Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 8
1.1. Роль фотосистемы II в фотосинтезе 8
1.2. Структура фотосистемы II 12
1.3. Электрон-транспортная цепь реакционного центра ФС II 15
1.4. Сопряжение транспорта электронов и протонов около вторичного пластохинона QB 17
1.5. Протонный транспорт в бактериородопсине 22
1.6. Работа водорасщепляющего комплекса 30
Глава 2. Методика теоретического описания и математических расчетов 40
2.1. Перенос протона по протонному каналу 40
2.2. Квантово-химические методы. Метод молекулярных орбиталей Хартри-Фока 45
2.3. Решение системы уравнений Хартри-Фока; уравнения Рутана 53
2.4. Приближение нулевого дифференциального перекрывания 57
2.5. Метод модифицированного пренебрежения двухатомным перекрыванием (MNDO) 58
2.6. Численные методы решения уравнения Шредингера 59
Глава 3. Результаты и обсуждение 67
3. 1. Квантово-химические характеристики системы гистидин - пластохинон QB 67
3.2. Сопряжение протонного и электронного транспорта в комплексе расщепления воды 78
3.3. Внешний протонный полуканал бактериородопсина 86
Заключение 93
Список литературы 94
Приложение 101
- Электрон-транспортная цепь реакционного центра ФС II
- Сопряжение транспорта электронов и протонов около вторичного пластохинона QB
- Квантово-химические методы. Метод молекулярных орбиталей Хартри-Фока
- Сопряжение протонного и электронного транспорта в комплексе расщепления воды
Введение к работе
Фотосинтез - важнейший процесс, имеющий планетарное значение, с помощью которого происходит улавливание солнечной энергии живыми организмами и ее запасание. Появившийся у первых организмов около 2-х млрд. лет назад, прямо или косвенно этот процесс обеспечивает доступной химической энергией все живые существа на Земле, за исключением некоторых хемолитотрофных бактерий (например, Thiobacillus ferrooxidans, Pseudomonas carboxydovorans) [1]. В течение многих веков основным источником энергии на планете остаются продукты распада фотосинтезирующих организмов — каменный уголь, нефть и газ. Несмотря на попытки использования энергии ветров и водных течений, а в последнее столетие и атомного ядра, эти источники и на сегодняшний день составляют лишь небольшую часть общей потребляемой энергии. Кроме того, использование запасенной солнечной энергии в виде углеводородов - нефти и угля - само по себе сопряжено с рядом нерешенных проблем.
Во-первых, утилизация запасенной в них химической энергии в настоящее время осуществляется путем кислородного сжигания - процесса, не обладающего сколько-нибудь существенным коэффициентом полезного действия. Известно, что живые организмы в результате эволюции выработали тонкие механизмы утилизации химической энергии самых разных соединений с максимальной эффективностью. Это относится как к органическим, так и к неорганическим субстратам. Так например, известны водородные бактерии, использующие в качестве донора электрона для дыхательной цепи молекулу водорода [1]. Эти механизмы сопряжены с процессами электронного и протонного транспорта либо в специальных органеллах эукариотических организмов (митохондриях), либо во внешних мембранах прокариотов, с последующим синтезом АТФ.
Во-вторых, избыточное выделение продуктов горения создает угрозу загрязнения биосферы и нарушения экологического равновесия с непредсказуемыми последствиями. В этой связи, а также учитывая, что ископаемых источников энергии, по некоторым оценкам, хватит не более, чем на 100 лет, задача эффективного использования солнечной энергии оказывается особенно актуальной. Нам представляется, что первым шагом
на пути к ее решению должно стать детальное изучение уже существующих механизмов - эволюционно выработанных механизмов протонного и электронного транспорта в различных фотосинтезирующих организмах.
