автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Моделирование молекулярной и электронной структуры активных центров гемопротеинов квантово-химическими методами

На правах рукописи

Краснов Павел Олегович

МОДЕЛИРОВАНИЕ МОЛЕКУЛЯРНОЙ И ЭЛЕКТРОННОЙ СТРУКТУРЫ АКТИВНЫХ ЦЕНТРОВ ГЕМОПРОТЕИНОВ КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ

05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (численное моделирование в физике) 01.04.07-Физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Красноярск 2005

Работа выполнена на кафедре ЮНЕСКО «Новые материалы и технологии» Красноярского государственного технического университета и в лаборатории ФМЯ Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН

Научные руководители: доктор физико-математических наук,

профессор

Сергей Геннадьевич Овчинников,

кандидат биологических наук Татьяна Алексеевна Романова

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор

Виктор Иванович Зиненко

доктор физико-математических наук, профессор

Петр Иванович Белобров

Ведущая организация:

Институт вычислительного моделирования СО РАН, г. Красноярск

Защита состоится 16 марта 2005 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета К212.253.01 в Сибирском государственном технологическом университете по адресу: 660049, г. Красноярск, пр. Мира, 82, Сибирский государственный технологический университет.

Отзывы в двух экземплярах с заверенными подписями просим выслать ученому секретарю диссертационного совета К212.253.01 по адресу: 660049, г. Красноярск, пр. Мира, 82, Сибирский государственный технологический университет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Сибирского государственного технологического университета по адресу: г. Красноярск, пр. Мира, 82.

Автореферат разослан 14 февраля 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

Ушанов СВ.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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, ONЮM 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 О2, NO, 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;

2. выбор оптимальной атомной модели активного - центра гемопротеинов для исследования особенностей структуры, изменений электронных состояний активного центра в процессе функциональной активности;

3. исследование геометрии и электронной структуры активных центров гемопротеинов, мутантных по аминокислоте в проксимальном положении;

4. исследование влияния замещения проксимальной аминокислоты на прочность связи лиганда в дистальном положении гема,

5. 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 элекгронной 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 и др.)

Объяснены причины большего сродства молекулы N0 к атому железа гема по сравнению с молекулой О2, 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.

1. 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.

2. 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.

3. Большая прочность связи молекулы NO в отличие от О2 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.; К 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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проводимых исследований, сформулированы цель и задачи работы, указаны научная новизна, научная и практическая значимость полученных результатов и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приводится обзор литературных данных о строении гемопротеинов и их роли в организме. Большое внимание уделено мутантным формам гемоглобина и миоглобина, поскольку имеются некоторые отличия в их функциях от функций нормальных белков,

например, в лигандсвязывающей способности. Дано описание методики получения искусственных гемопротеинов замещением проксимальной аминокислоты другими аминокислотами и небольшими органическими молекулами. Показано, что данное замещение приводит к изменению в адсорбционных и ЯМР спектрах белков.

Замещение остатка проксимального гистидина экзогенными лигандами позволяет получать большое разнообразие нестандартных гемопротеинов. С его помощью можно целенаправленно менять размер, химические и физические свойства гемсодержащих белков. Расширение этой лигандообменной стратегии приведет к прогрессу в исследовании роли проксимального лиганда в определении кооперативного эффекта в гемоглобине, а также в исследовании путей переноса электрона в протеинах. В то же время, возможность получения искусственных белков позволяет целенаправленно синтезировать вещества с заданными свойствами. Это может быть полезным для создания искусственных кровезаменителей, ферментов и др.

В разделе 1.4 приводится обзор ряда проведенных к настоящему времени работ, посвященных квантово-химическому исследованию гемопротеинов. Показано, что существуют два подхода в этом направлении. В первом случае проводятся расчеты больших молекул смешанными методами квантовой и молекулярной механики (QMMM). Во втором случае используются комплексы железопорфина с различными лигандами в пятом и шестом координационных положениях железа, в числе которых молекулы 02, NO, CO, имидазола и другие.

В разделах 1.4-6 обоснована актуальность, сформулированы цели и задачи работы.

Вторая глава посвящена обзору квантово-химических методов, применяемых в работе. Здесь рассматриваются как неэмпирические, так и полуэмпирические методы Хартри-Фока, методы DFT. Приводятся механизм решения квантово-химических задач, описание методов анализа полученных данных, в частности, анализа распределения электронной плотности по Малликену, и алгоритм работы квантово-химических программ.

В третьей главе приводится анализ сравнительного исследования молекул железопорфина (FeP) и тетрафенилпорфина железа (II) (FeTPhP) различными квантово-химическими методами. Показано, что в целом представление граничных молекулярных орбиталей (МО) разными методами идентично. Существенное различие заключается в смещении энергий МО при переходе от одной группы методов к другой. Как

следствие, неэмпирические методы Хартри-Фока завышают размеры энергетического расщепления верхней заполненной (ВЗМО) и нижней вакантной (НВМО) МО, а методы теории функционала плотности занижают. Критерием в данном случае является результат, полученный при использовании полуэмпирического метода ZINDO/S, поскольку он был специально разработан для воспроизведения спектральных характеристик молекул, в частности, порфириновых комплексов. Сравнение результатов расчетов геометрии молекулы FeTPhP с экспериментальными данными показало, что результаты, полученные разными квантово-химическими методами, в целом аналогичны. Общей закономерностью является увеличение точности неэмпирического метода Хартри-Фока при увеличении используемого базисного набора. Максимальное значение отклонения рассчитанных параметров от определенных экспериментально составляет не более 3%.

Четвертая глава посвящена исследованию кластерных моделей цитохромов/и с. В разделе 4.1 приводится описание способа получения кластеров активных центров гемопротеинов из экспериментально установленной структуры белка, обосновывается подход такого приближения для квантово-химического исследования свойств данных молекул.

Атомные структуры цитохррмов/(3922 атомов) из Brassica Rapa и с (1748 атомов) из Oryza Sativa были получены в Protein Data Bank [http://www.rcsb.org/pdb]. На их основе были построены две большие кластерные модели активного центра, содержащие, соответственно, 488 атомов (далее кластер f) и 573 атома (далее кластер с), и две меньшего размера, содержащие, соответственно, 125 атомов (далее тем/) и 121 атом (далее гем с). В пятом координационном положении (проксимальном) железа как цитохрома f, так и цитохрома с находится His, а в шестом (дистальном) - Туг (рис.1,а) и метионин (Met) (рис. 1,6) соответственно.

Рис.1.

