Введение к работе
Актуальность темы. Биологически активные соединения, содержащие ионы переходных металлов, играют важную роль в процессах жизнедеятельности. Анализ структуры простейших металлоферментов и более сложных железопорфиринов показал много общего: наличие активного центра, содержащего ионы металлов переходного ряда (Fe2+, Cu2+, Со2+, Zn2+, Мп2+). Стереохимия активных центров определяется электронной конфигурацией центрального иона, определяющей его координационное число, и природой лиганда. Как правило, взаимодействие центрального иона с лигандами осуществляется по донорно-акцепторному механизму: ион переходного металла предоставляет для связи вакантные орбитали, белковый лиганд - неподеленную пару электронов либо от атома азота пептидной группы, либо от кислорода. Поведение иона-комплексообразователя можно рассматривать с помощью теории кристаллического поля и теории поля лигандов. В настоящее время довольно подробно изучена структура многих металлоферментов, однако механизм действия их активных центров не определен.
Анализ имеющихся в литературе данных позволил предположить: 1) несмотря на различные функциональные свойства, механизм действия активных центров металлоферментов один и тот же: акцептирование и донирование электронов;
2) для выяснения структуры, функциональных свойств, механизмов действия биологически активных координационных соединений необходим комплексный подход: применение конформационного анализа для расчета структуры активного центра и квантовохимических методов для получения энергетических характеристик на различных этапах функционирования.
Особый интерес представляет проблема точности расчетных методов. Весьма сложная структура ферментов, содержащих активный центр и сотни аминокислотных остатков, недоступна для точных расчетов. Поэтому необходимо использовать комплексный подход и решать две задачи: 1) выделить активный центр и рассматривать его энергетические характеристики на основе качественных расчетных методов квантовой химии; 2) для учета ближайшего окружения активного центра и возможного влияния на его структуру использовать конформационный анализ. Подобный подход к
рассмотрению и расчету структуры белковых комплексов дает возможность создавать модели их активных центров.
Большое количество работ посвящено изучению структуры фотосистемы 2 (ФС II) в целом, структуре кислородвыделяющего комплекса (КВК), электронному транспорту. К ним относятся классические работы Б.А. Рубина, А.Б. Рубина, А.К. Кукушкина, А.Н. Тихонова, М.Г. Гольдфельда, Говинджи и др.
В настоящее время известно, что КВК ФС II хлоропластов растений
- это надмолекулярный пигментбелковый комплекс, в фотохимически
активном центре которого происходит расщепление молекулы воды и
передача электрона от воды в ЭТЦ хлоропластов для образования
первичных восстановленных продуктов фотосинтеза.
Экспериментальные данные указывают на то, что в фотохимическом окислении воды и выделении кислорода принимает участие комплекс, содержащий ионы марганца. Глобальный масштаб этого процесса и его значение в круговороте веществ в природе трудно переоценить. Этим объясняется актуальность изучения механизма функционирования КВК.
В литературе обсуждается много моделей марганцевого комплекса, активные центры которых представляют в виде кластеров, состоящих из четырех ионов марганца или кластеров - димеров (результаты EXAFS-измерений и др.). Достаточно много информации о белковом составе комплекса. Функционирование активного центра связывают с изменением зарядового состояния ионов марганца, соотнося их с Si-состояниями модели Кока (Кок и др., 1970). Однако имеющихся данных оказалось недостаточно для выяснения механизма процесса выделения кислорода.
Как правило, модели белково-марганцевого комплекса строятся без учета электронной конфигурации центрального иона, которая определяет механизм функционирования активного центра. Применение предложенного подхода дает возможность на качественном уровне определить стереохимию активного центра, используя теорию кристаллического поля (ТКП), рассмотреть образование молекулярных орбиталей (МО) комплекса и распределение на них электронов (теория поля лигандов). Поскольку стереохимия и электронная конфигурация комплекса определяет механизм функционирования активного центра на электронном уровне, то возникает необходимость разработки простого в употреблении метода, дающего качественные оценки электронной
структуры, которая в конечном итоге определяет функциональные характеристики металлофермента.
Необходимо также отметить, что использование ТКП и теории поля лигандов дает возможность сделать выбор из предполагаемых моделей, определить наиболее вероятную структуру активного центра.
