ИСТИНА

В полном соответствии с объявленными ранее целями Проекта на 2016 г. получены результаты моделирования для двух ферментов, содержащих каталитически активный ион цинка – матриксной металлопротеиназы и аспартоацилазы. Кроме того, по результатам моделирования установлен реакционный механизм металлофермента фосфодиэстеразы с EAL доменом. (1) Сопоставлены энергетические профили реакции гидролиза олигопептидного субстрата в активном центре цинк-зависимого фермента матриксной металлопротеиназы, рассчитанные двумя вариантами метода квантовой механики/молекулярной механики (КМ/ММ). В первом случае для расчетов энергий и сил в квантовой части применен вариант теории функционала электронной плотности PBE0-D3/6-31G**, в другом случае - полуэмпирический вариант функционала плотности в приближении сильной связи DFTB. Показано, что экономный вариант моделирования (DFTB) позволяет передать качественные особенности механизма реакции, но приводит к значительным отличиям по сравнению с более традиционным квантово-химическим подходом (PBE0-D3/6-31G**) для энергий переходных состояний. (2) На основе рассчитанного методами КМ/ММ и молекулярной динамики профиля свободной энергии всех стадий гидролиза N-ацетиласпарагиновой кислоты (NAA) цинк-зависимым ферментом аспартоацилазой предложена кинетическая схема многостадийной реакции. Оцененные на основе теории переходного состояния с использованием рассчитанного энергетического профиля кинетические константы скорости всех элементарных стадий позволяют выделить основные вклады в процесс и теоретически определить параметры схемы Михаэлиса-Ментен. (3) По результатам расчетов методом КМ/ММ описан механизм реакции гидролиза циклического димерного гуанозинмонофосфата фосфодиэстеразами с EAL доменом. Эти ферменты содержат в активном центре биядерный магниевый центр, и анализ катализируемых ими химических превращений необходим для сравнения результатов с планируемыми в данном Проекте результатами исследований цинк-содержащих фосфодиэстераз. Основной проблемой механизма гидролиза фосфодиэстеразами является нахождение пути передачи протона от каталитической воды на атом кислорода при разрываемой фосфорно-кислородной связи. По результатам моделирования показано, что миграция протона проходит по ориентированным цепям водородных связей (протонным проводникам).

Modeling mechanisms of chemical reactions at the active sites of zinc-dependent enzymes has been accomplished

Как предполагалось в заявке Проекта, на второй год планируются работы по моделированию механизмов реакций, катализируемых металло-бета-лактамазой. Планируется также выполнить методические работы по моделированию цинк-зависимых ферментов с биядерным металлическим центром.

1. Vasilevskaya Tatiana, Khrenova Maria G., Nemukhin Alexander V., Thiel W. Reaction mechanism of matrix metalloproteinases with a catalytically active zinc ion studied by the QM(DFTB)/MM simulations. // Mendeleev Communications, 2016, 26, 209-211. 2. Grigorenko Bella L., Knyazeva Marina A., Nemukhin Alexander V. Analysis of proton wires in the enzyme active site suggests a mechanism of c-di-GMP hydrolysis by the EAL domain phosphodiesterases. //Proteins: Structure, Functions, Bioinformatics, 2016, 84, 1670-1680. 3. Варфоломеев С.Д., Коц Е.Д., Хренова М.Г., Лущекина С.В., Немухин А.В. Суперкомпьютерные технологии в структурно-кинетическом исследовании механизмов ферментативного катализа. Квантово-химическое описание катализа аспартоацилазой. // Доклады Академии Наук, 2017, в печати 4. Капуста Д. П., Хренова М. Г., Фирсов Д. А. Моделирование влияния растворителя на каталитические способности матричной металлопротеиназы ММР-2. // Тезисы докладов XXXIV Всероссийского симпозиума молодых ученых по химической кинетике, 2016, с.24