Атомные модели (а) гема f и (б) гема с. Черным цветом выделен железопорфин

Электронная структура объектов исследовались полуэмпирическим квантово-химическим методом ZIND0/1.

Поскольку биологической функцией цитохромов является электронный транспорт, то расчеты проводили с зарядами 0, -1, -2. С зарядами 0 и -2 исследования проводились в двух спиновых состояниях: S=0 (синглет) и S=l (триплет), с зарядом -1 S=l/2. Здесь S - суммарный электронный спин системы.

Показано, что общая энергия, как кластеров, так и гемов с нулевыми зарядами была ниже для S=0, чем для S=l, в связи с чем, дальнейшее описание рассчитанных структур с зарядом ноль приводится для синглетного состояния ^=0), как энергетически более выгодного. Общие энергии кластеров и гемов с зарядом -2 и с суммарными спинами, равными 0 и 1 существенно не отличалась, поэтому можно говорить об одинаковой вероятности их нахождения, как в синглетном, так и в триплетном состояниях.

Как известно, химическая активность молекул обусловлена МО валентной зоны. Валентные области как кластера и гема с, так и кластера и гема / с нулевыми зарядами существенно не отличались. Это было показано по плотности состояний верхней заполненной (ВЗМО) и нижней вакантной (НВМО) МО, а, кроме того, для ВЗМО-1 (заполненная МО, предшествующая ВЗМО), НВМО+1 и НВМО+2 (следующие за НВМО вакантные МО).

ВЗМО порфиринового кольца практически полностью сформирована р-орбиталями атомов углерода. Эти же орбитали на половину формируют ВЗМО-1 и дают наибольший вклад в двукратно вырожденную НВМО. Оставшиеся вклады в НВМО и ВЗМО-1 приходятся на р-орбитали атомов азота порфиринового кольца.

Тот факт, что валентная область полностью сформирована орбиталями атомов углерода и азота порфиринового кольца, нашел отражение в распределении добавленного электронного заряда. При увеличении отрицательного заряда как кластера ^ так и с на 1 (т.е. расчета с зарядом системы -1), эффективный отрицательный заряд, рассчитанный по Малликену атомов углерода и азота порфиринового кольца увеличивается на 0,54 (для ^ и 0,53 (для с) единицы соответственно, а атома железа лишь на 0,02. Следовательно, добавленный электрон больше, чем на половину, распределяется в порфириновой части кластера. Оставшаяся часть электронной плотности распределяется на ближайшем аминокислотном окружении. При добавлении второго электрона (расчет с зарядом -2) наблюдаются те же соотношения величин в распределении эффективного отрицательного заряда.

Рис 4 Комплекс железопорфина с НС и СО

Пятая глава состоит из двух частей. В первой части работы были проведены квантово-химические исследования геометрии и электронного строения комплексов железопорфина (FeP) с молекулой оксида углерода (И) (СО) в дистальном положении и различными гетероциклическими соединениями (НС) в проксимальном положении (рис.4): фураном (Fur), имидазолом (Im), пиримидином (Руг). Исследования проводилось методом теории функционала плотности с использованием обменно-корреляционного потенциала B3LYP в атомном базисе 6-31G**. НС координировались к железу гетероатомом, в случае с имидазолом -атомом азота пиридинового типа.

Расчеты осуществлялись в программе Gaussian-01 на ЭВМ ШМх86 32-х разрядный совместимый компьютер.

Было показано, что химическая связь между атомом железа и молекулой СО обусловлена перекрыванием И рг-орбиталей атома углерода с pz- И d2 -орбиталями Fe (^составляющая) и перекрыванием орбиталей С с

орбиталями железа (тт-СОСтавляющая) (рис.5).

Рис.5.

а) перекрывание орбитали атома железа и -орбитали атома углерода молекулы СО;

б) перекрывание орбитали атома железа и орбитали тома углерода молекулы СО

В первом случае происходит перенос электронов с атома углерода на атом железа (донорно-акцепторный вид связи). Во втором случае, наоборот, перенос электронов с железа на углерод дативная связь). Это обусловлено тем, что s- и р2-орбитали С и И dyz-орбитали Fe являются заполненными, а рх- И ¿уорбитали С и pz- И ¿//-орбитали Fe вакантными. Находящаяся на последних электронная плотность мала. Она обусловлена перекрыванием данных орбиталей с орбиталями других атомов. В частности p-орбитали углерода перекрываются с АО атома кислорода СО, а орбитали железа с АО атомов N порфина и с АО атома, которым гетероциклическая молекула присоединяется к Fe.

Энергия химической связи Fe-CO рассчитывалась по формуле

(1)co = E[FeP(HC)] + Eœ ~E[FeP(HC)(C0)],

где E[FeP(HC)], Eco И Е[ГеР(нс)(со)] - полные энергии соединений [FeP(HC)],

СО и [FeP(HC)(CO)], соответственно. Было показано, что в ряду соединений [FeP(Fur)(CO)], [FeP(Im)(CO)], ' [FeP(Pyr)(CO)] происходит уменьшении прочности данной связи: -182.34 кДж/моль, -143.73 кДж/моль, -57.31 кДж/моль, соответственно. Основной причиной этого обстоятельства является то, что в данном ряду соединений уменьшается заселенность перекрывания (ЗП) АО по связи Fe-CO.

При присоединении молекулы СО к атому железа происходит смещение последнего относительно плоскости порфирина в ее сторону. Величина данного смещения представляет собой разницу-расстояний от атома железа до плоскости порфиринового кольца до присоединения оксида углерода (II) и после присоединения. Установлено, что в ряду

происходит уменьшение смещения атома железа при присоединении молекулы СО, следовательно, уменьшается и прочность связи Fe-GO.

В тоже время, взаимодействие Fe с молекулой СО обусловлено начальным положением относительно порфиринового кольца атома железа, так как от этого зависит расстояние, на которое оксид углерода (II) может подойти к нему, а, следовательно, и степень перекрывания их орбиталей. Выход атома железа в комплексах [FeP(HC)] определяется его взаимодействием с НС, а также величиной «макроциклического эффекта», сущность которого заключается в электростатическом взаимодействии больших по размеру лигандов с п-системой порфиринового кольца, что приводит к выталкиванию такого лиганда за пределы этой п-системы.