Выяснение механизмов расщепления воды и генерирования кислорода является ключевой проблемой фотосинтеза. Детальное изучение этих процессов может позволить в будущем создавать искусственные молекулярные структуры, которые, несомненно, найдут применение на космических кораблях, орбитальных станциях, а также на других объектах солнечной системы. В последнее время делаются попытки генетической модификации Mn-кластера для выделения из воды не только кислорода, но и водорода под действием солнечного излучения. Возможно, таким путем удастся получать водород в достаточных количествах для использования его в качестве экологически чистого топлива. Изучение работы фотосистемы II позволит понять механизмы работы многих гербицидов, применяемых в сельском хозяйстве. Кроме того, делаются попытки использовать молекулярные комплексы фотосистемы II в качестве биосенсоров для регистрации наличия некоторых токсичных соединений, тяжелых металлов и радиационного излучения [2].
Целью настоящей работы является теоретическое исследование и математическое описание процессов сопряжения протонного и электронного транспорта в комплексе разложения воды и на вторичном пластохиноне Qb фотосистемы II сине-зеленых водорослей, а также переноса протона в бактериородопсине пурпурных мембран галобактерий. Для объяснения экспериментальных данных предложена собственная пошаговая схема сопряжения этих процессов на молекулярном уровне. На основе разработанной схемы проведен квантовохимический анализ кинетики движения протона и оценена скорость его переноса исходя из квантовомеханического подхода.
Электрон-транспортная цепь реакционного центра ФС II
Реакции фотосистемы II представляют собой управляемые светом процессы электронного транспорта через реакционный центр. На рис. 3 показаны кофакторы, участвующие в этих реакциях. После освещения светом электрон отрывается от возбужденного первичного электронного донора - хлорофилла Рб8о, расположенного со стороны люмена (на рис. 3 это хлорофилл ChlDl). Этот электрон, затем, быстро передается на конечный акцептор электронов - пластохинон QB, расположенный ближе к стромальной стороне, через молекулу феофетина (PheoDl) и первичный акцептор - пластохинон QA. После восстановления двумя электронами и присоединения двух протонов, вторичный пластохинон QB В форме гидрохинона QBH2 отсоединяется от фотосистемы II и начинает движение в мембранном матриксе к bf-комплексу. Катион-радикал Рб80+ затем восстанавливается тирозином Yz (Туг 161 в субъединице D1), последний при этом переходит в состояние нейтрального радикала Yz% который играет роль окислителя для процессов окисления воды в ВОК. Процесс окисления двух молекул воды с последующим образованием молекулы кислорода происходит в пошаговом режиме в ходе S-цикла [8]. За исключением первичного акцептора QA, все кофакторы, участвующие в транспорте электрона, расположены в субъединице D1. На пути электронного транспорта от QA К вторичному пластохинону QB расположен негемовый ион железа Fe2+, которой, по-видимому, облегчает электронный транспорт. Показано, что с этим атомом связаны пять лигандов: гистидины субъединицы D1 214, 215, 272 и 268, а также, предположительно, бикарбонат, который осуществляет регуляторную функцию в отношении электронного транспорта [9]. Положение этой молекулы может быть стабилизировано водородными связями с соседними аминокислотами D1 Туг-246 и D2 Lys-264. Большой интерес для биофизиков представляют молекулярные механизмы переноса электронов и протонов на начальных этапах сопряжения около вторичного хинона.
