Введение к работе
Актуальность работы. Применение численных методов в исследовании атомной и электронной структуры молекул является одним из приоритетных направлений в современной науке. Это связано с возможностью исследования свойств различных классов веществ, включая биологические, без проведения эксперимента. Особый интерес в этом направлении вызывают работы, направленные на исследование гемопротеинов, основной функцией которых является транспорт кислорода и электронов в живых организмах.
Существует значительное количество мутантных форм гемопротеинов (гемоглобина, миоглобина, цитохромов и др.). Одним из способов их получения является замещение аминокислотного остатка проксимального гистидина различными лигандами, в числе которых другие аминокислоты и небольшие гетероциклические молекулы. Интерес к работам в данной области обусловлен возможностью целенаправленного получения гемсодержащих белков с заданными свойствами, например, для создания искусственных кровезаменителей и ферментов.
В мире проводится огромное число экспериментальных исследований, показывающих, что имеются различия в адсорбционных и ЯМР спектрах мутантных форм гемоглобина и миоглобина, но практически нет ни экспериментальных, ни теоретических работ, выявляющих связь между структурами данных соединений и их свойствами. В тоже время, численное моделирование атомной и электронной структур данных молекул являются хорошим инструментом для исследования их физических и химических свойств без проведения эксперимента. В его основе лежат квантово-химические методы расчета, базирующиеся на приближенных решениях уравнения Шредингера. Их применение является вполне адекватным для прогнозирования свойств получаемых соединений и интерпретации экспериментальных данных.
' При анализе отечественной и зарубежной литературы было установлено, что в мировой практике существуют два подхода в квантово-химическом исследовании гемсодержащих белков. Оба они-основаны на рассмотрении модельных систем активных центров данных объектов.
В первом случае проводятся послойные расчеты больших молекул, содержащих несколько сотен атомов, смешанными методами квантовой и молекулярной механики (QMMM, ONIOM и др.). Эти работы посвяшены
исследованию механизмов реакций, в которых участвуют гемсодержащие белки.
Во втором случае активные центры гемопротеинов моделируются комплексами железопорфина с различными лигандами в пятом и шестом координационных положениях железа, в числе которых молекулы 02, N0, СО, имидазола и другие. Общее количество атомов при этом составляет несколько десятков. Расчеты подобных систем проводят неэмпирическими и полуэмпирическими методами Хартри-Фока и методами DFT (Density Functional Theory - теория функционала плотности). Данные исследования направлены на расчет электронной структуры рассматриваемых объектов, энергий связи, эффективных атомных зарядов и прочее.
Несмотря на широкое использование упрощенных моделей активных центров гемсодержащих белков для исследования их функциональных свойств, до сих пор нет фактического подтверждения правомерности такого приближения.
Особое место занимают работы, направленные на исследование взаимодействия оксида азота (II) (N0) с гемопротеинами, поскольку он, связываясь с гемом, необратимо ингибирует их активность. В последние годы активно проводятся экспериментальные исследования энергетики, атомной и электронной структур комплексов гема с различными лигандами, в числе которых и N0. Не смотря на это, до сих пор нет точного объяснения столь высокому сродству этой двухатомной молекулы с гемсодержащими белками. Полностью не выяснена природа химической связи и характер изменений электронной структуры гема при образовании комплекса с оксидом азота (II). Применение численного моделирования атомной и электронной структур комплексов железопорфина с N0 позволит решить эти вопросы и интерпретировать особенности взаимодействия данного лиганда с активными центрами гемопротеинов.
Эти факты позволили сформулировать основную цель и задачи данной диссертационной работы.
Цель работы заключалась в анализе численными методами структуры химической связи различных лигандов в дистальном положении активных центров гемопротеинов на примере аксиальных комплексов железопорфина. Для достижения этой цели решались следующие задачи:
1. оценка адекватности применения квантово-химических методов для расчетов активных центров биологических молекул на примере
гемопротеинов;
выбор оптимальной атомной модели активного - центра гемопротеинов для исследования особенностей структуры, изменений электронных состояний активного центра в процессе функциональной активности;
исследование геометрии и электронной структуры активных центров гемопротеинов, мутантных по аминокислоте в проксимальном положении;
исследование влияния замещения проксимальной аминокислоты на прочность связи лиганда в дистальном положении гема,
исследование на электронном уровне механизмов ингибирования оксидом азота активности гемопротеинов.
Научная новизна. В работе впервые произведено сравнительное исследование кластерных моделей различного размера активных центров цитохромов/и с. Показано, что размеры кластера не влияют на природу молекулярных орбиталей валентной области. Следовательно, для квантово-химического исследования активности гемопротеинов не обязательно делать расчет больших молекул, достаточно остановиться на рассмотрении моделей их активных центров, которые должны содержать . железопорфин и, как минимум, проксимальную и дистальную аминокислоты.