Полученные нами значения геометрических характеристик и энергии связи Fe-CO комплекса хорошо согласуются с

результатами квантово-химических исследований других авторов и с экспериментальными данными. Так в работе [Rovira и др., 1997] представлены результаты расчета методом DFT данного соединения. Показано, что энергия связи Fe-CO составляет -146,44 кДж/моль, длины связей Fe-CO, Fe-HC и Fe-N (N - атом азота порфиринового кольца) равны I,72Â, 2,07 Â И 2,02 Â, соответственно. Наши расчеты показали очень похожие результаты: 1,773A, 2,067Â и 2,019Â, соответственно. В результате экспериментальных исследований синтезированного комплекса [FeP(Imid)(CO)] методом рентгеновской дифракции [Peng,

libers, 1976 и др.] получены следующие значения длин данных связей: соответственно.

В результате наших расчетов показано, что энергетическая щель комплексов [FeP(Fur)(CO)], [FeP(Imid)(CO)] и [FeP(Pyr)(CO)] составляет 3,11эВ, 2,99эВ и 3,11эВ. Необходимо отметить, что фотолиз данных соединений проводится при длине волны 440нм [DePyrllis, 1994], что соответствует энергии 3,11эВ. Это также указывает на хорошее согласие с экспериментальными данными.

Во второй части работы ab initio методом Хартри-Фока с использованием атомного базиса 6-31G рассчитаны комплексы FeP с молекулой кислорода в дистальном положении и аминокислотами (АА) (рис.6): аланин (Ala), валин (Val), аспарагин (Asn), гистидин (His) и лейцин (Leu), в проксимальном. АК координировались к железу атомом азота аминогруппы, в случае с гистидином - атомом азота пиридинового типа имидазольного кольца.

Расчеты проводились в программе Gamess на 16-и процессорном кластере на основе Intel Pentium III 800МГц. Задачей данной части исследований явилось изучение степени и характера влияния аминокислоты на прочность связывания молекулы кислорода железопорфином.

Энергия связывания Fe-Ог рассчитывалась по формуле

(2)

где E[fep(AAX02)] - полная энергия комплекса [ЕеР(АА)(02)], полученная в результате полной оптимизации его геометрии;

полные энергии молекул О2 и [FeP(AA)], соответственно. Последние рассчитывались при фиксированной геометрии, полученной разделением структуры [FeP(AA)(02)] на две соответствующие части.

Ej.e.0¡ в рассматриваемых соединениях

находится в интервале 12.64-14.76 кДж/моль. Поскольку энергия ковалентных связей составляет сотни кДж/моль, ван-дер-ваальсовых

взаимодействий - 0.4-4.0 кДж/моль, а водородных связей - в пределах 12.0-30.0 кДж/моль, то связь Рис.6. Комплекс Fe-Oí имеет преимущественно характер железопорфина электростатических межмолекулярных

АА и О2 взаимодействий

Связь в молекуле кислорода частично

поляризована, в результате атом 01 несет малый отрицательный заряд и координируется к положительно заряженному атому железа FeP. Атом 02 заряжен положительно, как и молекула в целом, что указывает на смещение электронной плотности к атому Fe, но лишь на сотую долю электрона.

Как показал анализ электронных заселенностей АО по Малликену, при присоединении молекулы кислорода к атому Fe не происходит значительного изменения заселенностей АО последнего, а, следовательно, и значительного смещения электронной плотности - по донорно-акцепторному либо яг-дативному механизму. В этом кроется причина столь малой прочности связи в комплексах.

Иная картина имеет место при рассмотрении связи Fe-N(AA)- Исходя из значений порядков связи, она намного прочнее, чем связь у

которой он меньше 0.05. Это, возможно, обусловлено большей способностью аминокислот в отличие от молекулы кислорода донировать электроны, что подтверждается, результатами анализа степени заселенности й^-орбитали железа в FeP и его комплексах с аминокислотами.

В результате присоединения к атому Fe аминокислоты происходит его смещение к координируемому атому азота, проксимально относительно плоскости порфиринового кольца. Согласно полученным результатам, степень смещения зависит от двух факторов: прочности связи Fe-N(AA) и особенностей геометрии координируемой аминокислоты.

Так, наибольший порядок связи Fe-N(AA) в комплексе [FeP(Asn)] и здесь же имеет место более значительное проксимальное смещение атома Fe по сравнению со структурами: [FeP(Val)], [FeP(Leu)] и [FeP(Ala)].

В комплексе [FeP(His)] порядок данной связи имеет наименьшее значение, но в результате особого способа координации гистидина -окисленным азотом имидазольного кольца, наблюдается значительный «макроциклический эффект». В результате, происходит смещение атома железа вслед за координированным лигандом, в данном случае His, на предельно возможное для сохранения связи расстоянии от атома

кислорода.

Существует четкая зависимость между проксимальным выходом атома железа из плоскости порфиринового кольца и прочностью связывания с ним молекулы кислорода: чем больше выход атома Fe, тем меньше прочность связи в дисталыюм положении.

Таким образом, введением различных аминокислот в проксимальное положение гема вместо His, можно направленно менять

1 5

степень связывания молекулы кислорода атомом железа. Определяющими факторами являются: «макроциклический эффект» и прочность связи аминокислоты с атомом Fe порфирина. Величину первого можно оценить, сравнивая геометрические особенности строения и относительный размер возможных проксимальных лигандов. Второй фактор зависит от способности аминокислоты донировать электроны, которую можно оценить по величине потенциала ионизации (ПИ) молекулы.

Поскольку, значения ПИ экспериментально определены не для всех аминокислот, в частности, нет данных для His и Asn, то был проведен сравнительный анализ потенциалов ионизации исследуемых аминокислот полуэмпирическим методом РМЗ.

Выбор метода обусловлен тем, что ПИ использовались в качестве параметров при разработке РМЗ, и, следовательно, воспроизводит их наилучшим образом. Кроме того, сравнение экспериментальных и рассчитанных нами значении ПИ для Ala, Val и Leu, показало, что относительная погрешность £ не превышает 2,25%, а это является вполне приемлемым.

Расчет ПИ осуществлялся по разности полных энергий аминокислоты с зарядами 0 и +1. Наименьшее значение ПИ принадлежит Asn, что напрямую коррелирует с максимальной прочностью связи Fe-N(Asn) Рассчитанные значения ПИ Leu и Val практически одинаковы, равно как и порядки связей Fe-N(AA) в комплексах с их участием. Аминокислота Ala характеризуется большим ПИ, чем Leu и Val и, соответственно, меньшим порядком связи

В случае с His сложно делать подобное сравнение зависимости ПИ и порядков связи, поскольку дополнительно примешивается «макроциклический эффект».

Шестая глава диссертации посвящена сравнительному исследованию электронной структуры комплексов FeP с N0 и О2 в дистальном положении и His в проксимальном и динамики их атомного остова при физиологической температуре. Основная цель - установление причин более прочного связывания N0 в отличие от с атомом Fe гема.

