Структура и механизм функционирования активных центров биологически важных комплексов альфа-металлов

Васильева, Людмила Юрьевна

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Структура и механизм функционирования активных центров биологически важных комплексов альфа-металлов
ВАК РФ 03.00.02, Биофизика

Автореферат диссертации по теме "Структура и механизм функционирования активных центров биологически важных комплексов альфа-металлов"

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

со со

сп

На правах рукописи УДК 571.1:571.3; 539.194; 541.6:572.5

ВАСИЛЬЕВА ЛЮДМИЛА ЮРЬЕВНА

СТРУКТУРА И МЕХАНИЗМ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ АКТИВНЫХ ЦЕНТРОВ БИОЛОГИЧЕСКИ ВАЖНЫХ КОМПЛЕКСОВ а-МЕТАЛЛОВ

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

03. 00. 02 - биофизика

АВТОРЕФЕРАТ

Москва 1998

Работа выполнена в Тверском государственном университете

Научный консультант:

Официальные оппоненты:

доктор химических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ, академик Петровской Академии наук и искусств Папулов Ю.Г.

доктор химических наук, профессор Комиссаров Г.Г., доктор физико-математических наук, профессор Федянин В.К. доктор физико-математических наук, профессор Аксенов С.И.

Ведущая организация:

Институт биологии РАН

молекулярной

Защита состоится заседании Диссертационного

_ 1998 г. в на

совета Д 053.05.53 при Московском государственном университете по адресу: 119899 Москва, Воробьевы горы, МГУ, Биологический факультет (ЛИК).

С диссертацией можно ознакомиться биологического факультета МГУ.

в библиотеке

Автореферат разослан " ^ " 1998 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета, доктор биологических наук,

профессор_I л _ _Кренделева Т.Е.

Актуальность темы. Биологически активные соединения, содержащие ионы переходных металлов, играют важную роль в процессах жизнедеятельности. Анализ структуры простейших металлоферментов и более сложных железопорфиринов показал много общего: наличие активного центра, содержащего ионы металлов переходного ряда (Ре2+, Си2+, Со2+, ¿п2+, Мп2+). Стереохимия активных центров определяется электронной конфигурацией центрального иона, определяющей его координационное число, и природой лиганда. Как правило, взаимодействие центрального иона с лигандами осуществляется по донорно-акцепторному механизму: ион переходного металла предоставляет для связи вакантные орбитали, белковый лиганд - неподеленную пару электронов либо от атома азота пептидной группы, либо от кислорода. Поведение иона-комплексообразователя можно рассматривать с помощью теории кристаллического поля и теории поля лигандов. В настоящее время довольно подробно изучена структура многих металлоферментов, однако механизм действия их активных центров не определен.

Анализ имеющихся в литературе данных позволил предположить: 1) несмотря на различные функциональные свойства, механизм действия активных центров металлоферментов один и тот же: акцептирование и донирование электронов;

2) для выяснения структуры, функциональных свойств, механизмов действия биологически активных координационных соединений необходим комплексный подход: применение конформационного анализа для расчета структуры активного центра и квантовохимических методов для получения энергетических характеристик на различных этапах функционирования.

Особый интерес представляет проблема точности расчетных методов. Весьма сложная структура ферментов, содержащих активный центр и сотни аминокислотных остатков, недоступна для точных расчетов. Поэтому необходимо использовать комплексный подход и решать две задачи: 1) выделить активный центр и рассматривать его энергетические характеристики на основе качественных расчетных методов квантовой химии; 2) для учета ближайшего окружения активного центра и возможного влияния на его структуру использовать конформационный анализ. Подобный подход к

рассмотрению и расчету структуры белковых комплексов дает возможность создавать модели их активных центров.

Большое количество работ посвящено изучению структуры фотосистемы 2 (ФС II) в целом, структуре кислородвыделяющего комплекса (КВК), электронному транспорту. К ним относятся классические работы Б.А. Рубина, А.Б. Рубина, А.К. Кукушкина, А.Н. Тихонова, М.Г. Гольдфельда, Говинджи и др.

В настоящее время известно, что КВК ФС II хлоропластов растений - это надмолекулярный пигментбелковый комплекс, в фотохимически активном центре которого происходит расщепление молекулы воды и передача электрона от воды в ЭТЦ хлоропластов для образования первичных восстановленных продуктов фотосинтеза. Экспериментальные данные указывают на то, что в фотохимическом окислении воды и выделении кислорода принимает участие комплекс, содержащий ионы марганца. Глобальный масштаб этого процесса и его значение в круговороте веществ в природе трудно переоценить. Этим объясняется актуальность изучения механизма функционирования КВК.

В литературе обсуждается много моделей марганцевого комплекса, активные центры которых представляют в виде кластеров, состоящих из четырех ионов марганца или кластеров - димеров (результаты EXAFS-измерений и др.). Достаточно много информации о белковом составе комплекса. Функционирование активного центра связывают с изменением зарядового состояния ионов марганца, соотнося их с Sr состояниями модели Кока (Кок и др., 1970). Однако имеющихся данных оказалось недостаточно для выяснения механизма процесса выделения кислорода.

Как правило, модели белково-марганцевого комплекса строятся без учета электронной конфигурации центрального иона, которая определяет механизм функционирования активного центра. Применение предложенного подхода дает возможность на качественном уровне определить стереохимию активного центра, используя теорию кристаллического поля (ТКП), рассмотреть образование молекулярных орбиталей (МО) комплекса и распределение на них электронов (теория поля лигандов). Поскольку стереохимия и электронная конфигурация комплекса определяет механизм функционирования активного центра на электронном уровне, то возникает необходимость разработки простого в употреблении метода, дающего качественные оценки электронной

структуры, которая в конечном итоге определяет функциональные характеристики металлофермента.

Необходимо также отметить, что использование ТКП и теории поля лигандов дает возможность сделать выбор из предполагаемых моделей, определить наиболее вероятную структуру активного центра.

В настоящей работе квантовохимический подход применялся к марганцевым комплексам (моно- и полиядерным), к более сложным электронным системам: ферредоксину (Ре4$4-кластеры в активном центре), нитрогеназе - полиядерном металлоферменте. На сегоднишний день имеется достаточно информации о составе ее активного центра, обсуждаются модели предполагаемой структуры активного центра фермента, включающего РедБ-гкластер и связанный с ним FeMo-белковый кластер (работы Лихтенштейна Г.И., Шилова А.Е., Сырцова A.A., Гвоздева Р.И., Котельникова А.И.). Нитрогеназа

- центральный фермент биологической фиксации молекулярного азота. Проблема фиксации азота в искусственных ' условиях обсуждается давно, но до сих пор не решена и механизм процесса остается дискуссионным. Надо полагать, что рассмотрение электронной структуры дает возможность представить механизм функционирования активного центра нитрогеназы.

Диссертация выполнена в соответствии с планом научных работ Тверского государственного университета по направлению: "Связь свойств веществ со строением молекул" (государственный регистрационный номер 01.84.008536).

Цель и задачи исследования. Основной целью работы является исследование взаимосвязи структуры и функций активных центров некоторых биологически активных комплексов ионов переходных металлов. Она определяет ряд задач:

- выявить на основе анализа электронной конфигурации ионов ■ переходных металлов, входящих в активные центры металлоферментов, общие закономерности их структуры;

- разработать на основе этих закономерностей простой алгоритм, позволяющий на качественном уровне оценить электронную конфигурацию активного центра металлофермента, содержащего ион переходного металла на основе теории кристаллического поля и теории поля лигандов;

- рассмотреть на основе алгоритма: 1) моноядерный комплекс; 2) кластер - моноядерный комплекс; 3) кластер - димер; 4) полиядерные кластеры;

- провести качественный квантовохимический расчет энергетических характеристик моноядерного активного центра марганцевого комплекса на различных этапах его функционирования;

- разработать базовую схему реализации ОН'-радикалов и общую схему процесса выделения кислорода при фотосинтезе, включающего всех его участников;

- разработать на основе квантовохимической модели активного центра нитрогеназы механизм его функционирования.

Научная новизна. Впервые разработан алгоритм построения электронной структуры активного центра комплексов ионов переходных металлов в виде корреляционных диаграмм, которые дают возможность смоделировать механизм функционирования и определить возможны ли с квантовохимической точки зрения те или иные теоретические модели.

Впервые разработаны: 1) модели электронного строения активных центров moho-, полиядерных комплексов на примере ряда металлоферментов, в том числе белково-марганцевого комплекса, участвующего в процессе выделения кислорода при фотосинтезе; 2) этапы функционирования активного центра марганцевого комплекса (восстановление Р+ш, расщепление молекулы воды; 3) базовая схема реализации ОН'-радикалов с участием ксантофиллов или органических соединений, способных образовывать эпоксидную группу; 4) общая схема процесса выделения кислорода, включающая всех участников процесса; 5) механизм функционирования активного центра нитрогеназы.

Практическая значимость. Полученные в работе результаты могут найти применение при прогнозировании и конструировании лекарственных препаратов, моделировании процессов, происходящих с участием металлоферментов недоступных для экспериментального исследования.

По материалам диссертации написаны два учебных пособия, которые используются при чтении спецкурсов для бакалавров и магистров по направлению "химия" Тверского госуниверситета. Результаты работы используются также в учебном процессе в Тверском техническом университете и Московской Академии приборостроения.

Часть диссертационного материала (процесс выделения кислорода) вошла в монографию "Физиология растительных организмов" (с соавторами, издательство МГУ, 1989 г.).

Апробация работы. Результаты работы были доложены на: Всесоюзном совещании "Современные проблемы кристаллохимии" (Бологое, 1981), четвертой Республиканской школе-семинаре "Моделирование развивающихся систем" (Славское, Львовской обл., 1983), Российской научной конференции с участием зарубежных ученых "Математические модели нелинейных возбуждений: переноса, динамики, управления в конденсированных системах и других средах" (Тверь, 1994), второй Международной конференции "Математика, компьютер, образование" (Москва - Пущино, 1995), Международной научной конференции "Математические модели нелинейных возбуждений, переноса, динамики, управления в конденсированных системах и других средах" (Тверь, 1996), научном семинаре по теоретической биологии на кафедре научной информатики МГУ (1988), межгородском семинаре по теоретической биофизике в институте им. П.Н. Лебедева (1988), научном семинаре кафедры информатики и теории игр ТвГУ (1990), на межвузовском научном семинаре кафедры физической химии ТвГУ (1995) и т.д.

