![]() |
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИСТИНА ЦЭМИ РАН |
||
В полном соответствии с объявленными ранее целями Проекта на 2016 г. получены результаты моделирования для двух ферментов, содержащих каталитически активный ион цинка – матриксной металлопротеиназы и аспартоацилазы. Кроме того, по результатам моделирования установлен реакционный механизм металлофермента фосфодиэстеразы с EAL доменом. (1) Сопоставлены энергетические профили реакции гидролиза олигопептидного субстрата в активном центре цинк-зависимого фермента матриксной металлопротеиназы, рассчитанные двумя вариантами метода квантовой механики/молекулярной механики (КМ/ММ). В первом случае для расчетов энергий и сил в квантовой части применен вариант теории функционала электронной плотности PBE0-D3/6-31G**, в другом случае - полуэмпирический вариант функционала плотности в приближении сильной связи DFTB. Показано, что экономный вариант моделирования (DFTB) позволяет передать качественные особенности механизма реакции, но приводит к значительным отличиям по сравнению с более традиционным квантово-химическим подходом (PBE0-D3/6-31G**) для энергий переходных состояний. (2) На основе рассчитанного методами КМ/ММ и молекулярной динамики профиля свободной энергии всех стадий гидролиза N-ацетиласпарагиновой кислоты (NAA) цинк-зависимым ферментом аспартоацилазой предложена кинетическая схема многостадийной реакции. Оцененные на основе теории переходного состояния с использованием рассчитанного энергетического профиля кинетические константы скорости всех элементарных стадий позволяют выделить основные вклады в процесс и теоретически определить параметры схемы Михаэлиса-Ментен. (3) По результатам расчетов методом КМ/ММ описан механизм реакции гидролиза циклического димерного гуанозинмонофосфата фосфодиэстеразами с EAL доменом. Эти ферменты содержат в активном центре биядерный магниевый центр, и анализ катализируемых ими химических превращений необходим для сравнения результатов с планируемыми в данном Проекте результатами исследований цинк-содержащих фосфодиэстераз. Основной проблемой механизма гидролиза фосфодиэстеразами является нахождение пути передачи протона от каталитической воды на атом кислорода при разрываемой фосфорно-кислородной связи. По результатам моделирования показано, что миграция протона проходит по ориентированным цепям водородных связей (протонным проводникам).
Modeling mechanisms of chemical reactions at the active sites of zinc-dependent enzymes has been accomplished
Как предполагалось в заявке Проекта, на второй год планируются работы по моделированию механизмов реакций, катализируемых металло-бета-лактамазой. Планируется также выполнить методические работы по моделированию цинк-зависимых ферментов с биядерным металлическим центром.
1. Vasilevskaya Tatiana, Khrenova Maria G., Nemukhin Alexander V., Thiel W. Reaction mechanism of matrix metalloproteinases with a catalytically active zinc ion studied by the QM(DFTB)/MM simulations. // Mendeleev Communications, 2016, 26, 209-211. 2. Grigorenko Bella L., Knyazeva Marina A., Nemukhin Alexander V. Analysis of proton wires in the enzyme active site suggests a mechanism of c-di-GMP hydrolysis by the EAL domain phosphodiesterases. //Proteins: Structure, Functions, Bioinformatics, 2016, 84, 1670-1680. 3. Варфоломеев С.Д., Коц Е.Д., Хренова М.Г., Лущекина С.В., Немухин А.В. Суперкомпьютерные технологии в структурно-кинетическом исследовании механизмов ферментативного катализа. Квантово-химическое описание катализа аспартоацилазой. // Доклады Академии Наук, 2017, в печати 4. Капуста Д. П., Хренова М. Г., Фирсов Д. А. Моделирование влияния растворителя на каталитические способности матричной металлопротеиназы ММР-2. // Тезисы докладов XXXIV Всероссийского симпозиума молодых ученых по химической кинетике, 2016, с.24
МГУ | Координатор |
грант РФФИ |
# | Сроки | Название |
1 | 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. | Молекулярное моделирование механизмов химических реакций в цинк-зависимых ферментах |
Результаты этапа: 1а) Сопоставлены энергетические профили реакции гидролиза олигопептидного субстрата в активном центре цинк-зависимого фермента матриксной металлопротеиназы, рассчитанные двумя вариантами метода квантовой механики/молекулярной механики (КМ/ММ). В первом случае для расчетов энергий и сил в квантовой части применен вариант теории функционала электронной плотности PBE0-D3/6-31G**, в другом случае - полуэмпирический вариант функционала плотности в приближении сильной связи DFTB, который, судя по литературным данным (Q.Cui et al.), перспективен для моделирования химических превращений в активных центрах металло-ферментов. На Рис.1 показаны рассчитанные профили энергии для данной многостадийной реакции (на вставке показаны структуры интермедиатов ES, I1-I4). Видно, что экономный вариант моделирования (DFTB) позволяет передать качественные особенности механизма реакции, но приводит к значительным отличиям по сравнению с более традиционным квантово-химическим подходом (PBE0-D3/6-31G**) для энергий переходных состояний. Результаты опубликованы в статье «Reaction mechanism of matrix metalloproteinases with a catalytically active zinc ion studied by the QM(DFTB)/MM simulations”, Mendeleev Communications, 2016, 26, 209-211. 