Электронную структуру комплексов исследовали

полуэмпирическим квантово-химическим методом РМЗ. Влияние физиологической температуры (310К) на атомные и электронные структуры комплексов исследовали методом неэмпирической молекулярной динамики в полуэмпирическом квантово-химическом потенциале РМЗ.

Согласно экспериментальным данным, комплекс О2 с железом FeP может иметь два изомера. В первом изомере молекула кислорода координирована к порфириновой плоскости горизонтально, во втором -под углом, при этом последний изомер более стабилен.

Нами были рассчитаны комплексы FeP с His в 5-ом координационном положении и молекулами О2 (координированной под углом к плоскости) и N0 в 6-ом положении железа (рис.7). Ограничения по симметрии объектов не использовались. Молекула N 0, как и молекула О2, координирована под углом к плоскости порфириновго кольца через

Рис.7.

Способ координации и заряды атомов молекулы кислорода (а) и оксида азота (б) в комплексе с [FeP(His)]

Согласно нашим расчетам, расстояние между атомами азота имидазольного кольца His и железа БеР практически не отличалось как при связывании последним О2, так и N0. Но межатомное расстояние в самой молекуле лиганда менялось значительно. Так, расстояние между атомами в молекуле кислорода при связывании с железопорфином возрастало на 0,046 А, в то время как межатомное расстояние в молекуле N0 на 0,064 А, что указывает на более прочную химическую связь между N0 и атомом железа БеР.

Исходя из значений суммарного заряда молекулы лиганда, можно сделать вывод, что молекула кислорода поляризуется, т.к. ее суммарный заряд близок к нулю. В то же время, в молекуле N0 он равен приблизительно +0,3. Это указывает на значительное перераспределение электронной плотности с N0 на порфириновую плоскость. Следовательно, молекула N0 связана с железом БеР ковалентно, при этом связь поляризованная, а между кислородом и Бе формируются лишь слабые ион-дипольные взаимодействия.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы, вытекающие из проведенных исследований и анализа.

атом азота (рис.7б).

01 о

РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

1. В результате численного моделирования природы МО валентной области активных центров цитохромов/и с установлено, что структуры и энергии ВЗМО-1, ВЗМО, НВМО, НВМО+1 и НВМО+2 различных кластерных моделей цитохромов практически не отличаются.

2. Анализ полных и парциальных плотностей состояний и анализ заселенностей по Малликену показали, что их ВЗМО практически полностью сформированы р-орбиталями атомов углерода порфиринового кольца. Эти же орбитали на половину формируют ВЗМО-1 и дают наибольший вклад в НВМО и НВМО+1. Оставшиеся вклады в ЬЮМО, НВМО+1 и ВЗМО-1 приходятся на р-рбитали атомов азота порфиринового кольца. Следовательно, для изучения связи электронной структуры цитохромов, участвующих в электронном транспорте, с их биохимической активностью достаточно использовать кластерные модели активных центров.

3. В результате численного моделирования атомной и электронной структуры комплексов FeP с молекулами кислорода и оксида углерода (II) показано, что силы электростатического притяжения играют ведущую роль в формировании связи Fe-O2, а энергия взаимодействия находится в пределах 14.0 кДж/моль. При этом не возникает значительного обмена электронной плотностью между Fe и О2. Энергия связи Fe-CO составляет сотни кДж, что указывает на ее ковалентный характер. Прочность связей СО и О2 с Fe находится в обратной зависимости от степени смещения атома железа проксимально относительно порфириновой плоскости, что в свою очередь определяется структурными особенностями лиганда, в проксимальном положении.

4. Пространственная структура лиганда определяет степень проявления «макроциклического эффекта», который представляет собой один из факторов, влияющих на прочность связей |ТеР(АА)] И [ТеР(НС)], а сила химического связывания проксимального лиганда с FeP определяется его способностью донировать электроны, что непосредственно зависит от его ПИ.

5. Проведенное полуэмпирическим квантово-химическим методом РМЗ сравнительное исследование атомной и электронной структур комплексов FeP с Ог и N0 показало, что оксид азота (II) связан с железом гема ковалентно, а между кислородом и Fe формируются лишь слабые ион-дипольные взаимодействия. Именно это и определяет большее сродство N0 к атому Fe гема в отличие от О2.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Романрва ТА, Краснов П.О., Аврамов П.В. Изменение электронной структуры гема при образовании комплекса с оксидом азота и динамика атомного остова при физиологической температуре // ДАН. -2001. - Т.380. - №2. - С.263-265.

2. Романова Т.А., Краснов П.О., Аврамов П.В. Электронная структура комплекса гема гемоглобина с оксидом азота и динамика атомного остова при физиологической температуре // Вопросы медицинской химии. -2001.-Т.47.-№3.-С.308-315.

3. Романова Т.А., Кузубов А.А., Краснов П.О., Аврамов П.В. Структура и электронные свойства гема с различными лигандами // Биофизика. - 2003. - №4. - С.618-627.

4. Краснов П.О., Романова Т.А., Аврамов П.В., Кузубов А.А. Использование кластерных моделей для квантово-химического исследования гемопротеинов // Вестник КрасГУ: физико-математические науки. - 2003. - №3. - С.49-54.

5. Романова Т.А., Краснов П.О., Кузубов А.А., Аврамов П.В. Роль аминокислоты гистидин в лигандсвязывающей способности гема гемоглобина // Биоорганическая химия. - 2004. - Т.ЗО. - №2. - С. 124-128.

6. Романова ТА, Краснов П.О., Кузубов А.А., Аврамов П.В. Сравнительный квантовохимический анализ электронной структуры валентных областей кластерных моделей активных центров цитохромов/ и с IIЖурнал структурной химии. - 2004. - Т.45. - №2. - С. 199-206.

7. Романова Т.А., Кравченко О.В., Моргулис И.И., Кузубов А.А., Краснов П.О., Аврамов П.В. Подтверждение гипотезы гемопротеинового сенсора аЪ initio методами квантовой химии // Координационная химия. -2004. - Т.30. - №6. - С.432-435.

8. Краснов П.О., Кузубов А.А., Романова Т.А., Аврамов П.В. Влияние гетероциклического лиганда в пятом координационном положении атома железа в комплексе с порфирином на прочность связи молекулы оксида углерода (II) в шестом положении // Координационная химия. - 2004. -Т.30.-№9.-С.673-678.

9. Краснов П.О., Романова Т.А., Аврамов П.В. Изменение спинового состояния гема в процессе электронного транспорта // Вестник КрасГУ: естественные науки. - 2004. - №2. - С.43-48.