Это связано с двумя обстоятельствами. Во-первых, в настоящее время надежно определена на атомном уровне структура реакционного центра фотосинтезирующих бактерий [10] в районе вторичного хинона QB. Во-вторых, есть основания предполагать, что большую роль в процессах сопряжения переноса электронов и протонов играют квантовые свойства участников процесса. Кроме того, в последнее время показано, что структура реакционного центра фотосистемы II высших растений очень похожа на структуру бактериального РЦ [11]. Коротко еще раз обозначим сущность проблем, важных для понимания молекулярного механизма начальных стадий сопряжения электронного и протонного переносов в фотосинтезирующих организмах: как высших растений, так и бактерий. Ключевую роль в преобразовании поглощенной солнечной энергии в энергию, необходимую для образования продуктов фотосинтеза, играет мембранный белок-пигментный комплекс, называемый РЦ ФС П. После возбуждения первичного донора электронов (вслед за миграцией энергии от светособирающих пигментов), так называемой «специальной пары» (двух молекул бактериохлорофилла у бактерий или двух молекул хлорофилла у растений), электроны от специальной пары переносятся через вспомогательную молекулу бактериохлорофилла (или хлорофилла у растений) и бактериофеофетина (феофетина у растений) к первичному хинону QA (убихинону у бактерий или пластохинону у растений). Далее от хинона QA электрон поступает на вторичный хинон QB. При этом первичный хинон QA передает по одному электрону, в то время как QB является двухэлектронным переносчиком. После восстановления двумя электронами, дважды восстановленный хинон Q2"B принимает 2 протона, поступающих с внешней стороны мембраны (из стромы в тилакоидах), и превращается в QBH2 (убихинол в бактериях или пластохинол в растениях) [12]. Далее, он покидает место связывания и отдает электроны цитохромному комплексу; при этом протоны поступают во внутреннее пространство хроматофора бактерий или тилакоида растений. При этом место связывания, так называемый «QB-карман», замещается хиноном в нейтральной непротонированной форме [13]. На сегодняшний день установлены многие аминокислотные остатки, формирующие этот «QB-карман» [14,15]. В настоящее время в литературе обсуждается несколько проблем, связанных с электронным транспортом и функционированием хинона QB-Во-первых, остается невыясненным, какие электронные характеристики QB и его окружения существенны для обеспечения начальной стадии сопряжения электронного и протонного транспорта. Во-вторых, какими молекулярными свойствами системы определяется синхронизация переноса электронов для восстановления QB И поглощения протонов с внешней стороны мембраны в хроматофорах бактерий или тилакоидах высших растений? И, наконец, возникает вопрос: какую роль в сопряжении играют известные из литературы движения QB В месте связывания? В настоящее время несколько групп ученых исследуют молекулярные свойства QB И окружающих его аминокислот для построения схемы начальных этапов сопряжения электронного и протонного транспорта.
Так, в работе [16] изучены электронные свойства (заряды на атомах и потенциалы ионизации) четырех хинонов, отличающихся разными боковыми группами, связанными с кольцом, а также с различными изопреновыми цепями. В этой работе делается вывод о том, что стабилизация переносимых зарядов определяется электронными свойствами хинонов, связанных с белком реакционного центра. Так, утверждается, что симметричное распределение заряда в дурохиноне не способствует стабилизации заряда в месте связывания хинона QB- Механизм электронного транспорта между хинонами QA И QB через две молекулы гистидина и ион железа между ними изучен в работе [17] с использованием теории Маркуса электронного переноса в растворах. В работе предполагается, что наличие иона железа Fe2+ не столь существенно для электронного транспорта; главная его функция состоит в поддержании структуры, скрепляющей две молекулы гистидина. Л.А.
Сопряжение транспорта электронов и протонов около вторичного пластохинона QB
Большой интерес для биофизиков представляют молекулярные механизмы переноса электронов и протонов на начальных этапах сопряжения около вторичного хинона. Это связано с двумя обстоятельствами. Во-первых, в настоящее время надежно определена на атомном уровне структура реакционного центра фотосинтезирующих бактерий [10] в районе вторичного хинона QB. Во-вторых, есть основания предполагать, что большую роль в процессах сопряжения переноса электронов и протонов играют квантовые свойства участников процесса. Кроме того, в последнее время показано, что структура реакционного центра фотосистемы II высших растений очень похожа на структуру бактериального РЦ [11]. Коротко еще раз обозначим сущность проблем, важных для понимания молекулярного механизма начальных стадий сопряжения электронного и протонного переносов в фотосинтезирующих организмах: как высших растений, так и бактерий. Ключевую роль в преобразовании поглощенной солнечной энергии в энергию, необходимую для образования продуктов фотосинтеза, играет мембранный белок-пигментный комплекс, называемый РЦ ФС П. После возбуждения первичного донора электронов (вслед за миграцией энергии от светособирающих пигментов), так называемой «специальной пары» (двух молекул бактериохлорофилла у бактерий или двух молекул хлорофилла у растений), электроны от специальной пары переносятся через вспомогательную молекулу бактериохлорофилла (или хлорофилла у растений) и бактериофеофетина (феофетина у растений) к первичному хинону QA (убихинону у бактерий или пластохинону у растений). Далее от хинона QA электрон поступает на вторичный хинон QB. При этом первичный хинон QA передает по одному электрону, в то время как QB является двухэлектронным переносчиком. После восстановления двумя электронами, дважды восстановленный хинон Q2"B принимает 2 протона, поступающих с внешней стороны мембраны (из стромы в тилакоидах), и превращается в QBH2 (убихинол в бактериях или пластохинол в растениях) [12]. Далее, он покидает место связывания и отдает электроны цитохромному комплексу; при этом протоны поступают во внутреннее пространство хроматофора бактерий или тилакоида растений.
