Строительные исследования
страница - 0
ЭЛЕКТРОННАЯ СТРУКТУРА КОМПЛЕКСОВ ГЕМА ГЕМОГЛОБИНА С ЛИГАНДАМИ И ДИНАМИКА ИХ АТОМНОГО ОСТОВА ПРИ ФИЗИОЛОГИЧЕСКОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ
Романова Т. А. (tar@yandex.ru)(1), Краснов П. О. (2), Аврамов П. В. (paul@iph.krasn.ru)(2)
(1) Институт вычислительного моделирования СО РАН, г. Красноярск (2)Институт физики им. Л. В Киренского СО РАН, г. Красноярск
РЕЗЮМЕ
Полуэмпирическим квантово-химическим методом РМ3 проведено сравнительное исследование атомной и электронной структур комплексов гема гемоглобина с кислородом и оксидом азота. Установлено, что в результате оптимизации геометрии межъядерное расстояние в молекулах лиганда значимо меняется: в молекуле кислорода при связывании с гемом -возрастает на 0,046 А, в то время как, в молекуле NO - на 0,064 А, что указывает на более прочную химическую связь между NO и Fe гема. Исходя из значений суммарного заряда молекулы, Ж) связан с железом гема ковалентно, а между кислородом и Fe формируются лишь слабые ион-дипольные взаимодействия. В комплексах гема с O2, орбитали атомов лиганда дают небольшой вклад в верхнюю заполненную и нижнюю вакантную орбитали, в то время как, в комплексах с NO орбитали атомов лиганда существенно замешиваются в молекулярные орбитали комплекса, при этом неспаренный электрон молекулы NO переходит на d-орбиталь железа, формируя конфигурацию d , а сама молекула оксида азота приобретает положительный заряд. Проведение молекулярно-динамических расчетов для всех комплексов при физиологической температуре (310К) показало, что существенно меняется не только эффективная геометрия комплексов, но и заселенность /?-орбиталей атомов углерода и азота порфиринового кольца в результате тепловых молекулярных колебаний. В комплексах гема с NO (но не с O2 ) под действием температуры меняются относительные вклады /?-орбиталей атомов азота и кислорода лиганда, d-орбиталей железа, что должно влияет на реакционную способность комплекса.
Центральное место в литературе последних лет отводится оксиду азота (NO) как универсальному регулятору ключевых биохимических процессов [1,2,3]. Исследователи столкнулись с неожиданным фактом: оказалось, что в качестве эндогенного регулятора могут выступать не только сложные по химическому строению и высокомолекулярные соединения, но и такое простое как двухатомная молекула оксид азота. В отличие от других сигнальных молекул, оксид азота оказывает влияние на клеточный метаболизм без участия каких-либо мессенджеров [4]. В качестве регулятора NO функционирует практических во всех тканях организма, непосредственно в которых и образуется при участии NO-синтаз в т.н. цикле оксида азота, где в качестве субстрата используется L-аргинин.
Одно из важных свойств данного соединения - способность с высоким сродством взаимодействовать с железом клеточных металлопротеинов, в большинстве случаев необратимо ингибируя их активность. В то время как цианиды и СО способны конкурентно ингибировать лишь гем гемоглобина, миоглобина и цитохрома а дыхательной цепи, то NO связывается со всеми железопротеидами организма и константа связывания при этом значительно выше чем у перечисленных ранее лигандов. Так, взаимодействуя с активным центром гуанилатциклазы, оксид азота выступает в качестве вазоделататора, при этом экзогенным продуцентом NO, обеспечивающим такой эффект, является нитроглицерин. В тоже время сами эндотелиальные клетки в определенных условиях вырабатывают фактор релаксации сосудов, где оксид азота - активный компонент [4].
В последние годы активно введутся экспериментальные исследования энергетики, атомной и электронной структуры комплексов гема с различными лигандами, в числе которых и оксид азота [2,5,6]. Описаны не только особенности электронной структуры подобного класса соединений, но определены энергии диссоциации и ряд других термодинамических характеристик. Тем не менее, эти исследования так и не дают объяснений столь высокому сродству оксида азота с железопротеинами, хотя ответ на этот вопрос можетет объяснить механизмы регуляции ряда биохимических процессов, протекающих при участии данного соединения. Остается невыясненной природа химической связи и характер изменений электронной структуры гема при образовании комплекса с оксидом азота.
В последнее время в теоретической молекулярной биологии для решения подобных задач все большее распространение получают квантово-химические методы, поскольку именно электронные аспекты процессов, протекающих в биологических системах, привлекают внимание исследователей. Но, к сожалению, расчеты электронной структуры комплексов гема с лигандами встречаются в литературе достаточно редко и авторы, в большинстве случаев, не делают попыток связать полученные результаты с биологическими свойствами изучаемых объектов.
Целью настоящей работы явилось сравнительное теоретическое квантово-химическое и молекулярно-динамическое исследование электронной и атомной структур комплексов гема с молекулярным кислородом и оксидом азота и динамики их атомного остова при физиологической температуре.
МЕТОДИКА РАСЧЕТА
Атомную и электронную структуры комплексов гема с лигандами исследовали полуэмпирическим квантово-химическим методом РМ3. Влияние физиологической температуры (31 0К) на атомные и электронные структуры комплексов исследовали методом неэмпирической молекулярной динамики в полуэмпирическом квантово-химическом потенциале РМ3.
Квантово-химические методы расчета электронной и атомной структур
Наиболее подходящими с теоретической точки зрения для изучения особенностей
электронной структуры активных биологических центров являются квантово-химические
методы. Они основаны на приближенном решении уравнения Шредингера НЧ = ЕЧ (здесь Ч
- это полноэлектронная волновая функция системы, построенная из атомных орбиталей, E -
полная энергия системы, а H = T + V - гамильтониан системы, состоящий из суммы
операторов кинетической T и потенциальной V энергий) для молекул и их фрагментов.
В методе Хартри-Фока-Руттана волновая функция системы электронов и ядер, полностью описывающая их состояние, представлена в виде детерминантакоторый
составлен из отдельных молекулярных орбиталей системы (j) = скФк (j) представляются
k
в виде линейной комбинации атомных орбиталей фк. В ряде случаев квантово-химические
методы позволяют с хорошей точностью (порядка одной 0,01 - 0,001 ккал/моль) вычислять теплоты образования исследуемых объектов, которые равны разности между теплотой образования отдельных атомов, входящих в систему и энергией атомизации, последняя вычисляется как разность полной энергии системы и энергии всех атомов.
Метод молекулярной динамики
Подавляющее большинство современных физических методов исследования вещества, которыми пользуются при определении структуры и свойств биологических объектов, требуют для себя низких температур (порядка 77К). Но для подобного рода объектов, такой подход неадекватен, так как при этом происходит достаточно серьезные изменения в атомном строении вещества за счет подавления внутримолекулярных тепловых колебаний и фазовых переходов под действие температуры (к примеру - кристаллизации гидратной оболочки белковой молекулы и пр.). Более того, большинство биологических свойств как раз и определяются слабыми типами химических связей (такими как водородные, различного типа донорно-акцепторные взаимодействия и пр.), на которые кардинальным образом может влиять
содержание:
[стр.Введение] [стр.1] [стр.2] [стр.3]