10.Краснов П.О., Романова Т.А., Аврамов П.В. Моделирование прочности химического связывания O2 с гемом замещением проксимального гистидина другими аминокислотами // Вестник КрасГУ: физико-математические науки. - 2004. - №5.' - С.99-104.

Подписано в печать 8.02.2005 Формат 60x85/16. у.-и. л. 1. Усл. печ. л. 1. Тираж 100. Заказ №6

Отпечатано в типографии Института Физики СО РАН 6600366 Красноярск, Академгородок, ИФ СО РАН

OfJS- OS. /3

f 1

о Ч 1 „ - I

? i / f 1 fíz

Î

2 2 АПР 2005 ■* U

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Гемопротеины, их функции в организме

1.2. Мутантные формы гемопротеинов

1.3. Получение и свойства мутантных форм гемопротеинов

1.4. Квантово-химические исследования гемопротеинов

1.5. Трансвлияние в комплексах порфиринов

1.6. Ингибирование активности гемопротеинов оксидом азота (И)

ГЛАВА 2. КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1. Метод Хартри-Фока-Рутаана

2.2. Атомные функции и базисные наборы

2.3. Полуэмпирические методы расчета

2.3.1. Методы INDO

2.3.2. Методы NDDO

2.4. Анализ электронных заселенностей

2.5. Электронная корреляция

2.6. Методы теории функционала плотности

2.7. Организация работы программы квантово-химических расчетов

ГЛАВА 3. СРАВНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАСЧЕТОВ

РАЗЛИЧНЫМИ МЕТОДАМИ

3.1. Расчет полных плотностей состояний молекулы железопорфина

3.2. Расчет геометрических характеристик молекулы тетрафенилпорфина железа(П)

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЯ КЛАСТЕРНЫХ МОДЕЛЕЙ

ГЕМОПРОТЕИНОВ

4.1. Построение кластерных моделей активных центров гемопротеинов

4.2. Объекты и методы исследования

4.3. Электронная структура валентной области активных центров

4.4. Изменение электронной структуры в процессе переноса электронов

ГЛАВА 5. ВЛИЯНИЕ ПРОКСИМАЛЬНОГО ЛИГАНДА ГЕМА

НА ПРОЧНОСТЬ СВЯЗИ С ДИСТАЛЬНЫМ ЛИГАНДОМ

5.1. Объекты и методы исследования

5.2. Природа химической связи аксиального лиганда с атомом железа тема

5.3. Комплексы железопорфирина с различными гетероциклическими молекулами в проксимальном положении и молекулой оксида углерода (II) в дистальном

5.4. Комплексы железопорфирина с различными аминокислотами в проксимальном положении и молекулой кислорода в дистальном

ГЛАВА 6. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИЧИН ИНГИБИРОВАНИЯ

ГЕМОГЛОБИНА МОЛЕКУЛОЙ ОКСИДА АЗОТА (II)

6.1. Объекты и методы исследования

6.2. Атомная и электронная структура исследуемых комплексов

6.3. Молекулярно-динамическое моделирование атомной и электронной структуры исследуемых комплексов

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 посвящены 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, NO, 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 (И) (NO) 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 NO. 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 NO 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;

2. выбор оптимальной атомной модели активного центра гемопротеинов для исследования особенностей структуры, изменений электронных состояний активного центра в процессе функциональной активности;

3. исследование геометрии и электронной структуры активных центров гемопротеинов, мутантных по аминокислоте в проксимальном положении; х *

4. исследование влияния замещения проксимальной аминокислоты на прочность связи лиганда в дистальном положении гема;

5. 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 ст способности вводимой аминокислоты донировать электроны, которую можно оценить по величине потенциала ионизации молекулы.

По результатам численного моделирования атомной и электронной структур комплексов железопорфина с NO и Ог 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 и др.).

Объяснен механизм большего сродства молекулы N0 к атому железа гема по сравнению с молекулой Ог, 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.

1. 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.

2. 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.

3. Большая прочность связи молекулы NO в отличие от Ог 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 симпозиум «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. JI.B. 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, 1 монография. 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 113 страниц, включающих 21 рисунок, 12 таблиц и список литературы из 96 наименований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Поскольку функциональная активность биологических молекул обусловлена в основном структурой молекулярных орбиталей валентной зоны, то можно утверждать: для изучения связи электронной структуры цитохромов, участвующих в электронном транспорте, с их биохимической активностью достаточно использовать кластерные модели активных центров.

Тем не менее, квантово-химические и молекулярно-динамическое исследования функциональной активности таких гемопротеинов, как цитохром Р450, цитохром-оксидаза, гемоглобин и пр., требуют обязательного учета аминокислотного окружения гема, поскольку оно обеспечивает селективный доступ лигандов к железу активного центра молекулы.

Валентные области различных кластерных моделей определенного цитохрома практически не отличаются, что видно по плотности состояний верхней заполненной (ВЗМО) и нижней вакантной (НВМО) молекулярных орбиталей, а, кроме того, для ВЗМО-1 (заполненная молекулярная орбиталь, предшествующая ВЗМО), НВМО+1 и НВМО+2 (следующие за НВМО вакантные молекулярные орбитали).

ВЗМО порфиринового кольца кластерных моделей цитохромов практически полностью сформирована р-орбиталями атомов углерода. Эти же орбитали на половину формируют ВЗМО-1 и дают наибольший вклад в НВМО и НВМО+1. Оставшиеся вклады в НВМО, НВМО+1 и ВЗМО-1 приходятся на /?-орбитали атомов азота порфиринового кольца.

Данный факт нашел отражение в распределении добавленного электронного заряда. При увеличении отрицательного заряда кластерных моделей на 1 (т.е. расчета с зарядом системы -1), эффективный отрицательный заряд (рассчитывался по Малликену) атомов углерода и азота порфиринового кольца увеличивается более чем на 0,5, а атома железа лишь на 0,02. Следовательно, добавленный электрон больше, чем на половину, распределяется в порфириновой части кластера. Оставшаяся часть электронной плотности распределяется на ближайшем аминокислотном окружении. При добавлении второго электрона (расчет с зарядом -2) наблюдаются те же соотношения величин в распределении эффективного отрицательного заряда.