Установлено, что введением различных заместителей (небольшие гетероциклические молекулы, аминокислоты) в проксимальное положение гема вместо остатка гистидина, можно модулировать (направленно менять) степень связывания молекулы в дистальном положении. Определяющими факторами являются: «макроциклический эффект» и прочность связи проксимального заместителя с атомом железа гема. Величину первого можно оценить, сравнивая геометрические особенности строения и относительный размер возможных проксимальных лигандов. Второй фактор зависит от способности вводимой аминокислоты донировать электроны, которую можно оценить по величине потенциала ионизации молекулы.
По результатам численного моделирования атомной и электронной структур комплексов железопорфина с N0 и 02 была установлена причина более прочного связывания молекулы оксида азота (II) с железом гема в отличие от молекулы кислорода.
Практическая значимость. Разработан подход построения кластерной модели активного центра гемопротеина со значительно меньшим числом атомов, чем исходная молекула, что позволяет
проводить качественные исследования геометрии активного центра и электронной структуры как полуэмпирическими, так и неэмпирическими квантово-химическими методами с использованием сложных базисных наборов
Дано описания механизма влияния проксимального лиганда гема на прочность связи лиганда в дистальном положении, что позволяет использовать методы численного моделирования для предсказания химических свойств активных центров гемопротеинов при введении иных заместителей в проксимальное положение. Полученная таким образом информация делает возможным целенаправленный синтез искусственных веществ с заданными свойствами (например, кровезаменителей идр.)
Объяснены причины большего сродства молекулы N0 к атому железа гема по сравнению с молекулой 02, что является важным моментом понимания механизмов регулирования в живых организмах.
Личный вклад автора. Построением большей части молекулярных моделей, квантово-химическими расчетами и анализом полученных данных автором занимался лично. Настоящая работа является итогом исследований, проводимых в 2000-2004 годах.
Положения, выносимые на защиту.
Для квантово-химических исследований электронной структуры гемопротеинов достаточно остановиться на расчете моделей их активных центров, представленных комплексами железопорфина с лигандами в пятом и шестом координационных положениях атома железа.
Для описания влияния проксимального лиганда гема на прочность связи лиганда в дистальном положении предложен подход, основанный на численном моделировании атомной и электронной структуры аксиальных комплексов железопорфина.
Большая прочность связи молекулы NO в отличие от 02 с гемом обусловлена ковалентным характером взаимодействия первой и ион-дипольным второй.
Апробация работы. Результаты, включенные в диссертацию, были представлены на следующих конференциях: XXXIX, XLI и XLII Международная научная студенческая конференция «Студент и научно-технический прогресс», Новосибирск, 2001, 2003 и 2004 гг.; XVIth International Winterschool Euroconference "On Electronic Properties of Novel Materials: molecular nanostructures" Kirchberg/Tirol, Austria, 2002; Всероссийская научная конференция «Молодежь и химия», Красноярск, 2001 г.; Международная научная конференция «Молодежь и химия», Красноярск, 2002, 2004 гг; Первая Национальная
Конференция «Информационно-вычислительные технологии в решении фундаментальных научных проблем и прикладных задач химии, биологии, фармацевтики, медицины», Москва, 2002 г.; XIII Российская студенческая научная конференция «Проблемы теоретической и экспериментальной химии», Екатеринбург, 2003 г.; IX Международная конференция по химии порфиринов и их аналогов, Суздаль, 2003 г.; IX Международный симпозиухМ «Гомеостаз и экстремальные состояния организма», Красноярск, 2003 г.; Десятая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых, Москва, 2004 г.; Научная конференция студентов-физиков, Красноярск, 2004 г.; 36th Midwest Theoretical Chemistry Conference, Michigan State University, East Lansing, MI, 2004.
Результаты работы так же обсуждались на научных семинарах в следующих организациях: Институт физики им. Л.В. Киренского СО РАН (г. Красноярск), Институт биофизики (г. Красноярск), Институт катализа СО РАН (г. Новосибирск), Национальной лаборатории университета штата Айова (AmesLab, г. Эймс, США).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 статей в реферируемых отечественных журналах, одно мультимедийное справочное пособие. Всего опубликовано 41 работа, включая тезисы и материалы конференций.
Работа выполнена при поддержке гранта 6-го конкурса-экспертизы молодежных проектов РАН 1999-2002 гг. (№ 218); гранта Лаврентьевского конкурса молодежных проектов СО РАН 2003-2004 гг. (№4).
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Объем работы составляет 112 страниц, включающих 21 рисунок, 12 таблиц и список литературы из 101 наименования.