1б) Поскольку активный центр матриксной металлопротеиназы находится близко к поверхности белка, было проанализировано влияние электростатического потенциала водных оболочек, сольватирующих фермент-субстратный комплекс, на ключевые атомы в активном центре. Показано, что электростатический потенциал не является постоянной величиной вдоль молекулярно-динамической траектории, но значения потенциала, усредненные по объему фазового пространства, могут являться характеристикой структуры водного окружения белка. Исследование, являющееся темой дипломной работы участника Проекта студента Д.П.Капусты, докладывалось на XXXIV Всероссийском симпозиуме молодых ученых по химической кинетике, ноябрь 2016. 2) На основе рассчитанного методами квантовой механики/молекулярной механики и молекулярной динамики профиля свободной энергии всех стадий гидролиза N-ацетиласпарагиновой кислоты (NAA) цинк-зависимым ферментом аспартоацилазой предложена кинетическая схема многостадийной реакции. Проведенный анализ дает теоретические значения kкат=715 с-1, Km = 1.2·104 M. Экспериментально найденные значения kкат равны 12-14 с-1, что ниже теоретически определенной величины. Одной из причин расхождения теоретических и экспериментальных величин может являться то, что компьютерный расчет выполнен на основе «жесткой» структуры белка в кристалле, в то время как экспериментальные исследования ведутся с белками в водных растворах. Материалы работы приняты в качестве статьи «Суперкомпьютерные технологии в структурно-кинетическом исследовании механизмов ферментативного катализа; Квантово-химическое описание катализа аспартоацилазой» в журнал Доклады Академии Наук. 3) По результатам расчетов методом КМ/ММ описан механизм реакции гидролиза циклического димерного гуанозинмонофосфата фосфодиэстеразами с EAL доменом. Эти ферменты содержат в активном центре биметаллическую частицу Mg2+-Mg2+, и анализ катализируемых ими химических превращений необходим для сравнения результатов с планируемыми в данном Проекте результатами исследований цинк-содержащих фосфодиэстераз. Основной проблемой механизма гидролиза фосфодиэстеразами является нахождение пути передачи протона от каталитической воды (здесь Wat1) на атом кислорода при разрываемой фосфорно-кислородной связи (здесь O3'). По результатам нашего моделирования показано, что миграция протона проходит по ориентированным цепям водородных связей (протонным проводникам) в данном случае с участием молекул воды Wat3, Wat2 и боковых цепей аминокислотных остатков Glu359, Asp303. Результаты опубликованы в статье «Analysis of proton wires in the enzyme active site suggests a mechanism of c-di-GMP hydrolysis by the EAL domain phosphodiesterases”, Proteins: Structure, Functions, Bioinformatics, 2016, 84, 1670-1680. | ||
2 | 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. | Молекулярное моделирование механизмов химических реакций в цинк-зависимых ферментах |
Результаты этапа: В полном соответствии с объявленными ранее целями на второй год Проекта (2017 г.) исследован механизм реакции гидролиза моксалактама (антибиотика цефалоспоринового ряда) металло-β-лактамазой – бактериальным ферментом с биядерным цинковым активным центром. Понимание деталей процесса разрыва C-N связи в β-лактамном кольце молекулы субстрата и образованию продукта, не способного ингибировать целевые ферменты – пенициллин-связывающие белки, необходимо в рамках общей программы разработки антибиотиков новых поколений. По результатам моделирования комбинированным методом квантовой механики / молекулярной механики (КМ/ММ) построен энергетический профиль реакции и характеризованы структуры интермедиатов. Квантовая подсистема включала молекулу субстрата, нуклеофильный гидроксид-анион, два катиона цинка со своими координационными сферами и аминокислотные остатки, формирующие сеть водородных связей в активном центре фермента. Расчеты энергий и сил в КМ-подсистеме проводились методом функционала электронной плотности PBE0/6-31G** и дисперсионной поправкой Гримме D3. ММ-подсистема описывалась классическим силовым полем AMBER. Важным результатом моделирования является прогноз перспективных антибиотиков: если в структуру молекулы потенциального антибиотика внедрить функциональную группу, которая может легко уходить, забирая с собой отрицательный заряд, то такие соединения будут значительно хуже гидролизоваться металло-β-лактамазами. Исследована роль сольватационных эффектов в реакциях, катализируемых цинк-зависимыми ферментами - матриксной металлопротеиназой и металло-β-лактамазой. | ||
3 | 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. | Молекулярное моделирование механизмов химических реакций в цинк-зависимых ферментах |
Результаты этапа: Выполнены работы по моделированию молекулярного механизма и кинетических зависимостей для реакции гидролиза нитроцефина (окрашенного детектора бета-лактамаз) бактериальным бицинковым ферментом металло-β-лактамазой L1.кинетические зависимости и анализировать свойства реакционных интермедиатов. Завершено исследование роли сольватационных эффектов в реакциях, катализируемых цинк-зависимыми ферментами. |
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".
№ | Имя | Описание | Имя файла | Размер | Добавлен |
---|---|---|---|---|---|
1. | Zn-2018.pdf | Zn-2018.pdf | 388,4 КБ | 17 декабря 2018 [GrigorenkoBL] |