Было показано, что силы электростатического притяжения играют ведущую роль в формировании связи Fe-02 при связывании молекулярного кислорода железопорфином и энергия взаимодействия находится в пределах 14.0 кДж/моль. При этом не возникает значительного обмена электронной плотностью между Fe к 02. В то же время, в ряду соединений [FeP(Fur)(CO)], [FeP(Im)(CO)], [FeP(Pyr)(CO)] энергия связи Fe-CO составляет, соответственно, 182.34, 143.73, 57.31 кДж/моль, что указывает на ковалентный характер взаимодействия железа с молекулой угарного газа. При этом прочность связей Fe с СО и 02 находится в обратной зависимости от степени смещения атома железа проксимально относительно порфириновой плоскости, что в свою очередь определяется структурными особенностями лиганда, в проксимальном положении.

Пространственная структура лиганда определяет степень проявления «макроциклического эффекта», который представляет собой один из факторов, влияющих на прочность связей [FeP(AA)] и [FeP(HC)]. А сила химического связывания проксимального лиганда с железопорфином определяется его способностью донировать электроны, что непосредственно зависит от его потенциала ионизации.

Проведенное полуэмпирическим квантово-химическим методом РМЗ сравнительное исследование атомной и электронной структур комплексов гема гемоглобина с кислородом (02) и оксидом азота (NO) показало, что межъядерное расстояние в молекулах лиганда меняется значительно. В молекуле 02 при связывании с гемом - возрастает на 0,046 А, в то время как, в молекуле NO - на 0,064 А. Это указывает на более прочную химическую связь между NO и Fe гема. Исходя из значений суммарного заряда молекулы, NO связан с железом гема ковалентно, а между кислородом и Fe формируются лишь слабые ион-дипольные взаимодействия. В комплексах гема с орбитали атомов лиганда дают небольшой вклад в ВЗМО и НВМО, в то время как, в комплексах с NO орбитали атомов лиганда существенно замешиваются в молекулярные орбитали комплекса. При этом происходит переход неспаренного электрона молекулы NO на af-орбиталь железа, формируя конфигурацию d7, 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 р-орбиталей атомов углерода и азота порфиринового кольца в результате тепловых молекулярных колебаний. В комплексах гема с NO (но не с 02) под действием температуры меняются относительные вклады р-орбиталей атомов азота и кислорода лиганда, J-орбиталей железа, что должно влияет на реакционную способность комплекса.

1. Николаев JI.A. Химия жизни / JI.A. Николаев. М.: Просвещение, 1973.-222 с.

2. Березов Т.Т. Биологическая химия / Т.Т. Березов, Б.Ф. Коровкин. -М.: Медицина, 1983. 752 с.

3. Ленинджер А. Биохимия / А. Ленинджер; под ред. А.А. Баева, Я.М. Варшавского; пер. с англ. М.: Мир, 1974. - 957 с.

4. Карякин А.В. Межмембранный перенос электронов / А.В. Карякин, А.И. Арчаков // Успехи соврем, биологии. 1981. - Т.91, Вып.1. -С.74-89.

5. Скулачев В.П. Энергетика биологических мембран / В.П. Скулачев. -М.: Наука, 1989.-565 с.

6. Coordination enviroment for the type 3 cooper center of tree laccase and CuB of cytochrome с oxidase as determined by electron nuclear double resonance / J. Cine et al. // JBC. 1983. - V.258, №8. - P.5124-5128.

7. Metal-metal bounding in biology: EXAFS evidence a 2,5 A copper-copper bond in the CuA center of cytochrome oxidase / N.J. Blackburn et al. // Biochemistry. 1994. - V.33, №34. - P. 10401-10407.

8. Accessibility of the cytochrome a heme in cytochrome с oxidase to exchangeable protons / P.V. Argade et al. // JBC. 1986. - V.261, №13. -P.5969-5963.

9. Babcock G.T. Redox-linked hydrogen bond strength changes in cytochrome a: implications for a cytochrome oxidase proton pump / G.T.

10. Babcock, P.M. Callahan // Biochemistry. 1983. - V.22, №10. - P.2314-2319.

11. Functional Cavities in Proteins: A General Method for Proximal Ligand Substitution in Myoglobin / Gia D. DePyrllis et al. // J. Am. Chem. Soc.- 1994. Vol.116, №15. - P.6981-6982.

12. Toney M.D. Direct Bronsted analysis of the restoration of activity to a mutant enzyme by exogenous amines / M.D. Toney, J.F. Kirsch // Science.- 1989. Vol.17, №243. - P.1485-1488.

13. Semisynthesis of bipyridyl-alanine cytochrome с mutants: novel proteins with enhanced electron-transfer properties / Deborah S. Wuttke et al. // J. Am. Chem. Soc. 1993. - Vol.115, №18. - P.8455-8456.

14. Wallace C.J. Functional role of heme ligation in cytochrome c. Effects of replacement of methionine 80 with natural and non-natural residues by semisynthesis / C.J. Wallace, I. Clark-Lewis // J. Biol. Chem. 1992. -Vol.267, №6. - P.3852-3861.

15. Momenteau M. Synthetic Heme-Dioxygen Complexes / Michel Momenteau, Christopher A. Reed // Chem. Rev. 1994. - Vol.94, №3. -P.659-698.

16. Mechanisms of Ligand Recognition in Myoglobin / Barry A. Springer et al. // Chem. Rev. 1994. - Vol.94, №3. - P.699-714.

17. Traylor T.G. Considerations for the Design of useful Synthetic Oxygen Carriers / T.G. Traylor, P.S. Traylor // Ann. Rev. Biophys. Bioeng. 1982. -Vol.11.-P. 105-127.

18. Congruent multiple Michael addition for the synthesis of biomimetic heme analogs / James P. Collman et al. // J. Am. Chem. Soc. 1994. -Vol.116, №6. - P.2681-2682.

19. Myosin isozyme synthesis and mRNA levels in pressure-overloaded rabbit hearts / R. Nagai et al. // Circulation Research. 1987. - Vol.60. -P.692-699.

20. The role of the distal histidine in myoglobin and haemoglobin // J.S. Olson et al. / Nature. 1988. - Vol.336, №6196. - P.265-266.

21. Lambright D.G. Ligand and proton exchange dynamics in recombinant human myoglobin mutants / D.G. Lambright, S. Balasubramanian, S. G. Boxer // J. Mol. Biol. 1989. - Vol.207, №1. - P.289-299.

22. Anatomy and Dynamics of a Ligand-Binding Pathway in Myoglobin: The Roles of Residues 45, 60, 64, and 68 / David G. Lambright fet al. // Biochemistry. 1994. - Vol.33, №18. -P.5518-5525.

23. The role of Val68(El 1) in ligand binding to sperm whale myoglobin. Site-directed mutagenesis of a synthetic gene / K.D. Egeberg et al. // J. Biol. Chem. 1990. - Vol.265, №20. - P.l 1788-11795.