Публикации. По результатам работы опубликовано 25 работ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, выводов, 67 схем и рисунков, 14 таблиц и списка цитированной литературы из 149 наименований. Общий объем работы - 220 страниц машинописного текста.

Содержание работы.

В введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы основные задачи работы, кратко изложено содержание глав.

В первой главе "Общие представления о структуре активных центров, содержащих ионы переходных металлов, ряда биологических комплексов" проведен анализ структуры и функций активных центров металлоферментов, содержащих ионы с1-металлов Ре2+, Си2+, гп2+, Мп2+, с целью выявления закономерностей. Показано, что функционирование подобных комплексов определяется следующими факторами: 1) природой центрального иона; 2) первичной последовательностью аминокислот; 3) природой лигандов; 4) структурой активного центра. Характерные свойства таких

комплексов следующие: 1) орбитали лигандов и ионов металла взаимодействуют при условии их соответствия по симметрии и энергии; 2) в комплексах металлов с белками ион-комплексообразоватедь обычно связывается с пептидным азотом или кислородом по механизму донорно-акцепторного взаимодействия; ион предоставляет с!-орбитали, пептидный азот или кислород -неподеленную пару электронов. Часто при этом координационная связь сопровождается образованием хелатных колец, повышающих устойчивость комплекеа.

Глава II "Квантовохимические методы, используемые для описания структуры активных центров комплексных соединений" содержит теоретическое объяснение структуры комплексных соединений и образование координационных связей с позиций двух методов: теории кристаллического поля (ТКП), теории поля лигандов (ТПЛ). Эти методы подробно изложены в литературе.

Механизм образования координационной связи для комплексов с с1-металлами, как правило, донорно-акцепторный. Центральный ион предоставляет для связи вакантные атомные орбитали (АО), акцептируя электрон или неподеленную пару электронов лиганда. У центрального иона вакантными являются гибридные АО, у ионов

ОХ Ч I , ч *

переходных металлов типа Си , Ре , Мп имеет место (1 эр -гибридизация. Необходимо учитывать направленность, т.е. взаимное расположение в пространстве орбиталей центрального иона и лигандов. Наибольшее перекрывание АО донора и акцептора приводит к минимальному значению энергии системы и перераспределению электронной плотности.

ТКП основана на электростатическом подходе. Рассматривается электростатическое взаимодействие между центральным ионом и лигандами, но при этом учитываются только атомные орбитали (АО) центрального иона, их распределение в пространстве. Структура лигандов не учитывается, они рассматриваются лишь как источники внешнего электрического поля, действующего на центральный атом, вызывая расщепление внешнего энергетического уровня, для ионов Си2+, Ре2+, Мп2+ - это с1-орбитали.

В теории электронного строения и свойств координационных соединений большое значение имеют представления о симметрии, наиболее полное описание которой достигается применением математической теории групп.

В квантовохимических исследованиях применение теории оказывается возможным в связи со свойствами симметрии атомных и молекулярных систем. Состояние таких систем описывается волновыми функциями i^i, ц/г, ... удовлетворяющими

стационарному уравнению Шредингера

Н\р1=Е1щ (1)

Для квантовой химии важно то, что каждому энергетическому уровню молекулы сопоставляется определенное неприводимое представление (НП) ее группы симметрии. Таким образом, можно получить информацию о свойствах и строении различных молекулярных систем.

Применение метода молекулярных орбиталей (МО) к многоатомным комплексным соединениям и обобщенных представлений ТКП в квантовой химии получило название теории поля лигандов. Комплекс рассматривается как единое целое. Строгие (<ab initio) и полуэмпирические методы МО для комплексных соединений сложны. Значительные упрощения в волновых уравнениях можно достигнуть, используя теорию симметрии. Суть упрощения в том, что с ее помощью можно не учитывать ЛКАО, не относящиеся ни к какому НП точечной группы симметрии.

Для обозначения типов симметрии МО (или АО) используются печатные (или малые - строчные) буквы: 1) символ А(а) или В -одномерные представления, Е(е) - двумерные, T(t) - трехмерные (размерность представления соответствует кратности вырождения); 2) индексы g и и у символа НП указывают на поведение функции при операции инверсии (четность, нечетность); 3) индексы 1 и 2 указывают на изменение знака волновой функции при поворотах и отражениях.

В образовании с-связей с лигандом участвуют три АО центрального иона, d-орбитали металла участвуют в образовании как л, так и ст-связей с лигандами (T|U), а три t2g-op6muriH (АО) образуют только п-МО, орбитали лиганда симметрии T2g и Тг„ не участвуют в образовании связи с центральным ионом, ГО (гибридные орбитали) разделяются на связывающие и разрыхляющие. Типичная схема образования ГО для октаэдрических комплексов представлена на рис.1.

Рис.1. Схема образования МО для октаэдрических комплексов

В заключении можно сделать следующие выводы относительно применения теории поля лигандов к комплексным соединениям:

1) комплекс всегда можно отнести к определенной точечной группе симметрии;

2) МО комплекса выражается в виде линейной комбинации АО центрального атома и ГО лигандов. При сортировке групповых МО и рассмотрении электронной структуры активного центра необходимо: а) отнести АО центрального иона к тем или иным типам симметрии (табл. 1); б) определить тип симметрии ГО лигандов;

3) комбинирование полученных АО и ГО, принадлежащих одному и тому же типу симметрии.

В табл.1 приводятся характерные электронные конфигурации для октаэдрических систем симметрии Оь для ионов «¡-металлов, чаще встречающихся в биологически активных комплексах.

Рассмотренные положения теории поля лигандов использовались для построения корреляционных диаграмм для активных центров моно- и полиядерных биологически активных комплексов.

Таблица 1.

I Электронная конфигурация Ионы Высокоспиновые (слабые поля лигандов) Низкоспиновые (сильные поля лигандов)

электронные конфигурации основное состояние электронные конфигурации основное состояние

d4 MnJ+ (b„t)V,IV (tVfttU)1 %

db Mnz+ (t\„t)3(e\T)2 bAlg %

d6 (t'z.tiV.Wi.i)1 % 'А,в

d' itU)V,W„l)2 4T,g (t'Mt'MeJV

d" (tiJfitMeWie'M g

dw Zni+ rtU)V.mtU>3(eU>2 'Alg (tV)3(tV)W)V^)2 'A,g

Глава III. Построение модели белково-марганцевого комплекса, участвующего в фотосинтезе.

Общие представления о фотосинтетическом аппарате.

Кратко основные стадии фотосинтеза можно представить следующим образом: поглощение кванта света, расщепление

молекулы воды (Н20 —>2ё+ 2Н+ + с выделением кислорода,

переноса электрона по электронно-транспортной цепи (ЭТЦ) на конечный акцептор с образованием двух молекул НАДФН+ и трех молекул АТФ. С физико-химической точки зрения фотосинтез представляется как окислительно-восстановительный процесс, сопровождающийся переносом электрона от воды к сложным органическим соединениям в конечном итоге. При этом электрон переходит из более устойчивого состояния в менее устойчивое, т.е. происходит подъем электрона на более высокий энергетический уровень. Первичными реакциями фотосинтеза являются поглощение кванта света и последующее разделение зарядов.

Для осуществления процесса в хлоропластах сформировалась светособирающая система из набора различных форм хлорофилла, каротиноидов и ксантофиллов. Система, имеющая конъюгированные связи, создает благоприятные условия для передачи энергии возбуждения по специфическому механизму миграции энергии в реакционный центр ФС II, включающий у высших растений хлорофилл с определенным механизмом поглощения. Изучение реакционного центра ФС II привело к представлению о комплексе,

состоящем из трех компонентов: акцептора, пигмента - хлорофилла с максимумом поглощения 680 нм и донора. Невыясненным остался вопрос о природе акцептора и донора, о механизме преобразования энергии в таком центре, приводящем к расщеплению молекулы воды и выделению кислорода. Известна последовательность реакций, происходящих в реакционном центре: первичный акт - фотоокисление пигмента и передача электрона акцептору, вторичный акт -восстановление Р+б8о- Важнейшим актом работы ФС II является процесс выделения кислорода, который происходит с участием первичного донора неизвестной природы. Настоящая глава посвящена изучению донорной части ФС II, т.е. участку ЭТЦ, включающему первичный донор. Поскольку в работе обсуждается модель первичного донора, представляющего биологически активный марганецсодержащий комплекс, то большой интерес представляет выяснение структуры комплекса, механизм его действия.

Обсуждение квантовохимической модели белково-марганцевого комплекса.

Для разработки модели активного центра белково-марганцевого комплекса и описания механизма его действия рассматривался процесс выделения кислорода в нескольких планах: химическая сторона - формирование молекул Ог, сопровождающееся образованием радикалов; физическая проблема: транспорт электронов и удаление радикалов, образовавшихся при расщеплении молекул воды от "места действия"; структура кислородовыделяющей системы; кинетическая сторона - строгое чередование всех этапов во времени. Имеющиеся в литературе модели кислородовыделяющей системы касались или только химической, или кинетической, или структурной проблемы.

В настоящей работе обсуждается квантовохимическая модель активного центра комплекса, построенная на основе имеющихся в литературе многочисленных экспериментальных данных и тех закономерностей, которые были сформулированы в первой главе относительно биологически активных комплексов различных ионов переходных металлов. Маловероятно, что именно для фотосинтетического аппарата природа создала совершенно уникальный комплекс, не имеющий себе аналога. Специфичность белково-марганцевого комплекса определяется центральным ионом марганца.

В основу обсуждаемой модели положены следующие предположения: 1) в комплекс входит один или два иона марганца; 2) лигандом является фрагмент полипептидной цепочки. Предполагается, что комплекс образуется непосредственно остовом цепочки с образованием донорно-акцепторной связи иона металла с четырьмя пептидными азотами или кислородами - с12Бр3-гибридизация. Модель строилась с учетом того, что две связи центрального иона должны участвовать в функционировании комплекса и не включаться в координационную связь с белковым лигандом и вторым ионом марганца. Для четкого функционирования комплекса необходимым условием должно явиться постоянное сохранение симметрии.

