Селен присутствует в активных центрах белков (селенопротеинов) в виде одного или нескольких остатков селеноцистеина (аминокислоты, которая отличается от цистеина заменой атома серы на селен). Функции селенопротеинов в основном связаны с механизмами защиты от окислительного стресса. Однако к настоящему моменту в научном сообществе нет единого мнения о деталях каталитического механизма глутатионпероксидазы. Преимущественно это связано с тем, что результаты его экспериментального моделирования существенно зависят от используемых модельных систем и условий.
Данный проект посвящён квантово-химическому моделированию каталитических реакций с участием антиоксидантного фермента глутатионпероксидазы на примере модельных соединений, которые имитируют действие активного центра белка. В текущем отчётом году методами квантовой химии были исследованы особенности внешних электронных оболочек фрагментов R–SeH, R–Se(–) и R–SeOH (R = CH3), которые можно рассматривать как упрощенные модели активного центра глутатионпероксидазы вдоль по каталитическому пути (восстановление пероксидов), при помощи анализа распределения функции локализации электронов и электростатического потенциала. Показано, что преимущественным направлением для нуклеофильной атаки на фрагмент R–Se(–) является обеднённая электронами область на продолжении связи C–Se. Продемонстрировано, что в водных средах ближайшие к атому селена молекулы воды стремятся образовывать водородные связи OH···Se, которые, в свою очередь, влияют на распределение электронной плотности на продолжении связи C–Se, а именно наблюдается увеличение максимального значения молекулярного электростатического потенциала на атоме селена. Определено количество молекул воды, необходимое для насыщения первой координационной сферы селена для фрагментов R–SeH, R–Se(–) и R–SeOH, оно равно двум, шести и двум соответственно. Несмотря на то, что эти водородные связи достаточно слабые (<7 ккал/моль), их присутствие сильно влияют на электронную оболочку селена. Причём оказалось, что сольватация не блокирует направление потенциальной нуклеофильной атаки. Было показано, что химический сдвиг ЯМР 77Se крайне чувствителен как к степени окисления, так и к состоянию гидратации селенсодержащего фрагмента, поэтому может быть успешно использован для экспериментального исследования селенсодержащих соединений, а именно определения как состояния окисления, так и степени гидратации.
Показано, что параметры ЯМР (химический сдвиг селена δSe) существенно изменяются при последовательном добавлении молекул воды. Сравнение экспериментального значения δSe с расчетным показывает, что лучшее согласие достигается для полностью насыщенной молекулами воды первой координационной сферы атома селена. В то же время молекулы воды, не взаимодействующие напрямую с атомом селена (т. е. расположенные во второй координационной сфере селена), не изменяют заметно электронную оболочку селена. Следовательно, можно утверждать, что для более точного моделирования селенсодержащих фрагментов необходим явный учёт влияния дополнительных взаимодействий, в частности невалентных взаимодействий с молекулами растворителя или другими аминокислотными остатками в боковых цепях белка.
Также проведено моделирование особенностей внешних электронных оболочек для более крупной модельной системы – молекулы селеноцистеина. Показано, что особенности внешних электронных оболочек фрагментов R–SeH, R–Se(–) и R–SeOH не содержат заметных отличий для случая R = CH3 и целой молекулы аминокислоты. Следовательно, способность активного центра глутатионпероксидазы вступать в различные химические реакции, в частности эффективно восстанавливать пероксиды, обусловлена присутствием именно атома селена с его легкополяризуемой электронной оболочкой.
Были определены термодинамические параметры каталитического восстановления перекисей для модельных систем в вакууме, показана энергетическая выгодность такой реакции.
По результатам первого года реализации проекта, можно заключить, что продемонстрированная чувствительность особенностей электронных оболочек селенсодержащих фрагментов к эффектам окружения может найти практическое применение в вопросах тонкой подстройки антиоксидантной активности селеносодержащих лекарственных препаратов.
1. Получены распределения электростатического потенциала на изоповерхности (0.01 а.е.) электронной плотности и некоторые изоповерхности функции локализации электронов для молекул a селеноцистеина RSeH, b ее депротонированной RSe(-), c окисленной RSeOH, d дважды окисленной RSeOOH и e селен-сульфидной форм RSeSC2H5. Показано, что особенности электронного строения селеноцистеинового фрагмента значительно изменяются в процессе каталитического превращения.
2. Получены термодинамические характеристики всех этапов каталитического цикла селеноцитсена. Полученный профиль реакции показывает, что предложенный механизм является действительно энергетически выгодным.