24. CO Recombination to Human Myoglobin Mutants in Glycerol-Water Solutionst / S. Balasubramanian et al. // Biochemistry. 1993. - Vol.32, №9. - P.2202-2212.

25. Chemical models of hemoglobins and cytochromes P-450: Influence of the basicity of the proximal ligand on 02 and CO binding kinetics / D. El-Kasmi et al. // J. Am. Chem. Soc. 1995. - Vol.117, №22. - P.6041-6047.

26. Alben J.O. Infrared study of bound carbon monoxide in the human red blood cell, isolated hemoglobin, and heme carbonyls / J.O. Alben, W.S. Caughey // Biochemistry. 1968. - Vol.7, № 1. - P.l75-183.

27. Model Compounds of the T State of Hemoglobin / J.P. Collman et al. // Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1978. - Vol.75, №2. - P.564- 568.

28. Kinetics and mechanisms of carbon monoxide dissociation from chelated heme-carbon monoxide complexes. Models for hemoprotein reactions /

29. T.G. Traylor et al. // J. Am. Chem. Soc. 1979. - Vol.101, №18. -P.5376-5383.

30. Perutz M.F. Stereochemistry of cooperative effects in hemoglobin / M.F. Perutz // Nature. 1970. - Vol.228. - P.726-734.

31. Serine92 (F7) contributes to the control of heme reactivity and stability in myoglobin / S J. Smerdon et al. // Biochemistry. 1993. - Vol.32, №19 -P.5132-5138.

32. Spectroscopic study of Ser92 mutants of human myoglobin: Hydrogen bonding effect of Ser92 to proximal His93 on structure and property of myoglobin / Y. Shiro et al. // Biochemistry. 1994. - Vol.33, №50. -P. 14986-14992.

33. The proximal ligand variant His93Tyr of horse heart myoglobin / D.P. Hildebrand et al. // Biochemistry. 1995. - Vol.34, №6. - P.1997-2005.

34. Decatur S.M. lH NMR Characterization of Myoglobins Where Exogenous Ligands Replace the Proximal Histidine / Sean M. Decatur and Steven G. Boxer //Biochemistry. 1995. - Vol.34, №7. -P.2122-2129.

35. Антина E.B. Молекулярные комплексы порфиринов и металлопорфиринов / E.B. Антина, Н.Ш. Лебедева, А.И. Вьюгин // Журн. координ. хим. 2001. - Т.27, № 10. - С.784-789.

36. Miller L.M. Structural and Electronic Factors That Influence Oxygen Affinities: A Spectroscopic Comparison of Ferrous and Cobaltous

37. Oxymyoglobin / L.M. Miller, M.R. Chance // Biochemistry. Vol.34, №32. — P.10170-10179.

38. Equilibrium Geometries and Electronic Structure of Iron-Pphyrin Complexes: A Density Functional Study / C. Rovira et al. // J. Phys. Chem. 1997. - Vol.101, №47. - P.8914-8925.

39. Tokita Y. Ground and Excited States of Hemoglobin CO and Horseradish Peroxidase CO: SAC/SAC-CI Study / Y. Tokita, H. Nakatsuji // J. Phys. Chem. 1997. Vol.101, №16. - P.3281-3289.

40. Сравнительный квантовохимический анализ электронной структуры валентных областей кластерных моделей активных центров цитохромов f и с / Т.А. Романова и др. // Журнал структурной химии. 2004. - Т.45, №2. - С. 199-206.

41. Ломова Т.Н. Строение и спектры (ЭСП, ИКС) комплексов порфиринов с высокозарядными катионами р-, d- и f-металлов / Т.Н. Ломова, Б.Д. Березин // Координационная химия. 2001. - Т.27, №2. - С.96-116.

42. Monooxygenation Mechanism by Cytochrome P-450 / M. Hata et al. // J. Am. Chem. Soc. 2001. - V.123, №26. - P.6410-6416.

43. Damian A. Scherlis, Dario A. Estrin. Hydrogen bonding and 02 affinity of hemoglobins // J. Am. Chem. Soc. 2001. - Vol.123, No.34. - 8436-8437.

44. R.B. Murphy, D.M. Phillip, R.A. Friesner // J. Сотр. Chem. 2000. -V.21, №16. -P.1442.

45. Oxygen binding to iron Pphyrins. An ab initio calculation / A. Dedieu et al. // J. Am. Chem. Soc. 1976. - V.98, №12. - P.3717-3718.

46. Rovira C. The Iron-Sulfur Bond in Cytochrome с / С. Rovira, P. Carloni, M. Parrinello // J. Phys. Chem. B. 1999. - V.103, №33. - P.7031-7035.

47. Stopped-Flow Analysis of CO and NO Binding to Inducible Nitric Oxide Synthase / H.M. Abu-Soud et al. // Biochemistry. 1998. - V.37, №11. -P.3777-3786.

48. Stereochemistry of the Fe(II)- and Fe(III)-Cyanide Complexes of the Homodimeric Scapharca inaequivalvis Hemoglobin. A Resonance Raman and FTIR Study / A. Boffi et al. // Biochemistry. 1997. - V.36, №15. -P.4505-4509.

49. Endogenosus nitric oxide on mitochondial oxigen consumption after cerebal ischemic reperfusion / Z. Lin et al. // J. Med. Coll. PLA. 1997. - V.12, №.3. - P.196-199.

50. Ванин А.Ф. Оксид азота и его обнаружение в биосистемах методом электронного парамагнитного резонанса / А.Ф. Ванин // Успехи физических наук. 2000. - Т.170, № 4. - С.455-458.

51. Nitric oxide, a physiological modulator of mitochondrial function / Sh. Okada et al. // Physiol. Chem. Phys. Med. NMR. 1996. - V.28, №2. -P.69-82.

52. Watanabe Y. Roles of amino acid residues around heme on the formation of high valent intermediates // Proc.l 1th Int. Symp. Microsomes and Drug. Oxid., Los Angeles, Calif, 1996. P. 84.

53. Zahedi M. Semiempirical molecular orbital calculations of biliverdin: stability study of various isomers and conformation analysis / M. Zahedi, A. Shaabani, N. Safari // J. Mol. Struct.: THEOCHEM. 1998. V.452; №1-3. — P.125-131.