З/'Зр* Зс!5 4/>

(ШШШпШВМп

Ьр

шшшпшПЙт

смраишив ахшь

ЖТР1

1111

соапше

] 1п $ комплексе отаэдрическое поле шганцоо

(ШЛИ®

Л 11 I II мПп Ьктлт

с// Ы/_уг

Рис.2, а) Электронные конфигурации атома и ионов марганца, б) Расщепление ё-уровней в октаэдрическом поле лигандов

Поведение центрального иона марганца в лигандном окружении изображено на рис.2. Марганец относится к переходным металлам. Пептидный азот иди кислород являются лигандами сильного поля, вызывающими расщепление пятикратно вырожденного сЭ-уровня иона Мп2+ на два подуровня, один из которых вырожден трижды с1£, а другой - дважды с)у. При распределении электронов на этих подуровнях сначала заполняются нижние орбитали с1Е согласно принципу Паули. В свободном состоянии на (1-уровне расположено пять электронов. В октаэдрическом поле лигандов эти электроны

располагаются на <Зху, (1Х2, с!уг -орбиталях, а орбитади с1г2, &хг,уг остаются свободными и направлены в сторону расположения лигандов, три орбитали (1ху, с1х2, &уг направлены к ребрам октаэдра. Донорно-акцепторная связь центрального иона с лигандом осуществляется вследетвии Лр3-гибридизации, т.е. перестройки исходных АО различной симметрии центрального иона, что приводит к более полному перекрыванию гибридных орбиталей с орбиталями атомов лигандов, участвующих в образовании связи. Таким образом, в (Лр3-гибридизации участвуют четыре орбитали б- и три р- и две орбитали <1х2.у2, что характерно для октаэдрических комплексов координационных соединений ё-металлов. В итоге образуется шесть гибридных <325р3-орбиталей, направленных от ядра атома к вершинам октаэдра под углами 90° относительно друг друга. У гистидинового азота и кислорода аспарагиновой кислоты внешние электроны идут на связь в цепочке, а неподеленные пары на р2-орбиталях - на координационную связь. Для функционирования активного центра необходимо предположить присутствие одного неспаренного электрона на орбитали йуг. Из этих соображений можно представить, что димер будет состоять из ионов Мп2+-Мп3+, где функциональную роль будет выполнять ион Мп2+ с одним неспаренным электроном, а ион Мп3+ входит в координационную сферу иона Мп2+, отдавая на связь неподеленную пару электронов.

Функционирование комплекса.

Механизм работы активного центра белково-марганцевого комплекса нельзя рассматривать без учета структуры кислородвыделяющей части.

"Предполагается, что ?т — пигмент реакционного центра может контактировать с кольцом тирозина или одним из иононовых колец каротиноида. Основные этапы функционирования сводятся к следующему: 1) образование под действием кванта света окисленного Р+б8о> 2) взаимодействие кольца тирозина или иононового кольца с комплексом; 3) туннелирование электрона из комплекса в Р^о- Таким образом, каротиноиды выполняют двойную функцию: структурного элемента, пространственно соединяющего пигмент и комплекс, и проводника электронов. В последнее время обсуждается участие на этом этапе тирозина. С точки зрения рассматриваемой модели это вполне реально, т.к. тирозин имеет кольцо, аналогичное иононовому с двойной связью углерод-углерод (-С=С-). Механизм туннельного

транспорта электронов неоднократно обсуждался в литературе. В нашем случае для эффективности туннельного переноса электрона необходимо соблюдение ряда условий, в частности, близость электронных уровней P6so и функционального марганца в комплексе.

Функционирование комплекса осуществляется в два этапа, схематично изображенных на рис.3: а) сопряжение с иононовым кольцом или кольцом тирозина; б) восстановление комплекса при взаимодействии с молекулой воды. Взаимодействие с кольцами обеспечивается образованием ст-связей вследствие перекрывания двух гибридных орбиталей функционального иона Мп2+ в комплексе и двух рг-орбиталей атомов углерода в кольце, что приводит к разрыву двойной связи в кольце. Далее, туннелирование неспаренного электрона иона марганца к пигменту, индуцированное его окисленной формой, и восстановление P+6so- В комплексе осуществляется переход Мп2+-»Мп3+.

Механизм разложения воды.

Предполагается, что переход Мп3+—>Мп2+ осуществляется за счет внедрения в координационную сферу комплекса одной молекулы воды (рис. 36). После восстановления пигмента реакционного центра, координационная связь комплекса с углеродами кольца легко рвется, и комплекс переключается на взаимодействие с молекулой воды. Восстановление иона марганца до исходного состояния происходит за

счет расщепления воды: НгО + Н+ +ОН'. Внедрение молекулы НгО сопровождается образованием донорно-акцепторной связи: функциональный ион марганца предоставляет свободную гибридную орбиталь, молекула воды - неподеленную пару электронов (второе вакантное место связывания блокируется СГ). Вторая молекула воды, связанная с первой водородной связью, акцептирует протон: Н20+Н+-»(Нз(Э)+. Ион (НзО)+ может передать протон переносчику, (например, типа пластохинонов, филохинонов). Электрон идет на восстановление Мп3+, выделяется радикал (ОН)'.

(а) . |N(0j. ЖМпг+

/ с AT

Рис.3. Схематическое представление двух этапов функционирования комплекса: а) сопряжение Мп2+ в комплексе с иононовым кольцом или кольцом тирозина; б) внедрение молекулы воды в координационную сферу

активного центра

Комплекс возвращается в исходное состояние, готовый к переключению на кольцо, т.е. комплекс работает по типу триггерного механизма. Расщепление молекулы Н2О в данном случае можно, видимо, объяснить конформационными изменениями молекулы вследствии ее положения между комплексом и второй молекулой воды. Правомерность предлагаемой модели нашла подтверждение в работе Kusunoki ( Febs. Left. - 1980. - Т. 117. - P. 179), где предполагается расчет методом МО JIKAO гипотетического квадратно-плоскостного марганцевого комплекса, в роли четырех лигандов выступают молекулы НгО, а пятая молекула НгО

расщепляется комплексом и для этого требуется, чтобы был именно ион Мп3+ , что обеспечивает соответствие энергетических уровней для перехода электрона на вакантную гибридную орбиталь центрального иона, и необходимо наличие второй молекулы воды, выполняющей роль акцептора протона.

Для выделения молекулы 02 необходимо четыре кванта света, следовательно, расщепление четырех молекул воды и выделение четырех (ОН)'-радикалов. Наиболее тривиальный путь их реализации представляется как образование Н2О2 с последующим выделением кислорода: 4(0Н)*->2Н20+02. Однако, было показано Кутюриным В.М., что такой путь не согласуется с экспериментальными данными по скорости выделения кислорода. Следовательно, необходимо предположить наличие накопителя ОН'-радикалов. Есть основание полагать, что такую функцию могут выполнять ксантофиллы, входящие в состав фотосинтетической единицы.

Бесперебойная четкая работа комплекса должна обеспечиваться сохранением его симметрии, зарядового состояния, подвижности определяющей переключение от взаимодействия с углеродами кольца к взаимодействию с молекулой Н20. Видимо, подвижность комплекса обеспечивается именно белковым лигандом и расположением комплекса в щели определенных размеров (ширина - 4 А, глубина -2,5 А), что характерно для многих биологически активных комплексов переходных металлов.

Корреляционные диаграммы активного центра белково-марганцевого комплекса

На основе теории поля лигандов (глава 2) были построены следующие корреляционные диаграммы (рис. 4). На рис. 4 представлена схема образования симметризованных МО для октаэдрического активного центра с ионом Мп2+ на основе теории поля лигандов (глава 2). Слева на схеме 3d-, 4s- и 4р- уровни центрального иона Мп2+ в октаэдрическом поле лигандов. Средняя часть схемы - представление симметризованных МО комплексов, а справа - орбитали лигандов, образующих п- и а-связи. Энергия остовных уровней лигандов мало изменяется относительно соответствующих энергий АО (на схеме это орбитали лиганда типа t|U, tig, t2U. Согласно классификации преобразующихся по НП группы Оь по схеме для иона Мп2+ в комплексе должны формироваться следующие связывающие МО: 4з-орбитали преобразуются по типу Aig

(а)я, а*]£), 4р-орбитали - по типу Т)и (1*]и, ^ц - связывающие, трехкратновырожденные), Зс1-орбитали образуют две группы орбиталей: 2ег-связывающие (с1х2.у2, с!22), преобразующиеся по типу Ев, образующие только ст-связи с лигандом и орбитали (ёху, <1Х2, с1у2), преобразующиеся по типу Тг8, образующие в общем случае я-связи с лигандами. Согласно схеме распределения электронов по электронным конфигурациям (табл. 1) для случая иона Мп2+ можно представить, что все электроны разместятся на 12Е-орбитали -(^^УС^^)2. Один неспаренный электрон используется при функционировании комплекса. Для образования координационной связи используются шесть вакантных орбиталей: а]Е, 31:1и, 2еЁ(с1х2.у2), е*г, а']8, которые могут образовывать а-связи.

В течении последних 20 лет обсуждается вопрос о количестве ионов марганца, входящих в активный центр. Многие авторы, использующие метод ЕХАРБ, считают, что активный центр комплекса полиядерный, содержащий четыре иона марганца в окисленных состояниях Мп(Ш), Мп(Ш), Мп(П1), Мп(1У). На рис. 5а представлена схема структуры такого активного центра (литер, данные), на рис. 56 -кластер Мп(И), Мп(Ш), Мп(Ш), Мп(1У).

Предполагается, что функционирование активного центра сопровождается переходами Мп(П) -> Мп(Ш), Мп(Ш) Мп(1У), которые соотносятся с Б ¡-превращениями модели Кока. Квантово-химический подход дает возможность представить такой кластер. Каждый ион марганца окружен шестью лигандами (О или Ы). Рассмотренная выше модель для одного иона марганца является как бы фрагментом полиядерного комплекса.

гтп ^ Ьи,

I _ / □ 1

/ г

.шшш рщ] <

шшимшв

»•Ч.

