Квантово-химическое исследование роли невалентных взаимодействий в каталитической активности глутатионпероксидазы
|
Введение 3
1.1 Селен в природе, его влияние на живые организмы и физико-химические
свойства 5
1.2 Семейство ферментов глутатионпероксидаз и реакции восстановления
пероксидов с их участием 10
1.3 Селеносодержащий лекарственный препарат «Эбселен» 17
2. Методическая часть 25
3. Результаты и обсуждение 31
3.1 Исследование внешней электронной оболочки атома селена 31
3.2 Исследование характеристик водородных связей в кластерах СНзЗе(-)-(Н2О)и 40
Выводы 76
Список используемой литературы 78
1.1 Селен в природе, его влияние на живые организмы и физико-химические
свойства 5
1.2 Семейство ферментов глутатионпероксидаз и реакции восстановления
пероксидов с их участием 10
1.3 Селеносодержащий лекарственный препарат «Эбселен» 17
2. Методическая часть 25
3. Результаты и обсуждение 31
3.1 Исследование внешней электронной оболочки атома селена 31
3.2 Исследование характеристик водородных связей в кластерах СНзЗе(-)-(Н2О)и 40
Выводы 76
Список используемой литературы 78
Невалентные взаимодействия участвуют в формировании структуры биологических макромолекул [1-3], в связывании субстратов и кофакторов молекулами ферментов [4-6], а совместно с электростатическими взаимодействиями являются движущими силами большинства биохимических процессов [7]. Показано, что невалентные взаимодействия способны существенно влиять на распределение электронной плотности вовлечённых в них атомов [7,8], что, соответственно, приводит к изменению физических и химических свойств веществ и материалов, поэтому, информация о принципиальной возможности создания невалентных контактов, об их энергии, геометрии и свойствах позволит получать вещества с заданными свойствами [9,10] - в частности, высокоэффективные лекарственные препараты [11]. Кроме того, водородная связь - самый известный пример невалентных взаимодействий - способна существенно понизить барьеры некоторых реакций, что, в частности, используется рядом ферментов организма человека для более эффективной работы.
В настоящий момент коммерчески доступен лекарственный препарат Эбселен [12], обладающий противовоспалительной, цитопротекторной и антиоксидантной активностью, который был создан на основе модельных систем фермента глутатионпероксидазы - биомолекулы, которая защищает клетки большинства живых организмов от окислительного стресса и участвует в восстановлении пероксида водорода и гидроперекисей липидов [13,14]. На основе данных рентгеноструктурного анализа этого фермента было показано, что остатки аминокислот в активном центре фермента - селеноцистеина, триптофана и глутамина, способны образовывать невалентные контакты: водородные и халькогенные связи [15,16]. Кроме того, в активном центре фермента было обнаружено наличие двух молекул воды, которые также могут невалентно связываться с остатком селеноцистеина. Однако характеристики этих контактов не были подробно изучены с помощью современных инструментов анализа электронного строения. Согласно опубликованным на данный момент исследованиям, невалентные взаимодействия с атомом селена способны существенно повысить его активность в отношении восстановления молекул перекиси, что было продемонстрировано на аналогах Эбселена [17,18] и на селеноорганических соединениях [19].
На данном этапе развития технологий подобная экспериментальная работа оказывается невозможной ввиду неприменимости атомарных зондов для подобных сложных биологических систем, а также из-за отсутствия для них экспериментально подтверждённых корреляций спектральных характеристик и характеристик невалентных взаимодействий. С другой стороны, подобное исследование осуществимо теоретически: современная расчётная химия обладает достаточным потенциалом для исследования особенностей электронных оболочек и невалентных взаимодействий. Кроме того, теоретические исследования позволяют выделить интересующую часть достаточно крупной системы.
Результаты данного исследования позволят более подробно изучить биохимические процессы, связанные с окислительным стрессом, детализировать имеющуюся информацию о принципе работы фермента глутатионпероксидазы и обогатить расчётную химию биомолекул. Полученные результаты по активации атома селена невалентными взаимодействиями могут внести вклад в создание таргетных лекарственных препаратов в составе комплексной терапии заболеваний, связанных с дефицитом селена и нарушением антиоксидантной функции ферментов.
В качестве объекта исследования были выбраны модельные соединения, которые содержат в себе селеносодержащие функциональные группы, имеющие место в каталитическом цикле глутатионпероксидазы. Эти соединения можно считать упрощёнными моделями селеноцистеинового фрагмента в активном центре фермента . Целью настоящей дипломной работы является анализ особенностей электронного строения атома селена в составе различных функциональных групп модельных систем каталитического цикла, наблюдение за изменением электронной оболочки вдоль координаты каталитического цикла восстановления пероксида водорода, а также оценка влияния дополнительных невалентных взаимодействий на электронное строение активного центра фермента и их влияние на термодинамические параметры исследуемых реакций.