При этом место связывания, так называемый «QB-карман», замещается хиноном в нейтральной непротонированной форме [13]. На сегодняшний день установлены многие аминокислотные остатки, формирующие этот «QB-карман» [14,15]. В настоящее время в литературе обсуждается несколько проблем, связанных с электронным транспортом и функционированием хинона QB-Во-первых, остается невыясненным, какие электронные характеристики QB и его окружения существенны для обеспечения начальной стадии сопряжения электронного и протонного транспорта. Во-вторых, какими молекулярными свойствами системы определяется синхронизация переноса электронов для восстановления QB И поглощения протонов с внешней стороны мембраны в хроматофорах бактерий или тилакоидах высших растений? И, наконец, возникает вопрос: какую роль в сопряжении играют известные из литературы движения QB В месте связывания? В настоящее время несколько групп ученых исследуют молекулярные свойства QB И окружающих его аминокислот для построения схемы начальных этапов сопряжения электронного и протонного транспорта. Так, в работе [16] изучены электронные свойства (заряды на атомах и потенциалы ионизации) четырех хинонов, отличающихся разными боковыми группами, связанными с кольцом, а также с различными изопреновыми цепями. В этой работе делается вывод о том, что стабилизация переносимых зарядов определяется электронными свойствами хинонов, связанных с белком реакционного центра. Так, утверждается, что симметричное распределение заряда в дурохиноне не способствует стабилизации заряда в месте связывания хинона QB- Механизм электронного транспорта между хинонами QA И QB через две молекулы гистидина и ион железа между ними изучен в работе [17] с использованием теории Маркуса электронного переноса в растворах. В работе предполагается, что наличие иона железа Fe2+ не столь существенно для электронного транспорта; главная его функция состоит в поддержании структуры, скрепляющей две молекулы гистидина. Л.А. Эрикссон и коллеги [18] методами функционала плотности изучили электронные и магнитные свойства 1,4-бензохинона, его этилированного аналога, а также модельного пластохинона. Эти вещества были исследованы в разных состояниях восстановления и присоединения протонов. Также было рассчитано влияние образования водородной связи на сверхтонкую структуру спектров ЭПР изученных соединений. Показано, что образование водородных связей с двумя атомами кислорода увеличивает сродство хинонов к электрону. П.Ж. О Мэлли исследовал спиновые плотности и сверхтонкое расщепление для анион-радикалов 1,4-нафтосемихинона и филосемихинона при образовании водородных связей с окружающими молекулами, используя метод функционала плотности [19]. Показано, что образование Н-связи приводит к перераспределению спиновой плотности л"-электронов с карбонильных кислородов семихинона на карбонильные атомы углерода. Отмечена роль негемового железа и гистидина, которые определяют вид водородной связи, образованной радикалом хинона с окружением. В работе А. Пелузо [20] с коллегами был рассмотрен гипотетический механизм электронного переноса между хинонами QA И QB через цепочку водородных связей между ними, так называемый механизм облегчения электронного переноса с помощью протонов. При этом перенос электронов на одном участке цепи вызывает смещение протонов на другом.
