de Chimie des Substances Naturelles, CNRS, F-91198 Gif-sur-Yvette, France, BioQuanta Corp., 2850 South Parker Road (S) 720, Aurora, Colorado 80014, Service de Biochimie 1, Hôpital Bicêtre, 78, rue du Général Leclerc, 94275 le Kremlin-Bicêtre Cedex, France, 7086, 1 rue Guy de la Brosse, 75005 Paris, France, and Laboratoire de Biochimie-Génétique, Hôpital Henri Mondor, 51, rue du Maréchal de Lattre de Tassigny, 94010 Créteil, France.
authors.forename: Georges-Alexandre
authors.initials: GA
authors.lastname: Guerin
authors.affiliation: Service de Biochimie et de Biologie Moléculaire, IFR 139, Hôpital Lariboisière, 2, rue Ambroise Paré, 75475 Paris Cedex 10, France, E.A. 3621, Laboratoire de Biologie Cellulaire, UFR des Sciences Pharmaceutiques et Biologiques, 4 Avenue de l'Observatoire, 75270 Paris, Cedex 06, France, I.C.M.M.O. Laboratoire de Chimie Structurale Organique, Université Paris-Sud, Bat. 410, 91405 Orsay, Cedex, France, Institut de Chimie des Substances Naturelles, CNRS, F-91198 Gif-sur-Yvette, France, BioQuanta Corp., 2850 South Parker Road (S) 720, Aurora, Colorado 80014, Service de Biochimie 1, Hôpital Bicêtre, 78, rue du Général Leclerc, 94275 le Kremlin-Bicêtre Cedex, France, 7086, 1 rue Guy de la Brosse, 75005 Paris, France, and Laboratoire de Biochimie-Génétique, Hôpital Henri Mondor, 51, rue du Maréchal de Lattre de Tassigny, 94010 Créteil, France.
authors.forename: Marc
authors.initials: M
authors.lastname: Conti
authors.affiliation: Service de Biochimie et de Biologie Moléculaire, IFR 139, Hôpital Lariboisière, 2, rue Ambroise Paré, 75475 Paris Cedex 10, France, E.A. 3621, Laboratoire de Biologie Cellulaire, UFR des Sciences Pharmaceutiques et Biologiques, 4 Avenue de l'Observatoire, 75270 Paris, Cedex 06, France, I.C.M.M.O. Laboratoire de Chimie Structurale Organique, Université Paris-Sud, Bat. 410, 91405 Orsay, Cedex, France, Institut de Chimie des Substances Naturelles, CNRS, F-91198 Gif-sur-Yvette, France, BioQuanta Corp., 2850 South Parker Road (S) 720, Aurora, Colorado 80014, Service de Biochimie 1, Hôpital Bicêtre, 78, rue du Général Leclerc, 94275 le Kremlin-Bicêtre Cedex, France, 7086, 1 rue Guy de la Brosse, 75005 Paris, France, and Laboratoire de Biochimie-Génétique, Hôpital Henri Mondor, 51, rue du Maréchal de Lattre de Tassigny, 94010 Créteil, France.
authors.forename: Sylvain
authors.initials: S
authors.lastname: Loric
authors.affiliation: Service de Biochimie et de Biologie Moléculaire, IFR 139, Hôpital Lariboisière, 2, rue Ambroise Paré, 75475 Paris Cedex 10, France, E.A. 3621, Laboratoire de Biologie Cellulaire, UFR des Sciences Pharmaceutiques et Biologiques, 4 Avenue de l'Observatoire, 75270 Paris, Cedex 06, France, I.C.M.M.O. Laboratoire de Chimie Structurale Organique, Université Paris-Sud, Bat. 410, 91405 Orsay, Cedex, France, Institut de Chimie des Substances Naturelles, CNRS, F-91198 Gif-sur-Yvette, France, BioQuanta Corp., 2850 South Parker Road (S) 720, Aurora, Colorado 80014, Service de Biochimie 1, Hôpital Bicêtre, 78, rue du Général Leclerc, 94275 le Kremlin-Bicêtre Cedex, France, 7086, 1 rue Guy de la Brosse, 75005 Paris, France, and Laboratoire de Biochimie-Génétique, Hôpital Henri Mondor, 51, rue du Maréchal de Lattre de Tassigny, 94010 Créteil, France.
authors.forename: Jean-Marie
authors.initials: JM
authors.lastname: Launay
authors.affiliation: Service de Biochimie et de Biologie Moléculaire, IFR 139, Hôpital Lariboisière, 2, rue Ambroise Paré, 75475 Paris Cedex 10, France, E.A. 3621, Laboratoire de Biologie Cellulaire, UFR des Sciences Pharmaceutiques et Biologiques, 4 Avenue de l'Observatoire, 75270 Paris, Cedex 06, France, I.C.M.M.O. Laboratoire de Chimie Structurale Organique, Université Paris-Sud, Bat. 410, 91405 Orsay, Cedex, France, Institut de Chimie des Substances Naturelles, CNRS, F-91198 Gif-sur-Yvette, France, BioQuanta Corp., 2850 South Parker Road (S) 720, Aurora, Colorado 80014, Service de Biochimie 1, Hôpital Bicêtre, 78, rue du Général Leclerc, 94275 le Kremlin-Bicêtre Cedex, France, 7086, 1 rue Guy de la Brosse, 75005 Paris, France, and Laboratoire de Biochimie-Génétique, Hôpital Henri Mondor, 51, rue du Maréchal de Lattre de Tassigny, 94010 Créteil, France.
authors.forename: Philippe
authors.initials: P
authors.lastname: Manivet