Работа состоит из введения, литературного обзора, методической части, обсуждения полученных результатов, выводов, списка цитированной литературы и приложения.
В настоящий момент коммерчески доступен лекарственный препарат Эбселен [12], обладающий противовоспалительной, цитопротекторной и антиоксидантной активностью, который был создан на основе модельных систем фермента глутатионпероксидазы - биомолекулы, которая защищает клетки большинства живых организмов от окислительного стресса и участвует в восстановлении пероксида водорода и гидроперекисей липидов [13,14]. На основе данных рентгеноструктурного анализа этого фермента было показано, что остатки аминокислот в активном центре фермента - селеноцистеина, триптофана и глутамина, способны образовывать невалентные контакты: водородные и халькогенные связи [15,16]. Кроме того, в активном центре фермента было обнаружено наличие двух молекул воды, которые также могут невалентно связываться с остатком селеноцистеина. Однако характеристики этих контактов не были подробно изучены с помощью современных инструментов анализа электронного строения. Согласно опубликованным на данный момент исследованиям, невалентные взаимодействия с атомом селена способны существенно повысить его активность в отношении восстановления молекул перекиси, что было продемонстрировано на аналогах Эбселена [17,18] и на селеноорганических соединениях [19].
На данном этапе развития технологий подобная экспериментальная работа оказывается невозможной ввиду неприменимости атомарных зондов для подобных сложных биологических систем, а также из-за отсутствия для них экспериментально подтверждённых корреляций спектральных характеристик и характеристик невалентных взаимодействий. С другой стороны, подобное исследование осуществимо теоретически: современная расчётная химия обладает достаточным потенциалом для исследования особенностей электронных оболочек и невалентных взаимодействий. Кроме того, теоретические исследования позволяют выделить интересующую часть достаточно крупной системы.
Результаты данного исследования позволят более подробно изучить биохимические процессы, связанные с окислительным стрессом, детализировать имеющуюся информацию о принципе работы фермента глутатионпероксидазы и обогатить расчётную химию биомолекул. Полученные результаты по активации атома селена невалентными взаимодействиями могут внести вклад в создание таргетных лекарственных препаратов в составе комплексной терапии заболеваний, связанных с дефицитом селена и нарушением антиоксидантной функции ферментов.
В качестве объекта исследования были выбраны модельные соединения, которые содержат в себе селеносодержащие функциональные группы, имеющие место в каталитическом цикле глутатионпероксидазы. Эти соединения можно считать упрощёнными моделями селеноцистеинового фрагмента в активном центре фермента . Целью настоящей дипломной работы является анализ особенностей электронного строения атома селена в составе различных функциональных групп модельных систем каталитического цикла, наблюдение за изменением электронной оболочки вдоль координаты каталитического цикла восстановления пероксида водорода, а также оценка влияния дополнительных невалентных взаимодействий на электронное строение активного центра фермента и их влияние на термодинамические параметры исследуемых реакций.
Работа состоит из введения, литературного обзора, методической части, обсуждения полученных результатов, выводов, списка цитированной литературы и приложения.
В данной работе было выполнено исследование особенностей внешних электронных оболочек атома селена в составе селеносодержащих групп, которые имеют место в наиболее вероятном каталитическом цикле работы фермента глутатионпероксидазы, на основе модельных систем типа CH3R. Кроме того, теоретически были изучены геометрические, спектральные и энергетические свойства водородных связей O-H—Se в составе кластеров СНзЗе(-)-(Н2О)и (п = 1-6). Также в рамках настоящей работы было проведено моделирование каталитического цикла глутатионпероксидазы с использованием модельных систем типа C6H5R. Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:
1. На основании результатов изучения электронной оболочки модельных систем селеносодержащих фрагментов были исследованы наиболее вероятные направления образования невалентных взаимодействий - преимущественно, водородной и халькогенной связи, была проведена сравнительная оценка возможности атома селена выступать акцептором протона, донором или акцептором сигма-дырки или электронной плотности при образовании халькогенной связи; были определены возможные направления нуклеофильной атаки атома селена в составе функциональных групп селеноцистеинового фрагмента глутатионпероксидазы;
2. На примере кластеров CH3Se(-)-(H2O)n с водородной связью было показано, что электронная оболочка атома селена чувствительна к образованию относительно слабых водородных связей (4.5-6.0 ккал/моль) с ним, что было продемонстрировано на рассчитанных значениях химического сдвига и молекулярного электростатического потенциала; поэтому для получения достоверных результатов, согласующихся с экспериментальными данными, следует явно насыщать его координационную сферу и моделировать реакции с участием молекул растворителя;
3. Связи O-H—Se в составе комплексов CH3Se(-)-(H2O)n носят
антикооперативный характер;
4. Были предложены уравнения для оценки прочности водородных связей O-H—Se на основе свойств электронной плотности в критической точке типа (3; -1), а именно локальной плотности кинетической (G) и потенциальной (V) электронной энергии;
5. Водородные связи и халькогенные взаимодействия активно участвуют в реакциях каталитического цикла глутатионпероксидазы: за счёт сетки водородных связей осуществляется процесс переноса протона, который инициирует протекание большинства реакций, координация молекул пероксида и глутатиона к атому селена путём создания халькогенной связи создаёт оптимальное направление для нуклеофильной атаки.