'А

ЯОлигаМ

зайишЕЙ' трзшш

\ -ШЕЛ-г'

I \ 1 /о'

¡ДО Мп

\ _1ШШ_ У о' I ЙОлиганМ

. \\ _Ьи- , • , ,

_ _(\Л[шш л I

\ Щ ___' I

МО ! !

5) ' '

Рис.4. Корреляционные диаграммы активного центра белково-марганцевого

комплекса: а) один ион Мп2+, б) димер Мп2+-Мп3+, слева - 3<3-, 4з- и 4р-уровни функционального иона Мп2+, справа - орбитали лигандов, в том числе

Мп3+ (б)

Преимущество этой модели заключается в том, что разложение воды не сопровождается образованием ОН'-радикалов, выделение 02 происходит за счет распада МпОг. Если кластерная модель активных центров включает последовательные переходы Мп(П) -» Мп(Ш) и Мп(Ш) -> Мп(1У), то из корреляционной диаграммы активного центра для Мп3+ (рис. 46) видно, что переход Мп3+ -» Мп4+ затруднен по энергетическим и симметрийным соображениям, так как в состоянии

Мп3+ - только неподеленные пары электронов. Для перехода Мп3+ —> Мп4+ и перемещения электрона на свободный нижний уровень окисленного РЦ необходимо повысить уровень электрона на Мп3+ в октаэдрическом комплексе. Это может (и должно в рамках таких схем) произойти за счет изменения конформации макромолекулы. На последующих стадиях должен происходить обратный конформационный переход. Для этих переходов может использоваться

Рис.5. Схема четырехмарганцевого активного центра: а) /Климов В.В., 1996; R.S. Debus ВВА, 1992/; б) четырехядерный кластер, построенный на основе теории кристаллического поля (ТКП)

Вывод. Приведенные примеры демонстрируют возможности и эффективность обсуждаемого метода в приложении к биосистемам. С его помощью можно представить электронную конфигурацию комплекса, его симметрию, предсказать возможные конформационные переходы. Необходимо отметить, что согласно последним экспериментальным данным (Шутилова Н.И., Семин Б.К.) активный центр представляет собой димер, вероятнее всего, Мп2+-Мп3+. В рамках обсуждаемой модели можно предположить, что один из этих

ионов несет функциональную нагрузку, а второй - входит в координационную сферу первого иона, стабилизируя стереохимию активного центра, упрощая процесс окисления и восстановления функционального иона. Тогда три оставшихся места связывания у функционального иона взаимодействуют с кислородом аспарагиновой кислоты [03 19(01) и 0344(02)] и азотом гистидиновых остатков [Н332(01) и Н337(02)].

Глава IV. Применение метода молекулярных орбиталей для расчета энергетических характеристик на различных этапах функционирования комплекса.

В настоящей главе представлен квантовохимический расчет электронной структуры активного центра марганцевого комплекса и его энергетических характеристик на различных этапах функционирования и квантовохимическая модель участия ксантофиллов в выделении кислорода.

Схема расчета и обсуждение результатов

Расчет проводился полуэмпирическим методом МО ЛКАО на основе следующих представлений. Из комплекса как целой системы выделялся для расчета фрагмент активного центра, представляющий сопряженную систему. Такой подход определяется тем, что в биологически активных соединениях функциональные способности и структура активных центров определяется структурой всей макромолекулы. В подобной модели интерес представляет не результат отдельного расчета для каждого этапа функционирования, а сравнение полученных качественных значений энергий в единицах а0 и р0 (стандартные кулоновские и резонансные интегралы), соответствующих иону марганца.

Целью расчета являлось проведение сравнительного анализа полученных значений энергии на различных этапах функционирования.

Расчеты проводились в нулевом приближении, что для рассматриваемых систем кажется обоснованным, так как процессы, происходящие при выделении очень быстрые. Энергия МО определяется выражением:

Е = ^у/* Нц/сЬ I ^у/*у/с1у (2)

А Г • Л

где Я - эффективный гамильтониан, Н1к = Нцгк<Ь = /? -

резонансный (¡*к), Я(7 = ^у/]Ну/,сЬ = а - кулоновский (¡=к)

интегралы, = - интеграл перекрывания. Для модели

записывается система из п уравнений:

= О (3)

Решение секулярного уравнения (3) дает п различных значений энергии Е|, каждому из которых соответствует набор коэффициентов С). С учетом вышеприведенных допущений система (3) примет вид:

'с1(а-Е)+с20п+... + с„01я= О

С102Х+с2(а-Е)+... + сир2н= 0

^+с2/3„2+... + сп{а-Е) = 0 Полученная система разрешима, если вековой детерминант обращается в 0:

(а-Е)рхг...р1п

Рг1(сс-Е)...р,

2л

(4)

/Зпхрпг...(а-Е)

Преобразование детерминанта (4) дает характеристический многочлен п-го порядка. После его решения вычисляется набор значений энергии Е=ао+к|Зо, так как Р<0, отрицательные значения корней соответствуют более устойчивым энергетическим уровням. После определения значений энергии в единицах (Хо и ро, рассчитываются коэффициенты С| . Для сложных систем наиболее удобным является метод кофакторов (алгебраических дополнений). Кофакторы детерминанта получаются по любой из строк (столбцов) в виде полиномов, затем подстановкой в них значений корней характеристического многочлена вычисляются коэффициенты:

V \Уг

си ~ Л/

ч 1

где Ац - алгебраические дополнения. Если набор коэффициентов не отвечает условию нормировки ^ с? = 1, то считается, что МО не образуется. Электронная плотность определяется величиной ^Г с21ц/гс1х , сц -коэффициент атома ] на ¡-ой МО, занятой п

электронами. Суммирование проводится по всем МО. N. О, С Г, Мпп+, вводятся поправки: ах=а0+Ьх(Зо, Рсх=ксхРо. Проблема состоит в подборе наилучших параметров для рассматриваемой системы. Предполагается, что ах меняется синхронно с изменением величин электроотрицательностей атомов (ЭО) согласно выражению Ьх=Хх-ХМпп+ (п=2,3), где Хх - величина ЭО по Полингу. Коэффициент ксх предполагается пропорциональным длинам связей, ар- зависящим от интегралов перекрывания.

На рис. 6 представлена схема различных этапов функционирования активного центра комплекса, который рассматривается как некий кластер, связанный с четырьмя пептидными азотами (или кислородами), а два места связывания используются при функционировании комплекса:

Рис. 6. Схема различных этапов функционирования активного центра

комплекса.

Для расчета использовались следующие значения: значения электроотрицательностей: С, О, СГ, Мп2+, Мп3+, поправочные

коэффициенты Ьмп2+.х и ЬМп3+-х, значения коэффициентов для соответствующих длин связей.

Для каждого этапа функционирования, изображенного на схеме 6 были получены значения энергий для связывающих и несвязывающих орбиталей и значения электронных плотностей на атомах. (Расчеты проводились для пептидного азота в лигандном окружении в связи с наличием необходимых для расчета параметров, по приближенным оценкам замена N на О мало влияет на конечный качественный результат).

Основное внимание уделяется качественному сравнению полученных результатов по следующим пунктам: 1) полученный набор значений энергии анализировался исходя из того, что устойчивую систему, как известно, характеризует минимальное значение энергии, соответствующее МО; 2) расчет коэффициентов каждой АО и МО проводился методом кофакторов; 3) уход и поступление электрона в активном центре учитывался через коэффициент Ьх; 4) расчет электронной плотности на различных этапах функционирования дает информацию о перераспределении электронов при образовании МО из АО. Для первичного состояния получена связывавшая орбиталь:

ЕсЬ=а0+2,1бРо

щсь=0,53(р1+0,41 (р2+0,41 рз+0,41 щ+О, 41 (р}+0,18<р6+0,18<р-для второго состояния:

Есь=ао+0,б3/3о

УсЬ=0<р1Щ5<р2+0,50<рз+0,50<р4+0,50<рз+0(рб+0<р7 для третьего состояния:

ЕсЬ=а0+0,63/]0

у/сь~0,94(р1+0,15(р2+0,15(рз+0,15<р4+0,15<р5+0,09<рб+0,09(р7 для четвертого состояния: ЕсЬ=а0+2,22Ро

усЬ=0,01 <рг+0,05<р2+0,05<рз+0,05<р4+0,05<р3+0,02<рд+0,02 р?

Значения электронных плотностей для каждого этапа приведены в таблице 2.

Таблица 2.

Значения полученных электронных плотностей для различных этапов _функционирования_

А; Mn N2(0) N3(0) N4(0) N5(0) c6 c7

3,59 0,62 0,62 0,62 0,62 0,24 0,24

Ai MnJ+ N2(0) N3(0) N4(0) N5(0) er 07

qi 19,44 0,125 0,125 0,125 0,125 0,045 1,735

На рис.7 показана диаграмма энергетических уровней (МО) для различных этапов функционирования комплекса, построенная на основе полученных результатов, которые позволяют сделать следующие выводы.

Момент отключения комплекса от кольца после ухода электрона (переход Мп -> Мп3+) и последний этап функционирования -разложение молекулы воды - характеризуются нестабильностью. Три стабильных состояния соответствуют трем этапам функционирования: сопряжение комплекса с кольцом через атомы углерода - марганец в состоянии Мп2+, внедрение в координационную сферу комплекса с центральным ионом Мп3+ молекулы воды, и промежуточное состояние, когда свободные места связывания активного центра комплекса блокированы ионами хлора (на диаграмме III). При уходе электрона из комплекса - понижение энергетического уровня, поступление электрона в комплекс от молекулы воды проявляется в повышении энергетического уровня по сравнению с предыдущим состоянием III. Расчет показал равенство распределения электронной плотности на атомах азота в каждом состоянии. Переход электрона в комплекс при расщеплении воды, скорее всего, обеспечивается перераспределением электронной плотности на центральный ион Мп3+ в состоянии III.

функционирования активного центра белково-марганцевого комплекса

Квантовохимическая модель реализации ОН*-радикалов, сопровождающаяся выделением кислорода

Участие ксантофиллов в выделении кислорода обсуждается давно, имеется богатый экспериментальный материал, но механизм их участия и роль в общей схеме процесса остается невыясненным.