В работе вычислены электронные и энергетические характеристики отдельных компонентов цепи переноса электронов по цепочке водородных связей. П.М. Томчук и коллеги теоретически рассмотрели [21] перенос протонов в канале Fo-субъединицы АТФ-синтазы. В модели предполагается, что перенос зарядового дефекта (избытка протонов или протонной дырки) происходит в продольном электрическом поле, которое создано гидроксильными группами, связанными сильными водородными связями. При этом использованы представления, применяемые при рассмотрении протонной проводимости кристаллов льда и в теории полярона малого радиуса. В работе были определены кинетические характеристики рассматриваемого процесса (плотность тока, время жизни полярона, подвижность протона), некоторые из них сравнивались с экспериментальными результатами. У.Закариа и Р. Ланкастер [22] использовали метод молекулярной динамики для выяснения положения хинона (дистального или проксимального) в РЦ бактерии R. viridis. При этом был получен весьма неожиданный результат: проксимальное положение хинона QB определяется не только одним восстановлением QB, НО И восстановлением QA И связанным с этим протонированием окружающих QA аминокислот белкового комплекса. Большой цикл весьма интересных работ, касающихся роли окружения хинонов QA и QB, а также структурных изменений РЦ для механизма электронного и протонного переноса описан в статьях [23;24;25]. Так, в работе [23] авторы рассчитывали энергетические характеристики титрования аминокислот и электронного переноса от QA К QB В РЦ бактерий Rh. sphaeroides, используя континуальную электростатическую модель. Однако, при этом обнаружилось противоречие между рассчитанным и экспериментально определенным значением разностей свободных энергий, то есть оказалось, что расчеты свидетельствуют о том, что электронный перенос от QA К QB оказывается невыгодным. Авторы отмечают, что это, возможно, связано с ограничениями континуальной электростатической модели расчета. В работах [24] и [22] обсуждаются обнаруженные ранее структурные изменения в положении хинона QB , сопровождающие перенос электронов. Однако, объяснение этих данных весьма противоречиво, что подробно обсуждается в статье У.Захариа и Р.Ланкастера [22]. Различные молекулярные аспекты электронного и протонного транспорта в бактериальных РЦ подробно анализируются в обзорной статье М.Окамуры с соавторами [26]. Особое внимание в этой работе уделяется конформационным изменениям, облегчающим перенос первого электрона от QA К QB (так называемый "conformational gating"). Кроме того, были рассмотрены возможные пути переноса протона к вторичному хинону QB, а также результаты применения направленных замен аминокислот, окружающих QA и QB с помощью генной инженерии для понимания молекулярного механизма сопряжения электронного и протонного транспорта при функционировании хинонов QA и QB[27].
Квантово-химические методы. Метод молекулярных орбиталей Хартри-Фока
Благодаря бурному развитию вычислительной техники и созданию новых численных методов, квантово-химические методы становятся наиболее доступным и дешевым инструментом всестороннего исследования различных молекулярных систем, в том числе биологических макромолекул. Очень быстрое наращивание вычислительных мощностей за последние десятилетия позволяет применять наиболее сложные ресурсоемкие методы. Такие, например, как методы ab initio, т.е. полностью численные методы, использующие лишь данные об элементах из таблицы Менделеева ("ab initio" значит «изначально», ничего не зная).
Однако, в настоящей работе мы использовали более быстрые полуэмпирические методы. Это сделано по той причине, что для нашей задачи не важны трудно вычисляемые характеристики молекул, такие как частичные заряды на атомах, дипольные моменты, электронные спектры и прочие. Более того, нет необходимости точно вычислять полную энергию, поскольку нас интересуют лишь изменения энергии при смещении протона в системе. В этой связи, использование сложных, пусть и более точных методов ab initio, было бы нерациональным расходованием машинного времени.
В этом разделе описан используемый нами полуэмпирический метод MNDO - modified neglect of diatomic overlap. Он называется полуэмпирическим, т.к. некоторые параметры, которые в нем используются, берутся из экспериментальных спектроскопических данных. Этот метод описан в статье [93] и является упрощением метода Рутана решения уравнений Хартри-Фока [94].