6. Реакции каталитического цикла глутатионпероксидазы имеют сравнительно низкие энергии активации (до 30 ккал/моль), что обуславливает возможность их проведения при физиологических условиях;
7. Значение химического сдвига ядра селена-77 не только позволяет определить ближайшее химическое окружение атома селена в составе селеносодержащего фрагмента, но также может служить дескриптором степени его сольватации и участия в невалентных взаимодействиях.
Основные результаты работы настоящей дипломной работы были опубликованы в двух статьях в высокорейтинговых журналах по физической и теоретической химии (Physical Chemistry Chemical Physics, Journal of Computational Chemistry), которые индексируются базами Web of Science и Scopus и относятся к первому квартилю (Q1), а также представлены на четырёх международных конференциях.
1. На основании результатов изучения электронной оболочки модельных систем селеносодержащих фрагментов были исследованы наиболее вероятные направления образования невалентных взаимодействий - преимущественно, водородной и халькогенной связи, была проведена сравнительная оценка возможности атома селена выступать акцептором протона, донором или акцептором сигма-дырки или электронной плотности при образовании халькогенной связи; были определены возможные направления нуклеофильной атаки атома селена в составе функциональных групп селеноцистеинового фрагмента глутатионпероксидазы;
2. На примере кластеров CH3Se(-)-(H2O)n с водородной связью было показано, что электронная оболочка атома селена чувствительна к образованию относительно слабых водородных связей (4.5-6.0 ккал/моль) с ним, что было продемонстрировано на рассчитанных значениях химического сдвига и молекулярного электростатического потенциала; поэтому для получения достоверных результатов, согласующихся с экспериментальными данными, следует явно насыщать его координационную сферу и моделировать реакции с участием молекул растворителя;
3. Связи O-H—Se в составе комплексов CH3Se(-)-(H2O)n носят
антикооперативный характер;
4. Были предложены уравнения для оценки прочности водородных связей O-H—Se на основе свойств электронной плотности в критической точке типа (3; -1), а именно локальной плотности кинетической (G) и потенциальной (V) электронной энергии;
5. Водородные связи и халькогенные взаимодействия активно участвуют в реакциях каталитического цикла глутатионпероксидазы: за счёт сетки водородных связей осуществляется процесс переноса протона, который инициирует протекание большинства реакций, координация молекул пероксида и глутатиона к атому селена путём создания халькогенной связи создаёт оптимальное направление для нуклеофильной атаки.
6. Реакции каталитического цикла глутатионпероксидазы имеют сравнительно низкие энергии активации (до 30 ккал/моль), что обуславливает возможность их проведения при физиологических условиях;
7. Значение химического сдвига ядра селена-77 не только позволяет определить ближайшее химическое окружение атома селена в составе селеносодержащего фрагмента, но также может служить дескриптором степени его сольватации и участия в невалентных взаимодействиях.
Основные результаты работы настоящей дипломной работы были опубликованы в двух статьях в высокорейтинговых журналах по физической и теоретической химии (Physical Chemistry Chemical Physics, Journal of Computational Chemistry), которые индексируются базами Web of Science и Scopus и относятся к первому квартилю (Q1), а также представлены на четырёх международных конференциях.
Содержание магистерской диссертации – Квантово-химическое исследование роли невалентных взаимодействий в каталитической активности глутатионпероксидазы
Выдержки из магистерской диссертации – Квантово-химическое исследование роли невалентных взаимодействий в каталитической активности глутатионпероксидазы
Подобные работы
- Квантово-химическое исследование роли невалентных взаимодействий в каталитической активности глутатионпероксидазы
Магистерская диссертация, химия. Язык работы: Русский. Цена: 4810 р. Год сдачи: 2022