3. Проведён анализ информативности химического сдвига ЯМР ядра селена-77 для оценки степени окисления и определения формы селеноцистеинового фрагмента. Оказалось, что диапазон изменения химических сдвигов для соединений a, b, c, d и e превышает 1000 м.д. Таким образом показано, что измерения химического сдвига ядра селена Se может быть источником надёжной информации о степени окисления селеноцистеинового фрагмента.
4. По итогам выполнения п. 1–3 был представлен доклад на международной конференции Spinus 2021.
5. Как было показано выше, энергетика процесса депротонирования селеноцистенового фрагмента в значительной степени зависит от депротонирующего агента. На основании этого было принято решение провести моделирование с большим вниманием к локальному и глобальному окружению атома селена. Так водная среда белка может быть учтена при помощи неявного введения растворителя (например при помощи модели CPCM) или при помощи явного насыщения первой координационной сферы атома селена молекулами воды. Для этого были изучены особенности электронных оболочек модельных селенсодержащих фрагментов (R–SeH, R–Se(–) и R–SeOH, R = CH3).
Показано, что направления, с которых молекулы воды могут приближаться к селенсодержащим фрагментам, определяются особенностями внешней электронной оболочки вблизи атома селен. Было показано, что в первой координационной сфере атома селена CH3–Se(–) могут расположиться до шести молекул воды, а для атомов селена CH3–SeH и CH3–SeOH – только две.
6. Получены структуры соединений CH3–SeH, CH3–Se(–) и CH3–SeOH с полностью заполненными первыми координационными оболочками. Показано, образование водородной связи с первой молекулой воды не вызывает образования обеднённой электронами области около атома селена на продолжении водородной связи OH···Se, то есть не ограничивает направления для приближения последующих молекул воды. Следовательно, если реакция R–Se(–) с H2O2 (этап 2 → 3) действительно проходит по нуклеофильному механизму, потенциальным направлением для атаки пероксида является обедненная электронами область на продолжении связи C–Se, причём локализация заряда в этой области может регулироваться водородными связями OH···Se.
7. Показано, что несмотря на относительную слабость каждой водородной связи OH···Se (энергия связи не превышает 7 ккал/моль), присутствие воды вблизи атома селена оказывает сильное влияние на его электронную оболочку
8. Показано, что при насыщении первой координационной сферы атома селена молекулам воды также значительно меняется и химический сдвиг селена δSe. В вакууме химические сдвиги селена δSe для CH3–SeH, CH3–Se(–) и CH3–SeOH равны –172 м.д., –221 м.д. и 1069 м.д. соответственно. Можно сделать вывод, что чувствительность химического сдвига δSe к нековалентным взаимодействиям, образованным фрагментом R–Se(–), позволяет в принципе экспериментально различать различные состояния гидратации фрагмента.
9. По результатам выполнения пунктов 5–8 была опубликована статья в журнале Physical Chemistry Chemical Physics (Q1).
10. Проведено детальное изучение структуры и свойств водородных связей O–H···Se(–) в кластерах CH3Se(–)∙∙∙(H2O)n. Были изучены структуры 154 стабильных конформеров кластеров CH3Se(–)∙∙∙(H2O)n. Было показано, что для кластеров CH3Se(–)∙∙∙(H2O)n с фиксированным числом молекул воды и выбранным типом самоассоциации молекул воды энергетические различия между конформерами не превышают 0.07 ккал/моль. Конформеры с наименьшей электронной энергией в каждой группе были выбраны для дальнейшей повторной оптимизации на уровне CCSD/aug-cc-pVDZ.
11. Изучены зависимости геометрических параметров водородных связей O–H∙∙∙Se межатомных расстояний rOH и rH···Se от числа молекул воды n в кластерах CH3Se(–)∙∙∙(H2O)n. Показано, что при увеличении n межатомное расстояние rOH уменьшается, а межатомное расстояние rH···Se увеличивается, что свидетельствует об ослаблении водородных связей O–H∙∙∙Se(–). Общая длина водородного мостика O–H∙∙∙Se(–) для всех комплексов составляет примерно 3.38–3.53 Å, что соответствует умеренно слабым водородным связям. Таким образом, в общем можно сказать, что водородные связи O–H∙∙∙Se(–) в кластерах CH3Se(–)∙∙∙(H2O)n.антикооперативны (то есть ослабляют друг друга).
12. На основании результатов пунктов 10–11 опубликована вторая статья в журнале Journal of Computational Chemistry (Q1).
Тупикина Елена: руководство проектом, подготовка публикаций, проведение расчётов, анализ данных.
Карпов Валерий: проведение расчетов.
| Acronym | RSF_MOL_2020 - 1 |
|---|
| Status | Finished |
|---|
| Effective start/end date | 27/07/20 → 30/06/21 |
|---|