Как описать характеристики молекулы? В наиболее общем случае, это означало бы рассмотреть ее как систему нескольких частиц и найти общую волновую функцию всей системы. Она даст возможность определить вероятности положения ядер и электронов, энергию системы и все необходимые характеристики. Для решения этой задачи используется метод молекулярных орбиталей.
В дальнейшем, индексами, написанными с большой буквы будем обозначать ядерные переменные, а с маленькой - электронные. Гамильтониан молекулы, содержащей п электронов и N ядер выглядит следующим образом: где p и P - импульсы і-го электрона и ядра соответственно, 1-ый и 2-ой члены задают кинетическую энергию электронов и ядер, 3-ий и 4-ый -потенциальную энергию отталкивания электронов и ядер соответственно, и 5-ый член - энергию притяжения электронов к ядрам (поэтому со знаком минус). Решение такого уравнения Шредингера очень сложно, поэтому прибегают к нескольким упрощениям.
Поскольку масса любого ядра по крайней мере в 1800 раз больше массы электрона, скорости движения ядер должны быть на несколько порядков меньше скоростей электронов. Исходя хотя бы из классического рассмотрения, это следует из 3-его закона Ньютона для частиц, движущихся в ограниченном пространстве, который постулирует равенство сил взаимодействия, а вследствие разной массы, электроны получают большие ускорения, чем ядра. Приближением Борна-Оппенгеймера называют допущение, что распределение электронов моментально «реагирует» на изменения в положении ядер. Это позволяет рассматривать движение электронов и ядер раздельно. Поэтому на электронном уровне (движение ядер учитывается потом) 2-ой член в (П.З) «зануляется», а переменная Ri превращается просто в параметр нового уже только электронного гамильтониана Не (R), имеем: здесь через вектор R обозначены все параметры Ri.
Общая энергия молекулы определяется как сумма электронной энергии Еп (собственное значение для электронного оператора Гамильтона П.4) в данном состоянии (основном или возбужденном) и константы -энергии кулоновского отталкивания ядер, находящихся на данном (фиксированном) расстоянии друг от друга.
Итак, на данном этапе задача сводится к решению уравнения Шредингера для электронов: тдёФп - волновая функция всех п электронов молекулы. В качестве первого упрощающего предположения в методе Хартри-Фока для решения уравнения II.5, волновая функция РИ, обозначаемая далее как P(l,2,...,Ne), ищется в виде детерминанта Слэтера от отдельных молекулярных орбиталей : Конфигурация этого детерминанта построена так, чтобы удовлетворить принципу Паули о неразличимости отдельных электронов, антисимметричности многоэлектронной волновой функции и ее нормированности на единицу. При этом предполагается, что система молекулярных орбиталей W является ортонормированной, т.е. удовлетворяет соотношениям:
Для решения уравнения Шредингера (П.5) используется вариационный метод, который заключается в том, что находится волновая функция Р0, соответствующая минимуму функционала энергии:
Сопряжение протонного и электронного транспорта в комплексе расщепления воды
Для вычисления полной энергии системы тирозин Yz - гистидин His D1-190 в зависимости от положения протона на отрезке, проходящем через атом кислорода О фенольной группы тирозина Yz и атом азота N гетерокольца гистидина His D1-190, использовалась программа МОРАС (шестая версия). Для вычисления квантовомеханических характеристик системы был выбран полуэмпирический метод модифицированного пренебрежения перекрыванием (MNDO) [см. 93] как оптимальный, по нашему мнению, по точности и скорости вычислений для нашей задачи. Для этого, в заголовке входного файла программы были указаны следующие ключевые слова: MNDO - определяет приближение расчета по методу MNDO BONDS - задает вывод в выходном файле порядков связей (bond order), а также вклад в связь всех молекулярных орбиталей (для оценки достоверности результата) NOLOG - подавляет создание протокольного файла GEO-OK - игнорирует предупреждение о малом (меньше среднего размера атома, условно взято равным 0.8 А) расстоянии между атомами. В настоящей работе это необходимо для получения потенциального профиля при сильном сближении водорода с атомом кислорода