В предлагаемой модели ксантофиллы выполняют роль "ловушки" ОН*-радикалов, выделяющихся при разложении молекулы воды комплексом. Результатом присоединения четырех ОН'-радикалов

является выделение кислорода 02. На рис.8 схематично представлены все стадии процесса выделения кислорода с участием ксантофиллов.

Первая предварительная вспышка (всегда имевшая место в экспериментах) приводит к образованию ОН*, взаимодействующего с иононовым кольцом виолаксантина. В результате - образование молекулы воды за счет распада пероксидной группы иононового кольца, образование исходного состояния 80. Присоединение следующего ОН'-радикала (первая вспышка) сопровождается выделением молекулы воды за счет того, что наличие двух СН2-групп в цепочке, как правило, приводит к вращению этой части цепочки вокруг С-С-связи. Вследствие стерического взаимодействия ближайшей СН2-группы с ОН-группой в кольце происходит гомолитический отрыв Н из СН2-группы, присоединение его к ОН* и выделение молекулы Н20, образуется радикальное состояние 81 (лютеин, зеаксантин). Следующая вспышка - присоединение второго ОН'-радикала. Присоединение кислорода происходит в плоскости, перпендикулярной плоскости кольца. На связь о углеродами кольца идут ру'- и рг-орбитали кислорода (Бг). Третий квант света приводит к образованию следующего промежуточного радикального состояния Эз. Четвертая вспышка — четвертый квант света переводит радикальное состояние Бз в промежуточное 84, а затем исходное состояние Бо-Затем весь цикл повторяется. Все радикальные состояния метастабильны. Превращения ксантофилла в рассмотренном цикле можно соотнести о образованием состояний в модели Кока.

2] ьичсь,

+ 0Н-

+ он1

Рис.8. Схематическое изображение процесса выделения кислорода с участием ксантофиллов.

Этапы: 0 - предварительная вспышка, присоединение ОН*- к виолаксантину и переход в лютеин (зеаксантин) с образованием промежуточного интермедиата, 1 - образование радикального состояния (антераксантин или зеаксантин) при присоединении ОН'-радикапа с выделением молекулы воды и образованием промежуточного интермедиата, 2 - образование состояния с присоединением очередного ОН", 3 -образование радикального состояния с выделением молекулы воды, 4 -выделение 02, возвращение в исходное состояние; б) схема образования связей О-О, 0-Н и О с углеродами иононового кольца.

Отметим, что на всех четырех стадиях происходит либо образование радикального состояния ксантофилла (оно обозначено на схеме точкой в верхней части), либо исчезновение его при

взаимодействии с гидроксил-радикалом. Как образование, так и исчезновение радикальных состояний сопровождается изменением альтераций связей в полиеновой цепи ксантофилла. Последнее означает, что нескомпенсированная связь, которая, собственно, и является радикалом, удаляется от места реакции на расстояние порядка длины полиеновой цепи, и, кроме того, делокализуется, т.е. распределяется по нескольким связям, мигрирует между ними. Это обстоятельство имеет важный биологический смысл. Радикальные состояния являются реакционноспособными, образование их чревато опасностью деструкции системы под действием внешних химических агентов. Удаление радикала вглубь мембраны и его делокализация снижает эту опасность, при этом радикал становится слабым и защищенным от внешних агентов. Таким образом, в предлагаемой схеме ксантофиллы играют помимо прочего защитную роль, предохраняя радикальные состояния от действия внешних агентов. Отметим, что с физической точки зрения миграция связей по полиеновой цепи ксантофилла представляет собой распространение солитона, обладающего спином, но не заряженного.

В связи с современными представлениями о структуре фотосинтетического аппарата не исключается возможность наличия в ФС II двух реакционных центров, т.е. синхронно работающих одноядерных марганцевых комплексов или одного комплекса, но с двумя моноядерными активными центрами.

В работе рассмотрены такие схемы взаимодействия ОН'-радикалов одновременно с двумя каротиноидами, ксантофилла с двумя комплексами, с комплексом, имеющим два активных центра.

Многие авторы связывают выделение кислорода с участием пластохинонов, аминокислот (тирозина, в частности). Согласно обсуждаемой модели взаимодействовать с ОН'-радикалами может только хинон (или аминокислоты), содержащие группы -СН2-СН2-. Таким хиноном является а-токоферилхинон, и на рис. 9 изображена схема его взаимодействия с ОН'-радикалами и базисная схема, показывающая механизм взаимодействия ОН'-радикалов с любой органикой, способной образовывать эпоксидные группы.

В заключении представлена общая схема процесса, выделения кислорода, включающая всех его участников - рис. 10.

Глава У. Конформационный анализ структурных моделей активных центров белковых комплексов.

Использование метода конформационного анализа обуславливалось необходимостью подтвердить правомерность структурной модели активного центра, т.е. выяснить, существует ли для данной системы предполагаемый конформер. Для этой цели применялась аддитивная модель межатомных взаимодействий -модель атом-атомных потенциальных функций - ААПФ (метод полуэмпирического силового поля). Привлекательность подобной модели в том, что для сложных молекул с помощью этого метода можно сделать вывод о геометрии молекулы и оценить энергию напряжения рассматриваемой системы.

Согласно этой модели конформационная энергия (энергия напряжения) предоставляется в следующем виде:

Е—UHeB+UTOpi+UyrJi.+U3J,.

где инев=2Щгу) - энергия невалентных взаимодействий, в качестве потенциальной функции fy был взят трехпараметровый потенциал Букенгема 6-ехр: f¡¡=Ar¡j+Bexp(-cr¡j), r¡j - расстояние между атомами i и j, А, В, С - параметры Дашевского В.Г., UTOp=Uo/2(l-cos(ncp)) - торсионный вклад в конформационную энергию. Uyni = l/2Zc¡A©¡2 - энергия угловых деформаций, где A©¡ - изменения валентных углов от идеальных значений, c¡ - упругая постоянная. Энергия угловых деформаций относится к узлам, т.е. атомам, из которых выходит несколько валентных связей. Um=Z£q¡qj/Er¡j -энергия электростатического взаимодействия. Торсионный вклад (UTop.) оценивает значение потенциальной энергии, связанной с заслонением атомов и потенциальную энергию одномерного вращения представляют обычно в виде ряда Фурье: иф=ао/2+£(ак cos kw^+bjc sin kw<p), ak, bk - коэффициенты разложения, k - целое число, w=2n/T -период вращения. Все необходимые для расчета параметры брались из справочной литературы.

ДЛиЛ"1 1 1

-Я-

сэ

'УСНр4 О ^

+он

+ н,о

Г X

0 * О О *

/\СНа V

ЛГ

сн, V

о снг

✓Ч'г

9 ^"г

<ао

+0 СИг 2

'СНГ

. + ОН'— Т<

а)

АСНГ ч

♦ 0Н'-> I

+ ОН'-

г со

сн,

сн

н,0 2з

V о

снг

+о; й

Рис.9. Схема взаимодействия с ОН*-радикалом а) а-токоферила, б) с любой органикой, способной образовывать эпоксидную группу - базисная схема.

LMn

HACI' (Cat) [ШГ] \ Y\

(T) Pego

H+ СГ

OH'

У ct

\Соял(Щ

Mip

XT)>

Соя: 0'+OH'

КьО

)h;

\\»,HT

N^cr

Сал:0'| + НгО

Рис.10. Общая схема выделения кислорода. LMn" - остов актив, центра комплекса с белковыми лигандами (п=2,3), (Саг) - каротиноид, (Т) - тирозин, Car, Саг* - ксантофилл или другая органика в нейтральном и радикальном состояниях, S; - редокс состояния на различных этапах, Р+680 - окисленный пигмент р. ц.

Целью расчета являлось определение конформационной энергии лиганда, в качестве которого брался циклотетрапептид. Предполагалось, что активный центр комплекса образуется остовом цепочки. Концевые остатки Я учитывались связью С-С. Для расчета конформационной энергии и селективности комплекса использовалась модифицированная программа А.П. Баранова, включающая расчет декартовых координат атомов и потенциальной энергии, минимизация энергии по независимым параметрам проводилась методом параллельных касательных. Для расчета селективности микроцикла использовался метод штрафных функций. Если и - полученная конформационная энергия лиганда, то минимизируется потенциальная функция вида:

Р^и+Гцтраф., где Гпгтраф =Ек(Гу-Г0)2

гу - расстояние от выбранной "плавающей" точки с координатами х, у, х, определяющими положение центрального иона, Го - длина координационной связи, к - силовая постоянная, суммирование производится по всем возможным связям. В результате получается зависимость и(го), наиболее резко выраженный минимум которой, характеризует радиус центрального иона, "комплентарного" данному макроциклу.

Результаты расчета оправдали исходное предположение о незамкнутости лиганда. Был получен набор конформеров и зависимость и(го) показала, что для данного случая можно выбрать лишь один конформер с ярко выраженным минимумом энергии и соответствующей длине координационной связи 2,2 А, что соответствует длине связи Мп2+->{, Мп2+-0. Расчеты также показали, что основной вклад в энергию напряжения данной системы вносит энергия невалентных взаимодействий. Наличие одного конформера указывает на то, что белковое окружение активного центра сохраняет структуру комплекса на различных этапах функционирования.

Глава VI. Структура и функции активных центров полиядерных комплексов.

В этой главе рассматриваются важные представители полиядерных комплексов - ферредоксин и нитрогеназа.

В современной химии и физике кластеров основной задачей является формулировка общих теоретических концепций строения и устойчивости кластеров. Такая концепция была бы общим решением проблемы взаимного влияния природы с!-металла и лигандов на устойчивость кластерных систем. Сложность проблемы заключается

еще и в том, что применение расчетных методов к кластерным системам весьма проблематично. В данной работе для выяснения особенности электронного строения кластерных комплексов переходных металлов использовался метод корреляционных диаграмм, основанный на теории поля лигандов.