54. A.M. Мелешина. Курс квантовой механики для химиков. Изд-во ВГУ, Воронеж, 1974, 380 с.

55. A.M. Мелешина. Курс квантовой химии. Учебное пособие. Воронеж: Изд-во ВГУ, 1974, 200 с.

56. В.И. Минкин, Б.Я. Симкин, P.M. Миняев. Теория строения молекул / Серия «Учебники и учебные пособия». Ростов-на-Дону: Феникс, 1997 560 с.

57. О.В. Сизова, А.И. Панин, В.И. Барановский. Практика неэмпирических расчетов. СПб.: НИИХ СПбГУ, 2000. - 115 с.

58. О.В. Сизова, В.И. Барановский. Компьютерное моделирование молекулярной структуры. СПб.: НИИХ СпбГУ, 2000. - 127 с.*

59. Л. Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. Теоретическая физика: Учеб. Пособие для вузов. В 10 т. T.III. Квантовая механика (нерелятивистская теория). 4-е изд., испр. - М.: Наука, 1989, 768 с.

60. П.В. Аврамов, С.Г. Овчинников. Квантово-химическое и молекулярно-динамическое моделирование структуры и свойств углеродных наноструктур. Мультимедийное издание. Изд-во СО РАН, Новосибирск, 2000, 15 печ. листов.

61. С. Фудзинага. Метод молекулярных орбиталей: Пер. с японск. М.: Мир, 1983-461 с.

62. С. Эпштейн. Вариационный метод в квантовой химии. М.: Ми^, 1977, 362 с.

63. Д.А. Жоголев, В.Б. Волков. Методы, алгоритмы и программы для квантовохимических расчетов молекул. Киев: Наукова думка, 1976, 212 с.

64. Т. Кларк. Компьютерная химия: Пер. с англ. М.: Мир, 1990. — 383 с.

65. Полуэмпирические методы расчета электронной структуры. Т.1 / Перевод E.J1. Розенберга, A.M. Бродского. Изд-во «Мир» Москва, 1980.-327 с.

66. Michael С. Zerner, Gilda Н. Loew and al. An intermediate neglect of differential overlap technique for spectroscopy of transition-metal complexes. Ferrocene // J. Am. Chem. Soc., Vol.102, No.2, 1980, P. 589599.

67. Michael J.S. Dewar, Eve G. Zoebisch and al. AMI: A new general purpose quantum mechanical molecular model // J. Am. Chem. Soc., Vol.107, No. 13, 1985, P. 3902-3909.

68. James J.P. Stewart. Optimization of parameters for semiempirical methods1.// J. Сотр. Chem., Vol.10, No.2, P.209-220.

69. James J.P. Stewart. Optimization of parameters for semiempirical methods1. // J. Сотр. Chem., Vol. 10, No.2, P.221 -264.

70. Павлов П.В., Хохлов А.Ф. Физика твердого тела. М.: Высшая школа, 2000,493 с.

71. С. Уилсон. Электронные корреляции в молекулах: Пер. с англ. М.: Мир, 1987.-304 с.

72. P. Hohenberg and W. Kohn. Inhomogeneous Electron Gas // Phys. Rev. Lett, Vol.136, 1964, P.B864-B887.

73. W. Kohn and L. Sham. Self-Consistent Equations Including Exchange and Correlation Effects // Phys. Rev. Lett, Vol.140, 1965, P.A1133-A1138.

74. В. Кон. Электронная структура вещества волновые функции и функционал плотности // Успехи физических наук, Т. 172, №3, 2002, С.336-348.

75. J. P. Perdew and Y. Wang. Accurate and simple analytic representation of the electron-gas correlation energy // Phys. Rev. B, Vol.45, 1992, P. 1324413249.

76. S.J. Vosko, L. Wilk, M. Nusair. Accurate spin-dependent electron liquid correlation energies for local spin density calculations: a critical analysis // Can. J. Phys., Vol.58, 1980, P.1200.

77. A.D. Becke. Density-functional exchange-energy approximation with correct asymptotic behavior// Phys. Rev. A, Vol.38, 1988, P.3098-3100.

78. C. Lee, W. Yang, R.G. Parr. Development of the Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron density // Phys. Rev. B, Vol.37, 1988, P.785-789.

79. Becke A.D. A new inhomogeneity parameter in density-functional theory Hi. Chem. Phys., Vol.109,No.6, 1998, P.2093-2098.

80. J.P. Collman, J.L. Hoard, N. Kim, G. Lang, C.A. Reed. Synthesis, stereochemistry, and structure-related properties of a,(3,y,8-tetraphenylPphinatorin(II) // JACS, 1975 V.97, No. 10. - P.2676-2681.

81. Timkovich R. The structure of Paracoccus denitrificans cytochrome c550 / R. Timkovich, R.E. Dickerson // J. Biol. Chem. 1976. - V.251, №13. -P.4033-4046.

82. Solution structure of oxidized cytochrome Ce from the green alga Monoraphidium braunii / L. Band et al. // Biochemistry. 1998. - V.37, №14.-P.4831-4843.

83. High-resolution crystal structures of human hemoglobin with mutations at tryptophan 370: structural basis for a high-affinity T-state / J.S. Kavanaugh et al. //Biochemistry. 1998. - V.37, №13. - P.4358-4373.

84. Allinger N.L. Conformational analysis. 130. MM2. A hydrocarbon force field utilizing VI and V2 torsional terms / N.L. Allinger // J. Amer. Chem. Soc. 1977. - V.99, №25. - P.8127-8134.

85. Gaussian-1 Theory: A General Procedure for Prediction of Molecular-Energies / J.A. Pople et al. // J. Chem. Physics. Vol.90, №10. -P.5622-5629.

86. GAMESS / M.W. Schmidt et al. // J. Сотр. Chem. 1993. - Vol.14, №. — P.1347-1363.

87. Порфирины: структура, свойства, синтез / К.А. Аскаров и др.; под ред. акад. Н.С. Ениколопяна. М.: Наука, 1985. - 333 с.

88. Klasinc L. Application of photoelectron spectroscopy to biologically active molecules and their constituent parts. III. Amino acids / L. Klasinc // J. Elect. Spectr. Relat. Phen. Vol.8, №2. - 1976. - P.161-164.

89. Валуев А.А. Молекулярное моделирование химического взаимодействия атомов и молекул с поверхностью / А.А. Валуев, А.С. Калюгин, Г.Э. Норман. // Успехи химии. 1995. - Т.64, №7. - С.643-671.

90. Miller L.M. Identification of Conformational Substates Involved in Nitric Oxide Binding to Ferric and Ferrous Myoglobin through Difference Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) / L.M. Miller, A.I.

91. Pedraza, M.R. Chance // Biochemistry. 1997. - V.36, №40. - P. 1219912207.