О фенольной группы тирозина Yz и атомом азота N гетерокольца гистидина His D1-190 (на расстояния меньше 0.5 А). Далее, согласно документации к программе МОРАС, следуют координаты атомов, входящих в состав рассматриваемой системы, описанные в специальном формате. Координата в пространстве каждого атома определяется тремя числами: расстоянием до соседнего атома, углом между связями соседних атомов и двугранным углом (подробного описание формата содержится в документации). Все координаты всех атомов в нашей работе запрещаются для изменения в процессе геометрической оптимизации, автоматически проводимой МОРАС ом. Это достигается установкой в «нуль» флага, следующего во входном файле сразу за значением координаты. Пространственная структура системы тирозин Yz - гистидин His D1-190 взята нами из рентгеноструктурных данных сине-зеленой бактерии Thermosynechococcus vulcanus, представленных в базе данных (Protein Data Base - PDB), файл lizl.pdb «CRYSTAL STRUCTURE OF OXYGEN-EVOLVING PHOTOSYSTEM II FROM THERMOSYNECHOCOCCUS VULCANUS AT 3.7 A RESOLUTION» II N.KAMIYAJ.-R.SHEN, October, 2002. В этом PDB-файле представлены координаты атомов, входящих в состав лишь пептидной группы аминокислотных остатков, тогда как расположение всех остальных атомов аминокислоты не указано. Учитывая подвижность аминокислотных остатков в протеиновых структурах при физиологических температурах, для нашего расчета было выбрано такое взаимное положение тирозина Yz и гистидина His D1-190, чтобы расстояние между атомом азота N гистидина и атомом кислорода
О тирозина было порядка длины водородной связи (2-5 А). Для задания такой конфигурации, данные по пространственной структуре системы из PDB-файла были обработаны программой HyperChem 5.01. С помощью специальных визуальных инструментов, предоставляемых программой HyperChem, аминокислоты можно по отдельности вращать вокруг произвольной оси. Для выполнения этой операции используются команды Name Selection, а затем Rotate на заданный угол, вокруг указанной оси. Фрагмент визуальной среды HyperChem представлен на рис. 20. Полученный после обработки программой HyperChem файл сохраняется в формате входного файла для программы МОРАС с расширением .zmt. Однако, положение интересующего нас атома водорода (см. схему За-Зс и П.2) оказывается в нем фиксированным и заданным относительно некоторого атома, произвольно выбранного программой HyperChem. Для получения интересующей нас зависимости полной энергии системы тирозин Yz - гистидин His D1-190 от положения протона, необходимо создать множество входных файлов с различными положениями атома водорода на отрезке N—О. Для этого, координаты протона пересчитывались с использованием методов аналитической геометрии и задавались относительно атома кислорода О и атома азота N. Для пакетной обработки множества входных и выходных файлов для программы МОРАС была разработана специальная программа на языке Visual Basic среды Excel. С помощью этой программы по одному шаблону составлялся пакет входных файлов с изменением указанных параметров с указанным шагом. В нашем случае менялось расстояние между атомом кислорода О тирозина Yz, помещенного в начало координат, и атомом водорода. Шаг был с достаточной точностью выбран равным 0.02 А, расстояние N—О 3.7 А. Такой выбор расстояния N—О обусловлен наглядностью результатов, полученных для расстояния N—О в 3.7 А. Рассчитывались также системы с другими расстояниями N—О в пределах от 2 до 5 А, т.к. информации о точном расстоянии в файле базе данных не предоставлено. Выделение результатов из выходных файлов и их компоновка также производились разработанной программой. В квантовомеханическом смысле движение протона может быть описано в терминах волновых функций и энергетических уровней. Для этого, необходимо решить уравнение Шредингера для изучаемого протона в полученном потенциальном профиле. На рис. 21 представлена рассчитанная зависимость полной энергии рассматриваемой системы тирозин Yz - гистидин His D1-190 от положения протона между атомами кислорода О тирозина Yz и азота N гистидина His D1-190. Потенциальный профиль представляет собой кривую с двумя потенциальными ямами, что соответствует случаю образования водородной связи.