Многоядерные металлоферменты имеют ряд особенностей в связи с тем, что кластерный комплекс является активным центром, связанным с белковой макромолекулой. Именно белковое окружение создает условия для функционирования кластера, стабилизирует его структуру, реагирует на любое перераспределение электронов в связи Ь-М и М-М. В этом проявляется взаимосвязь структуры и функций. Поэтому при построении модели функционирования активного центра учитывалось лишь ближайшее окружение иона переходного металла, т.е. вакантные пб-, пр-, (п-1)с1- АО и правила построения групповых орбиталей с учетом свойств симметрии МО. При этом использовалась классификация основных состояний координационных систем для октаэдрической и тетраэдрической симметрии с учетом того, что в рассматриваемых металлоферментах ион переходного металла (Ре2+, Мо2+) находится в слабых полях лигандов (в окружении серы аминокислот).

Модель железосеросодержащего кластера в ферредоксине.

Основная функция ферредоксина - перенос электронов при фотосинтезе. Исходя из имеющейся схемы строения этого металлофермента ион Ре2+ находится в тетраэдрическом комплексе и окружен серными лигандами, которые создают слабое поле. Согласно классификации Берсукера И.Б. (табл. 1) распределение электронов происходит на и е^ разрыхляющих орбиталях, образуя

низкоспиновый комплекс, ион железа предоставляет вакантные орбитали неподеленным парам лигандов серы, имеющим следующую электронную конфигурацию:

Б2": 1522з22р635 Зр4; Б1': 1522522р63з23р5

Ре2+ взаимодействует с ЗБ2' и 181' (цистеинового остатка). Можно предположить, что от ЗБ2" три пары р-электронов образуют ст-связь, а от 151" 0-связь образует одна пара р-электронов. я-связь от ЗБ2" образуют шесть пар неподеленных электронов, которые занимают шесть вакантных орбиталей. Одна неподеленная пара и неспаренный электрон от 181' образуют я-связь. Можно предположить, что при функционировании активного центра один неспаренный электрон Ре2+ покидает свою орбиталь. Восстановление, скорее всего, происходит за

счет неспаренного электрона от Б1", а на освободившуюся орбиталь поступает электрон из внешней среды (рис. 11).

1в<2ас2р Зв Зт> Я -4а

МО

£ К;

гттмУЧУС ПШШЬ^лшшпа*' ^- - --о^.лшал О * л.

РеСН) ^^ШПЛЬ^-^ШШ1?/6

Рис. 11 Корреляционная диаграмма переноса электрона в кластере

ферредоксина.

Модель активного центра нитрогеназы.

Основные функции фермента нитрогеназы - фиксация молекулярного азота. Активная форма фермента образуется при совместном действии двух компонентов: железосодержащего белка и железомолибденового белка или модибденосерного комплекса. Каталитическая активность фермента возникает при объединении этих белков в единую систему (рис.12). Функция БеБ, содержащего Ре4Б4-кластер, состоит в восстановлении Мо3+ в кластере, и механизм его функционирования аналогичен механизму действия активного центра кластера в ферредоксине. Мо-кластер непосредственно взаимодействует с молекулярным азотом. Активный центр фермента, содержащий Мо3+, окружен пятью лигандами Б\ Можно предположить, что три пары электронов с р-орбитали идут на Мо3+. Из них одна пара образует ст-связь, а две пары - я-связь. Такое предположение можно сделать на основе симметрии р-орбиталей. От Б " на связь идут пятнадцать пар электронов. На рис.13 представлена

корреляционная диаграмма активного центра нитрогеназы. Молекула N2 координирована на Мо3+ или входит в координационную сферу Мо3+:

Рис.12. Предполагаемая модель активного центра нитрогеназы. Справа показано строение и расположение железосодержащих кластеров, слева -стрелками расстояние в ангстремах [литер, данные]

Мо(П1>. 45. ♦

«А.

N V -\

Ч\\ у&щ л

• ■ • Чч ёа *

ЛШИм*

Рис.13. Корреляционная диаграмма активного центра нитрогеназы

Стабильность Ы2 при взаимодействии объясняется тем, что шесть валентных электронов размещены на шести л-орбиталях, а четыре других электрона остаются на о-орбиталях, которые локализованы на двух атомах азота и расположены так, что оказываются неспособными к взаимодействию. Предполагается, что электрон с внешнего восстановителя поступает на Ре-белок. Один неспаренный электрон с цистеиновой серы (Б1') переходит на орбиталь, с которой затем уходит на Мо-комплекс. Вероятнее всего, что протон поступает из среды, что вызывает конформационное изменение системы. Для сохранения устойчивого состояния комплекса в целом должно происходить перераспределение электронов с N2 на Мо3+. В этот момент рядом с азотом находится водород, влияющий на распределение энергии всей системы, что приводит к ослаблению связи. На основании рассмотренной модели на рис. 14 представлена схема фиксации азота в активном центре нитрогеназы.

и,Ш)

5 Г ✓

<- £

/ \ а

N»3

и.

4- I

$ По к?

2МН>

Рис.14. Схема, иллюстрирующая механизм фиксации Ы2 в активном центре

нитрогеназы.

Заключение.

Исследование взаимосвязи структуры и функций биологически активных соединений открывает большие возможности в решении целого ряда задач. Среди них можно назвать такие, как прогнозирование и конструирование лекарственных препаратов, моделирование процессов, труднодоступных для экспериментального исследования.

В настоящей работе изучение взаимосвязи структуры и функций проводилось на определенном классе соединений -металлпротеиновых комплексов, содержащих в активном центре ионы переходных металлов. Выбор именно этих объектов для исследования объясняется тем, что подобные биологически активные соединения кроме того, что играют важную роль в процессах жизнедеятельности, интересны с точки зрения квантовой химии.

Анализ имеющейся в литературе данных о биокомплексах этого класса соединений более менее экспериментально изученных, модельных систем дал возможность сделать следующий вывод: структура активных центров d-металлов определяется электронной конфигурацией центрального иона, лигандами и сохраняется в процессе функционирования белковым матриксом макромолекулы, который выполняет регуляторные функции, сохраняя симметрию комплекса, тем самым влияя на скорость ферментативного процесса.

Современные представления о поведении белков-ферментов, механизм электронно-конформационных переходов дали возможность выработать подход к квантовохимическому моделированию активных центров комплексов d-металлов, который невозможно выделить и детально исследовать экспериментально. Основные положения метода построения модели следующие: сначала необходимо рассмотреть электронную конфигурацию центрального иона, затем, провести "сортировку" по симметрии орбиталей лигандов, определить МО комплекса, образующиеся при перекрывании АО центрального иона и АО лигандов, соответствующие по энергии и симметрии, что определяется на основе теории поля лигандов. Поведение центрального иона в поле лигандов определяется с помощью теории кристаллического поля.

На основе рассмотренного метода была разработана модель активного центра моноядерного марганцевого комплекса, комплекса -димера, комплекса - кластера.

На основе квантовохимического подхода была разработана модель процесса реализации ОН*-радикалов, выделяющихся при разложении молекулы воды. Рассматривается взаимодействие ОН'-радикалов с ксантофиллами или органическими соединениями, содержащими кольцо, аналогичное иононовому, образующему эпоксидную группу, и фрагмент -СН2-СН2-.

Расчет комплексов подобного типа - сложная задача. Анализ используемых в подобных задачах теоретических методов квантовой химии показал, что наиболее подходящим является модифицированный метод МО JIKAO. (но который может дать лишь качественные результаты, позволяющие оценить достоверность модели на различных этапах функционирования). Для сложных систем точные квантовохимические расчеты (ab initio) дают недостоверные результаты. Модификация заключается в том, что использовался фрагмент макромолекулы - активный центр, вводились поправки,

учитывающие присутствие центрального иона, его ближайшего окружения. Полученные результаты подтвердили обсуждаемую модель.

Конформационные расчеты структуры модели активного центра показали, что имеется только один конформер, подходящий для активного центра марганцевого комплекса.

Предложенный в работе подход использовался для многоядерных кластерных активных центров на примере нитрогеназы, ферредоксина и дал возможность сделать следующие выводы.

Механизм действия кластерных активных центров определяется электронной структурой и имеет много общего с моноядерными комплексами. Общее свойство - для многоэлектронных систем важное значение имеет не только электронные состояния ионов в кластере, но и их связи в пределах макромолекулы.

Усложнение электронной структуры активных центров делает невозможным применение расчетных методов.' Наиболее эффективным для выяснения механизма действия является метод корреляционных диаграмм, основанный на теории поля лигандов. Его использование дало возможность смоделировать механизм действия активных центров ферредоксина и нитрогеназы, оказавшиеся аналогичными и заключающимися в перераспределении электронов внутри кластера. Сохранение его структуры при этом обеспечивается опять же белковым матриксом. На основе предложенного механизма была разработана схема фиксации азота нитрогеназой.

Экспериментальное исследование биосистем различного уровня, в том числе и нитрогеназы методом триплетных зондов, люминесценции и ЭПР подтвердили предложенную схему и правомерность предположения о стабильности в целом структуры активного центра при изменении зарядового состояния ионов в кластере.

Результаты работы показывают, что электронная конфигурация активных центров строится по общим законам на основе ТКП и ТПЛ, а белковое окружение слабо влияет на энергетические уровни и распределение на них электронов, его роль сводится к управлению ферментативными процессами.

По результатам работы были сделаны следующие выводы:

1. Установлены общие закономерности между электронным строением ионов переходных металлов (Ре2+, Zv)L*, Си2+, Со2+, Мп2+) и стереохимией активных центров ряда биологически активных

соединений. Выявлена общая закономерность: взаимодействие центрального иона с лигандами осуществляется по донорно-акцепторному механизму: ион предоставляет на связь вакантные орбитали, лиганд - неподеленную пару электронов (кислорода или пептидного азота). Часто координационная связь сопровождается образованием хелатных колец (пятичленных колец ординарных связей), повышающих устойчивость комплекса. Стереохимия активного центра сохраняется при функционировании белковым матриксом.

2. На основе выявленных закономерностей разработан качественный метод построения корреляционных диаграмм для активных центров биокомплексов с!-элементов (металлоферментов): одноядерных, полиядерных, кластеров. Метод основан на качественных квантовохимических методах - теории кристаллического поля и теории поля лигандов.

3. С помощью корреляционных диаграмм выделены разрешенные • (или запрещенные) схемы функционирования моделей марганцевых комплексов по энергетическим или симметрийным соображениям.