В настоящей работе квантовохимический подход применялся к марганцевым комплексам (моно- и полиядерным), к более сложным электронным системам: ферредоксину (Fe4S4-KfiacTepbi в активном центре), нитрогеназе - полиядерном металлоферменте. На сегоднишний день имеется достаточно информации о составе ее активного центра, обсуждаются модели предполагаемой структуры активного центра фермента, включающего РедЭ^кластер и связанный с ним FeMo-белковый кластер (работы Лихтенштейна Г.И., Шилова А.Е., Сырцова А.А., Гвоздева Р.И., Котельникова А.И.). Нитрогеназа
- центральный фермент биологической фиксации молекулярного
азота. Проблема фиксации азота в искусственных ' условиях
обсуждается давно, но до сих пор не решена и механизм процесса
остается дискуссионным. Надо полагать, что рассмотрение
электронной структуры дает возможность представить механизм
функционирования активного центра нитрогеназы.
Диссертация выполнена в соответствии с планом научных работ Тверского государственного университета по направлению: "Связь свойств веществ со строением молекул" (государственный регистрационный номер 01.84.008536).
Цель и задачи исследования. Основной целью работы является исследование взаимосвязи структуры и функций активных центров некоторых биологически активных комплексов ионов переходных металлов. Она определяет ряд задач:
выявить на основе анализа электронной конфигурации ионов переходных металлов, входящих в активные центры металлоферментов, общие закономерности их структуры;
разработать на основе этих закономерностей простой алгоритм, позволяющий на качественном уровне оценить электронную конфигурацию активного центра металлофермента, содержащего ион переходного металла на основе теории кристаллического поля и теории поля лигандов;
рассмотреть на основе алгоритма: 1) моноядерный комплекс; 2) кластер - моноядерный комплекс; 3) кластер - димер; 4) полиядерные кластеры;
провести качественный квантовохимический расчет энергетических характеристик моноядерного активного центра марганцевого комплекса на различных этапах его функционирования;
разработать базовую схему реализации ОН'-радикалов и общую схему процесса выделения кислорода при фотосинтезе, включающего всех его участников;
разработать на основе квантовохимической модели активного центра нитрогеназы механизм его функционирования.
Научная новизна. Впервые разработан алгоритм построения электронной структуры активного центра комплексов ионов переходных металлов в виде корреляционных диаграмм, которые дают возможность смоделировать механизм функционирования и определить возможны ли с квантовохимической точки зрения те или иные теоретические модели.
Впервые разработаны: 1) модели электронного строения активных центров моно-, полиядерных комплексов на примере ряда металлоферментов, в том числе белково-марганцевого комплекса, участвующего в процессе выделения кислорода при фотосинтезе; 2) этапы функционирования активного центра марганцевого комплекса (восстановление Р+ш, расщепление молекулы воды; 3) базовая схема реализации ОН'-радикалов с участием ксантофиллов или органических соединений, способных образовывать эпоксидную группу; 4) общая схема процесса выделения кислорода, включающая всех участников процесса; 5) механизм функционирования активного центра нитрогеназы.
Практическая значимость. Полученные в работе результаты могут найти применение при прогнозировании и конструировании лекарственных препаратов, моделировании процессов, происходящих с участием металлоферментов недоступных для экспериментального исследования.
По материалам диссертации написаны два учебных пособия, которые используются при чтении спецкурсов для бакалавров и магистров по направлению "химия" Тверского госуниверситета. Результаты работы используются также в учебном процессе в Тверском техническом университете и Московской Академии приборостроения.
Часть диссертационного материала (процесс выделения кислорода) вошла в монографию "Физиология растительных организмов" (с соавторами, издательство МГУ, 1989 г.).
Апробация работы. Результаты работы были доложены на: Всесоюзном совещании "Современные проблемы кристаллохимии" (Бологое, 1981), четвертой Республиканской школе-семинаре "Моделирование развивающихся систем" (Славское, Львовской обл., 1983), Российской научной конференции с участием зарубежных ученых "Математические модели нелинейных возбуждений: переноса, динамики, управления в конденсированных системах и других средах" (Тверь, 1994), второй Международной конференции "Математика, компьютер, образование" (Москва - Пущино, 1995), Международной научной конференции "Математические модели нелинейных возбуждений, переноса, динамики, управления в конденсированных системах и других средах" (Тверь, 1996), научном семинаре по теоретической биологии на кафедре научной информатики МГУ (1988), межгородском семинаре по теоретической биофизике в институте им. П.Н. Лебедева (1988), научном семинаре кафедры информатики и теории игр ТвГУ (1990), на межвузовском научном семинаре кафедры физической химии ТвГУ (1995) и т.д.
Публикации. По результатам работы опубликовано 25 работ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, выводов, 67 схем и рисунков, 14 таблиц и списка цитированной литературы из 149 наименований. Общий объем работы - 220 страниц машинописного текста.