4. Проанализированы модели функционирования марганцевого комплекса в процессе выделения кислорода при фотосинтезе. Показано, что модели, содержащие переходы Мп2+—>Мп3+ квантовохимически разрешены , а переходы Мп3+->Мп4+ в октаэдрических комплексах квантовохимически запрещены. Для осуществления перехода необходимо допустить наличие конформационных переходов.

5. Разработана модель функционирования активного центра моноядерного марганцевого комплекса, включающая два этапа: восстановление окисленного пигмента реакционного центра ФС II (Р+б8о) и взаимодействия с молекулой воды. Проведен качественный расчет каждого этапа функционирования полуэмпирическим методом квантовой химии (МО ЛКАО). Показано, что восстановление Р+б8о может осуществляться при взаимодействии активного центра комплекса с Кононовым кольцом каротиноида или кольцом тирозина.

6. Разработана модель процесса связывания ОН'-радикалов (выделяющихся при разложении молекулы воды) за счет взаимодействия с ксантофиллами, сопровождающегося выделением кислорода. Показано, что роль ксантофиллов может выполнять ряд органических соединений, способных образовывать эпоксидную

группу и имеющую фрагмент -СН2-СН2- ( а-токоферилхинон, глутаминовая кислота). Разработана базовая схема реализации ОН'-радикалов и общая схема процесса фотосинтетического выделения кислорода, включающая всех его участников.

7. На основе разработанного метода построены корреляционные диаграммы сложных электронных систем: активных центров ферредоксина, нитрогеназы. Показано, что по мере усложнения электронной структуры активных центров биологически активных комплексов с!-металлов основные закономерности их функционирования сохраняются.

На основе корреляционной диаграммы активного центра нитрогеназы разработана схема его функционирования.

8. Система энергетических уровней и распределение на них электронов подчиняется общим закономерностям и может быть построена с помощью теории кристаллического поля и теории поля лигандов. Белковый матрикс не влияет непосредственно на электронную конфигурацию активного центра, его роль в основном сводится к управлению ферментативными процессами.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях.

1. Васильева Л.Ю. Изучение физико-химических и функциональных свойств фотосинтетических мембран как представителей жидкокристаллических систем // Физика и химия многофазных систем. - 1980. - Балашов. - С.142-161 (Деп. в ВИНИТИ 30.09.1977, №457-80).

2. Васильева Л.Ю., Чернавская Н.М. Роль марганца в процессе выделения кислорода в фотосинтезе // Свойства веществ и строение молекул. - Калинин: КГУ, 1980. - С. 103-113.

3. Васильева Л.Ю., Напалкина О.П., Чернавская Н.М. Роль марганца в работе фотосистемы П // Свойства веществ и строение молекул. - Калинин : КГУ. - 1982. - С.62-68.

4. Васильева Л.Ю., Чернавская Н.М. Реализация жидкокристаллических состояний в мембранных структурах // Тр. конф. Современные проблемы кристаллохимии. - Калинин: КГУ. -1983. - С.67-70.

5. Васильева Л.Ю., Папулов Ю.Г., Чернавская Н.М. Взаимосвязь между структурой и функциями белково-марганцевого комплекса в процессе выделения кислорода при фотосинтезе // Свойства веществ и строение молекул. - Калинин: КГУ. - 1983. - С.83-84.

6. Васильева Л.Ю., Гостищева М.А., Чернавская Н.М., Уварова Л.А. Конформационный анализ марганец-протеинового комплекса // Расчетные методы в физической химии. - Калинин: КГУ. - 1985.-С.136-139.

7. Васильева Л.Ю. Биологически активные железо- и марганецсодержащие комплексы: структура и функции // Расчетные методы в физической химии. - Калинин: КГУ. - 1987. - С.114-116.

8. Васильева Л.Ю., Чернавская Н.М., Гостищева М.А. Квантово-химический расчет белково-марганцевого комплекса на различных этапах его функционирования // Расчетные методы в физической химии. - Калинин: КГУ. - 1988. - С.99-102.

9. Васильева Л.Ю., Чернавская Н.М. Модель участия ксантофиллов в выделении кислорода // Расчетные методы в физической химии. -Калинин: КГУ. - 1987. - С.117-120.

10. Васильева Л.Ю. Квантовохимическая модель многоядерных кластерных комплексов металлоферментов // Расчетные методы исследования в химии. - Калинин: КГУ. - 1990. - С.85-89.

11. Васильева -^.Ю., Чернавская Н.М. Квантовохимическая модель белково-марганцевого комплекса, участвующего в процессе выделения кислорода // Тез. докл. Российской научной конф. с участием зарубежных ученых "Математические методы нелинейных возбуждений, динамики, управления в конденсированных системах и других средах" - Тверь: ТвГУ. - 1994. - С.80.

12. Васильева Л.Ю. Квантовохимические исследования взаимосвязи структуры и функций многоядерных биологически активных соединений, содержащих ионы переходных металлов // Тез. докл. Российской научной конференции с участием зарубежных ученых "Математические модели нелинейных возбуждений, переноса, динамики, управления в конденсированных системах и других средах" - Тверь: ТвГУ,-1994. - С. 17.

13. Васильева Д.Ю. Квантовохимические модели механизма действия активных центров полиядерных комплексов ферредоксина и нитрогеназы //Тверь: ТвГУ. - 1995 (Деп. в ВИНИТИ 21.04.95, № 1129-В95).

14. Васильева Л.Ю. О взаимосвязи структуры и функциональных свойств биологически активных комплексов ионов переходных металлов // Журн. физ. химии. - 1995. - Т.69. - № 8. - С. 1433-1437.

15. Васильева Д.Ю. Конформационный расчет модели активного центра белково-марганцевого комплекса, участвующего в

фотосинтетическом выделении кислорода // Тр. Второй международной конференции "Математика, компьютер, образование".

- Москва- Пущино. - 1995. - С. 17-24.

16. Васильева Л.Ю. Гипотетическая конформационная модель активного центра биологически активного комплекса II "Математические методы в химии". - Тверь: ТвГУ. - 1994. - С.88-91.

17. Васильева Л.Ю. Роль каротиноидов в фотосинтетическом аппарате// Биофизика. - 1997. - Т.42. - Вып.1. - С. 156-159.

18. Васильева Л.Ю. Взаимодействие активного центра белково-марганцевого комплекса с молекулой воды в процессе выделения кислорода при фотосинтезе // Биофизика. - 1977. - Т.42. -Вып.1. С. 154155.

19. Васильева Д.Ю., Чернавская Н.М. Квантовохимические модели механизма некоторых этапов процесса выделения кислорода при фотосинтезе // Тез. докл. Международной конференции "Математические методы нелинейных возбуждений, переноса, динамики, управления в конденсированных системах и других средах.

- Тверь: ТвГУ. - 1996. - С.80.

20. Васильева Л.Ю., Чернавская Н.М. Квантовохимические модели механизма некоторых этапов процесса выделения кислорода при фотосинтезе // Труды Международной конф. "Математические методы нелинейных возбуждений, переноса, динамики, управления в конденсированных системах и других средах. - Тверь: ТвГУ, 1997.-С.24.

21. Васильева Л.Ю. Активный центр белково-марганцевого комплекса, содержащего два иона марганца // Труды Международной конференции "Математические модели нелинейных возбуждений, переноса, динамики, управления в конденсированных системах и других средах" - Тверь: ТвГУ, 1997. - С.288.

22. Васильева Л.Ю. Обсуждение гипотетической модели структуры активного центра белково-марганцевого комплекса II Биофизика.-1997. - Т.43. - Вып.З. - С.624-627.

Монография и учебные пособия

23. Васильева Д.Ю. Избранные главы фотохимии (учебное пособие). - Калинин: КГУ. - 1982.

24. Васильева Л.Ю. Взаимосвязь структуры и функций биологически активных комплексных соединений (учебное пособие). -Тверь: ТвГУ, 1995.

25. Васильева Л.Ю., Кожанова О.Н., Дмитриева А.Г., Катрич Н.С., Чернавская Н.М. Физиология растительных организмов и роль металлов. - М.: МГУ, 1989.

Текст научной работыДиссертация по биологии, доктора физико-математических наук, Васильева, Людмила Юрьевна, Тверь

/У/- /

Тверской государстЙб&йы^ университет

ч-«ОН£ге от 11 рИсУАШ у

у1 стегх8яь На правам/рукописи

.__М

лещ

ВАСИЛЬЕВА ЛЮ

СТРУКТУРА И МЕХАНИЗМ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ АКТИВНЫХ ЦЕНТРОВ БИОЛОГИЧЕСКИ ВАЖНЫХ КОМПЛЕКСОВ ^МЕТАЛЛОВ

03. 00. 02 - Биофизика

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Научный консультант: доктор химических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ, академик Петровской Академии наук и искусств Папулов Ю.Г.

Тверь - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Глава 1. Общие представления о структуре активных центров, содержащих ионы переходных металлов, ряда биологических комплексов.

§1. Анализ электронной структуры ионов комплексообразователей_^

§2. Металлоферменты_

Глава 2. Квантовохимические методы, используемые для описания структуры активных центров комплексных соединений.

§1. Метод валентных связей и теория кристаллического поля_ ^

§2. Элементы теории симметрии молекул_:_^

§3. Теория поля лигандов_

Глава 3. Построение модели белково-марганцевого комплекса, участвующего в выделении кислорода при фотосинтезе.

§1. Общие представления о фотосинтетичском аппарате_^

§2. Кинетические модели выделения кислорода_^

§3. Модель Ренгера_;_60

§4. Обсуждение квантовохимической модели белково-марганцевого комплекса:

а) модель структуры активного центра комплекса.

б) квантовохимическая модель функционирования активного центра комплекса_ ^_

в) механизм разложения воды__

г) физические аспекты функции каротиноидов, связывающихся с Р+вап

Я5

д) корреляционная диаграмма активного центра комплекса_°

е) заключение: алгоритм построения корреляционных диаграмм активных

(¡Ц

центров металлоферментов_:_

Глава 4. Применение метода молекулярных орбиталей для расчета энергетических характеристик на различных этапах функционирования комплекса.

§1. Основные положения метода молекулярных орбиталей_

§2. Квантовохимический расчет электронной структуры активного центра марганцевого комплекса и его энергетических характеристик на различных этапах функционирования „

а) схема расчета, параметризация_^^_

б) обсуждение результатов_^_ _

§3. Квантотвохимическая модель реализации ОН*-радикалов, сопровождающееся выделением кислорода:

а) экспериментальные данные об участии ксантофиллов в выделении

кислорода_;_111_

б) квантовохимическая модель участия ксантофиллов в выделении

кислорода__

в) базовая схема реализации ОН'-радикалов__

г) заключение, общая схема прцесса выделения кислорода ^^О_

Глава 5. Конформационный анализ структурных моделей активных центров белковых комплексов.

/зг

§1. Конформационный анализ белковых систем.

§2. Метод вычисления потенциальной функции и минимизация энергии

§3. Методическая часть расчета и полученные результаты_

Глава 6. Структура и функции активных центров полиядерных комплексов.

§1. Общие представления о полиядерных металлоферментах__^^

§2. Железосерусодержащие ферменты_ШУ_

§3. Ре-Мо-содержащие ферменты_^ЧЬ_

4 ЦТ

§4. Структура и функции ферредоксина и нитрогеназы: '7

а) свойства и структура ферредоксина__

б) общие представления о структуре и функционирования активного центра нитрогеназы

1) ферментативная система нитрогеназы_

2) анализ имеющихся моделей структуры активного центра. 7

/£8

3) проблема фиксации молекулярного азота_

§5. Квантовохимические модели кластеров-активных центров, их функционирование:

а) основные положения строения и устойчивости лспастеров_

б) модель железосерусодержащего кластера в ферредоксине, донирование электрона_- _

в) модель активного центра нитрогеназы_^^_

§6. Теоретический анализ многоядерных марганцсодержащих комплексов, модель кластера____

Заключение__^^

Литература___^^_

Актуальность темы. Биологически активные соединения, содержащие ионы переходных металлов, играют важную роль^ в процессах жизнедеятельности. Анализ структуры простейших металлоферментов и более «сложных железопорфиринов показал много общего: наличие активного центра, содержащего ионы металлов переходного ряда (Ре2+, Си2+, Со2+, гп2+, Мп2+). Стереохимия активных центров определяется электронной конфигурацией центрального иона, определяющей его координационное число, и природой лиганда. Как правило, взаимодействие центрального иона с лигандами осуществляется по донорно-акцепторному механизму: ион переходного металла предоставляет для связи вакантные орбитали, белковый лиганд - неподеленную пару электронов либо от атома азота пептидной группы, либо от кислорода. Поведение иона-комплексообразователя можно рассматривать с помощью теории кристаллического поля и теории поля лигандов. В настоящее время довольно подробно изучена структура многих металлоферментов, однако механизм действия их активных центров не определен.

Анализ имеющихся в литературе данных позволил предположить:

1) несмотря на различные функциональные свойства, механизм действия активных центров металлоферментов один и тот же: акцептирование и донирование электронов;

анализ. Подобный подход к рассмотрению и расчету структуры белковых комплексов дает возможность создавать модели их активных центров.

Большое количество работ посвящено изучению структуры фото-системы 2 (ФС II) в целом, структуре кислородвыделяющего комплекса (КВК), электронному транспорту. К ним относятся классические работы Б.А. Рубина, А. Б. Рубина, А. К. Кукушкина, А.Н. Тихонова, М.Г. Гольдфельда, Говинджи и др.

В литературе обсуждается много моделей марганцевого комплекса, активные центры которых представляют в виде кластеров, состоящих из четырех ионов марганца или кластеров - димеров (результаты EXAFS-измерений и др.). Достаточно много информации о белковом составе комплекса. Функционирование активного центра связывают с изменением зарядового состояния ионов марганца, соотнося их с Sj-состояниями модели Кока (Кок и др., 1970). Однако имеющихся данных оказалось недостаточно для выяснения механизма процесса выделения кислорода.

- в -

комплекса определяет механизм функционирования активного центра на электронном уровне, то возникает необходимость разработки простого в употреблении метода, дающего качественные оценки электронной структуры, которая в конечном итоге определяет функциональные характеристики металлофермента.

В настоящей работе квантовохимический подход применялся к марганцевым комплексам (моно- и полиядерным), к более сложным электронным системам: ферредоксину (Fe4S4-Knacrepbi в активном центре), нитрогеназе - полиядерном металлоферменте. На сегоднишний день имеется достаточно информации о составе ее активного центра, обсуждаются модели предполагаемой структуры активного центра фермента, включающего Fe4S4-KnacTep и связанный с ним FeMo-белковый кластер (работы Лихтенштейна Г.И., Шилова А.Е., Сырцова A.A., Гвоздева Р.И., Котельникова А.И.). Нитрогеназа — центральный фермент биологической фиксации молекулярного азота. Проблема фиксации азота в искусственных условиях обсуждается давно, но до сих пор не решена и механизм процесса остается дискуссионным. Надо полагать, что рассмотрение электронной структуры дает возможность представить механизм функционирования активного центра нитрогеназы.

- выявить на основе анализа электронной конфигурации ионов переходных металлов, входящих в активные центры мехаллоферментов, общие закономерности их структуры; »

- рассмотреть на основе алгоритма: 1) моноядерный комплекс; 2) кластер -моноядерный комплекс; 3) кластер - димер; 4) полиядерные кластеры;

- разработать базовую схему реализации ОН*-радикалов и общую схему процесса выделения кислорода при фотосинтезе, включающего всех его участников;

Впервые разработаны: 1) модели электронного строения активных центров moho-, полиядерных комплексов на примере ряда металлоферментов, в том числе белково-марганцевого комплекса, участвующего в процессе выделения кислорода при фотосинтезе; 2) этапы функционирования активного центра марганцевого комплекса (восстановление Р+б8о, расщепление молекулы воды; 3) базовая схема реализации ОН*-радикалов с участием ксантофиллов или органических соединений, способных образовывать эпоксидную группу; 4) общая схема процесса выделения

кислорода, включающая всех участников процесса; 5) механизм функционирования активного центра нитрогеназы.

По материалам диссертации написаны два учебных пособия, которые используются при чтении спецкурсов для бакалавров, и магистров по направлению "химия" Тверского госуниверситета. Результаты работы используются также в учебном процессе в Тверском техническом университете и Московской Академии приборостроения.

В первой главе проводится анализ структуры и функции активных центров металлоферментов, содержащих ионы переходных металлов, ряда биологических комплексов" проведен анализ структуры и функций активных центров металлоферментов, содержащих ионы с1-металлов Ре2+, Си2+, 1п2+, Мп2+, с целью выявления закономерностей. Показано, что функционирование подобных комплексов определяется следующими факторами: 1) природой центрального иона; 2) первичной последовательностью аминокислот; 3) природой лигандов; 4) структурой активного центра. Цель главы - выявить закономерности, характерные для активных центров металлоферментов. Характерные свойства таких комплексов следующие: 1) орбитали лигандов и ионов металла взаимодействуют при условии их соответствия по симметрии и энергии; 2) в комплексах металлов с белками ион-комплексообразоватедь обычно связывается с пептидным азотом или кислородом по механизму донорно-акцепторного взаимодействия; ион предоставляет с1-орбитали, пептидный азот или кислород - неподеленную пару электронов. Часто при этом координационная связь сопровождается образованием хелатных колец, повышающих устойчивость комплекеса.

Во второй главе рассмотрены квантовохимические методы, используемые при теоретическом рассмотрении комплексных соединений: теория кристаллического поля; элементы теории симметрии и теория поля лигандов.

Практическое применение этих методов с учетом специфики структуры активных центров с ионами переходных металлов рассмотрены в третьей главе на примере модели активного центра белково-марганцевого комплекса, принимающего участие в выделение кислорода при фотосинтезе. Вопрос о структуре и функциях такого комплекса обсуждается давно, имеется богатый экспериментальный материал, анализ которого приведен в главе. Имеются сведения о компонентах воднорасщепляющей системы, но механизм действия комплекса до сих пор не известен. Использование квантовохимических представлений и общих закономерностей подобных соединений дало возможность построить модель марганцевого комплекса, представить все этапы его функционирования и построить корреляционную диаграмму его активного центра.

-ю -

В четвертой главе представлен квантовохимический расчет электронной структуры активного цетра марганцевого комплекса и его энергетические

4 г

характеристики на различных этапах функционирования. Показано, что наиболее приемлемым является метод МО ЛКАО с учетом гетероатомов и центрального иона -полуэмпирический метод расчета (модификация метода Малликена-Вольфсберга-Гельмгольца). Выбор такого метода расчета обоснован тем, что для сложных структур подобного типа неэмпирические методы применять нецелесообразно -невозможно получить достоверные результаты. Далее рассмотрена квантовохимическая модель участия ксантофиллов в выделение кислорода. Показано, что ксантофиллы выполняют роль "ловушки" радикалов ОН'; получившихся при разложении молекул воды комплексом. Согласно последним данным с ОН'-радикалами могут взаимодействовать любая органика, способная образовывать эпоксидную группу и имеющую фрагмент -СН2-СН2- (а-токоферилхинон, глутаминовая кислота). В заключении главы обсуждаются основные результаты и общая схема процесса выделения кислорода.

В пятой главе представлен конформационный анализ структурной модели активного центра марганцевого комплекса. Конформационный расчет показал, что модель реальна.

В шестой главе анализируется структура и особенности функционирования полиядерных комплексов. Биологически активные соединения с кластерными активными центрами (марганцевые комплексы, железосерные ферменты, нитрогеназа) играют важную роль во многих жизненно важных ферментативных реакциях. Вследствие сложности структуры активных центров, к ним невозможно применять точные и даже полуэмпирические квантовохимические методы расчета. Показано, что с помощью построения корреляционных диаграм, можно получить качественную информацию электронной структуры активного центра и прогнозировать их функциональные свойства

Информация о работе

Васильева, Людмила Юрьевна
доктора физико-математических наук
Тверь, 1998
ВАК 03.00.02

Диссертация

Структура и механизм функционирования активных центров биологически важных комплексов альфа-металлов - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы