obliczenia właściwości strukturalnych i elektronowych oraz ... · sowane zostały metody chemii...

Title: Kwantowochemiczne obliczenia właściwości strukturalnych i elektronowych oraz reaktywności klastera A w syntazie acetylokoenzymu A

Author: Aleksandra Chmielowska

Citation style: Chmielowska Aleksandra. (2015). Kwantowochemiczne obliczenia właściwości strukturalnych i elektronowych oraz reaktywności klastera A w syntazie acetylokoenzymu A. Praca doktorska. Katowice : Uniwersytet Śląski

UNIWERSYTET ŚLĄSKI Wydział Matematyki, Fizyki i Chemii

Rozprawa doktorska

Kwantowochemiczne obliczenia właściwości strukturalnych i elektronowych

oraz reaktywności klastera A w syntazie acetylokoenzymu A

Aleksandra Chmielowska

Promotor pracy✓

dr hab. prof. US M ana Jaworska Instytut Chemii

Zakład Chemii Teoretycznej

Katowice 2015

Pragnę serdecznie podziękować mojej promotor Pani dr hab. prof. US Marii Jaworskiej za zainteresowanie mnie tematyką pracy, opiekę naukową oraz wyrozumiałość i życzliwe wsparcie podczas je j realizacji.

Dr Piotrowi Lodowskimu dziękuję za wszechstronną po moc oraz cenne uwagi merytoryczne, a wszystkim pracownikom Zakładu Chemii Teoretycznej za serdeczność i życzliwą atmosferę.

Dedykuję mojej Mamie...

O b l i c z e n i a p r o g r a m e m G a u s s i a n 09 z o s t a ł y w y k o n a n e w e W r o c ł a w s k i m C e n t r u m S i e c i o w y m i S u p e r k o m p u t e r o w y m , W C S S W r o c ł a w

h t t p : / / w w w . w c s s . w r o c . p l W RAMACH GRANTU OBLICZENIOWEGO NR 18

http://www.wcss.wroc.pl

Spis treści1 Wstęp i cel pracy 10

2 Wstęp teoretyczny 132.1 Metoda funkcjonałów g ę s to ś c i .............................................................. 13

2.1.1 Twierdzenia H ohenberga-K ohna............................................. 142.1.2 Metoda i równania K o h n a -S h a m a .......................................... 14

2.2 Stosowane fu n k c jo n a ły ............................................................................ 162.3 Model rozpuszczaln ika ............................................................................ 172.4 Potencjały redukcji i pKa ......................................................................... 18

3 Syntaza acetylokoenzymu A 20

4 Dotychczasowy stan badań teoretycznych 25

5 Obliczenia własne 275.1 Modele o b liczen iow e............................................................................... 285.2 Geometria i struktura elektronowa klastera A ................................... 32

5.2.1 Klaster A ...................................................................................... 325.2.2 Pro tonowany klaster A .............................................................. 385.2.3 Klaster A z ligandami ............................................................... 43

5.3 pKa .............................................................................................................. 485.4 Potencjały r e d u k c j i ................................................................................... 505.5 Reakcja m e ty la c ji ...................................................................................... 55

5.5.1 Model s tru k tu ra ln y ..................................................................... 555.5.2 Reakcja d ep ro tonacji.................................................................. 565.5.3 Mechanizm A ............................................................................... 595.5.4 Mechanizm B ............................................................................... 635.5.5 Sjv2 czy reakcja rodnikow a........................................................ 6 6

5.5.6 Redukcyjna metylacja klastera A przez metylokobalaminę 70

6 Podsumowanie i wnioski 72

Bibliografia 76

Załączniki 82

Spis tablic5.1 Wybrane, eksperymentalne parametry geometryczne klastera A ............... 315.2 Energia struktur zoptymalizowanych dla modeli klastera A na różnych

stopniach utlenienia....................................................................................... 355.3 Wybrane, zoptymalizowane odległości między atomami dla modeli kla

stera A na różnych stopniach u tle n ie n ia ...................................................... 365.4 Gęstości spinowe i ładunki NBO dla modeli klastera A na różnych stop

niach utlenienia.............................................................................................. 375.5 Energia struktur zoptymalizowanych protonowanych modeli klastera A

na różnych stopniach utlenienia..................................................................... 405.6 Wybrane, zoptymalizowane odległości między atomami dla protonowa

nych modeli klastera A na różnych stopniach utlenienia............................ 415.7 Gęstości spinowe i ładunki NBO dla protonowanych modeli klastera A na

różnych stopniach u tlen ien ia ........................................................................ 425.8 Energia struktur zoptymalizowanych dla modeli klastera A na różnych

stopniach utlenienia z ligandami (-OH, -CO, -CH 3 , -HCOO, -H) . . . . 455.9 Wybrane, zoptymalizowane odległości między atomami dla modeli kla

stera A na różnych stopniach utlenienia z ligandami (-OH, -CO, -CH 3 , -HCOO, - H ) ................................................................................................. 46

5.10 Gęstości spinowe i ładunki NBO dla modeli klastera A na różnych stopniach utlenienia z ligandami (-OH, -CO, -CH 3 , -HCOO, - H ) ................ 47

5.11 Wartości pKa obliczone dla modeli klastera A na różnych stopniach utlenienia ............................................................................................................. 48

5.12 Wartości potencjałów redukcji Eo (V, względem NHE) obliczone dla modeli klastera A ................................................................................................. 53

5.13 Zależność obliczonych wartości potencjałów redukcji E’o od p H 54

Spis rysunków2.1 Cykl termodynamiczny Bom a-Habera........................................................ 193.2 Struktura C O D H \A C S................................................................................. 203.3 Wzajemna orientacja białka i klastera A w zależności od metalu skoordy

nowanego w miejscu Mp ............................................................................... 223.4 Proponowane mechanizmy reakcji katalitycznej klastera A ..................... 235.5 Zastosowana w obliczeniach struktura modelowa klastera A oparta na

strukturze krystalograficznej 1RU3, PDB .................................................. 295.6 Modele klastera A stosowane w obliczeniach ........................................... 325.7 Zoptymalizowane geometrie klastera A na różnych stopniach utlenienia

dla modeli MO i M l ........................................................................................ 335.8 Zoptymalizowane geometrie klastera A na różnych stopniach utlenienia

dla modeli M2 i M 3 ........................................................................................ 34

5.9 Zoptymalizowane geometrie protonowanych struktur klastera A na różnych stopniach utlenienia.............................................................................. 39

5.10 Zoptymalizowane geometrie klastera A z Ugandami (-OH, -CO, -CH 3 )na atomie Nip dla modeli Ml i M 3 ............................................................... 44

5.11 Zoptymalizowane geometrie klastera A na różnych stopniach utlenienia z anionem mrówczanowym jako ligandem na atomie Nip dla modeli Mli M3 oraz dla struktury z protonem ............................................................... 45

5.12 Zależność wartości pKa od stałej dielektrycznej e dla modeli klastera A stosowanych w obliczeniach........................................................................ 49

5.13 Zależność pierwszego i drugiego potencjału redukcji od stałej dielektrycznej e dla modeli klastera A stosowanych w obliczeniach............................ 50

5.14 Schemat reakcji metylacji z uwzględnieniem struktur modelowych stosowanych w obliczeniach................................................................................. 55

5.15 Metylokobalmina w formie ”base-on” z ligandem dimetylobenzoimidazolowym.......................................................................................................... 56

5.16 Krzywa energii jako funkcja odległości Nip-H+ dla reakcji oderwania protonu przez anion mrówczanowy z zaznaczonymi strukturami substratów, produktów i stanu przejściow ego......................................................... 57

5.17 Panel a) krzywe energii jako funkcje odległości Nip-H 1 dla reakcji oderwania protonu przez anion mrówczanowy dla różnych stałych dielektrycznych e; panel b) zmiana gęstości spinowych na fragmentach klastera A i anionie mrówczanowym w trakcie reakcji przeniesienia protonu 58

5.18 Krzywa energii jako funkcja odległości Nip-CH3 dla reakcji przeniesienia metylu z metylokobaltokoryny na klaster A z zaznaczonymi strukturami substratów, produktów i stanu przejściowego ............................................ 60

5.19 Krzywe energii jako funkcje odległości Nip-CH3 dla reakcji przeniesienia metylu z metylokobaltokoryny na klaster A dla różnych stałych dielektrycznych e .................................................................................................... 61

5.20 Zmiana gęstości spinowych na fragmentach klastera A, metylu i kobaltokorynie wzdłuż ścieżki reakcji o najniższej energii...................................... 62

5.21 Krzywa energii jako funkcja odległości Nip-CH3 dla reakcji przeniesienia metylu pomiędzy atomem Nip klastera A a metylokobaltokoryną przy stałej odległości Co-Nip=7 A z zaznaczonymi strukturami substratów, produktów i stanu przejściowego........................................................................ 64

5.22 Panel a) krzywe energii jako funkcje odległości w reakcji przeniesienia metylu pomiędzy atomem Nip klastera A a metylokobaltokoryną przy ustalonej odległości Co-Nip=7 A. Sytuacja taka modeluje reakcję rodnikową z przeniesieniem elektronu (ET); panel b) zmiana gęstości spinowych na fragmentach klastera A, metylu i kobaltokorynie......................... 65

5.23 Powierzchnie energii potencjalnej zależne od dwóch parametrów geometrycznych, odległości Nip-CH3 =2 .5 - 3 .0 A oraz odległości Co-CH3 =2 .0 -3.0 A dla różnych stałych dielektrycznych e ............................................... 67

5.24 Powierzchnie gęstości spinowych na fragmentach klastera A, metylu i kobaltokorynie dla dwóch odległości Nip-CH3 =2 .5-3.0 A oraz Co- CH3 =2 .0 - 3 .0 A i różnych stałych dielektrycznych e ............................... 6 8

5.25 Panel a) wzajemne położenie K r z y w e j I i II dla dwóch odległości Nip- CH3 =2 .5 - 3 .0 A oraz Co-CH3 =2 .0- 3 .0 A; panel b) ścieżki reakcji odpowiedzialne za M ec h an izm A i M e c h a n i z m B ...................................... 69

5.26 Proponowany schemat reakcji metylacji klastera A ................................. 70

Wykaz stosowanych skrótów

ACS

CODH

DFT

DFT-BS

ET

GGA

HOMO

LDA

LUMO

MP2

NBO

PCM

WFT

ZPE

syntaza acetylokoenzymu A (ang. Acetyl-CoA Synthase)

dehydrogenaza tlenku węgla(ang. Carbon Monoxide Dehydrogenase)

teoria funkcjonałów gęstości (ang. Density Functional Theory)

metoda DFT z funkcją o złamanej symetrii(ang. Dependent Density Functional Theory-Broken Symmetry)

reakcja z przeniesieniem elektronu (ang. Electron Transfer)

uogólnione Przybliżenie Gradientowe (ang. Generalized Gradient Approximation)

najwyższy zajęty orbital molekularny (ang. Highest Occupied Molecular Orbitalj

przybliżenie Lokalnej Gęstości (ang. Local Density Approximation)

najniższy niezajęty orbital molekularny (ang. Lowest Unoccupied Molecular Orbital)

metoda oparta na drugim rzędzie rachunku zaburzeń Mollera-Plesseta (ang. Móllera-Plesset Perturbation Theory)

metoda naturalnych orbitali wiązań (ang. Natural Bond Orbital)

ciągły model rozpuszczalnika (ang. Polarizable Continuum Model)

teoria oparta na funkcji falowej (ang. Wave Function Theory)

energia punktu zerowego (ang. Zero-Point Energy)

1 Wstęp i cel pracy

1 Wstęp i cel pracyKompleksy metali przejściowych stanowią centra aktywne enzymów katalizu

jących wiele reakcji biochemicznych. Związki te mogą wykazywać zróżnicowaną reaktywność chemiczną, ze względu na łatwość z jaką metale przejściowe przyjmują różne stopnie utlenienia i różne sfery koordynacji.

Jednym z pierwiastków tworzących centra aktywne enzymów jest nikiel. Siedem z ośmiu jego enzymów katalizuje reakcje, w których produkowane lub przetwarzane są następujące gazy: CO, C 0 2, CH4, H2, N H 3 i 0 2 [1-3]. Odgrywają one ważną rolę w metabolizmie bakterii beztlenowych, obiegu węgla, azotu i wodoru w przyrodzie oraz mają ogromne znaczenie dla zrozumienia procesu powstawania życia na Ziemi. Atomy niklu w metaloenzymach wykazują dużą różnorodność koordynacji, mogą przyjmować różne stopnie utlenienia (+I,+II,+III) oraz katalizują reakcje redoks w szerokim zakresie potencjału [2]. Badanie teoretyczne i doświadczalne połączeń z niklem ma na celu zrozumienie wiele mechanizmów reakcji zachodzących w układach biologicznych min. procesu metylacji i karbo- nylacji. Ma również na celu ich przyszłościowe wykorzystanie w przemyśle m. in. w produkcji kwasu octowego w procesie M onsanto [4,5],

Obiektem badań, z zakresu teoretycznych metod w chemii wchodzących w zakres prezentowanej pracy doktorskiej, jest dwucentrowy kompleks niklu, [Fe4 S4]-N ipN i(i, nazywany klasterem A. Stanowi on centrum aktywne syntazy acetylokoenzymu A (ACS), enzymu który katalizuje reakcje powstawania acetylokoenzymu A z CO, CH3 i koenzymu A (CoASH) w bakteriach: Moorella thermoacetica i Carboxydothermus hydrogenoformans [6 - 8 ], Krystalografia oraz spektroskopia Móssbauera i EPR [9-12] dostarczają wielu danych eksperymentalnych dotyczących złożonej struktury i reaktywności klastera A, niewiele jest jednak prac obliczeniowych z nim związanych [13-16]. Prezentują one ponadto różne podejścia do omawianego zagadnienia. Innowacyjność niniejszej pracy przejawia się zarówno w wykonaniu obliczeń niepublikowanych do tej pory dotyczących redukcji klastera A połączonej z protonacją, ale również w zaproponowaniu m echanizmu katalitycznej metylacji enzymu ACS ,w którym istotną rolę odgrywa dwuelektronowa redukcja z przeniesieniem protonu. Zwrócono też uwagę,

10


że istotną rolę przy wyznaczaniu właściwości redoksowych klastera A odgrywa ligand skoordynowany z proksymalnym atomem niklu (Nip). W badaniach zastosowane zostały metody chemii kwantowej oparte na teorii funkcjonałów gęstości. Wyniki otrzymano stosując metodę BS-DFT z funkcjonałem BP8 6 i bazą funkcyjną TZVP. Otoczenie białkowe enzymu uwzględniono stosując model ciągły rozpuszczalnika PCM [17, 18], dla czterech stałych dielektrycznych e=4, 12, 20 i 80. W obliczeniach sprawdzono kilka, różniących się wielkością typów modeli strukturalnych klastera A (MO, M l, M2 i M3).

Prezentowana praca przedstawia finalne wyniki obliczeń optymalizacji geometrii klastera A na różnych stopniach utlenienia (Aox, Arerfl i K Te(n ) oraz klastera A z ligandami: grupą metylową, grupą karbonylową, protonem oraz anionem mrówczanowym. Przeanalizowano również ładunki i gęstości spinowe wszystkich wyselekcjonowanych struktur. Wybrano takie molekuły, których obecność sugerowana jest w strukturze krystalograficznej enzymu oraz takie, których obecność w trakcie katalizowanej przez klastera A reakcji została potwierdzona doświadczalnie i w związku z tym, wydają się być istotne do poprawnego opisu mechanizmu reakcji. Ważny element pracy stanowiło teoretyczne wyznaczenie wartości pKa, potencjałów redukcji oraz potencjałów redukcji sprzężonych z przyłączeniem protonu. Na ich podstawie wybrano mechanizm redukcyjnej aktywacji utlenionej formy klasteru A (Aox) spośród dwóch proponowanych doświadczalnie [9,19], a także oceniono wpływ wielkości modelu oraz otoczenia białkowego na właściwości redoksowe klastera A.

W kolejnym etapie badań, przedstawionych w niniejszej pracy, wyznaczono ścieżkę reakcji metylacji klastera A, przeanalizowano zmiany gęstości spinowych w trakcie reakcji oraz zaproponowano jej mechanizm. Czynnikiem metylującym w reakcji była metylokobalamina w formie ”base-off”. W ymieniona reakcja, jest jednym z etapów pośrednich katalizowanej przez centrum aktywne reakcji powstawania acetylokoenzymu A. Aby możliwe było poprawne opisanie mechanizmu reakcji stosowana metodyka obliczeń musi poprawnie odtwarzać potencjały redukcji reagentów, dlatego to zostało zrobione w pierwszym kroku.

Podsumowując, realizacja badań w ramach przedkładanej pracy doktorskiej miała na celu:(i) Wypracowanie modelu i metodyki obliczeń, która prawidłowo odtwarza doświadczalne dane strukturalne oraz potencjały redukcji i wartości pK a dla klastera A.(ii) Zaproponowanie mechanizmu redukcji utlenionej formy klastera A (Aox).(iii) W skazanie mechanizmu reakcji metylacji klastera A, będącej jednym z etapów powstawania acetylokoenzymu A.

11


Rozprawa została podzielona na sześć rozdziałów. W rozdziale drugim omówiono, w sposób ogólny, podstawy teoretyczne metody funkcjonałów gęstości (DFT), stosowany do obliczeń funkcjonał BP8 6 oraz ciągły model rozpuszczalnika (PCM). W rozdziałach trzecim i czwartym dokonano przeglądu danych literaturowych reprezentujących obecny stan wiedzy na temat enzymu, syntazy acetylokoenzymu A (ACS) oraz jego centrum aktywnego, czyli klastera A. Informacje przedstawione w rozdziale trzecim dotyczą danych doświadczalnych: krystalograficznych i spektroskopowych, natomiast w rozdziale czwartym dokonano przeglądu literatury prac teoretycznych. Badaniom własnym został poświęcony rozdział piąty, który składa się z pięciu podrozdziałów. W rozdziale 5.1 omówiono modele klastera A stosowane w obliczeniach. Rozdział 5.2 zawiera wyniki obliczeń optymalizacji geometrii dla przedstawionych wcześniej modeli klastera A oraz analizuje ich struktury elektronowe. Rozdziały 5.3 i 5.4 dotyczą właściwości elektronowych klastera A i obejmują wyniki obliczeń wartości pK a oraz potencjałów redukcji dla różnych stałych dielektrycznych e. Rozdział 5.5 omawia wyniki obliczeń dla reakcji metylacji i przedstawia schemat proponowanego mechanizmu tej reakcji. W ostatnim rozdziale umieszczono podsumowanie i wypunktowano najważniejsze wynikające z pracy wnioski.

12

2 Wstęp teoretyczny

2 Wstęp teoretycznyMetody opracowane w ramach teorii funkcjonałów gęstości (DFT, ang. Den

sity Functional Theory) są obecnie najbardziej popularnymi i efektywnymi metodami stosowanymi w chemii układów biologicznych i katalitycznych. Implementacje tych metod znajdują się już w zdecydowanej większości pakietów programów obliczeniowych przeznaczonych do obliczeń kwantowo-chemicznych dla układów atomowych, molekularnych, krystalicznych, a także dużych układów biologicznych i nanostruktur. Umożliwiają one badanie dużych molekuł, dla których stosowanie złożonych metod chemii kwantowej jest niemożliwe ze względu na wymagania sprzętowe i wysoki koszt obliczeń. Podstawową zaletą metod DFT, jest znacznie niższy koszt obliczeniowy niż standardowo używanych metod typu ab initio opartych na teorii funkcji falowej (WFT, ang. Wave Function Theory). Równocześnie dokładność otrzymanych wyników jest, w większości przypadków porównywalna z dokładnością metod WFT opartych na przybliżeniu Hartree- Focka (HF) z uwzględnieniem dodatkowo efektów korelacji elektronowej w drugim rzędzie rachunku zaburzeń M óllera-Plesseta (MP2). M etoda DFT uwzględnia korelację elektronową i może być wykorzystywana do wyznaczania własności molekularnych związków metaloorganicznych, zawierających metale przejściowe, dla których metoda HF zawodzi ze względu na zbyt małą różnicę energii między orbitalami HOMO i LUMO.

2.1 Metoda funkcjonałów gęstościW teorii funkcjonałów gęstości wychodzimy z przybliżenia Boma-

Oppenheimera, które pozwala rozpatrywać stany elektronowe przy określonych położeniach jąder. Stan podstawowy układu można znaleźć za pomocą gęstości elektronowej zdefiniowanej w następujący sposób [2 0 , 2 1 ]

P(r)

_2 f 2= N ^ dT2dr3 .. .d T N \'ii! (r ,a i,T 2 ,(r2 , . . . , T N, a N)\ (2.1)

„ _ 1 ^

13

2.1 Metoda funkcjonałów gęstości

gdzie:r jest położeniem w przestrzeni trójwymiarowej, a całkowanie odbywa się po wszystkich współrzędnych spinowych N elektronów i po współrzędnych przestrzennych N -l elektronów.Gęstość elektronowa jest zawsze liczbą dodatnią, a jej wycałkowanie po całej przestrzeni daje nam ilość elektronów w układzie. Posiada też łatwe do przewidzenia cechy jakościowe: maksima (ostrza) w pobliżu jąder, które wraz ze wzrostem odległości od jądra dążą do zera; pochyłość ostrza określona jest przez ładunki jąder.

2.1.1 Twierdzenia Hohenberga-Kohna

Punktem wyjścia w teorii funkcjonałów gęstości, są sformułowane w 1964 roku, twierdzenia Hohenberga-Kohna [22-25]:1 .Gęstość elektronowa stanu podstawowego Po(r) i funkcja falowa stanu podstawowego mogą być używane alternatywnie jako pełne opisy właściwości stanu podstawowego.2. Istnieje funkcjonał energii zależny od p osiągający swoje minimum dokładnie dla idealnej gęstości stanu podstawowego, czyli dla p = po.Spełniona jest wtedy następująca zasada wariacyjna:

E » K [p\ > E » K [p0} = po (2.2)

2.1.2 M etoda i równania Kohna-Shama

Praktyczna realizacja teorii funkcjonałów gęstości opiera się na opracowanej rok po ogłoszeniu twierdzeń metodzie Kohna-Shama [21,23,24], Polega ona na zastąpieniu oddziaływań pomiędzy elektronami koncepcją wzajemnie nieoddzia- łujących, ale oddziałujących z jądrami i polem zewnętrznym elektronów, poruszających się w efektywnym potencjale. Dla takiego modelu funkcja falowa ma postać wyznacznika Slatera i stanowi funkcję własną efektywnego hamiltonianu będącego sumą operatorów jednoelekronowych. Zabieg ten pozwala uniknąć problemu wielu oddziałujących ze sobą ciał. Jednocześnie taki potencjał efektywny zawiera w sobie zarówno oddziaływania dwuelektronowe (korelację kulombow- ską) jak i korelację wymienną (statystyczną). Kluczowy jest wybór tego potencjału w taki sposób, aby gęstość nieoddziałujących elektronów dokładnie odwzorowywała gęstość rzeczywistego układu w stanie podstawowym.

Energia całkowita w metodzie DFT zależy od gęstości elektronowej i wyraża się następującym wzorem:

E[p] = Tq [p\ 4- Kje[p] + Jee[p\ + Exc[p\ (2.3)

14

2.1 Metoda funkcjonałów gęstości

W równaniu tym kolejne człony oznaczają odpowiednio: > energię kinetyczną nie oddziałujących elektronów,

(2.4)

> energię elektrostatycznego przyciągania miedzy jądrami atomowymi i elektronami:

który zawiera wszystkie składniki pominięte przez poprzednie wyrazy:

• część wymienną,

• korelacje elektronową,

• poprawkę do energii kinetycznej,

• poprawkę do oddziaływania elektronów samych ze sobą.

Dokonując wariacji wyrażenia na energię względem gęstości elektronowej, z ograniczeniami ortonormalności i nieoznaczonymi mnożnikami Lagrange’a, otrzymujemy układ równań różniczkowo-całkowych. Układ ten nazywany jest układem równań Kohna-Shama i rozwiązuje się go iteracyjnie podobnie jak w metodzie Hartree-Focka [20,21,25,26].

Z zestawu startowych orbitali oblicza się gęstość w zerowym przybliżeniu i operator vq. Rozwiązując równanie po raz kolejny otrzymuje się nowe orbitale, a procedurę powtarza się, aż do samouzgodnienia.

(2.5)

> energię odpychania elektrostatycznego elektronów,

(2.6)

> funkcjonał korelacyjno-wymienny,

-Ęrc [p] (2.7)

(2 .8)

(2.9)

Gdzie:.—. ń ExcVXc (2.10)

15

2.2 Stosowane funkcjonały

2.2 Stosowane funkcjonałyDokładność i efektywność metod DFT zależy od przybliżeń i jakości funk

cjonałów korelacyjno-wymiennych używanych w tych metodach. Niestety większość znanych, popularnych i standardowo stosowanych funkcjonałów korelacyjnych i wymiennych daje zadowalające wyniki tylko w pewnych obszarach obliczeń kwantowo-chemicznych, a poprawność wyników otrzymanych przy pomocy tych funkcjonałów dla innych (zbliżonych) zagadnień jest praktycznie nieprzewidywalna. Dlatego też bardzo istotny jest odpowiedni dobór funkcjonału do konkretnego problemu obliczeniowego.

Wyróżnia się cztery podstawowe grupy funkcjonałów:

1. LDA lub SDA (przybliżenie lokalnej gęstości lub spinowej lokalnej gęstości),

2. GGA (uogólnione funkcjonały gradientowe),

3. meta-GGA (funkcjonały meta-gradientowe),

4. funkcjonały hybrydowe.

W niniejszej pracy wykorzystano funkcjonał BP8 6 , który należy do grupy funkcjonałów GGA. Powstał on przez połączenie funkcjonału wymiennego Becke (B8 8 ) [27] z funkcjonałem korelacyjnym Perdew (P8 6 ) [28].

Część wymienna funkcjonału przedstawia się wzorem (Fx(s ) jest współczynnikiem poprawy):

F-B88w=1+T 7 6 i S r o < 2 ' n )

s = — —— r (2 . 1 2 )2(37r2)5

gdzie:o /3 = 0.0042 jest parametrem empirycznym dopasowanym metodą najmniej

szych kwadratów do dokładnej energii wymiennej Hartree-Focka sześciu atomów gazów szlachetnych (od He do Rn);

> funkcja: sinh “ 1 y = ln(y + y / l + y 2) zapewnia prawidłowe asymptotyczne zachowanie wymiennej energii gęstości dla dużych odległości r;

> parametry cx i C2 wyznacza się ze wzorów: cx = 2 (67t2 ) 3 , C2 = ( 2sCx)~l .

Cześć korelacyjna funkcjonału BP8 6 przedstawia się wzorem:

£ f 8V , / ] = + J (2' 13)

16

2.3 Model rozpuszczalnika

Funkcja d( Q jest dana równaniem:

5

d( C) = 25 ¥ ) ' *1 - C V

2(2.14)

oraz:- Cc(0) 1 V p|

Cc(rs) p l(2.15)

Parametr / = 0.11 jest tak dobrany, żeby pasował do dokładnej energii korelacji atomu Ne, a Cc(rs) jest współczynnikiem w rozwinięciu gradientowym.

2.3 Model rozpuszczalnikaStandardowe obliczenia kwantowochemiczne przeprowadzane są na ogół dla

układów molekularnych w próżni. Tymczasem większość interesujących reakcji (bio)chemicznych przebiega w roztworach, dlatego konieczne jest uwzględnienie oddziaływania molekuł z rozpuszczalnikiem. W obliczeniach stosuje się zaimplementowane w pakietach obliczeniowych modele rozpuszczalników. Jednym z nich jest model PCM (ang. Polarizable Continuum Model), w którym rozpuszczalnik traktowany jest jako ośrodek ciągły [17,18,29,30], Cząsteczka substancji rozpuszczonej umieszczana jest wewnątrz wnęki w rozpuszczalniku, zbudowanej z zachodzących na siebie sfer scentrowanych na poszczególnych atomach lub grupach atomów. Promień sfery jest proporcjonalny do promieni van der Waalsa atomów, a współczynnik proporcjonalności dobierany jest na podstawie obliczeń testowych dla wybranych układów i porównania uzyskanych danych z eksperymentem. Rozpuszczalnik w metodzie PCM jest izotropowym medium ciągłym o stałej wartości przenikalności dielektrycznej e. W środku wnęki stała dielektryczna e = l, natomiast na zewnątrz ma wartość charakterystyczną dla danego rozpuszczalnika.

W modelu PCM proces solwatacji dzieli się na trzy etapy:

1 . utworzenie wnęki w rozpuszczalniku,

2 . umieszczenie we wnęce cząsteczki substancji rozpuszczonej,

3. wygenerowanie rozkładu ładunków.

W yznacza się energię swobodną solwatacji, która jest sumą trzech członów:

A G sol = A G cav + A G vd w + A G e j (2.16)

17

2.4 Potencjały redukcji i pKa

> A G cav - energii kawitacji, wyznaczanej jako ważony udział wkładu od izolowanego atomu;

> A G vdw - energii van der Waalsa, wyznaczonej z sumy wkładów atomowych;> A G ei - energii elektrostatycznej - przy obliczaniu jej wkładu zakłada się, że

rozpuszczalnik stanowi ciągły polaryzowalny ośrodek odpowiadający na rozkład ładunku cząsteczki rozpuszczonej.

2.4 Potencjały redukcji i pKaM ożliwość teoretycznego wyznaczania wartości stałej równowagi reakcji dy-

socjacji kwasów w wodzie, Ka lub jej ujemnego logarytmu: (pKa=-logKa) przy użyciu spójnego, dobrze zdefiniowanego podejścia bez stosowania zewnętrznych przybliżeń lub dopasowywania wyników do danych doświadczalnych ma dla chemików ogromne znaczenie [30,31], Główna trudność w obliczaniu absolutnych (pKa) i względnych wartości (pK’a) polega na wyznaczeniu zmiany entalpii swobodnej związanej z deprotonacją. Obliczenie dokładnych wartości pK a jest bardzo wymagające, ponieważ błąd w wyniku AG°=1.36 kcal/mol warunkuje błąd rzędu 1 jednostki pKa [31-33].

pKa związane jest z entalpią swobodną następującą zależnością:

A G 0p K a = —l ogKa = -----------------------------------------(2.17)F y 2.303RT

gdzie: R=1.987 10” 3 kcal/(K-mol)jest stałą gazową, T=298.15 K, A GQaq oznacza swobodną entalpię dla reakcji deprotonowania w roztworze, a czynnik 2.303 pochodzi z zamiany logarytmu naturalnego na dziesiętny. Rysunek 2 .la obrazuje cykl Borna-Habera, na podstawie którego wyznacza się A G°aq zgodnie ze wzorem:

A Ą = AG" + A + A ~ A G ^ i f ) (2.18)

gdzie:AG°g = A G°g(A~) + A G°g{ H +) - A G°g{A H ) (2.19)

Należy mieć na uwadze, że dla każdego z indywiduów należy uwzględnić wkład pochodzący od zmiany stanu standardowego z 1 atmosfery w temperaturze 298.15 K w fazie gazowej na 1 mol/dm 3 w fazie skondensowanej. Dużą trudność sprawia wyznaczenie teoretyczne wartości AG°oto(H+), a dostępne dane literaturowe podają istotne różnice w wartościach [33,34], Problem sprawia także obliczenie entalpii swobodnej protonu w fazie gazowej, Gy(H+). Swobodną entalpię reakcji w fazie gazowej wyznacza się dla izolowanych cząsteczek za pomocą obliczeń kwantowo-chemicznych, natomiast swobodną entalpię solwatacji z zastosowaniem wybranego modelu rozpuszczalnikowego.

18

2.4 Potencjały redukcji i pKa

AH

•a g ‘,* (a h ) AO'UA) AG‘*<!f) AG*,*(Ox) AG*.k(H -)

AH AG*+ H +aq O xaq+ e s — — — ► R ed aq

Rysunek 2.1: Cykl termodynamiczny Boma-Habera a) stosowany do wyznaczania stałej równowagi reakcji b) stosowany do wyznaczania potencjału redukcji. Odnośnik [30]

Podobnie wyznacza się potencjały redukcji, a analogiczny cykl Boma-Habera dla procesu jednoelektronowego przedstawiono na Rysunku 2. Ib [31,32], Całkowita, swobodna entalpia Gibbsa jest sumą wartości w poszczególnych etapach:

Energia swobodna solwatacji elektronu jest równa zero, a żeby odnieść wyniki obliczone do pomiarów eksperymentalnych względem standardowej elektrody wodorowej należy uwzględnić, że ASHE=4.28 V zgodnie z dostępnymi danymi literaturowymi [35-37],

Dla znanych entalpii swobodnych badanego procesu potencjał redukcji wyznacza się z równania Nemsta:

a s y O ,r e d o x

E° = solv (2.21)n F

gdzie: n jest liczbą elektronów biorących udział w reakcji redoks,a F=23.06 kcal/(mol V) jest stałą Faradaya.

Reakcje redoks mogą być połączone z innymi procesami. Przykładowo może to być zmiana konformacji cząsteczki lub przyłączenie liganda. W ielu przykładów złożonych procesów redoks dostarcza biochemia. Skomplikowane procesy przemiany materii, zachodzące w komórkach organizmów żywych min. w łańcuchu oddechowym, polegają na transporcie elektronów od związków ’’bardziej zredukowanych” do ’’bardziej utlenionych”. W tych wieloetapowych szlakach transportu elektronów, od donorów do akceptorów, istotną rolę odgrywają proste reakcje utleniania i redukcji jonów [38-40],

t0 , r e d o x = A G o,™*« + a g 0,.„ (R e d ) - A & Z „(O x) (2.20)

19

3 Syntaza acetylokoenzymu A

3 Syntaza acetylokoenzymu ANikiel (Ni, tac. niccolum) jest pierwiastkiem chemicznym z grupy metali

przejściowych, który odgrywa ważną rolę w biologii roślin oraz beztlenowych bakterii i archeonów [41,42]. Jest on obecny w centrach reaktywności enzymów katalizujących wiele reakcji biochemicznych tych organizmów. U roślin wchodzi w skład ureazy, enzymu który uczestniczy w rozkładzie mocznika. Siedem z ośmiu metaloenzymów niklu katalizuje reakcje w których produkowane lub przetwarzane są następujące gazy: CO, C 0 2, CH4, H2, NH 3 i 0 2 [1-3]. Ich poznanie jest ważne dla zrozumienia procesu powstawania życia na Ziemi, utrzym ania równowagi ekologicznej oraz ze względu na potencjalne zastosowanie w przem yśle [4].

Rysunek 3.2: Struktura CODH/ACS z uwzględnieniem poszczególnych podjednostek (Moorella thermoacetica, PDB - 10A0 ). Odnośnik [43]

Acetylokoenzym A (CH3CO-C0ASH) dla aerobiontów jest kluczowym półproduktem cyklu Krebsa [44], natomiast u anaerobiontów takich jak jednokom órkowe, beztlenowe bakterie acetogeniczne i m etanogeniczne oraz archebakterie

20


używany jest w procesie redukcji atmosferycznego CO 2 w celu uzyskania węgla do produkcji biomasy. Proces ten odbywa się w redukcyjnym cyklu acetyloko- eznymu A, określanym jako szlak W ood-Ljungdahl’a [6,8,45,46]. W przeciwieństwie do odwrotnego cyklu Krebsa i cyklu Calvina, proces ten nie jest cykliczny. Redukcyjny szlak acetylokoenzymu A jest metodą wytwarzania związków organicznych polegającą na redukcji C 0 2 przez kilka związków pośrednich do acetylokoenzymu A. Kluczowa reakcja redukcji C 0 2 do CO przeprowadzana jest przez dehydrogenazę, której kofaktorami są Ni, Zn, Fe. Donorem elektronów w tej reakcji jest wodór. Do CO połączonego z dehydrogenazą przyłączana jest grupa metylowa przenoszona przez białko korynoidowe o podobnej budowie jak witamina B I2. Białko to pobiera grupy metylowe z tetrahydrometanopteryny i przyłącza do związanego z enzymem CO. Powstała w reakcji grupa acetylowa przenoszona jest na koenzym A co prowadzi do powstania acetylokoenzymu A.

Kluczowym enzymem wykorzystywanym w opisanym wyżej procesie przez bakterię Moorella thermoacetica jest syntaza acetylo-CoA /dehydrogenaza tlenku węgla (II) (ACS/CO D H ) [45 ,47 ,48]. Ten dwufunkcyjny, heterotetrameryczny enzym posiada masę 301 kDa i składa się z dwóch rodzajów podjednostek (Rysunek 3.2) [5 ,8 ]. Centralnie w środku występują podjednostki j3 odpowiedzialne za aktywność CODH i zawierające klastery: B , C, D. Natomiast symetrycznie po bokach znajdują się podjednostki a odpowiedzialne za aktywność ACS i zawierające badany klaster A. W strukturze enzymu pomiędzy klasterem C

oi klasterem A występuje hydrofobowy tunel (długości około 138 A), którym transportowany jest CO w trakcie katalizy [49], Tunel dostarcza CO i C 0 2

do miejsc aktywnych, a dostępność tych gazów jest regulowana przez zmiany konformacji białka (Rysunek 3.3).

A C S/C O D H katalizuje dwa ważne biologicznie procesy [6 - 8 ]

1. Odwracalną redukcję atmosferycznego C 0 2 do CO. Odpowiedzialny jest za nią klaster C [Fe4S4Ni] należący do CODH.

C 0 2 + 2 H + + 2 e ^ C O + H20

2. Syntezę acetylokoenzymu A przy udziale CO, koenzymu A (CoASH) i CH 3

przenoszonego przez białko koryna-żelazo-siarkowe (CoFeSP). M a ona miejsce w klasterze A [Fe4 S4 ]Ni2 należącym do ACS.

CH 3-C o {III)F eS P + C O + C o A S H # CH 3C O -S C oA + C o{I)F eS P + H +

21


KONFORMACJA BIAŁKAA) otwarta B) zamknięta

KONFORMACJA KLASTERA A

Rysunek 3.3: Wzajemna orientacja białka i klastera A w zależności od metalu skoordynowanego w miejscu Mp (Mp = Ni, Cu, Zn). Konformacja białka: A) otwarta B) zamknięta. Konformacje klastera A: a) zwarta b) rozwarta. Odnośnik [50,51]

W ciąż trwają prace nad dokładnym poznaniem enzymu ze względu na rolę jak ą m oże on pełnić w utrzymaniu równowagi ekologicznej przez wiąznie gazów cieplarnianych (reakcja 1) oraz z uwagi na jego potencjalne znaczenie technologiczne przy produkcji kwasu octowego (proces M onsanto) i w procesie Reppe’a (reakcja 2) [4,5].

Klaster A, stanowiący centrum aktywne ACS, jest dwucentrowym kom pleksem niklu połączony z kubanem żelazo-siarkowym: [Fe4 S4 ]-N ipNid, gdzie Nip i Nid oznaczają odpowienio proksymalne i dystalne położenie niklu w stosunku do kubanu. [52, 53]. Enzym ACS może przyjmować dwie konformacje: otwartą i zamkniętą, które odpowiadają dwóm konformacjom klastera A: zwartej i rozwartej (Rysunek 3.3). W arunkują one aktywność katalityczną enzymu. W strukturze otwartej enzym wykazuje pełną aktywność katalityczną, a jonem w pozycji proksymalnej jest Ni o koordynacji planarnej. W strukturze zamkniętej enzym jest nieaktywny, a proksymalny atom niklu jest zastąpiony przez Cu lub Zn

22


w koordynacji tetraedrycznej. W pracy [54] zasugerowano, że miedź i cynk mogą zostać wprowadzone w strukturę klastera podczas oczyszczania białka lub w procesie krystalizacji. W artykule [55, 56] udowodniono, że atom Nip jest labilny i m ożna go wyodrębnić z klastera przez ligandy chelatujące, takie jak fenantro- lina.

Klaster A syntazy acetylokoenzymu A może występować na trzech stopniach utlenienia:

• w formie utlenionej o konfiguracji elektronowej [Fe4 S4 ]2+-N ip+Ni^+ (S=0) - oznaczany jako Aox,

• w formie jednoelektronowo zredukowanej o konfiguracji elektronowej [Fe4 S4 ]2+-N ip+Nijj+ (S = |) - oznaczany jako Aredl,

• w formie dwuelektronowo zredukowanej o konfiguracji elektronowej [Fe4 S4 ] 1 +-N ip+Ni^+ (S=0) - oznaczany jako A red2, występuje tu sprzężenie antyferromagnetyczne [7,19,57]

Rysunek 3.4: Proponowane mechanizmy reakcji katalitycznej klastera A: a) paramagnetyczny b) diamagnetyczny. Odnośnik [58,59]

Redukcja w obecności CO daje tzw. strukturę Ared-CO (NiFeC) [Fe4 S4 ]2+Nip+ (CO)Ni^+ (S = |) zidentyfikowaną dzięki spektroskopii elektronowego rezonansu paramagnetycznego (EPR) [9 -1 1 ,6 0 -6 2 ]. M etylowany klaster A posiada strukturę elektronową [Fe4 S4 ]2+Ni2+(CH 3 )Ni^+ i stan spinowy (S=0) [7]. Eksperymentalnie stwierdzono, że reakcja metylacji utlenionej formy klastera A (Aox) przez metylokobalaminę lub białko CoFeSP zachodzi

Mechanizm paramagnetyczny

r CHi

2 e

CH 3 SMechanizm diamagnetyczny

23


w obecności czynników redukujących o niskim potencjale redukcji (niższym niż -0.5 V) i zależy od pH [9,19]. Związek potencjałów redukcji z pH wskazuje, że w strukturach zredukowanych do klastera A przyłączany jest proton [9,12,19,63].

M echanizm reakcji katalitycznej klastera A w enzymie ACS nie jest w pełni poznany [12, 19,63-65], Lindhal i współpracownicy [7 ,65 ,66 ] zaproponowali mechanizm diamagnetyczny (Rysunek 3.4), w którym aktywacja klastera A wiąże się z dwuelektronową redukcją. Grupa metylowa jest przenoszona z białka CH3- CoFeSP na klaster A jako kation, a następnie przyłącza się CO i tworzona jest grupa acetylowa. Koenzym A reaguje z acetylem tworząc acetylokoenzym A, a zredukowany klaster A zostaje odtworzony. Zgodnie z tym mechanizmem A recu- CO nie jest produktem przejściowym reakcji.

Ragsdale i współpracownicy [59, 64] zaproponowali tzw. przypadkowy mechanizm paramagnetyczny (Rysunek 3.4). CO i CH 3 reagują z jednoelektronowo zredukowanym klasterem A, przy czym kolejność ich przyłączania do Nip jest przypadkowa, a do redukcji i utworzenia [Fe4S4] 1 +Nip+(CH 3 )Ni^+ dochodzi w trakcie metylacji. Następnie powstaje acetyl który łączy się z koenzymem A.

24

4 Dotychczasowy stan badań teoretycznych

4 Dotychczasowy stan badań teoretycznychPrzy zastosowaniu metod kwantowochemicznych, zwłaszcza dla dużych mo

lekuł, obliczenia wykonuje się nie dla rzeczywistej struktury, ale dla wydzielonego fragmentu rzeczywistego układu molekularnego tzw. struktury modelowej. Ważne jest, by struktura ta zachowywała istotne własności układu rzeczywistego z punktu widzenia rozwiązywanego na drodze obliczeniowej problemu. Geometria, struktura elektronowa i reaktywność klastera A syntazy acetylokoenzymu A, dla różnych struktur modelowych, była przedmiotem badań czterech prac teoretycznych [13-16],

Pierwsza ukazała się w 2003 roku. Schenker i Brunold [14] wykonali obliczenia struktury elektronowej i geometrycznej dla dwóch modeli NiFeC, różniących się atomem metalu w miejscu Mp. Pierwsza struktura zawierała Cu+ , natomiast druga N i+ . Autorzy pokazali, że właściwości klastera A zgadzają się z doświadczalnymi stałymi sprzężenia nadsubtelnego jeżeli metalem w pozycji proksymalnej jest nikiel oraz wskazali, że A red2 posiada strukturę elektronową [Fe4 S4 ] 1 +Nip+Ni^+ i charakteryzuje się sprzężeniem antyferromagnetycznym między kubanem i Nip.

Autorzy drugiej publikacji, Webster i współpracownicy [15] wykonali w 2004 roku obliczenia optymalizacji geometrii stanów przejściowych i produktów pośrednich w cyklu katalitycznym enzymu. Ich celem było sprawdzenie czy w miejscu Mp znajduje się nikiel czy miedź, oraz który z tych metali silniej wiąże się z CO i CH3. Przetestowali też, czy aktywacja enzymatyczna klastera w ymaga jedno- czy dwuelektronowej redukcji. Przyjęty model strukturalny pozbawiony był kubanu żelazo-siarkowego, który zastąpiono grupą Fe(SH3)2+. Obliczenia programem Gaussian98 wykonano metodą DFT/B3LYP, przypisując różne bazy funkcyjne poszczególnym atomom klastera (Ni, Fe, Cu, S - baza LANL2DZ z efektywnym potencjałem ECP; N, C, O - baza cc-pVDZ; H- baza D95V).

Najbardziej obszerna z prac obliczeniowych ukazała się w 2005 roku i należy do Amara oraz współpracowników [13]. Dla wszystkich obliczeń kwantowochemicznych przyjęto dwa modele strukturalne centrum aktywnego, a atomy były zamrażane w trakcie optymalizacji geometrii. W modelu podstawowym, w miejsce

25

4 Dotychczasowy stan badań teoretycznych

aminokwasów (cystein i glicyny) zostały dodane atomy wodoru. W drugim rozważanym modelu (o konformacji rozwartej), uwzględniono wiązania wodorowe tworzące się z aminokwasami białka. Modelowono domniemane stany pośrednie, z grupą karbonylową (Arecil-CO, NiFeC), metylową (Ared2 -CH 3 ) i acetylową, pojawiające się w diamagnetycznym cyklu katalitycznym postulowanym przez Lindahl’a [43]. W obliczeniach, przeprowadzonych za pomocą programu Jaguar, zastosowano metodę DFT z funkcjonałem B3LYP w bazie funkcyjnej LACVP. W iększą bazą funkcyjną LACV3P dla atomów metali, oraz bazą cc-pVTZ(-F) dla pozostałych atomów posłużono się do obliczeń single point dla struktur zoptymalizowanych. Obliczenia zaprezentowane w pracy potwierdziły konfiguracje elektronową [Fe4S4] 1 +Nip+Ni^+ i antyferromagnetyczne sprzężenie w Ared2. W skazano, że mało prawdopodobne jest aby atom Nip(0) był związany z kubanem o konfiguracji [Fe4 S4]2+, natomiast może wiązać się z [Fe4 S4]1+. Pokazano, że dystalny atom niklu (Nid) nie uczestniczy w procesie katalizy i zasugerownano, że utworzenie mostka disiarczkowego może dostarczyć dwóch elektronów potrzebnych w trackie reakcji metylacji.

Ostatnia z prac obliczeniowych została opublikowana w kwietniu bieżącego roku [16]. Dwie rozważane struktury modelowe klastera A, mała i duża uwzględniająca białko, zawierają histydynę zamiast pomostowej cysteiny 512 (Rysunek 5.5). Głównym celem autorów publikacji było sprawdzenie wpływu tej zmiany na parametry geometryczne i właściwości elektronowe klastera A. W obliczeniach wykorzystano metodę BS-DFT i przetestowano dwa funkcjonały BP8 6 oraz B3LYP.

26

5 Obliczenia własne

5 Obliczenia własnePrzedstawione w pracy obliczenia wykonano przy pomocy programu Gaus-

sian09 [67]. Wyniki otrzymano stosując metodę DFT z funkcjonałem BP8 6

[27,28] w bazie TZVP [6 8 ]. W obliczeniach zastosowano funkcje o złamanej symetrii (ang. Broken Symmetry, BS) [69,70], a do wyznaczenia dwuelektronowych całek kolumbowskich korzystano z dopasowania gęstości (ang. Density Fitting Approximation) wraz z odpowiadającą bazą TZVPfit [6 8 ], Wpływ otoczenia białkowego, na energię i geometrię uzyskanych struktur, uwzględniono stosując model ciągły rozpuszczalnika PCM [17,18] ze stałą dielektryczną e=4, 12, 20 i 80. Do modelowania środowiska białkowego powszechnie stosuje się stałą dielektryczna e=4 [29], jednak wykazano, że wyższa wartość e pozwala uzyskać lepszą zgodność z doświadczeniem dla wartości pK a i odległości m etał-m etal [71,72], Potwierdziły to także wyniki naszych początkowych testowych obliczeń. Analiza populacyjna Mullikena silnie zależy od wyboru bazy funkcyjnej, dlatego ładunki atomowe wyznaczono stosując analizę naturalnych orbitali wiązań, znaną jako metoda NBO (ang. Natural Bond Orbital) [73,74].

W celu wyznaczenia wartości pKa oraz potencjałów redukcji zastosowano w pracy metodologię Noodleman’a i współpracowników [71,75-77]. Wykonywali oni podobne obliczenia dla białka Rieske oraz reduktazy rybonukleotydowej.

Wartości pK a zostały obliczone ze wzoru:

p K a = [ E{ M) sol - E ( M H +)sol + A G sol( H + , 1 a t m ) - (5.22)

W powyższym wzorze A G so;(H+ , 1 atm) jest energią solwatacji protonu pod ciśnieniem 1 atmosfery gazowego wodoru, która z danych eksperymentalnych wynosi -263.98 kcal/mol [36 ,37 ,78]. W kład entropii ruchu translacyjnego do energii swobodnej protonu w fazie gazowej TA Sga.s(H+) w temperaturze 298

T A S gas( H +) + b- R T + A Z P £ ] /1 .3 7

K oraz pod ciśnieniem 1 atm wynosi -7.76 kcal/mol. Fragment wzoru - RT

uwzględnia wkład energii ruchu translacyjnego protonu oraz PV = RToraz PV = RT

27

5.1 Modele obliczeniowe

[79], Energia punktu zerowego (AZPE) dla struktur protonowanych została obliczona dla małych modeli [80], w których nie było ograniczeń geometrii. Struktury małych modeli i wartości AZPE znajdują się w Załącznikach (Tablica C l, Rysunek C l).

Potencjał redukcji został obliczony według wzoru:

E0 = [E ( M +)sol - E ( M ) sol] /n + A S H E , (5.23)

gdzie: potecjał standardowej elektrody wodorowej ASHE=4.28 V został zaczerpnięty z danych literaturowych [35-37], a n= 1 lub 2 oznacza liczbę elektronów biorących udział w procesie redukcji.

Potencjał redukcji związany z przyłączeniem protonu wyznaczono z równania:

<524)gdzie: m oznacza liczbę protonów biorących udział w reakcji redukcji (w niniejszej pracy m - 1 ).

5.1 Modele obliczenioweDla klastera A syntazy acetylokoenzymu A dysponujemy geometrią doświad

czalną. W spółrzędne startowe do obliczeń zostały wygenerowane ze struktury krystalograficznej, opisanej dla bakterii Carboxydothermus hydrogenoformans, która jest dostępna w międzynarodowej bazie Protein Data Bank jako 1RU3 [51]. Wybrane, wyznaczone metodami eksperymentalnymi parametry geometryczne klastera A znajdują się w Tablicy 5.1. Zastosowana w obliczeniach struktura modelowa klastera A została pokazana na Rysunku 5.5. Numeracja atomów stosowana w tekście i tablicach jest zgodna z tym rysunkiem. Na ilustracji za pomocą gwiazdek oznaczono atomy zamrożone w trakcie optymalizacji geometrii, strzałkami pokazano rozważane miejsca protonacji, natomiast liniami przerywanymi wyróżniono wiązania wodorowe, które tworzą się między atomami siarki i tlenu klastera A, a aminokwasami białka. W szystkie, różniące się wielkością, wykorzystane do obliczeń modele strukturalne klastera A zostały pokazane na Rysunku5.6 i oznaczono je odpowiednio, od najmniejszego do największego, jako MO, M l, M 2 i M3.

W małym modelu MO cząsteczki cystein: Cys509, Cys512, Cys521 i Cys531 zastały zastąpione grupami -SCH3, natomiast aminokwasy Ser597 i PheóOl przez atomy H. Jedynie dla tego modelu nie zamrażano atomów w trakcie przeprowadzania obliczeń optymalizacji geometrii. W modelu średnim M l cząsteczki cystein: Cys509, Cys512, Cys521 i Cys531 modelowane były przez grupy -SCH 2 CH3, natomiast aminokwasy Ser597 i PheóOl przez grupy -COCH 3

28


i -NHCH 3 . W modelach dużych, M2 i M 3, zostały uwzględnione reszty amino- kwasowe, które mogą tworzyć wiązania wodorowe z atomami siarki reszt dołowych kubanu i atomami tlenu w koordynacyjnym otoczeniu niklu. W modelu M2 włączono w strukturę tylko aminokwasy w obrębie kubanu żelazo-siarkowego, a w m odelu M3 dodano argininę (Arg 619) celem zbadania jak duży wpływ na potencjały redukcji ma ten zasadowy aminokwas występujący w białku po stronie atomów niklu.

Rysunek 5.5: Zastosowana w obliczeniach struktura modelowa klastera A oparta na strukturze krystalograficznej 1RU3, PDB. Odnośnik [51] o Gwiazdki oznaczają atomy zamrożone w trakcie optymalizacji, o Strzałki pokazują rozważane miejsca protonacji, o Linie przerywane wskazują wiązania wodorowe,0 Numeracja atomów stosowana w tekście i tablicach jest zgodna z tym rysunkiem

D la wskazanych modeli strukturalnych przeprowadzono optymalizację geometrii klastera A na trzech stopniach utlenienia: Aox, h red\ i A red2. Uw zględniono również struktury protonowane klastera A oraz z ligandami ważnymi w cyklu katalitycznym enzymu. Ponadto dla wszystkich rozpatrywanych modeli, stosując analizę naturalnych orbitali wiązań (NBO) wyznaczono gęstości spinowe1 ładunki, a według wzorów przytoczonych w poprzednim podrozdziale obliczono wartości pKa i potencjały redukcji. W szystkie otrzymane wyniki porów-

29


nano z dostępnymi danymi literaturowymi [9,19,43,51,81], Pozwoliło to na ocenę wpływu wielkości modelu oraz otoczenia białkowego na właściwości redoksowe klastera A.

Tabl

ica

5.1:

W

ybra

ne,

wyz

nacz

one

eksp

erym

enta

lnie

pa

ram

etry

geom

etry

czne

kl

aster

a A


ujzNyŁ<CdOonJfSco>cdXUJz<.Q

oo Os cm cm

n w — —

SO 00 os r- 00 osCM CM

cm r-* > n cm

s « si 5 :rb (S —' —

co «/-> ^ vb >n t-:

so —— co— o^ co — oo o<

T Os

S sO so co cn‘00 p sovi Tf’ vo O SD oo

OO CM \ o s o X O CM 00

CM OS (— COCN Is- rt JO od— cm 5 2 -

00 CO CM CO

st 00 00 os od OJ — CO 00

T f c o fM

2 r “5CM CO — —

sO — so r-~ r-; r f CM CO

OsdOS

'O co2 X 'Nco oo

C ^ s f OS^ sd CM oo r** r** ^

o<DCU_5J

•►o*Z Ł03*

<Tt

'a. a.s s >■*«*

a.o zi? só Z co

B.Z Ł

ooU-< ^x <3UJ u

00 so r- os CM CM

z'a.

OX CN£ K o-3

£ Z

ONOt

'2'C/3Cc■oO

oo

MC'C«OaO

*2K/3cfiT3O

'2'C/3c G 'GO

tNO

M‘2'C/3CGpO

ot

cs«aOc■aO

CMOO

’2VZ3oCPO

Mc

SC/3ccT3o

31

5.2 Geometria i struktura elektronowa klastera A

MO

_

M,

M2 M3

Rysunek 5.6: Modele klastera A stosowane w obliczeniach

5.2 Geometria i struktura elektronowa klastera A5.2.1 K laster A

Pierwszym etapem pracy było przeprowadzenie obliczeń optymalizacji geometrii klastera A na różnych stopniach utlenienia: Aox, A redi i A redi- W strukturze krystalograficznej 1RU3 [50] z proksymalnym atomem niklu skoordynowana jes t cząsteczka H20 , dlatego jest ona obecna we wszystkich strukturach w trakcie optymalizacji. Na Rysunkach 5.7 i 5.8 przedstawiono zoptymalizowane geometrie klastera A na różnych stopniach utlenienia dla modeli MO, M l, M 2 i M3 otrzym ane dla £=20. W Tablicy 5.2 zamieszczone są wartości energii zoptym alizowanych struktur, natomiast wybrane zoptymalizowane odległości między atomami znajdują się w Tablicy 5.3. Dla e=4, dla małego m odelu MO uzyskano zbyt ujem ne wartości potencjałów redukcji, z tego względu zrezygnowano z tej stałej dielektrycznej w obliczeniach dla dużych modeli (M2 i M3).

M odel mały (MO) i średni (M l) są konstrukcyjnie giętkie. W wyniku obliczeń otrzym ano dla nich dwie struktury charakteryzujące się odpowiednio krótką (konformacja zwarta) i długą (konformacja rozwarta) odległością Nip-F e l, przy

32


czym energia struktury zwartej jest zawsze o około 0.01-0.02 a.u. niższa. Ponieważ jednoelektronowo zredukowany model M l nie występuje w formie rozwartej, wykonano dodatkowe obliczenia w których odległość Nip-S4 została ustalona na2.9 A, podobnie do wartości podawanej dla kryształu [50]. Przyczyną takiego postępowania jest brak zwartej struktury w dostępnych danych doświadczalnych. Zgodnie z przeprowadzonymi obliczeniami w przypadku modeli M 2 i M3, dla których uwzględniono dalsze otoczenie białkowe, otrzymano jedynie konformację zwartą, o krótkiej odległości Nip-F e l. Obecność aminokwasów nie pozwala bowiem na obliczenia z zamrożoną odległością Nip-F e l .

A ox A „ di A e d 2

M0 A

MOa S '

XM1

V - T *

~ dM1a

1

Rysunek 5.7: Zoptymalizowane geometrie klastera A na różnych stopniach utlenienia dla modeli MO i M l. Wyniki otrzymano metodą DFT/BP8 6 w bazie funkcyjnej TZVP z zastosowaniem modelu PCM/e=20. Otrzymano dwie konformacje klastera A: zwartą i rozwartą. Literą a w nazwie modelu oznaczono struktury o konformacji rozwartej. Obliczenia dla formy utlenionej (Aox) modelu Ml nie były wykonywane

Dla wszystkich struktur utlenionych (Aox) m ożna zaobserwować, że podobnie jak w strukturze krystalograficznej cząsteczka wody związana jest przez atom tlenu z atomem Nip (Rysunek 5.7, Rysunek 5.8, Tablica 5.3). Po redukcji klastera cząsteczka wody odłącza się od metalu i w iąże wiązaniami wodorowymi przez

33


atomy siarki. Dla modeli M l, M2 i M 3 zamrożone w trakcie obliczeń optym alizacji geometrii atomy węgla (Rysunek 5.7 i 5.8) nie pozwalają na rotacje kubanu oraz zapobiegają innym przemieszczeniom atomów, które nie są możliwe w białku.

Biorąc pod uwagę dane zawarte Tablicy 5.3 m ożna zaobserwować kilka ogólnych zależności. Dla struktur utlenionych (Aox) wszystkich branych pod uwagę modeli odległość Nip-Nid jest mniejsza, a Nip-Fel większa niż dla struktur zredukowanych, co wynika z koordynacji cząsteczki wody do Nip. W strukturach jedno- i dwu-elektronowo zredukowanych (Are<n i Ared2) dla modeli M l, M2 i M3 odległość między atomami Nip-Nid jest duża i przekracza 3.0 A, natomiast odległość Nip-Fel jest m ała i wynosi ~ 2 .5 A. M odele M l , M 2 i M3 m ają więc konformacje zwarte. Generalnie można zauważyć, że wraz ze wzrostem wielkości m odelu w ydłuża się dystans między atomami Nip i N id, a skraca między atomami Nip oraz F e l.

A A A^ox ^redl **rod2

M2 A ? '

j

- « S S

Rysunek 5.8: Zoptymalizowane geometrie klastera A na różnych stopniach utlenienia dla modeli M2 i M3. Wyniki otrzymano metodą DFT/BP8 6 w bazie funkcyjnej TZVP z zastosowaniem modelu PCM/s=20. Otrzymano tylko struktury zwarte klastera A

Gęstości spinowe i ładunki NBO na fragm entach klastera A dla trzech stopniach utlenienia zostały zebrane w Tablicy 5.4. Przedstawiony rozkład gęstości spinowych pokazuje, że Aox posiada konfigurację elektronową [Fe4 S4 ]+2 -N i+ 2N żJ2; A redi [Fe4 S4]+2 -N i+ 1 N i^2, a niesparowany elektron jest zlokalizowany na Nip; natomiast Ared2 [Fe4 S4 ]+ 1 -N i+ 1 N iJ 2 i występuje tu sprzężenie antyferromagnetyczne między Nip i kubanem o czym świadczą przeciwne

34


znaki gęstości spinowych na wymienionych fragmentach cząsteczki. Dla jednoelektronowo zredukowanych modeli M l, M2 i M3 gęstości spinowe na atomie Nip są duże i przekraczają wartość -0.520. Ogólna zależność wynikająca z danych zawartych w Tablicy 5.4 jest taka, że w większości przypadków im wyższa wartość stałej dielektrycznej (e) tym większa gęstość spinowa i większe ładunki NBO pojawiają się na fragmentach klastera A, natomiast wpływ powiększania wielkości modelu jest niewielki (wyjątek stanowi tu model MO). Rozkład elektronów w strukturach A redl i A red2 sugeruje, że rolą kubanu oraz Ni^ jest stabilizacja różnych stopni utlenienia proksymalnego atomu niklu (Nip) przez przyjmowanie nadmiarowej gęstości elektronowej i tym samym zabezpieczanie go przed niepożądanymi reakcjami.

Tablica 5.2: Energia struktur zoptymalizowanych dla modeli klastera A na różnych stopniach utlenienia. Wyniki obliczeń metodą DFT/BP8 6 w bazie funkcyjnej TZVP z zastosowaniem modelu PCM/e=4, 12, 20, 80

M O D E L £= 4 12 20 80MO Ł A D U N E K S P IN E+12820[a.u.]

A OX -2 0 -5.44285 -5.48702 -5.49618A redl -3 1/2 -5.52400 -5.61444 -5.63225

MOa6)Ared.2 -4 0 -5.56281 -5.71726 -5.74750

E+12820[a.u.]A ox -2 0 -5.42663 -5.47334 -5.48171A redl -3 1/2 -5.51997 -5.60745 -5.62479Ared2 -4 0 -5.55638 -5.70736 -5.73961

M l E+13390[a.u.]Aredl -3 1/2 -9.02255 -9.09559 -9.11102 -9.12890

M l a6)Ared.2 -4 0 -9.07431 -9.19828 -9.22441 -9.25462

E+13390[a.u.]A ox -2 0 -8.92441 -8.96513 -8.97407 -8.98459A “ )redl -3 1/2 -9.01720 -9.09059 -9.10607 -9.12395Ared2 -4 0 -9.05289 -9.17630 -9.20231 -9.23246

M2 E+15320[a.u.]A™ox -2 0 - -8 .19354 -8.20430 -8.21727A redl -3 1/2 - -8.32901 -8.34495 -8.36401Ared2 -4 0 - -8.44120 -8.46617 -8.49562

M3 E+16030[a.u.]A ox -2 0 - -0.20147 -0.21017 -0.22080A redl -3 1/2 - -0.34385 -0.35555 -0.36955Ared2 -4 0 - -0.45869 -0.47417 -0.49566

a> O dległość N ip-S4=2.9 A została zamrożona w trakcie optymalizacji

b> Literą a w nazwie modelu oznaczono struktury o konformacji rozwartej

35

Tabl

ica

5.3:

Wyb

rane

, zo

ptym

aliz

owan

e od

legł

ości

[A]

międ

zy

atom

ami

dla

mod

eli k

laster

a A

na ró

żnyc

h sto

pniac

h ut

leni

enia

. W

ynik

i ob

licze

ń m

etodą

D

FT/B

P86

w ba

zie

funk

cyjn

ej T

ZVP

z za

stoso

wani

em

mod

elu

PCM

/e=4

, 12

, 20

, 80


r- co 00 NO ft Uf ot co co O of- 04 o I 04 ON ONo 00 NO 1—« 43 O 04 O NO Ol O ■t ON co oo CO Uf Uf00 ft uf in ft OO O'; CO 04 co ON q -t co 04 t CO 04ft 04 co ft ft ft* 04* 04* CO 04* co CO 04* 04* CO 04* 04*

r- ON co NO CO co Q 04 O' OO t OOo on o i-H t"* o ON o NO ri o 1—» O'- 04 oo 00 Uf Uf04 04 co in ft 00 00 co 04 co ON q Tt CO 04 co co 04S4 ft co co ft* ft Ot 04* 04* co 04 co co 04* 04 co 04* 04*

'o.2 1—1 i—i O O 't o NO o o O ON04 o NO O o o 04 oc O' Uf Uf1 1 : co 04 co ON NO ■t CO 04 co co 04

04* 04* co 04* co co 04* 04 co 04* 04*

00 0- co Uf 00 Uf 04 O oo O 04C" 00 NO O' Uf Uf ON NO ON o O'ft *—* 04 co ft 00 ON 04 04 04 ON Uf 1 . 1 1ft CO co ft ft Ot 04 04 CO 04 co*

uf co ft 00 04 00 -et Uf NO co 04 P' Uf co 00o ft NO 43 04 04 00 On 00 co O O' O' NO Uf oo o00 O uf ft O ON 00 Uf ft oo Uf ON Uf Tt ON Uf UfCO 04 04* ft co’ co 04 04* 04 04* co 04* 04* 04* 04* 04* 04

nc ON r- o Uf r- O O co ON rt O 04 O' co Oo 00 NO NO co 04 cc O ON co O O' O OO NO co oo ł-H04 O' Uf ft o ON ON NO ft 00 Uf q Uf rt ON Uf Uf

D co 04 04* ft co’ CO 04* 04* 04* 04* co co 04* 04* 04 04 04*Ph2 ft 04 ON o 04 t 00 co O04 O ON co O 00 o OO NO CO oc1 i 1 43 ft 00 Uf q Uf ’f- ON Uf Uf

04 04* 04* 04* co co 04 04* 04* 04* 04*

r- 04 r- ON 04 Uf oc O ON ON Ufft 0- o co O NO o O 04 ccft o uf in q o o NO Uf OO r- Uf 1 1 1 1 1 1co 04 04 ft ft ot* 04* 04 04* 04 co

ft co 04 o ON (" CO ft Uf 04 oo OO Uf COo ft oo ur ft O 1—A 04 NO T-H Uf o co -t O' ON coco oo no NO Uf NO NO «—• ON ON q ON 00 q 1—104 04 04* 04 04 04* CO CO 04* 04* 04* 04* co co 04* co co

00 Uf CO Uf 04 ft ft co NO NO NO O ONo ft 00 Uf CO 04 04 04 CO 43 Uf o CO CO 00 ON 0404 00 NO NO Uf NO NO *— 1 — ON ON q ON 1 00 q *_ f3 2

04 04 04* 04 04 04* CO co 04* 04* 04 04 co co' 04* co co_ j a .

2 04 CO NO i—i Uf Uf co O co ON04 04 ft NO i—i O o co co oo ON 041 1 *—• On ON O On 1 — I oo q *CO co 04* 04* 04 04* co co 04* co co

ft ON OO 04 O' NO ON co ON 00NO ON On ft CO 43 04 o NO 04 O'ft 00 NO NO Uf NO 43 »—1 ON ON o 1 1 1 1 1 104 04 04* 04* 04* 04* CO co 04* 04 04*

CS CN CS ot CSf3 f : f i 03 T3 ■a f j f3 T3H <u <u H <u <u w (U H <U u <u|| o t- J- 0 fc. ę~ c <3 •- O - fr.

Uf < < < < < < < < < < < < < < < < <

w S sQ cd cdO O O y— l —■ 04 c o2 S 2 s S £ 2

<ueCd

&

Cd

£a.o

coMO&2M5ocoN O o3 C N O

< -i

£04IIftC/3ija,2'O-2'Sb es*O) u-=3 a o 3

36

Tabl

ica

5.4:

G

ęsto

ści

spin

owe

i ła

dunk

i NB

O dla

m

odel

i kl

aster

a A

na ró

żnyc

h sto

pniac

h ut

leni

enia

. W

ynik

i ob

licze

ń m

etod

ą D

FT/B

P86

w ba

zie

funk

cyjn

ej T

ZVP

z za

stoso

wani

em

mod

elu

PCM

/e=4

, 12

, 20

, 80


t-vO'/". vOt -CNCNacav — <n — n m 3\ ic mr~~- a o o o a o O O N o d o d o o o d —i

T f- 'O 'O — OO O' — ONOO cn — © © ao © o —d d d d d d d d —'

- ' O M - W \ 0 -4 !N0' — tNOOiflrtMvi--- ł o ^ o o ^ o r - o d d d d d d d d

•jO«/7 ©©< n q o od d d d d d d d d

. , - w « 5 n n tn0 ( N©> n ©0 ' /^qr-~ d d d d d d d d d

- m in h « n i • .. j m j m - - m •— © r ^ o o o o o r d d o d d d o d -

m i o n ^ i o o o M o o — o r - o o o o o f s 0 0 0 0 0 - 0 0 7

.■jaooovOvqi— O' tn r- tN iT 'O ’T S ir , O'— o r ^ o o p o o — ' 0 0 0 0 0 0 0 7

sm v o — o o ro 'o ri-o r - r - p ^ a o r - i m ! w 5 - . - 5 i n T f o «d d d d d d d d d

S0''0 — 0'r' 't0' j ' O ' O O ' O t ' n N OO — •©i^rtO'nd d d d d d d d d

- » in - y m 0 7 n - r M O t t n n O O — — O' / i mO' O d d d d d d d d d

f - O ri T O ?oo «n v© — © r~ O'r»t — © ov © © —

d d d d d d d d —

j so ( s r~ 5 M -I P 2 S S 8 Ę 20 0 0 0 0 0 0 0 -

— r - o s v o — Tj- — ov r-MIT, 'C 'OMOirif'l— ©r-; — O00OO — 0 0 0 0 0 9 0 0 7

- Orfr-rs — uiO' — © r - 7 — © a o o o o 0 0 0 0 0 9 0 0 7

§ri Tf n vo t — nr s >n ir> cs Tt 00 r~© i/p © 0 © vq

D d d d d d d d d

f s o x n i f l Mi r i ' O J n i r ,— p q i n o o w q ^ d d d d d d d d d

— O^Ssiorjr'it'T— o o m o o i n o i o d d d d d d d d d

j J i p K S E Nq <G — ©r^Oop d d o o d o d o ©

o - O - q r - q d P dd9®©99d?i a © M n i n » x niI ksspssss

d d p d d p p o p

£§a: rf v© <n — — 8 g “ § 8d d o o d d d d ©

. . r- — r^ _ , rs « m « n o o § o O ? 8 ^o d d d o d d d d

o d d d o 9 9 9 d

' I ' O ' C O O r O N ' t - P ' 0 « - - O N DOwpoqTtOT*d d d d d d d d d

1 v© r~ © r«-> <n1 0 0 0 7 0 7 © © o p o -7

?•. 3 K 5 oI © © ao © © —

© d o d o —

oi m o> ’f</-> 10 tj- 00 m 00I O © 00 © O ©

0 0 0 0 0 7

3 >0 S >?. •§ —o o r~ o o oo d d 0 © -7

OO to O 00 — O'ao \o «n o ' © v©i f l O O (S O Nd d d 0 © d

00 VO O' om o o (S o Nd © o p o ©

VO O ' I— O ' © inh IT, I£l O O t'O, o o CN © CN© o d d © ©

n in w o< o r>1 n o q n o kp o p o d ©

j p o o ^ o ó o 0 0 0 0 0 0 0 0 7

x v c r ' O r - t ' x — >c mr-oqr-'O'oio — - o ' o o o r ^ o o o 0 0 0 0 0 0 0 0 -

j p p o 7 0 q ! d d d d d d d © .

- irsmmr' - ' - i t— — — r - a o p — p a o— © © i n o o m o r N d d d d d d d d d

t— co ^ T t-tn csc Jo ł — — r - o o p — pov — qo^p©qqq<N d d d d d d d d d

(St'vtf'l'ONMNvO— — — r - o o p — p o v -OOmOOMONd d d d d d d d d

a.T3 T5* a-O'tz z £ z z £ z z £ a. ts ■<* a. -a a. tjZZ £z Ź £ z z £

1 1 1

.3.,? ,I'.3.J? .3.3? zz £ z z £ z z £

nJUJQO H

aaO H

JUJQO HS«°

Cuo

><On

CNIITfCO

Ift.

Z'O'C/3o

coo&

5

<D"OO

<D

£N03C£QctfFha)

37


Dobra zgodność otrzymanych, zoptymalizowanych parametrów geometrycznych klastera A i jego właściwości elektronowych klastera A z danymi doświadczalnymi [85] i dostępnymi pracami obliczeniowymi [13,80] dowodzi, że przyjęta metodyka obliczeń pozwala na poprawne modelowanie geometrii klastera A, a sama geometria zależy silnie od przyjętego modelu strukturalnego, natomiast wpływ stałej dielektrycznej w obliczeniach PCM na geometrię jest niewielki. Nie należy oczekiwać bardzo dobrej zgodności z eksperymentem ponieważ same dane doświadczalne pokazują duży rozrzut wyników, co potwierdza elastyczność strukturalną pozwalającą na dostosowanie klastera do różnych konformacji otaczającego go białka [52]. Analizując zmiany wartości gęstości spinowych i ładunków NBO na fragmentach klastera A widzimy wpływ wzrostu stałej dielektrycznej, natomiast oddziaływanie wielkości modelu ma mniejsze znaczenie.

5.2.2 Protonowany klaster A

Doświadczalnie stwierdzono, że dwuelektronowo zredukowany klaster A (A-red2 ) jest nietrwały, a protonacja jest jednym ze sposobów stabilizacji jego struktury [19]. Z tego względu, optymalizacji geometrii poddano formy klastera A z protonem na wszystkich stopniach utlenienia, a jako miejsca protonacji uwzględniono atom Nip oraz atomy siarki (S I, S2, S3, S6 ; miejsca oznaczone strzałkami, Rysunek 5.5).

Obliczenia uwzględniające protonację klastera A zostały wykonane po raz pierwszy i opublikowane w pracy [80], Zoptymalizowane parametry strukturalne dla modeli klastera A z protonem , odpowiadające najniższej energii (Tablica 5.5) zostały zebrane w Tablicy 5.6. Na Rysunku 5.9 pokazano zoptymalizowane geometrie protonowanych struktur, otrzymane dla ==20. W Załączniku B znajdują się Tablice B I, B2 i B3, które zawierają energie, wybrane parametry geometryczne, gęstości spinowe oraz ładunki NBO dla modeli M l - H (Ared2) i M3-H (Arecii i Ared2) dla wszystkich rozpatrywanych miejsc protonacji. Wartości najniższej energii dla zostały podane pogrubioną czcionką.

Dla form utlenionych (Aox) wszystkich rozpatrywanych modeli klastera A, najniższą energię mają struktury gdzie protonacja ma miejsce na atomie siarki S2 (Aox-S2H), a cząsteczka wody nadal związana jest z atomem Nip. Protonacja struktur zredukowanych prowadzi do powstania wodorków (Are(il-NiH i Ared2- NiH), w których proton związany jest z proksymalnym atomem niklu (Nip). Analizując odległości zawarte w Tablicy 5.6 widać, że dla wszystkich protonowanych m odeli znaleziono tylko jedną konformację klastera A. Dla modeli MO-H i M l-H m ożna ją uznać za pośrednią między konformacją zwartą, a rozwartą. Dla modelu M l - H odległość Nip-Fel jest w iększa niż dla modelu M 3-H, ponieważ możliwość zginania kąta F e l-S 6 -Nip jest dodatkowo (oprócz zamrożonych atomów węgla) zablokowana przez obecność reszt aminokwasowych. Interesująca jest do

38


bra zgodność (~0.1 A, e=20) geometrii protonowanych struktur dla modeli M l - H i M 3-H z danymi krystalograficznymi dla 1RU3 (Tablica 5.1) [51].

Aox-S2H A^-NiH A^-NiH

MO-H * * r

M1 -H ^

Rysunek 5.9: Zoptymalizowane geometrie protonowanych struktur klastera A na różnych stopniach utlenienia. Wyniki otrzymano metodą DFT/BP8 6 w bazie funkcyjnej TZYP z zastosowaniem modelu PCM/e=20. Przedstawiane są tylko te struktury spośród rozpatrywanych miejsc protonacji, którym odpowiada najniższa energia

39


Tablica 5.5: Energia struktur zoptymalizowanych protonowanych modeli klastera A na różnych stopniach utlenienia. Wyniki obliczeń metodą DFT/BP8 6 w bazie funkcyjnej TZVP z zastosowaniem modelu PCM/e=4, 12, 20, 80

M O D E L £= 4 12 20 80MO-H Ł A D U N E K S P IN E+12820[a.u.]

A ox-S2H -1 0 -5.89909 -5.92284 -5.92509Aredl-NiH -2 1/2 -6.01680 -6.06034 -6.06909A red2-NiH -3 0 -6.11394 -6.20144 -6.21860

M l-H E+13390[a.u.]A ox-S2H -1 0 -9.38704 -9.40845 -9.41358 -9.41989Aretil-NlH -2 1/2 -9.51510 -9.55262 -9.56066 -9.56998A redl-NiH“) -2 1/2 -9.51291 -9.55050 -9.55856 -9.56793A red2-NiH -3 0 -9.61206 -9.68538 -9.70081 -9.71860

M3-H E+16030[a.u.]A ox-S2H -1 0 - -0.62189 -0.63085 -0.64225Are^i-NiH -2 1/2 - -0.78317 -0.79151 -0.80173A'/~ed2 -NlH -3 0 - -0.93486 -0.94657 -0.96073

Odległość N ip-S4=2.9 A została zamrożona w trakcie optymalizacji

40


-co03CCuO<Zi

-C0

s °;g 00M 0 "2 CN

< 22 Tta IIen to3 S t U”8 51 -8

- CCJ >» c03 £Oao

03 03=3 NNB S:03E N 2 E-^ ’u’>> c•a >> n> «

E c°^r .Si

*N 03

-OOnc«-2'Sb-aO<Uc

a.

ocO-CQŁa03*

TDOO6

' C<DNO

3o^ ns

■ i\Q ^

in d 03 '5 o ^

' 2 - O (Ucg -o H 3

m on irin o - noNO >T)

CS NO . . O */") no m

on — r- noUl NO

t T 00 >/"> CN 00 00 00 NO

— NO —C*1 ON C*1 00 NO 00

Tt c*C CS CSno t"- r-- r-co rt rr

Nt ro — —no r> r- r-*ro tJ- Tf

Tj- <N| — —no r- r-

no r - co tj-

co cs cs co

co cs cs co

3 oON —co cs cs co

ON O O ONNO ON O ON-ł Nf ON Oco" cs’ cs" co

CS 00 Tf csNf — CO COp ^ r*;CO cs’ CS CS

o r- r- t- co cs’ cs cs’

CS 1C ON oID r- (N Tfo t- ; C"; r*:co cs’ cs' CS*

O r-; r-; co cs’ cs cs’

NO CO CS CSO OO T t T fON O n O n O ncs’ cs’ cs cs'

CS CO CS icO OO T t T fON ON O n ONcs’ cs’ cs’ CS

ON CO — 00 ON OO Tt Tf 00 ON ON ON cs’ CS cs’ CS

co oo <n onO OO T f i cON O n ON ONcs’ cs’ cs’ cs’

CN O ON NO [ NO(O Tf Tf

on Tf r-T f NO T f«ri «n — co cs co

r" co onTf NO -m i/-> —

1C 'f - Tf NO CSm —

O O NO > ON ON ON NO NO

r - r-- no r - oo onON NO NOcs cs’ cs’

co co on OO 00 ooON NO NO CS CS CS

CS NOr- noOO ON I

•O 00 I NO NO 00 ON I

<N ON l NO NO 00 ON I

< < < < < < < < < <

X

ixco

CUO

oNo <CTnCNIIco

2'O 'cn O

41


T a b lic a 5 .7 : G ęstości sp inow e i ładunki N B O dla protonow anych m od eli k lastera A na

różnych stopniach utlenienia. W yniki ob liczeń m etodą D F T /B P 86 w b azie funkcyjnej

T Z V P z zastosow an iem m odelu P C M /e=4, 12, 20 , 80

G ęstości sp inow e Ł a d u n k i N B O£= 4 12 20 80 4 12 20 80

M O D E L M 0-H M 0-HA o x N ip 0 .026 - 0.029 -0 .035 0 .016 - 0.131 0.142

N id 0.038 - 0.015 -0 .026 0.084 - 0.072 0 .070F e4S 4 0.269 - 0.288 0.115 -0 .699 - -0.601 -0 .541H 0.003 0.003 0.004 0.177 - 0.184 0 .190

A r e d l N ip -0 .193 - -0 .190 -0 .224 -0 .175 -0 .189 -0 .172N id -0.221 - -0 .217 -0 .248 0.141 - 0 .133 0 .149F e4S 4 -0 .345 - -0.351 -0.251 -0 .612 - -0.591 -0 .639H 0.014 - 0.015 0 .015 -0 .035 - -0 .029 -0 .026

A red 2 N ip 0.039 - 0 .039 0 .036 -0 .220 - -0 .235 -0 .243N id 0.007 - 0 .006 0 .007 0.053 - 0 .039 0.037F e4S 4 0.035 - 0 .058 0 .0 5 6 -0 .783 - -0 .813 -0 .835H 0.005 - 0.005 0 .005 -0 .069 - -0 .079 -0 .076

M O D E L M l-H M l- HA ox N ip -0 .103 -0 .102 -0 .104 -0 .106 0.118 0.138 0.145 0 .1 5 6

N id -0 .018 -0 .018 -0 .017 -0 .016 0 .074 0 .076 0 .076 0 .077F e4S 4 -0 .249 -0 .228 -0 .223 -0 .217 -0.581 -0 .553 -0 .545 -0 .535H 0.005 -0 .006 -0 .006 -0 .006 0 .182 0 .186 0.187 0 .188

A r e d l N ip 0 .072 0.105 0.107 0.109 -0 .300 -0 .295 -0 .294 -0 .292N id -0 .060 0.070 0.071 0.072 0 .082 0.091 0.093 0 .097F e4S 4 -0 .716 0.679 0.676 0.671 -0 .459 -0 .463 -0 .463 -0 .463H 0.004 -0 .008 -0 .008 -0 .008 0 .084 0 .082 0.081 0.081

A *)r e d l N ip 0 .044 0 .032 0.029 0 .028 -0 .2 2 4 -0 .2 2 0 -0 .218 -0 .216

N id -0 .042 0.047 0.048 0.049 0.075 0.081 0 .0 8 4 0.087F e4S 4 -0 .870 -0 .853 -0 .842 -0 .844 -0 .475 -0.481 -0 .482 -0 .482H 0.000 -0.001 -0.001 -0.001 0 .052 0.048 0 .047 0 .046

A re d 2 N ip -0 .133 -0 .145 -0 .147 -0 .150 -0 .235 -0 .237 -0 .237 -0 .236N id -0 .009 -0 .010 -0.011 -0 .012 0 .0 4 0 0 .042 0.043 0.045F e4S 4 0 .030 0.031 0.033 0 .0 3 4 -0 .742 -0 .789 -0 .802 -0 .818H 0.001 0.004 0.004 0 .004 0 .013 0 .019 0.017 0 .015

M O D E L M 3-H M 3-HA ox N ip - -0 .124 -0 .127 -0 .129 - 0 .159 0.167 0 .180

N id - -0 .020 -0.021 -0 .019 - 0 .079 0.080 0.081F e4S 4 - -0 .157 -0 .169 -0 .155 - -0 .443 -0 .432 -0 .412H - -0 .006 -0 .006 -0 .006 - 0 .2 1 0 0 .212 0 .213

A r e d l N ip - 0 .070 0.071 0 .082 - -0 .266 -0 .264 -0 .262N id - 0 .064 0.063 0.069 - 0.106 0.108 0.113F e4S 4 - 0 .720 0.721 0 .704 - -0 .323 -0 .318 -0 .310H - -0 .006 -0 .006 -0 .006 - 0 .090 0 .089 0.087

A red 2 N ip - -0 .167 -0 .160 -0 .169 - -0 .230 -0 .228 -0 .226N id - -0 .013 0.014 -0 .014 - 0.059 0 .060 0.063F e4S 4 - 0 .056 0 .054 0 .052 - -0 .668 -0 .676 -0 .682H - 0.005 0.000 0.005 - 0.038 0.035 0.031

Odległość N ip-S4=2.9 A została zamrożona w trakcie optymalizacji

42


W Tablicy 5.7 zebrano gęstości spinowe i ładunki NBO struktur klastera A z protonem dla e=4,12,20 i 80. Dla modelu M l- H w strukturze jednoelektronowo zredukowanej (Aredi) niesparowany elektron znajduje się na kubanie żelazo- siarkowym [Fe4 -S4], Gęstość elektronowa w zależności od £ wynosi od -0.671 do -0.870. Dla dużego modelu M3-H obserwuje się obniżenie gęstości spinowych w stosunku do mniejszych modeli, co może być spowodowane przesunięciem ładunku na skutek tworzenia się wiązań wodorowych pomiędzy resztami aminokwasowymi białka oraz atomami siarki i tlenu należącymi do klastera A.

5.2.3 Klaster A z Ugandami

Obliczenia optymalizacji geometrii wykonano również dla klastera A z ligandami. Wybrano takie molekuły, które w trakcie procesu katalitycznego łącza się z proksymalnym atomem niklu (Nip). Obliczenia z grupą karbonylową (-CO) przeprowadzono dla jednoelektronowo zredukowanej struktury, która została wykryta eksperymentalnie (układ NiFeC) [60-62], Z ligandem metylowym (-CH3) optymalizację wykonano dla struktury dwuelektronowo zredukowanej, ponieważ została ona stwierdzona doświadczalnie [57, 8 6 ], W formie utlenionej klaster A zawiera cząsteczkę wody skoordynowaną do atomu Nip. Obecność innych ligan- dów m. in. mrówczanu, SO, CO2 czy azydku jest sugerowana pracach eksperymentalnych [43, 82, 83]. Autorzy artykułu opisującego strukturę krystalograficzną IOAO [43] wychodzą z propozycją, że jest to anion mrówczanowy. Z kolei udział jonu OH~ w mechanizmie katalitycznym enzymu ACS sugerują autorzy pracy [87], Uzasadnia to wybór ligandów prezentowanych w niniejszej pracy.

Na Rysunkach 5.10 i 5.11 przedstawiono zoptymalizowane geometrie klastera A na różnych stopniach utlenienia dla modeli M l - L i M 3-L z Ugandami (-O H , -C O , -C H 3 -HCO O) dla £=20. W Tablicy 5.8 zamieszczono wartości energii zoptymalizowanych struktur, a w Tablicy 5.9 zebrano wybrane, zoptymalizowane odległości między atomami. Kompleksy Aox-O H , Ared2-C H 3, Aox-H C O O i A re^-N iH -H C O O zawierają atom niklu na + 1 1 stopniu utlenienia, dla którego otoczenie Nip jest planarne. Dla tych struktur różnice odległości między atomami, porównując model M l-L i M3-L (Tablica 5.9), mieszczą się w zakresie 0 .02- 0.07 A. W kompleksach Aredi-CO, Aredi-H CO O i Ared2-H C O O nikiel występuje na + 1 stopniu utlenienia i charakteryzuje się tetraedryczną lub zniekształconą tetraedryczną koordynacją. Porównując te struktury, pomiędzy modelami M l - L i M3-L, można zauważyć duże różnice w wartościach odległości Nip-Fel. Szczególnie uwidacznia się to dla struktury Arefn -C O , gdzie odległość Nip-Fel dla m odelu M l - L ma wartość 4.100 A, podczas gdy dla modelu M 3-L wynosi

o3.298 A (Tablica 5.9, £=20). Odnosząc się do danych literaturowych zebranych w Tablicy 5.1 widać, że tak duże odległości Nip-Fel występują dla atomów Zn (3.736 A, [43]) i Cu (3.471 A i 3.545 A, [82]) w miejscu Mp. Struktura tetra-

43


edryczna m a konformację najbardziej rozwartą, a białko zapobiega jej pełnej relaksacji.

Gęstości spinowe i ładunki NBO dla modeli klastera A na różnych stopniach utlenienia z Ugandami (-O H, -C O , -C H 3, -H C O O , -H ) zostały przedstawione w Tablicy 5.10. W cząsteczce Aredl-CO niesparowany elektron zlokalizowany jest głównie na atomie Nip, co potwierdza konfigurację elektronową [Fe4 S4 JNip+ (CO)Ni^+. Zwiększenie gęstości elektronowej wynoszące 0.262 dla m odelu M l - L (Tablica 5.10, e=20) m ożna zauważyć także w tej strukturze na dystalnym atomie niklu (Nid). Dwuelektronowo zredukowany metylowany klaster A (Ared2 -CH3) posiada małą, równą 0.006 dla modelu M l - L (Tablica 5.10, e=20) gęstość spinową na Nip i jego konfiguracja elektronowa może być opisana jako [Fe4 S4]2+Nip+ (CH3 )Ni^+ .

Rysunek 5.10: Zoptymalizowane geometrie klastera A z Ugandami (-OH, -CO, -CH 3) na atomie Nip. Wyniki otrzymano metodą DFT/BP8 6 w bazie funkcyjnej TZVP z zastosowaniem modelu PCM/e=20

44


Rysunek 5.11: Zoptymalizowane geometrie klastera A na różnych stopniach utlenienia z anionem mrówczanowym jako ligandem na atomie Nip dla modeli Ml i M3 oraz dla struktury z protonem. Wyniki otrzymano metodą DFT/BP8 6 w bazie funkcyjnej TZVP z zastosowaniem modelu PCM/e=20

Tablica 5.8: Energia struktur zoptymalizowanych dla modeli klastera A na różnych stopniach utlenienia z ligandami (L=-OH, -CO, -CH 3 , -HCOO, -H). Wyniki obliczeń metodą DFT/BP8 6 w bazie funkcyjnej TZVP z zastosowaniem modelu PCM/e=12, 20, 80

M O D E L 6 — 12 20 80M l-L Ł A D U N E K SPIN E+13300[a.u.]

A o x - O H -3 0 -98.48822 -98.50411 -98.5225A r e d l C O -3 1/2 -136.01351 -136.02889 -136.04671A r e d 2 - C H 3 -3 0 -62.53074 -62.54633 -62.56436

E+13510[a.u.]A r a - H C O O -3 0 -1.89077 -1.90641 -1.92487A r e d l - H C O O -4 1/2 -1.98737 -2.01380 -2.04464A r e d 2 - H C O O -5 0 -2.06035 -2.10015 -2.14814A r e d 2 - N i H - H C O O -4 0 -2.58742 -2.59662 -2.62780

M3-L E+15900[a.u.]A o x - O H -3 0 -129.73617 -129.74830 -129.76310A r e d l - C O -3 1/2 -167.24826 -167.25981 -167.27378A r e d 2 - C H 3 -3 0 -93.78250 -93.79412 -93.80815

E+16140[a.u.]A 0 * - H C O O -3 0 -3.12989 -3.14194 -3.15649A r e d l - H C O O -4 1/2 -3.24249 -3.26009 -3.28295A r e d 2 —H C O O -5 0 -3.36457 -3.36653 -3.40182A r e d 2 - N i H - H C O O -4 0 -3.82655 -3.84594 -3.86970

45


• Jh J3— 15 r-NO H00ł—1o ON CNO •— CNr-ONNcd o r-NC 3-3--tNO 00NO 3-CN r-ooc 00 oop ONONCNoCNp 00 p P oCNpCNp*3 cGC.2 NOr—1m ONCNON CNi—ii—.O CNenoD o r-NO »—Hm m NO OONOr-3-CNinr-*3 CN 00p ON00O O p OO P P O o p3 cd£ 2 — CNCN— — CNCN-C Oocd n NOwn1—Hr*inr-ON —HCNONm enONO CN NOr-3-riCNNO 00NOr-eno in sCC to oop OnONO p p 00 P p p O pO-o cdN i-I CNCN -H* CN—iC/3 N-c Gho >N CNON ,cn CN 3-CN3-00s OnONc o O 00 NO00OOnf m ł-HCNr- m —H•N H OO p cncnp in1—Ip cnP cnp o p O'Ou. 3s cn3-cncncnnf'en enenenenenencncd GC 3-c/3_ CNNOCNr-o O 00ONCNCNen00o< O o iONONCNo o CN —->00CNNOCNCN -p enCNp vqi—•’—I enP enp p p pcdL- G3 Ni cn3-cncnen3-en enenenenCNcnCN3tricd .2 00(No ON CN ON NO ONN CN -—i00ONoom r- TtO r-ONNO00M 3 incnCNp voi—<1O cnP cnP p p oo-O cn3-cnenen en enenenenencnCN15 £-oo NOE GOCh-Cd 0Q ł—Hr-3"ONm unm o O 00CN»nCNCNo ONON o unr-00 NOr-U-)rf»—iCNO*3 OO OOO oop p °°NO 00CNp P 00p pE CN3-CNcnCNenCN CNenCNCNCNCNCNEcdsQ ,cd' 1)O o un O 00NO 00en00T-HNO»—iOT3 o GhO o CN00o 00ON ONm 3"NO00o O CN IONł—'00O)o p 00CNr-P p P NOcd O£ 2 CN3’CNCNcncnCN CNenCNCNCNCNCN

N"3 NG cn»nunNONO CNunr-O 3"CNr-o> (U CN o o cncnO ir- nfenlOTTr-NOr-N ONł—'00o 1—'OONO OOcnp p 00P N°.E O CN3-CNcnencnCN CNenCNCNCNCNCN,_|3o’o 'G 3-CN00NOnfunin CNCNi—iNOm >nNO'<nG o cnON NOin r- enr-T—•ini—•en-2 00 ONp o P p p p p r-P p p 00p’3)£ CNCNenCNCNCNCN CNCNCNCNCNCNCN-23o ćc _ *dOOONON 003"NO r-ONO 3"CN1 o cnNO m VOCN\C o CNr->—HONOccd£ oo

<N i2ONCNpCNOenONCNpCN00CNpCN pCNPCNONCNPCNPCN00CNPCN

O u Onr* _H3- OONO un3-00OOen OnN DC CN enONCNr-»nf—Hr- o NOł—HCNO NT)”3£ l ONp O asp 00P p P P ONp 00Pco CNCNcnCNCNCNCN CNCNCNCNCNCNCNdcCL, (J O OON i O c

<u oV O O uX O O uXccd O COO O O 1X coO o o XUh i oo O X o u u O X O u u-G>>cc o X U u U X2 Xu U u XX2£ o CN O 1 1CMX 1 1CN CN o 1 CMX 1 1CN iCM1 1 1 N3 1 ■d 3 1 3 1 ■d*dII CN H ID W H ID ID ID H <D ID H ID <D <DÓ\ IIUJ O U U o u u U U U c u U U-1 < < < < < < < < < <<< < <un '—'cd G IIu3£

C3T3G3bOUJsuCU MO

DEL

Ml-L

M3-L

Tab

lica

5.10

: G

ęsto

ści

spin

owe

i ła

dunk

i NB

O dla

m

odel

i kl

aste

ra

A na

różn

ych

stop

niac

h ut

leni

enia

z

ligan

dam

i (L

=-O

H,

-CO

,

-CH

3, -H

CO

O,

-H).

Wyn

iki

oblic

zeń

met

odą

DF

T/B

P86

w ba

zie

funk

cyjn

ej

TZV

P z

zast

osow

anie

m

mod

elu

PC

M/e

=12,

20,

80


os co co co o —1 CN w) */*i so 00 Cs- o 't n o 'O

O02Z

O OO OO sO ■'t

o p0 0 0 0 0 0 0 0

— 00 — ovOP>r hr h— r'OOTt —C4 O SO O — ' “

O 04 00 —04 T l t 1,1 " • — X x ~«—I O p Tt 04 O p o O O 'O

‘ O O O O O O O O O O O

O N ' f ’t O X O J O ' T ' O t ' i r hT t m i n - o o r t r - T t i o o© p ^ r p o p o o o p —; 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Ni n' OO' o oo Mf ni noo t h n i n r h O - H s f f O ' - r t c N c o r - o > o ' q N q M ^ - - q o i o o d d o o 0 0 0 0 —*

r - r o o c i n o 4 o 4 0 ' 0 o o ,o) T T O J O T f ' O C O T T t n O N — o p p c N o p p ^ - O " - ; © O O © © © © © © © —’

00 0 4 V y 0 4 T t ( N - 0 4 ^ 0 0 ' 0 n i 0 0 4 0 - i f i - 0 ' 10 't^ r - O ' O ' C O I O M ^ - O O lo o o o o © o © o o —’

m 0 N 0 0 m \ O ' ^ - 0 4 0 4 0 N ' 0 o o m - ^ f o o o J t c o o o o o O p p Tf o 00 o o o o d d d d d ^ - ' d d d d d

inoooo~0' |oi — oosino T t O t - ^ O O O J ^ f C O O M Oq q o ^ q o o o - ; © © © © d d d d d ^ d d d d d

ID — MO4 r t r t C0 CCO' ,tgt - ' O O ' f h r h O O W O O t O O O O h O O © © © © © © < —*"©©©"©

0 0 T ) ' t \ n 0 0 o T l T i 0 4 ' O - ‘O O O l o O o ^ ^ O S - ^ O s— © © O 9 © P P P o d o o 9 o o o d o o

0 4 > n r 0 0 0 ' 0 c 0 0 0 4 < 0 0 4 —1 0 0 4 0 V 0 0 4 0 0 0 0 — ON— o o o o c p o j o i n p p d d d d o d d d d d d

0 0 0 ^oiriTTsoGoot-^trtr-OO'

O O 4 O 0 ~ O r 0 U- » 0 0 04 00 O © © p O C4 O p O pd d d d o d d d d d d

OCQZ

O'MfhiTOrfTtrl -OOrtO'OO r O O v O ' O ' r f O ' O J O m - ^ O s*— o o t 0 1 -< p © © © 00 d d d d d o d d d d d d

C 4 — 0 4 — ( ^ 0 4 0 0 0 ^ ^ 0 0— r o o o o ' r ^ T f » o c N O c o o o a '^ O O G •i O O O © p pd d d d d o d d d d d d

— 040N — Oin^rrf — rfos r ń O ' 0 0 ^ ' t o 4 0 m o O N O. 04 —; O*; O O O p —|d d d d d o d d d d d d

( N v o v o ^ t - o ' o o j f n o n rOTj-sootr-cooOTt'O—‘OO i - q o v q ^ p o j o ^ p w d d p d d d d d d d p

o o o ^ ' O - t n m o s

— O O; p — “d d d d d

C I 1 " •— "ł ip r" — o p~ © d d p

'OrhOlo4in,trńfnooG'ł m r f ' t 0 4 o o n T i T f c c — Gp © P p p © Os P p © P d d d d d d d d d d ^ -

O T T O M n i n o o s O N O r f - r r o O l ' - ^ ' O O ' O I T O t O — O O OI P 04 O O| —; © O Od o 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

CC r00OS00404O'C0S0CNO4 f ń 0 0 4 0 4 - \ O a o 4 T O n O — O O O V - ) 0 4 O O —' O O O

d d d d o o

tn o / i m tń m - o m Tt 'O © C 4 © « / 1 © * / " i C « 1 0 S — 0^

<— © © © P © C 4 © S O © 0Od d d d o d d d d d d

o o o o o o

_ r f O O ' C - o J O i O N V O i r i G C0OC004—'V00s04rj-0c00 0 0 0 * 0 0 4 0 O — O O Oo d d d d o d d d d d d

0 0 0 ^ ''O \o o T S O — o so O 1

O O O O O O O O O O O

Os sO *0 *0 1 O O 04 O 1 — O O O '

■ł OO OO oco O' O so O SC O 00

O O O O O O O O O O O

Z Z l Ł J Z Z l Ł J Z Z i J Z Z Ł J Z Z Ł J Z Z Ł

X§ 9 O § s <

O9

0 c u X

1

oouX

0 c uX

1

47

L 0.

031

0.03

8 0.

032

-0.7

83

-0.7

81

-0.7

78

0.05

3 0.

051

0.05

0 -0

.747

-0

.757

-0

.758

Are

d2

-NiH

-HC

OO

Ni

p -0

.165

-0

.183

-0

.173

-0

.237

-0

.216

-0

.231

-0

.107

-0

.110

-0

.116

-0

.254

-0

.254

-0

.249

N

id -0

.011

-0

.012

-0

.012

0.

040

0.04

4 0.

042

-0.0

03

-0.0

05

-0.0

06

0.06

2 0.

061

0.06

0F

e4S

4 0.

098

0.11

5 0.

105

-0.7

51

-0.7

75

-0.7

86

0.04

1 0.

051

0.05

3 -0

.566

-0

.568

-0

.574

L 0.

000

0.00

0 0.

000

0.02

3 0.

031

0.02

0 0.

000

0.00

0 0.

000

0.02

5 0.

028

0.02

0

5.3 pKa

5.3 pK«W Tablicy 5.11 zostały zebrane wartości pK a obliczone ze wzoru 5.22 dla

modeli klastera A na różnych stopniach utlenienia, natomiast na Rysunku 5.12 pokazano ich zależność od stałej dielektrycznej e. Do wyliczenia wartości pKa zostały użyte struktury protonowane o najniższej energii zebrane w Tablicy 5.5 (A0X-S2H, Arerfl-NiH i Ared2-NiH). Do Tablicy 5.11 i Rysunku 5.12 włączono także wartości pKa dla struktur Aox-OH i Ared2 -HCOO dla modeli M l - L i M3-L.

Tablica 5.11: Wartości pKa obliczone dla modeli klastera A na różnych stopniach utlenienia. Wyniki obliczeń metodą DFT/BP86 w bazie funkcyjnej TZVP z zastosowaniemm odelu P C M /ć=4, 12, 20 , 80. W artości pK a dla m odelu M 2 nie b y ły w yzn aczan e

£= 4 12 20 80 4 12 20 80M O D E L MO MOaA ox 8.5 -0.9 -4.1 16.0 - 5.4 2.6A r e d l 25.3 3.7 -0.4 27.2 - 7.0 3.0A r e e i 2 52.1 21.3 15.3 55.3 - 25.9 19.0M O D E L M l M la 10

A ox - - - 11.4 2.5 0.8 -1.1A r e d l 24.2 8.9 5.1 1.5 25.2 10.2 6.4 2.9A r e d 2 46.0 22.7 17.4 12.1 55.8 32.8 27.6 22.2M O D E L M2 M3A ox - - - - -8.0 -7.9 -7.5A Xe r f l - - - - 0.7 -1.2 -2.6A Xe rf2 - - - - 17.7 15.6 12.6M O D E L M l-L M3-1LA o x - O H - 16.0 12.8 9.2 - 10.7 9.1 7.2A r e d 2 - H C O O - 40.7 26.6 18.9 - 28.2 18.8 11.9

Dla struktury A reai odległość N ip-S4=2.9 A została zamrożona w trakcie optymalizacji.

Struktura Aox-OH została wzięta pod uwagę, celem sprawdzenia czy prawdopodobne jest aby grupa -O H - była związana z atomem Nip [87], podczas gdy struktura Ared2-HCOO może być zaangażowana w m echanizm redukcji utlenionej formy klastera A. Analiza obliczonych wartości pK a nasunęła kilka wniosków. Stała dielektryczna £ -4 nie odtwarza prawidłowo pK a, otrzymane wartości są zbyt duże, dlatego też została pominięta w obliczeniach dla dużych modeli M2 i M3. Wartości pKa obliczone dla Aox i A retn są małe dla wszystkich zastosowanych modeli. Dla form A red2 wyliczone wartości pKa są zawsze większe od 7, co potwierdza, że w warunkach fizjologicznego pH, istnieją one w formie protonowa- nej. Podobnie jest dla struktury Aox-OH (model M l-L ), gdzie obliczona wartość pK a jest równa 12.8 (Tablica 5.11, e=20). W środowisku obojętnym, jon OH-

48

5.3 pKa

będzie ulegał protonacji co oznacza, że forma utleniona klastera A będzie koordynować wodę a nie anion hydroksylowy. Wartości pK a obliczone dla struktury Ared2 -HCOO są zbliżone dla M3-L (18.8) i M3 (15.6) dla £=20. Rysunek 5.12 pokazuje bardziej ogólną zależność, że wraz ze wzrostem wartości stałej dielektrycznej e maleje wartość pKa. Największa zmiana wartości pK a występuje dla m ałego m odelu MO, a najmniejsza dla modelu M3. Obecność reszt aminokwasowych obniża wartość pKa o około 2 jednostki (z 17.4 dla M l do 15.6 dla M3, e=20).

Rysunek 5.12: Zależność wartości pKa od stałej dielektrycznej e dla modeli klastera A stosowanych w obliczeniach. W panelach umieszczono różne stopnie utlenienia klastera A: a) Aox, b) Arecn, c) Arej 2 , d) Aox-OH i Arecj2-HCOO. Kolory krzywych oznaczają modele: MO - granatowy, MOa - niebieski, M l - zielony (ciemny), M la - zielony (jasny), M3 - czerwony, M l-L i M3-L - kolorowe linie przerywane

Struktura A re^2-H jest trwałym wodorkiem niklu o konfiguracji elektronowej [Fe4S4]2+Nip+HNi^+ . Zależność aktywacji A ox od wartości pH może być dodatkowym potwierdzeniem, że Are<22 jest form ą aktywną katalitycznie. Podobna struktura z protonem została zaproponowana na podstawie obliczeń DFT przez Lindahl’a i współpracowników [88] w cyklu katalitycznym klastera C należącego do CODH.

49

5.4 Potencjały redukcji

5.4 Potencjały redukcjiZależność pierwszego (Aox/Aredl) i drugiego (Aredi/A red2) potencjału reduk

cji od stałej dielektrycznej e dla modeli klastera A stosowanych w obliczeniach została zaprezentowana na Rysunku 5.13. Ogólny wniosek z analizy wykresów jest następujący: wraz ze wzrostem stałej dielektrycznej wartość obliczonych potencjałów redukcji staje się bardziej dodatnia do czego przyczynia się stabilizacja struktury przez większą polamość otoczenia.

J

— MO— MOa— M l— M la— M2— M3— M l-L— M3-L

-MO -MOa - M l •M la -M2 -M 3 ’ kobalamina •M l-L •M3-L

Rysunek 5.13: Zależność pierwszego i drugiego potencjału redukcji od stałej dielektrycznej e dla modeli klastera A stosowanych w obliczeniach

50


W artości potencjałów redukcji E0 [V, względem NHE] obliczone zgodnie ze wzorem 5.23 dla modeli klastera A zestawiono w Tablicy 5.12. Z danych zawartych w Tablicy 5.12 wynika, że potencjały redukcji dla e=4 mają bardzo duże ujemne wartości, co jest kolejnym dowodem na to, iż nie nadaje się on do obliczeń właściwości redoksowych metaloenzymów [89-93],

Pierwszy potencjał redukcji {Aox/A rcdi) obliczony dla modeli MO i M l jest ujemny i niższy niż dla pozostałych modeli (wyjątek £=80), co wskazuje, że Aor nie ulega redukcji w warunkach fizjologicznych gdzie biologiczne reduktory mają potencjał bardziej dodatni. Powiększenie modelu o fragmenty białka (model M2 i M 3) powoduje, że potencjał ten staje się bardziej dodatni niż -0.5 V. Obecność reszt aminokwasowych powoduje podwyższenie wartości E0 na skutek tworzenia się wiązań wodorowych z siarką reszt tiolowych kubanu i atomami tlenu w koordynacyjnym otoczeniu niklu. Porównując modele M2 i M3 widać, że oddziaływanie klasteru z argininą w modelu M3 nie powodują dużych zmian wartości E0 (od0.1 V do 0.2 V w zależności od e). Fakt, że potencjały obliczone dla największego m odelu M3 są bardziej dodatnie niż -0.5 V, a klaster A w form ie spoczynkowej (Aox) nie ulega redukcji, składnia żeby szukać innej przyczyny jego odporności na redukcję. W tym celu wyznaczono potencjały redukcji dla klastera A związanego z ligandem mrówczanowym. Jest to jeden z ligandów, którego obecność jest proponowana w strukturze białka zgodnie z dostępnymi danymi literaturowymi [1]. Udział tego Uganda rzeczywiście przesuwa obliczone potencjały redukcji w kierunku niższych wartości i dla £=20 jest on równy -1.065 V. Należy zwrócić uwagę, że £=20 używany jest tu jako punkt odniesienia i jest to m aksym alna wartość £ dla obliczeń w białku. Obliczenia dla £=80 przeprowadzono dla sprawdzenia jak wzrost wartości stałej dielektrycznej wpływa na potencjał redukcji oraz w celu znalezienia takiej stałej dielektrycznej, która daje podobne wartości E0 dla modelu MO jak dla modelu M3. Okazało się, że £=80 dla modelu MOa m a potencjały zbliżone od modelu M3 dla £=20. Fakt ten został wykorzystany podczas obliczeń dla reakcji metylacji.

Drugi potencjał redukcji {A redi/A red2) jest bardzo ujemny dla wszystkich rozpatrywanych w obliczeniach modeli. D la stałej dielektrycznej £=20 (Tablica 5.12) dla m odelu M3 wynosi on -1.052 V, a dla modelu M la -1.661 V. Wartość -1.052 V jest znów bliska modelowi MOa dla £=80 (różnica wynosi około 0.1 V). D la klastera A z ligandem mrówczanowym drugi potencjał redukcji jest równy -1.384 V dla £=20.

W Tablicy 5.12 podane są wartości (Aox/A rcd2), które wykorzystano w obliczeniach dwuelektronowej redukcji połączonej z protonacją.

Zgodnie z danymi literaturowymi zaproponowano dwa mechanizmy sprzężonej z przyłączeniem protonu redukcji A ox . Grahame i współpracownicy [19] sugerują dwie kolejne jednoelektronowe redukcje, w trakcie których przyłączenie protonu odbywa się w kroku pierwszym. Lindahl i współpracownicy [9] postu

51


lują jedną dwuelcktronową redukcję, której towarzyszy wychwyt protonu. Biorąc pod uwagę fakt, że A ox posiada potencjał redukcji niższy niż - 0.5 V, przyłączenie protonu powinno odbywać się w pierwszym kroku dwuetapowego procesu.

Tablica 5.13 zawiera obliczone, zależne od pH potencjały redukcji (E ’0) w yznaczone dla modeli MO i M l oraz modelu M l-L i M3-L z anionem m rówczanowym. Dla modeli M2 i M3 parametry te nie były wyznaczane, ponieważ obliczony pierwszy potencjał redukcji (Aox/Aredl) jest bardziej dodatni niż wartość -0.5 V, co oznacza, że można je zredukować przy pomocy biologicznych reduktorów. Podane wartości zostały obliczone ze wzoru 5.24 i porównane z dostępnymi danymi eksperym entalnym i [19,57], W niniejszej pracy wyznaczono zależności od pH dla dwuelektronowej redukcji połączonej z protonacją, na co wskazały wcześniejsze obliczenia pK„. Dla jednoelektronowej redukcji połączonej z protonacją, protonacji musiałby ulegać Aredl a jak pokazały obliczenia pK„, wartości dla tej struktury są mate, nie będzie on więc wiązał protonu. Dość dobrą zgodność wartości obliczonych z danymi doświadczalnymi uzyskano dla konformacji rozwartych modeli MOa i M la (e=80, Tablica 5.13). Dla klastera A z ligandem mrówczanowym (M3- Ljwartości zależnych od pH potencjałów redukcji (E ’0) pozostają o około 0.4 V niższe od danych eksperymentalnych. Jednak za m odelem tym przemawia kilka czynników: jest on najbardziej rozbudowany i wyjaśnia dlaczego forma utleniona klastera A nie ulega redukcji, natomiast niezgodność wartości potencjałów redukcji obliczonych z doświadczalnymi może wynikać z faktu, że nie ma pewności czy ligandem związanym z Nip jest anion mrówczanowy [87] oraz należy wziąć pod uwagę błąd metody. Biorąc pod uwagę wszystkie rozważane aspekty wydaje się, że model klastera A z przyłączonym ligandem, który ulega protonacji i dwuelektronowej redukcji jest najbardziej prawdopodobny.

52


cTOajE'C

OJNCJso

cI*<03uOc/i-E2OJT3O

O) O C 00oN O O CN

3 (N0 —

3h coz i1T3 _ qjj 5

(U

UOh

ODN

£

Wo3TDOJ

TJOEE.S3*3od£O

in ^ 1 oo 03 Oh

#U ffl

i IH Q

— _ nO oo co — o Tf CN— no r - O o ON o Tt ,<d-'—00 oo r - nO ON Tt m u CN ONo1 oi o1 o1 O1 O X 1 O11CS*e00 nO Tt Tt r - oo Tfr TfCN On o- r - 00 - t CNN—-CN W O oo —; r - NO O NO CN

< -p 1 O1 -p oi o o 1 iu

0 X<f 00 o- — o 1 co CN

rvl o in —— 00 r - OCN 1 1 —1 co ON r - 0 ON NO_ h‘ O o <I i 1 l i

oo o , CNTt 04 Tt co

Tt NO IT) CN in 1 1CN CN CNi CN

o”t nO ON 00 ON ON o o mTt m U") CN o^ Tt V"i u NO Tl-w00 — OO co NO OO co Tl- P

o -p o o — X1 —CS-CŁ.

CS <-e 04 04 in — CN CN 00 O Tt— OO nO ON NO oo m o o co 00oCN Tt i/~> nO ON O co o ON co— -p — — o — — u -p* -p

X<u 1NO 00 r - in ON Tt r -OC N- CN in NO On 00CN 1 1 Tt °N CN CN s~ CN O)

< CN ,_<i 1 i i i i 1

Tt O CN ON lO04 o r— o NOTt 04 co oo 0*"} 1 i O

on co CNi co1 1

oo r-* co oo r - CN o ON— r- oo *n 00 oo CO o 04 cow00 in co co Td- CN CN u O 00oi O1 o O O1 O X 1 o

1-e(U

/—v co — co oo m Tt oo in— co in 00 m CN in nOwCN <u oo nO in NO ti- CO o co O< Oi o oi O1 oi d■ o 1 i

uH0 X< o NO Tt ND 1 CN NO

rvi co NO ON O H <o —1 1 o- OO U") Tt c nC CN

o o O o < X _i 1 i

04 o ONr- Tt O ynTt O NO t> 1 !

o ii i 1 i

|| O "ćT oUj W Xi PJ

od 03 y hJI - )iO O CN co o — COs s s 5 S £ £ s s

ajEodC>.u.O

O

13X )oo

a j£

53


<Df ioc

,3

Ncd

_C

nOocOm

fe

O3r-c'C<DN

3o

c■TXc l

■ooo

PJc?-OSi£'Ooc o0) 00o oo- CNsz r'o CN—*c „o ^tN IIo Oj

3 S!o Uu CLvC/3OtS

J33cd -o

£ o'O 2'-y.O 2c .32•NJD *2cd3N £Orn

C/3OC/3cdi/n N

cd NCL

3 >rod NH H

_ CO O r >. co O)

Q_ p N - LO

UJ o o o

cn LOG cn C\JO . n - N- LOX

LU d i O o

CO CO >03 CN cn ’d-n - N- o r f OO OO o CNc—-

oo nO NO ■d" o f r - oo OO©i O o Oi o i ©i © ©1 ©

CN (O N- CN CNCN Tj- NO >o> r * O n 1 3 oo Oo

CN >03 i03 >03 >03 103 >03 cn 00 00 ONO O O O © © s © d ©

cd cdO —

s 5ON O O o —

CN CN >03 r - no 00 o1 i 1 NO NO NO ON ON ©

o © © © © p

oor - 00 On 00 ON O ur - ON O CN >03 X

■*fr ,—„ o O — p © © 1X p p p CN CN CN X2 i 2 ii

CNiCN

1? *dW

< <H O0 o o — —« CN o Tfr >03 NO

< o CN ■'cfr ND OO NL ON —woo nO

onOO

sOO

o f©

o f©

T f©

USC

00©

OOd

ONd

H0

<

00 ON o OJ CN cn J o o —— o CN >n Ln r - ON 1 >03 r - ON-—• CN r** r - io •O) >03 © © ©

o 1 o i o i d i ©1 d i i i p

o _

5 SON O © — CN CNCN 103 r - NO OO OCN 1 i i NO NO nO ON On OO1 © ©t ©l O

oo ON ON r-~ 00 OOON — CO oc O CNCN CO co NO

i 1 1 1 1 i

|| O OOj LU i03 CN ON >03 CN ON PJ >03 CN O n

cd ND NOII II II II II II II II II

X X X X X X X X XCl Cl CL Cl Cl Cl Cl o. CL

54

5.5 Reakcja metylacji

5.5 Reakcja metylacjiDrugim ważnym elementem badań teoretycznych były obliczenia m ające na

celu wskazanie mechanizmu reakcji metylacji klastera A. Aby możliwe było prawidłowe opisanie mechanizmu reakcji stosowana metodyka obliczeń musi poprawnie odtwarzać potencjały redukcji reagentów, a wyniki zostały przedstawione w Rozdziale 5.4. Syntaza acetylokoenzymu A (ACS) katalizuje reakcję powstawania acetylokoenzymu A z koenzymu A (CoASH), tlenku węgla powstającego w klasterze C i metylu przenoszonego przez białko koryna-żelazo-siarkowe (Co- FeSP) zgodnie z równaniem reakcji 2 (Rozdział 3, strona 21). W białku Co- FeSP m etylokobalamina występuje w form ie "base-off”. Szczegółowy m echanizm przedstawionej reakcji pozostaje nadal przedm iotem dyskusji [7 ,57,64,86]. Reakcja metylacji jest jednym z etapów pośrednich tego procesu.

5.5.1 M odel strukturalny

METYLOKOBALAMINA

+

q=-4, S=0 q=1,S=0NI,- centrum reakcji

Rysunek 5.14: Schemat reakcji metylacji z uwzględnieniem stmktur modelowych stosowanych w obliczeniach

W niniejszej pracy wykonano obliczenia dla reakcji przeniesienia metylu z metylokobalaminy (metylokobaltokoryny) na klaster A z użyciem małego m odelu MOa. M odel ten został wybrany ze względu na czasochłonność obliczeń, a jak pokazano w poprzednim podrozdziale jego właściwości redoksowe w £=80 są porównywalne z modelem M3 dla e=20. Schemat reakcji metylacji z uwzględnieniem struktur modelowych został pokazany na Rysunku 5.14. Czynnikiem me- tylującym była metylokobalamina (metylokobaltokoryna) w formie ”base-off” (struktura bez liganda dimetylobenzoimidazolowego) przedstawiona na Rysunku 5.15. Potencjał redukcji metylokobalaminy modelującej białko CoFeSP, zgodnie z dostępnymi danymi literaturowymi jest równy -1.21 V [94] (wartość eksperym entalna), oraz -1.35 V (wynik otrzymany w metodzie D F T /B P 86 dla form y ”base

KLASTER A

q=0, S=1

55


o ff”), a energia dysocjacji grupy metylowej w zredukowanej metylkobalaminie wynosi 19 kcal [95,96],

Rysunek 5.15: Metylokobalmina (metylokobaltokoryna) w formie "base-on” z ligandem dimetylobenzoimidazolowym. Odnośnik [97]. W obliczeniach zastosowano model strukturalny w formie "base-off" (struktura z odłączonym ligandem aksjalnym DMB)

5.5.2 Reakcja deprotonacji

Aby nastąpiła metylacja klastera A musi on ulec redukcji. Doświadczalnie pokazano, że towarzyszy temu protonacja (redukcja jest zależna od pH) [19,57], Obiektem kontrowersji jest, czy jest to proces dwuetapowy (jednoelektronowa. redukcja + protonacja i kolejna redukcja) czy jednoetapow y (dwuelektronowa redukcja + protonacja). Obliczenia opisane w Rozdziale 5.4 wskazują na proces jednoetapow y z protonacją na Nip. Oznacza to, że przed lub w trakcie m etylacji proton musi opuścić klaster A, a w reakcji najprawdopodobniej uczestniczy cząsteczka zasady. W prezentowanej pracy wykonano obliczenia dla deprotonacji przyjmując jako zasadę jon mrówczanowy (H CO O - ). Profil energii procesu oderw ania protonu przez anion mrówczanowy jako funkcja odległości protonu od Nip, wraz z zaznaczonymi strukturami substratów (I.), produktów (III.) i stanu przejściowego (II.) został przedstawiony na Rysunku 5.16. Krzywe energii reakcji oderw ania protonu dla różnych stałych dielektrycznych e = 4, 20 i 80 oraz wykresy zmian gęstości spinowych na wybranych fragm entach klastera A i H C O O - zadem onstrowano na Rysunku 5.17 [panel a) i panel b)]. Podana na Rysunku 5.16 [panel a)] bariera energetyczna rozpatrywanej reakcji dla e=80 wynosi 23,5 kcal,

56


a zgodnie z różnicą energii substratów (I.) i produktów (III.) reakcja jest endotermiczna.

U NI.- O(HCOO)=4.0A ■ Ni,- Co=7.0ANi,- H-2.0A '

Rysunek 5.16: Krzywa energii jako funkcja odległości Nip-H+ dla reakcji oderwania protonu przez anion mrówczanowy z zaznaczonymi strukturami substratów (I.), produktów (III.) i stanu przejściowego (II.). Wyniki otrzymano metodą DFT/BP86 w bazie funkcyjnej TZVP z zastosowaniem modelu PCM/e=80. Położenia atomów zaznaczonych gwiazdką zostały zamrożone w trakcie optymalizacji

I Nlp- O(HCOO )*4.0A ■ • Ni - Co«7.0A m Ni„- O(HCOO)"4.0A . Nłp- Co»7.0ANip- H=3.0A

57


Rysunek 5.17: Panel a) krzywe energii jako funkcje odległości Nip-H+ dla reakcji oderwania protonu przez anion mrówczanowy dla różnych stałych dielektrycznych e; panel b) zmiana gęstości spinowych na fragmentach klastera A i anionie mrówczanowym w trakcie reakcji przeniesienia protonu. Wyniki otrzymano metodą DFT/BP86 w bazie funkcyjnej TZVP z zastosowaniem modelu PCM/ć=4, 20 i 80

58


5.5.3 M echanizm A

W kolejnym etapie badań teoretycznych, nad mechanizmem metylacji obliczono energię jako funkcję odległości Nip-CH3. W obliczeniach użyto formy dwuelektronowo zredukowanej klastera A, zgodnie z wcześniej przeprowadzonymi obliczeniami, w których protonacji towarzyszy dwuelektronowa redukcja. Na Rysunku 5.18 przedstawiono profil energetyczny reakcji przeniesienia metylu z m etylokobaltokoryny na klaster A, natomiast na Rysunku 5.19 pokazano przebieg krzywych energii dla różnych stałych dielektrycznych (e=4, 20 i 80). Jak pokazuje Rysunek 5.19, w zależności od startowej geometrii użytej do obliczeń otrzym ano dwie krzywe energii. Jeżeli punktem wyjścia były małe odległości Nip- CH 3 uzyskiwano K r z y w ą II, natomiast rozpoczynając obliczenia od dużych odległości Nip-CH3 i używając otrzymanej geometrii jako start dla kolejnego punktu otrzym ano K r z y w ą I. Na K r z y w e j I odległość Co-CH3 jest równa około 2 A, natom iast na K r z y w e j II kobaltokoryna jest zdysocjowana. K r z y w a II opisuje dysocjację m etylu z klastera A. Obie krzywe przecinają się przy odległości Nip-CH3 równej 2.6 A. Należy zwrócić uwagę, iż punkt przecięcia odpowiada innym geometriom na poszczególnych krzywych. Dla odległości Nip-CH3=3 A, niezależnie od s otrzymano maksima na K r z y w e j I. Bariera reakcji maleje w zależności od stałej dielektrycznej i wynosi odpowiednio 4.8 kcal (f=4), 3.1 kcal (e=20) oraz 2.3 kcal (^=80) Na Rysunku 5.20 przedstawiono zmiany gęstości spinowych na wybranych fragmentach klastera A, metylu i na kobaltokorynie wzdłuż ścieżki reakcji o najniższej energii ( K r z y w a II w zakresie Nip-CH3= 1.4-2.6 A oraz K r z y w a I w zakresie Nip-CH3=2.6-6.5 A). Zmiany gęstości spinowych na korynie pokazują, że dla e -4 i 20 ulega ona redukcji. Nie redukuje się natomiast dla e=80, a klaster A wykazuje sprzężenie antyferromagnetyczne ([Fe4S4l-Nip). Przebieg reakcji nie zależy silnie od stałej dielektrycznej e, ani od tego czy koryna jest zredukowana., a wskazana reakcja jest silnie egzotermiczna, około 27 kcal. Należy zwrócić uwagę na fakt, że grupa metylowa posiada małą gęstość spinową, która nie zmienia się w trakcie przebiegu reakcji, mechanizm można więc określić jako S^2.

59


| . Ni„- C(CHS)=6.5A

Rysunek 5.18: Krzywa energii jako funkcja odległości Nip-CH,3 dla reakcji przeniesienia metylu z metylokobaltokoryny na klaster A z zaznaczonymi strukturami substratów (I., IV.), produktów (III.) i stanu przejściowego (II.). Wyniki otrzymano metodą DFT/BP86 w bazie funkcyjnej TZVP z zastosowaniem modelu PCM/e=80. Położenia atomów zaznaczonych gwiazdką zostały zamrożone w trakcie optymalizacji. A E= E(l.) - £ ( in .) = 27kcal

60


Rysunek 5.19: Krzywe energii jako funkcje odległości Nip-CH,3 dla reakcji przeniesienia metylu z metylokobaltokoryny na klaster A dla różnych stałych dielektrycznych e. Wyniki otrzymano metodą DFT/BP8 6 w bazie funkcyjnej TZVP z zastosowaniem modelu PCM/e=4, 20 i 80. Wzdłuż KRZYWEJ I odległość C0 -CH3 utrzymuje stałą wartość ok. 2 A. Wzdłuż K r z y w e j II, opisującej dysocjację metylu z klastera A, kobaltokoryna jest oderwana i znajduje się w pewnej odległości od reszty układu

61


Rysunek 5.20: Zmiana gęstości spinowych na fragmentach klastera A, metylu i kobaltokorynie wzdłuż ścieżki reakcji o najniższej energii. Wyniki otrzymano metodą DFT/BP86 w bazie funkcyjnej TZVP z zastosowaniem modelu PCM/e=4, 20 i 80

62


5.5.4 M echanizm B

Ponieważ zbliżanie CoFeSP do modułu białka zawierającego klaster A jest związane z przeszkodą steryczną wymaga ono dużych zmian konformacyjnych[50]. W kolejnym etapie badań teoretycznych nad m echanizmem reakcji m etylacji sprawdzono jaki mechanizm mógłby wchodzić w grę, gdyby dwa centra m etaliczne Nip i Co nie mogły się zbliżyć na m ałą odległość. Aby to zweryfikować zam rożono odległość Nip-Co na 7 A i zmieniano położenie grupy -C H 3, przem ieszczając ją od atomu kobaltu do niklu. Taki model reakcji odpowiadał by mechanizmowi rodnikowemu z przeniesieniem elektronu. Na Rysunku 5.21 zaprezentowano profil energetyczny reakcji dla e=80 wraz z zaznaczonymi strukturami substratów (I.), produktów (III.) i stanu przejściowego (II.). Przebieg krzywych energii reakcji przeniesienia metylu dla trzech stałych dielektrycznych (e=4, 20 i 80) oraz odpowiadające im zmiany gęstości spinowych na wybranych fragm entach klastera A, metylu i na kobaltokorynie pokazano na Rysunku 5.22. W trakcie przenoszeni grupy -C H :1 z kobaltu na nikiel, Co i Nip uzyskują duże gęstości spinowe. Dużą gęstość spinową posiada też grupa metylowa, dlatego opisywany m echanizm odpowiada mechanizmowi rodnikowemu.. Bariera reakcji, która wy-

o

stępuję przy odległości Nip-CH3=7 A wynosi około 11 kcal i nie zależy od stałej dielektrycznej e. W pływ stałej dielektrycznej można natomiast zauważyć dla zmian gęstości spinowych na korynie. Dla e=4 i 20, początkowo ulega ona re-

o

dukcji natom iast przy odległości równej ~ 4 .0 A elektron przenosi się na kuban żelazo-siarkowy [Fe4S4]. Dla e=80 nie obserwujemy redukcji koryny, a przy odległości Nip-CH3 równej ~4 .5 A elektron z kubanu [Fe4S4] jest przenoszony na kobalt. W efekcie redukcja następuje nie na początku reakcji metylacji ale w jej trakcie.

63


I Ni,- Co=7.0A ■- N i,-C (CHJ-Co-17ff

Ni,- C(CH,)M.5A

Rysunek 5.21: Krzywa energii jako funkcja odległości Nip-CH3 dla reakcji przeniesienia metylu pomiędzy atomem Nip klastera A a metylokobaltokoryną przy stałej odległości Co-Nip=7 A z zaznaczonymi strukturami substratów (I.), produktów (III.) i stanu przejściowego (II.). Sytuacja taka modeluje reakcję rodnikową z przeniesieniem elektronu (ET). Wyniki otrzymano metodą DFT/BP86 w bazie funkcyjnej TZVP z zastosowaniem modelu PCM/ć=80. Położenia atomów zaznaczonych gwiazdką zostały zamrożone w trakcie optymalizacji

64


R(Nip-CH ,

4 = KIERUNEK PRZEBIEGU REAKCJI

=11.1 kcal

R(NIP-CH,

KIERUNEK PRZEBIEGU REAKCJI

10.00

U 5.00 £UJ 0.00

Rysunek 5.22: Panel a) Krzywa energii reakcji przeniesienia metylu pomiędzy atomem Nip klastera A a metylokobaltokoryną przy ustalonej odległości Co-Nip=7 A. Sytuacja taka modeluje reakcję rodnikową z przeniesieniem elektronu (ET); panel b) Zmiana gęstości spinowych na fragmentach klastera A, metylu i kobaltokorynie. Wyniki otrzymano metodą DFT/BP86 w bazie funkcyjnej TZVP z zastosowaniem modelu PCM/e=4, 20 i 80

65


5.5.5 S/v2 czy reakcja rodnikowa

W Podrozdziale 5.5.3 na Rysunku 5.19 pokazano, że K r z y w e I i II przeci-o

nają się przy odległości Nip-CH3 równej około 2.6 A, a geometria w tym punkcie dla obu krzywych jest inna (dla K r z y w e j II kobaltokoryna jest odłączona od klastera A). Nasuwa się więc pytanie, jaka jest bariera przejścia między jedną a drugą geometrią w punkcie przecięcia krzywych. Aby to zweryfikować wykonano obliczenia powierzchni energii w zależności od dwóch parametrów, odległości Nip-CH 3=2.5-3 .0 A oraz odległości Co-CH3=2.0-3 .0 A dla różnych stałych dielektrycznych e. Wyniki tych obliczeń prezentuje Rysunek 5.23. Powierzchnie gęstości spinowych na fragmentach klastera A, metylu i kobaltokorynie w zakresie tych samych odległości, dla różnych stałych dielektrycznych e pokazano na Rysunku 5.24.

W ykresy powierzchni energii potencjalnej m ają podobny przebieg dla wszystkich uwzględnionych wartości e. Lewy, górny róg wykresów odpowiada stanowi przejściowemu w opisywanym M e c h a n i z m i A (Rysunek 5.19, Podrozdział 5.5.3). Wysokim wartościom energii (Rysunku 5.23), odpowiadają duże gęstości spinowe dla Co i CH3 na (Rysunku 5.24). Dla atomu Nip do odległości Co-CH 3-2.6 A gęstości spinowe są niewielkie. Zupełnie inny przebieg wykresów m ożna zaobserwować dla koryny. Dla e=4 obserwujemy dużą gęstość spinową

odo odległości Co-CH3=2.40 A, która zmniejsza się dla e=20 i prawie całkowicie zanika dla £=80. Tak więc dla środowiska mniej polarnego transferowi metylu towarzyszy w pierwszym etapie przeniesienie elektronu (ET). Redukcja metylo- kobalam iny nie ma większego wpływu na energetykę reakcji S v2 oraz reakcji rodnikowej (Rysunek 5.23).

Zaznaczona na Rysunku 5.25 [panel a)] ścieżka reakcji, początkowo równoległa do osi pionowej (Nip-CH3) a potem poziomej (Co-CH3), odpowiada reakcji S ^ 2 ( M e c h a n i z m A) . Natomiast ścieżka ukośna wyznacza reakcję rodnikową ( M e c h a n i z m B). Mechanizm rodnikowy ma wyższą barierę, a bariera ta zależy od odległości Nip-Co. W mechanizmie Sjy2 dwa centra metaliczne m uszą się zbliżyć na odległość około 4.5 A. Jeżeli z uwagi na występowanie przeszkody sferycznej zbliżenie odpowiednich modułów białka staje się niemożliwe, to przynajmniej częściowo reakcja mogłaby przebiegać według m echanizmu rodnikowego. Z drugiej strony jak pokazano w pracy [98], w reakcji metylacji kobalaminy przez m etylotetrahydrofolan centra reakcji mogą się zbliżyć na bardzo m ałą odległość, co w zasadzie przemawia za reakcją Sjy2.

66


Co CH3

Rysunek 5.23: Powierzchnie energii potencjalnej zależne od dwóch parametrów geometrycznych, odległości Nip-CH3 =2 .5 - 3 .0 A oraz odległości C0 -CH3 =2.0-3.0 A dla różnych stałych dielektrycznych e. Obszar ten modeluje przejście pomiędzy K r z y w y m i I i II (Rysunek 5.19.). Lewy górny róg odpowiada energii stanu przejściowego reakcji metylacji. Wyniki otrzymano metodą DFT/BP8 6 w bazie funkcyjnej TZVP z zastosowaniem modelu PCM/e=4, 20 i 80

67


■ 0.34

■ 0.30

| ° . 2 6

p 0 .2 2g 0 . 1 8

“ 0.14

— 0.10

po.o«

2.80 3.00 3.20 i iw irm ’0-3®' i K ; n i n n i

koryna

Co-CH

Rysunek 5.24: Powierzchnie gęstości spinowych na fragmentach klastera A, na metylu i na kobaltokorynie dla dwóch odległości Nip-CH3=2.5-3.0 A oraz Co-CH3=2.0-3.0 A i różnych stałych dielektrycznych e. Wyniki otrzymano metodą DFT/BP86 w bazie funkcyjnej TZVP z zastosowaniem modelu PCM/e=4, 20 i 80

68


2.8 3.0

Co-CH3

2.8 3.0

Co-CH,

Rysunek 5.25: Panel a) wzajemna położenie K r z y w e j I i II dla dwóch odległości Nip-CH3-2.5-3.0 A oraz Co-CH3=2.0-3.0 A; panel b) ścieżki reakcji odpowiedzialne za M e c h a n i z m A i M e c h a n i z m B. Zaznaczona ścieżka dotyczy odległości Nip-Co=6 A

69


5.5.6 Redukcyjna metylacja klastera A przez m etylokobalaminę

W początkowym studium badań, w oparciu o model M l został zaproponowany mechanizm dwuelektronowej redukcji klastera A z udziałem i przeniesieniem elektronu na metylokobalaminę [80]. Drugi potencjał redukcji (Aredi/A red2) obliczony dla modelu M la jest równy -1.661 V (e=20, Tablica 5.12). Klaster A mógłby więc zredukować metylokobalaminę w formie ”base-off”, dla której obliczony w tym rozpuszczalniku potencjał redukcji wynosi -1.308 V. Porównując potencjały otrzymane dla największego m odelu M3 (-1.052 V, e=20, Tablica 5.12) i metylokobalaminy, redukacja metylkobalaminy staje pod znakiem zapytania. Potencjały te są jednak dość zbliżone, biorąc więc pod uwagę dokładność metody obliczeniowej (0.2 V) oraz to, że doświadczalny potencjał redukcji metylokobalaminy w formie "base-ojf” wynosi -1.21 V [94] nie m ożna całkowicie wykluczyć takiej redukcji. Obliczenia dla modelu MO, dla reakcji metylacji (zakładamy, że parametry modelu MOa w rozpuszczalniku o e=80 są referencyjne dla modelu M3 w rozpuszczalniku e=20, Tablica 5.12) również w skazują na brak redukcji. Jednak nadal te same argumenty mogą zostać przytoczone celem wyjaśnienia. Analizując te porównania można stwierdzić, że nie ma pewności czy redukcja faktycznie ma m iejsce, jednak jak pokazały obliczenia nie ma ona większego wpływu na energetykę reakcji. Z drugiej strony wydaje się, że korzystniejszym mechanizmem reakcji jest mechanizm S ^2 niż mechanizm rodnikowy. Częściowy udział m echanizmu rodnikowego może następować przy utrudnionym dostępie dwóch m etalicznych centrów reakcji. Energetyczny koszt tego procesu nie musi być duży - przy odległości Nip-CH3=2.6 A przejście pomiędzy K r z y w ą I i II na drodze rodnikowej m a barierę około 4 kcal.

Wyniki obliczeń przedstawione w niniejszej pracy pozwalają na zaproponowanie mechanizmu reakcji pokazanego na Rysunku 5.26.

CHj-CoFeSP BN i p’ ł L = H ^ > N j 2. H b h N i p2 ł C H 3

Rysunek 5.26: Proponowany schemat reakcji metylacji klastera A

Lindahl [99] zaproponował, że protonacja ma miejsce na anionie O H - połączonym z proksymalnym atomem niklu (Nip). Wartości pK a obliczone dla tego układu wskazują jednak, że w neutralnym pH ulega on protonacji. Za udziałem protonowanego klastera A w reakcji metylacji przem aw iają następujące argumenty. W iązanie protonu powoduje, że klaster A nie ulega niepożądanym reakcjom ubocznym (zwłaszcza utlenieniu) zanim nastąpi metylacja. Przedstawione

70


w pracy wyniki obliczeń pokazują, że reakcja metylacji jest silnie egzotermiczna (Rysunek 5.19), co nie zgadza się z doświadczeniem. Badania kinetyki reakcji m etylacji [99,99] wskazują, że reakcja jest prawie termoneutralna, jej bariera wynosi 8.3 kcal, a energia reakcji około 1 kcal. Obliczona w pracy wartość energii reakcji metylacji wynosi około 27 kcal. W yjaśnieniem tak dużej różnicy pomiędzy obliczoną i zmierzoną energią reakcji może być koszt energetyczny deprotonacji. K laster A w zredukowanej formie posiada wysokie pKa (Tablica 5.11) co powoduje, że oderwanie protonu przez zasadę jest reakcją silnie endotermiczną [50],

W reakcji rodnikowej, w trakcie której metyl przenoszony jest w formie rodnika, elektron musi być dostarczony na kobaltokorynę na początku lub w trakcie reakcji metylacji, w zależności od relacji potencjałów redukcji reagentów, a tym samym także w zależności od stałej dielektrycznej e. W reakcji Sjv2, jeżeli nastąpi przeniesienie elektronu (tak jak dla e -4 i 20), to po utworzeniu wiązania Nip-CH 3 elektron powraca na klaster A. Ten mechanizm można by określić jako m echanizm z przeniesieniem elektronu (ET).

71

6 Podsumowanie i wnioski

6 Podsumowanie i wnioskiObiektem badań teoretycznych, wchodzących w zakres prezentowanej pracy

doktorskiej jest dwucentrowy kompleks niklu, [Fe4S4 ]-N ipNi<i, nazywany klasterem A. Stanowi on centrum aktywne syntazy acetylokoenzymu A (ACS), enzymu który katalizuje reakcje powstawania acetylokoenzymu A z CO, CH3 i koenzym u A (CoASH) w bakteriach: Moorella thermoacetica i Carboxydothermus hydrogenoformans.

W niniejszej pracy, do obliczeń teoretycznych zastosowano metodę funkcjonałów gęstości (DFT/BP86) oraz ciągły model rozpuszczalnika (PCM / e=4, 12, 20, 80). Dla czterech typów modeli strukturalnych klastera A, różniących się wielkością, przeprowadzono optymalizację geometrii na trzech stopniach utlenienia A ox, A redl i A rpd2. Podobne obliczenia wykonano dla struktur protonowanych oraz dla klastera A z ligandami ważnymi w cyklu katalitycznym enzymu. W szystkie przypadki modeli uwzględniały obecność w strukturze cząsteczki wody, która zgodnie z danymi krystalograficznymi może występować jako ligand nieorganiczny skoordynowany z atomem Nip. Na podstawie przeprowadzonych obliczeń wyznaczono wartości pK0 i potencjały redukcji (E0) oraz oceniono wpływ wielkości modelu strukturalnego i otoczenia białkowego na właściwości redoksowe klastera A. N astępnie zgodnie z uzyskanymi wynikami zaproponowano m echanizm redukcyjnej aktywacji utlenionej formy klastera A (AOT).

Drugim ważnym elementem badań teoretycznych, składającym się na końcowy rezultat pracy, było wyznaczenie ścieżki reakcji metylacji klastera A oraz w skazanie jej mechanizmu. Czynnikiem metylującym w reakcji była metylo- kobalam ina w formie "base-off” (struktura z odłączonym dolnym ligandem aksjalnym DMB). Reakcja ta, jest jednym z etapów pośrednich katalizowanej przez centrum aktywne reakcji powstawania acetylokoenzymu A.

Najważniejsze wnioski wynikające z pracy można sformułować następująco:

• Porównanie otrzymanych zoptymalizowanych wartości parametrów geom etrycznych klastera A z danymi doświadczalnymi pokazuje, że przyjęta m etodyka obliczeń (metoda DFT/BP86 w bazie TZVP, £"=20 dla modelu

72


M3) pozwala na poprawne modelowanie geometrii klastera A, a sama geom etria zależy silnie od przyjętego modelu strukturalnego, natomiast wpływ stałej dielektrycznej w obliczeniach PCM jest niewielki. Nie należy oczekiwać bardzo dobrej zgodności z eksperymentem ponieważ same dane doświadczalne pokazują duży rozrzut wyników, co potwierdza elastyczność strukturalną pozwalającą na dostosowanie klastera do różnych konformacji otaczającego go białka. Modele: mały MO i średni M l są konformacyjnie giętkie. W wyniku obliczeń otrzymano dla nich dwie struktury charakteryzujące się odpowiednio małą i dużą odległością Nip-F e l. Nie dzieje się tak w przypadku modeli dużych M2 i M3, dla których uwzględniono dalsze otoczenie białkowe, oraz struktur sprotonowanych i z Ugandami. Zgodnie z przeprowadzonymi obliczeniami w przypadku model M2 i M3 otrzymano konform ację zwartą o krótkiej odległości Nip-F e l, dla form sprotonowanych pośrednią, co zaznacza się szczególnie dla modeli małych (MO i M l), a dla klastera A z Ugandami uzyskano tylko konformację rozwartą.

• Rozkład gęstości spinowych pokazuje, że Aox posiada konfigurację elektronową [Fe4S4]+2-N i+ 2N i([ 2; A redi [Fe4S4]+2-N i+ 1N i^2, a niesparowany elektron jest zlokalizowany na Nip; natomiast A red2 [Fe4S4]+1-N i?J'1Ni([ 2 i występuje tu sprzężenie antyferromagnetyczne między Nip i kubanem. Św iadczą o tym przeciwne znaki gęstości spinowych na wymienionych fragm entach cząsteczki. Jest to zgodne z danymi doświadczalnymi i dostępnymi pracami obliczeniowymi. Rozkład elektronów w strukturach A redi i A red2 sugeruje, że rolą kubanu oraz Ni^ jest stabilizacja różnych stopni utlenienia proksymalnego atomu niklu (Nip) przez przyjmowanie nadmiarowej gęstości elektronowej i tym samym zabezpieczanie go przed niepożądanymi reakcjami. Rozkład gęstości spinowych i ładunków NBO utrzymuje podobny charakter dla wszystkich modeli, za wyjątkiem m odelu MO oraz Aredi-C O . Ogólna tendencja do obniżania wartości gęstości spinowych i ładunków NBO dla modelu dużego (M3) może być spowodowana przesunięciem ładunku na skutek tworzenia się wiązań wodorowych pomiędzy resztami aminokwasowymi białka oraz atomami siarki i tlenu należącymi do klastera A.

• Protonacja struktur zredukowanych A rcdi i A red2 prowadzi do powstania wodorków, w których proton związany jest z proksymalnym atomem niklu (Nip). Jak wynika z obliczeń, struktura A redi jest nietrwała i m ożna ją łatwo zredukować, natomiast forma dwuelektronowo zredukowana jest trw ała i może istnieć jako stabilna forma klastera A. Ponadto wyznaczone na podstawie obliczeń dla wszystkich modeli wartości pKa pokazują, że A red2

występuje w formie sprotonowanej w warunkach fizjologicznego, neutral

73


nego pH. Wydaje się więc, że m echanizm dwuelektronowej redukcji połączonej z protonacją, jako sposób aktywacji formy utlenionej klastera A (A ox) jest prawdopodobny. Niesprotonowane, zoptymalizowane struktury zredukowane A recii i Ared2 wykazują cechy strukturalne, które nie występują w danych krystalograficznych, co może być konsekwencją przyjętej trójkoordynacyjnej sfery wokół atomu Nip. Nie można jednak wykluczyć, że formy te istnieją jako stany pośrednie w reakcji katalitycznej. Realnym m odelem wydaję się być też ten z ligandem mrówczanowym, gdzie Nip wykazuje liczbę koordynacji cztery i dla którego otrzymano porównywalne z doświadczeniem wartości potencjałów redukcji.

• Zależność potencjałów redukcji od stałej dielektrycznej e pokazuje, że na przebieg reakcji enzymatycznej silny wpływ m a środowisko reakcji. W mniej polarnych rozpuszczalnikach reakcja może mieć charakter rodnikowy, natomiast w rozpuszczalnikach polarnych przebiega prawdopodobnie według mechanizmu S^2. W świetle przeprowadzonych obliczeń stwierdzono, że potencjały redukcji dla modeli MO i M l są zbyt ujemne. Biorąc pod uwagę wartości potencjałów redukcji otrzymane dla m odelu M l m ożna zaproponować mechanizm rodnikowy z redukcją metylokobalaminy przez A red2 w pierwszym kroku reakcji. Przebieg taki staje się jednak mniej prawdopodobny rozpatrując wyniki uzyskane dla m odelu M3 i skłania do konkluzji, że reakcja może zachodzić według mechanizmu S^r2. Ponieważ pierwszy potencjał redukcji obliczony dla modelu M3 jest wyższy niż -0.5 V, zaproponowano, że ligand elektrodonorowy, jakim jest anion m rówczanowy (HCOO- ), może wiązać się z proksymalnym atomem niklu (Nip) i dlatego nie dochodzi do redukcji formy utlenionej klastera (A ox) w warunkach fizjologicznych. Jak wynika z przeprowadzonych obliczeń wartość pierwszego potencjału redukcji obniża się wtedy o około 0.7 V. Dla klastera A z ligandem mrówczanowym obliczone wartości potencjałów redukcji zależne od pH pozostają o około 0.4 V niższe od danych doświadczalnych. Aby otrzymać lepszą zgodność prawdopodobnie należałoby zwiększyć rozm iar układu czego w ramach niniejszej pracy nie próbowano.

• Żeby możliwa było metylacja klastera A, w pierwszym kroku reakcji konieczna jest jego deprotonacja. W trakcie metylacji m etylokobalamina z CoFeSP zbliża się do proksymalnego atomu niklu Nip a oderwany proton jest przyjmowany przez zasadę. Obliczona wartość pK„ jest dość wysoka (pK„=15.6 dla £=20), jednak pK„ zasady będącej akceptorem protonu nie musi być wyższe ze względu na zbliżenie się metylokobalaminy do klastera A, wtedy pKa klastera A powinno się zmniejszać ze względu na tendencję do zastąpienia metylu przez proton. To według jakiego m echanizmu

74


przebiega reakcja metylacji, Sat2 czy mechanizmu rodnikowego, zależy od krótkotrwale utworzonego sprotonowanego Ared2- Udział protonowanego klastera A potwierdza się na drodze rozważań nad energetyką reakcji. Sama metylacja jest silnie egzotermiczna, z kolei deprotonacja jest endotermiczna. W efekcie całkowita reakcja powinna być słabo endotermiczna. Tak też wynika z pomiarów kinetyki reakcji. Preferowany mechanizm, który wskazały obliczenia w niniejszej pracy to mechanizm SN2. M ożna dopuścić również częściowy udział mechanizmu rodnikowego w przypadku gdy steryczne oddziaływanie dwóch białek stanowi przeszkodę na drodze zbliżania się dwóch centrów metalicznych: Co i Nip. Koszt takiego częściowego mechanizmu rodnikowego może być niewielki, rzędu kilku kcal. M echanizm rodnikowy wymaga przeniesienia elektronu na kobaltokorynę. Jednak w mechanizmie SN2 to przeniesienie elektronu zasadniczo przy 5=80 nie występuje.

75

LITERATURA

Bibliografia

Literatura[1] J. C. Fontecilla-Camps, P. Amara, C. Cavazza, Y. Nicolet, A. Volbeda, Na

ture 460 (2009) 814.

[2] S. W. Ragsdale, J. Biol. Chem. 284 (2009) 18571.

[3] C. L. Drennan, J. W. Peters, Curr. Opin. Struct. Biol. 13 (2003) 220.

[4] T. C. Harrop, P. K. Mascharak, Coord. Chem. Rev. 249 (2005) 3007.

[5] C. M ehmet, A. A. Fraser, W. S. Ragsdale, Chem. Rev. 118 (2014) 4149.

[6] E. L. Hegg, Acc. Chem. Rev. 37 (2004) 775.

[7] P. A. Lindahl, J. Biol. Inorg. Chem. 9 (2004) 516.

[8] X. Zhu, X. Tan, Sci. China Ser. B-Chem. 52 (2009) 2071.

[9] M. R. Bramlett, A. Stubna, X. Tan, I. V. Surovtsev, E. Miinck, P. A. Lindahl, Biochemistry 47 (2008) 5544.

[10] G. Bender, T. A. Stich, L. Yan, S. P. Cramer, S. W. Ragsdale, Biochemistry 49 (2010) 7516.

[11] T. C. Brunold, J. Biol. Inorg. Chem. 9 (2004) 533.

[12] J. Q. Xia, Z. G. Hu, C.V. Popescu, P. A. Lindahl, E. Miinck, J. Am. Chem. Soc. 119(1997) 8301.

[13] P. Amara, A. Volbeda, J. C. Fontecilla-Camps, M. J. Field, J. Am. Chem. Soc. 127 (2005)2776.

[14] R. P. Schenker, T. C. Brunold, J. Am. Chem. Soc. 125 (2003) 13962.

[15] C. E. Webster, M. Y. Darensbourg, P. A. Lindahl, M. B. Hall, J. Am. Chem. Soc. 126(2004)3410.

[16] C. Greco, A. Ciancetta, M. Bruschi, A. Kulesza, G. Moroc, U. Cosentino, Chem. Commun. 51 (2015) 8551.

[17] M. Cossi, N. Rego, G. Scalmani, V. Barone, J. Comp. Chem. 24 (2003) 669.

[18] J. Tomasi, B. Mennuci, R. Cammi, Chem. Rev. 105 (2005) 2999.

76

LITERATURA

[19] S. Gencic, D. A. Grahame, Biochemistry 47 (2008) 5544.

[20] L. Piela, Idee chemii kwantowej, W ydwanictwo Naukowe PWN, Warszawa, 2003.

[21] M. Jaworska, M. Musiał, T. Pluta, Wybrane zagadnienia chemii kwantowej. Uniwersytet Śląski, Katowice, 2009.

[22] P. Hohenberg, W. Kohn, Phys. Rev. B 864 (1964) 139.

[23] W. Koch, M. C. Holthausen, A Chemist’s Guide to Density Functional Theory-Second Edition, Wiley-VCH, 2001.

[24] F. Jensen, Introduction to Computational Chemistry - Second Edition, John W iley and Sons, England, 2007.

[25] W. Kohn, A. D. Becke, R. G, Parr, J. Phys. Chem 100 (1996) 12974.

[26] R. G. Parr, Y. Weitao, Density-Functional Theory o f Atoms and Molecules, O xford University Press, 1989.

[27] A. D. Becke, Phys. Rev. A 38 (1988) 3098.

[28] J. P. Perdew, Phys. Rev. B 33 (1986) 8822.

[29] F. Himo, L. Noodelman, M. R. A. Blomberg, P. E. M. Siegbahn, J. Phys. Chem. A 106 (2002) 8757.

[30] A. Kaczmarek-Kędziora, M. Ziegler-Borowska, D. Kędziora Chemia obliczeniowa w labolatorium organicznym, W ydawnictwo Naukowe Uniwersytetu M ikołaja Kopernika, Toruń, 2014.

[31] C. Leger, F. Armstrong, Chemistry o f metals in biological systems, Oxford, 2002.

[32] E. I. Salomon, R. A. Scott, R. B. King Computational Inorganic and Bio- inorganic Chemistry, Wiley, 2009.

[33] M. D. Tissandier, K. A. Cowen, W. Y. Feng, E. Gundiach, M. H. Cohen, A. D. Earhart, J. V. Coe, T. R. Tuttle, J. Phys. Chem. A 102 (1998) 7787.

[34] J. Ho, M. L. Coote, Theor. Chem. Acc. 125 (2010) 3.

[35] S. Trasatti, Pure and Appl. Chem. 58 (1986) 955.

[36] M. D. Tissandier, K. A. Cowen, W. Y. Feng, E. Gundiach, M. H. Cohen, A.D. Earhart, J. V. Coe, T. R. Tuttle, J. Phys. Chem. A 102 (1998) 7787.

77

LITERATURA

[37] A. Lewis, J. A. Bumpus, D. G. Truhlar, C. J. Cramer, J. Chem. Educ. 81 (2004) 596.

[38] B. Alberts, D. Bray, K. Hopkin, Podstawy biologii komórki, tom 1 i 2, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 2005, s. 469^173.

[39] L. Stryer, J. M. Berg, J. L. Tymoczko, Biochemia, W ydawnictwo Naukowe PW N, Warszawa, 2009.

[40] R. K. Murray, D. K. Granner, P. A. Mayes, V. W. Rodwell Biochemia Har- pera. W ydawnictwo Lekarskie PZW L, Warszawa, 1995.

[41] A. Sigel, H. Sigel, R. K. O. Sigel, Metal Ions in Life Sciences Wiley, 2008.

[42] A. M. Sydor, D. B. Zambie M etallomics and the Cell. M etal Ions in Life Sciences "Chapter 11: Nickel Metallomics: General Themes Guiding Nickel Homeostasis" Springer, 2013.

[43] C. Darnault, A. Volbeda, E. J. Kim, P. Legrand, X. Vernede, P. A. Lindahl, J. C. Fontecilla-Camps, Nat. Struct. Biol. 10 (2003) 271.

[44] J. M. Berg, J. L. Tymoczko, L. Stryer, Biochemistry 5th ed. New York: W.H. Freem an and Co. (2002) 697-733.

[45] S. W. Ragsdale, Crit. Rev. Biochem. Mol. Biol. 39 (2004) 165.

[46] S. W. Ragsdale, Ann. N. Y. Acad. Sci. 1125 (2008) 129.

[47] S. W. Ragsdale, E. Pierce, Biochimica et Biophysica Acta 1784 (2008) 1873.

[48] D. J. Evans, Coordination Chemistry Reviews 249 (2005) 1582.

[49] T. I. Doukov, L. C. Błasiak, J. Seravalli, S. W. Ragsdale, C. L. Drennan, Biochemistry 47 (2008) 3474.

[50] T. Svetlitchnaia, V. Svetlitchnyi, O. Meyer, H. Dobbek, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 103 (2006) 14331.

[51] V. Svetlitchnyi, H. Dobbek, W. M eyer-Klaucke, T. M eins, B. Thiele, P.Romer, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 101 (2004) 446.

[52] S. Gencic, E. Duin, D. A. Grahame, J. Biol. Chem. 285 (2010) 15450.

[53] C. L. Drennan, T. I. Doukov, S. W. Ragsdale, J. Biol. Inorg. Chem. 9 (2004) 511.

78

LITERATURA

[54] X. Tan, A. Volbeda, J. C. Fontecilla-Camps, P. A. Lindahl, J. Biol. Inorg. Chem. 11 (2006) 371.

[55] W. Shin, P. A. Lindahl, J. Am. Chem. Soc. 114 (1992) 9718.

[56] W. Shin, P. A. Lindahl, Biochemistry 31 (1992) 12870.

[57] X. Tan, M. Martinho, A. Stubna, P. A. Lindhal, E. Miinck, J. Am. Chem. Soc. 130 (2008) 6712.

[58] X. Tan, M. R. Bramlett, P. A. Lindahl, J. Am. Chem. Soc. 126 (2004) 5954.

[59] J. Seravalli, S. W. Ragsdale, Biochemistry 47 (2008) 6770.

[601 C. M. Gorst, S. W. Ragsdale, J. Biol. Chem. 266 (1991) 20687.

[61] C. Fan, C. M. Gorst, W. Ragsdale, B. M. Hoffman, Biochemistry 30 (1991) 431.

[62] S. J. George, J. Seravalli, S.W. Ragsdale, J. Am. Chem. Soc. 127 (2005) 13500.

[63] B. Bhaskar, E. DeMoll, D. A. Grahame, Biochemistry 37 (1988) 14491.

[64] J. Seravalli, M. Kumar, S. W. Ragsdale, Biochemistry 41 (2002) 1807.

[65] D. P. Barondeau, P. A. Lindahl, J. Am. Chem. Soc. 119 (1997) 3959.

[66] X. Tan, I. V. Surovtsev, P. A. Lindahl, J. Am. Chem. Soc. 128 (2006) 12331.

[67] Gaussian 09, Revision B.01, M. J. Frisch, G. W. Trucks, H. B. Schlegel, G.E. Scuseria, M. A. Robb, J. R. Cheeseman, G. Scalmani, V. Barone, B. Men- nucci, G. A. Petersson, H. Nakatsuji, M. Caricato, X. Li, H. P. Hratchian,A. F. Izmaylov, J. Bloino, G. Zheng, J. L. Sonnenberg, M. Hada, M. Ehara, K. Toyota, R. Fukuda, J. Hasegawa, M. Ishida, T. Nakajima, Y. Honda, O. Kitao, H. Nakai, T. Vreven, J. A. Montgomery, Jr., J. E. Peralta, F. Ogliaro, M. Bearpark, J. J. Heyd, E. Brothers, K. N. Kudin, V. N. Staroverov, T. Keith, R. Kobayashi, J. Normand, K. Raghavachari, A. Rendell, J. C. Burant,S. S. Iyengar, J. Tomasi, M. Cossi, N. Rega, J. M. M illam, M. Klene, J. E. Knox, J. B. Cross, V. Bakken, C. Adamo, J. Jaramillo, R. Gomperts, R. E. Stratmann, O. Yazyev, A. J. Austin, R. Cammi, C. Pomelli, J. W. Ochterski, R. L. Martin, K. Morokuma, V. G. Zakrzewski, G. A. Voth, P. Salvador, J. J. Dannenberg, S. Dapprich, A. D. Daniels, O. Farkas, J. B. Foresman, J. V. Ortiz, J. Cioslowski, D. J. Fox, Gaussian Inc. W allingford CT 2010.

79

LITERATURA

[68] A. Schaefer, C. Huber, R. Ahlrichs, J. Chem. Phys. 100 (1994) 5829.

[69] L. Noodelman, J. G. Jr. Norman, J. Chem. Phys. 70 (1979) 4903.

[70] L.Noodelman, J. Phys.Chem. 74 (1981) 5737.

[71] W. -G. Han, L. Noodleman, Inorg. Chem. 50 (2011) 2032.

[72] D. P. Bhave, W. -G. Han, S. Pazicni, J. E. Penner-Hahn, K. S. Carroll, L. Noodleman, Inorg. Chem. 50 (2011) 6610.

[73] J. P. Foster, F. Weinhold, J. Am. Chem. Soc. 102 (1980) 7211.

[74] A. E. Reed, R. B. Weinstock, F. Weinhold, J. Chem. Phys. 83 (1985) 735.

[75] W. -G. Han, D. A. Giammona, D. Bashford, L. Noodleman, Inorg. Chem. 49 (2010)7266.

[76] W. -G. Han, T. Liu, T. Lovell, L. Noodleman, J. Am. Chem. Soc. 127 (2005) 15778.

[77] G. M. Ullman, L. Noodleman, D. A. Case, J. Biol. Inorg. Chem. 7 (2002) 632.

[78] A. Lewis, J. A. Bumpus, D. G. Truhlar, C. J. Cramer, J. Chem. Educ. 84 (2007) 934.

[79] G. J. Tawa, I. A. Topol, S. K. Burt, R. A. Caldwell, A. A. Rashin, J. Chem. Phys. 109 (1988)4852.

[80] A. Chmielowska, M. Jaworska, P. Lodowski J. Phys. Chem. A 117 (2013) 12484.

[81] W. Gu, S. Gencic, S. P. Cramer, D. A. Grahame, J. Am. Chem. Soc. 125 (2003)15343.

[82] T. I. Doukov, T. M. Iverson, J. Seravalli, S. W. Ragsdale, C. L. Drennan,Science 298 (2002) 567.

[83] J. Seravalli, W. Gu, A. Tam, E. Strauss, T. P. Begley, S. P. Cramer, S. P. Ragsdale, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 100 (2003) 3689.

[84] Y. Kung, T. I. Doukov, J. Seravalli, S. W. Ragsdale, C. L. Drennan, Biochemistry 48 (2009) 7432.

[85] A. Volbeda, J. C. Fontecilla-Camps, J. Biol. Inorg. Chem. 9 (2004) 525.

80

LITERATURA

[861 J- Seravalli, S. W. R agsdale,/. Biol. Chem. 283 (2008) 8384.

[87] P. A. Lindahl, J. Inorg. Biochem. 106 (2012) 172.

[88] A. Volbeda, C. Darnault, X. Tan, P. A. Lindahl, J. C. Fontecilla-Camps, Biochemistry’ 48(2009)7916 .

[89] C. A. Fitch, D. A. Karp, K. K. Lee, W. E. Stites, E. E. Lattman, B. Garcia- M oreno, Biophys. J. 82 (2002) 3289.

[90] D. Bashford, M. Karplus, Biochemistry 29 (1990) 10219.

[91] D. A. Karp, A. G. Gittis, M. R. Stahley, C. A. Fitch, W. E. Stites, B. Garcia-M oreno, Biophys. J. 92 (2007) 2041.

[92] M. J. Harms, J. L. Schlessman, M. S. Chimenti, G. R. Sue, A. Damjanovic,B. Garcia-M oreno, Protein Sci. 17 (2008) 833.

[93] W. -G. Han, L. Noodleman, Theor. Chem. Acc. 125 (2010) 305.

[94] R. L. Birke, Q. Huang, T. Spataru, D. K. Gosser, J. Am. Chem. Soc. 128(2006) 1922.

[95] D. Lexa, J. M. Saveant, J. Am. Chem. Soc. 98 (1976) 2652.

[96] D. Lexa, J. M. Saveant, Acc. Chem. Res. 16 (1983) 235.

[97] M. Kumar, W. Galezowski, P. M. Kozłowski, International Journal o f Quantum Chemistry 113 (2013) 479.

[98] Y. Kung, N. Ando, T. I. Doukov, L. C. Błasiak, G. Bender, J. Seravalli, S. W. Ragsdale, C. L. Drennan, Nature 848 (2012) 265.

[99] X. S. Tan, C. Sewell, P. A. Lindahl, J. Am. Chem. Soc. 124 (2002) 6277.

81

Załączniki

A. Porównanie modelu MO z cząsteczką wody i bez

Tabl

ica

Al.

Ener

gia

struk

tur

zopt

ymal

izow

anyc

h, w

ybra

ne

para

met

ry

geom

etry

czne

, gę

stoś

ci

spin

owe

i ład

unki

NB

O dl

a zw

arte

go

mod

elu

klas

tera

A

(MO)

be

z cz

ąste

czki

w

ody.

Wyn

iki

oblic

zeń

met

odą

DFT

/BP8

6 w

bazie

fu

nkcy

jnej

T

ZV

P z

zasto

sow

anie

m

mod

elu

PCM

/e=4

, 20

, 80

O Tt C\|

cco occ

<8c? o

Tt

Cd — cc

(Uc■o .5 e «> J c/3 a .

Cd OO r - r -ocT t CdCdCdCd

T t ccONOOONnO in CdCdCdCd’

C- in O00 m OONOCdCdCdCd’

r - T t O CC0000ON •nO l/"> CdC"ccCdCd’Cd

ONO Cd O ONCdCdONcc00NONO CC

NONOOnTt00irj ONNOrlccO 00 o

“ 1 lO N N t<*■> (-i P'J~ on oo ~

a t1- oo rj oc _ S^tcN^I^ŚccNol l jcdcdcd — — 0OsO —

ic _•11! z ; o o n o x

cc(N OO - \0 On >n oor - nd (N _ _ _H H (N - <* 00 ^ -

^ T t —cc no

ONNONOON00NO00T t CdCd*CdCd

ONONCCO O ONr-; NOCdCdCdCd’

0000inm 00CCCd Tt cc00NONOCd

T t T t CC CCr l CC o

r ^NOcc o oo O

r-cdCdnO 00 OnOO —

ON CCo NOOŃ T tCdCd*CdON r -

tn — m ^ -75 7) 75 Z Z

OlT t A a . a . no

9 Z Z Z ^^ ^ s 'ó >c — u s Z Z Z m w m ł Z

ir> ul o® m — g n o to o ®

— O n ccCdON—T t O CdO O O

r-~ T^ ?sOO 9

in —1cc — oocc o cco O O

CdNOooCdON—Tt O CdO O O

°° f~ Er - ^ j 'O J O f ' id d 9

— O Or- O 2 co o To d 9

— o CdCd oo TtT t O CdO o O

> Tf h Tt O 00 O O Oo d o

coa . *e t t

Z Z f c Ni,,

0.

004

0.01

8 -0

.106

-0

.001

0.

002

-0.1

28

0.00

0 0.

001

-0.1

34N

irf 0.

082

0.07

2 0.

072

0.07

6 0.

072

0.04

4 0.

075

0.07

1 0.

040

Fe4

S4

-0.5

92

-0.8

41

-1.0

88

-0.5

76

-0.8

93

-1.1

73

-0.5

75

-0.9

06

-1.2

02

Tabl

ica

A2.

Ene

rgia

str

uktu

r zo

ptym

aliz

owan

ych,

wyb

rane

pa

ram

etry

ge

omet

rycz

ne,

gęst

ości

sp

inow

e i ł

adun

ki

NBO

dla

zwar

tego

m

odel

u kl

aste

ra

A (M

O)

z cz

ąste

czką

w

ody.

Wyn

iki

oblic

zeń

met

odą

DFT

/BP8

6 w

bazie

fu

nkcy

jnej

TZ

VP

z za

sto

sow

anie

m

mod

elu

PCM

/s=4

, 20

, 80

<N— O

m o —'C4

C4 ["-•— rń

OnO o

<N ' !— <N

o <N o “7 < 1 oo

0)a■a .£ =« a. isć

(O a

C4 Tt in nd . 'O l

00 sC .nd in iC4 (N

—OC

00 r - ON

. . C4cn _i iX ^no O So 52 2

sC 00 T t

ON nD P ri O §oo 2

00 c<"> tr> — —

ONod On ONND 00 o

in r- m nd nD

00 ON 00 sDND l/")

O —cdND O

O •<n tri S 2 00 ND 2

ONi: i; oo i- 200 Tt ND O

O 00 cd o

ND04 ON tnrt-OC00 OOND00r-ONtri —cicd ON oo

oo r -ON O .nd m i (N C4

ON C4 on r - . nd i n i

NO tj- oo

O nD2 2 ©o nd 2

<N ND

On —« _nD iri • ND O S

o co oO ONOŃo - oo O —

oTS - SC

aV") —< IT) *2 C/p W 7 ) Z Z

<u 2 " o. a a, no cn^ 9 z ź z ^= ^ r vO O -Z Z Z 60 w w Ł Z

oo ONco oo j o r - oO o — oo o o O

m « J oo m S ■ ł O O O O

ND , OOr - o in— o IT)o i o O1

■'t 21 t~~ m £) Tf o ^ o o 9

ND ONNDO ND*”'O tnOio O

f' ON O' O (S| o NO O 0 0 — 0 o o o o

OO O 3t n SK I O ^o o 9

KN _ (N°C Q ^ ^? o 9

ery — ON Ocn — r-> o 0 0 — 0 d o d o

Z Z £ Nip

0.

134

0.05

0 0.

060

0.13

6 0.

042

0.0

01

0.

134

0.04

5 -0

.01

2

Nirf

0.07

2 0.

069

0.05

7 0.

063

0.06

0 0.

039

0.0

61

0.

057

0.0

34

Fe

4S

4 -0

.728

-0

.949

-1

.199

-0

.736

-1

.000

-1

.283

-0

.735

-1

.013

-1

.31

1

HoO

0.

129

- -

0.13

3 -

- 0

.12

9

Tabl

ica

A3.

Ene

rgia

str

uktu

r zo

ptym

aliz

owan

ych,

wyb

rane

pa

ram

etry

ge

omet

rycz

ne,

gęst

ości

sp

inow

e i ł

adun

ki

NBO

dla

rozw

arte

go

mod

elu

klas

tera

A

(MOa

) be

z cz

ąste

czki

wod

y. W

ynik

i ob

licze

ń m

etod

ą D

FT/B

P86

w ba

zie

funk

cyjn

ej

TZ

VP

z za

stoso

wan

iem

m

odel

u PC

M/e

=4,

20,

80

O 9

CN vO — tri

u tJ- V2O o(N

CN OO — OŃ

H CN

0) c373 — c« Qu ^ J 7) a

ND ON __ CN 1/2cnNOr-ooU2nC 9

(NOŃ

nO00

OŃCN cn9

ON O ONcn 00 ONO ON 1/2CN cn 9

ON NO9ONCNO 1/2NOO 1/2CN9 9

NO ON __ CNcn r- </2NO 00 9 CNCN cn 9

r-nf- OP O PCN 9 9

00 ON — CN9 00 nO00

od OOCN n f CN o

: oo cnOJ -

^ Ul OJd 2 2

o o U2 CN1/2 00 NO

00OŃ 00CN CN o

r- O n r- CNONP O

oP NO OŃ1/2CN 9 9

OO CN CN —

00 On On nO nO on Tf t/2 q — « oo CN 9 9

ONCN 5

P r-1/200

cn CNcn —

r-o

CN 9 9r-r-

CN 'Cf o P ONO NO

00cn CNCN cn

CN on oo nO O ON no q T tCN 9 9

t/2 q CN CNd 9 t/200 OŃCN t/2 CN

Z Pu c/o

1/2 — 1/2 q • -w 7) Z Zi i i ' i

a. a. a. nO <nz z z "?

hO ur d no no — <u •— Z Z Z ooodooPh Z

ON — NOro m (śj P P ON9 9 o

ON CN r -00 t/2 1/2t/2 O oO O o

ONcn cnNO o ONd o1 o

oo o —OO t/2 NO1/2 O oO © o

IT) S °0 — S o o P — o 9 o

On — cN cn 02 o 9 P on9 9 ®

ro >o Tt » t o </■> O Oo d o

o _ osCr op ©o d o

Z Z Ł Nip

0.17

0 0.

076

0.07

5 0.

218

0.06

6 0.

043

0.23

3 0.

061

0.03

6Ni

,, 0.

109

0.05

7 0.

041

0.09

6 0.

044

0.02

9 0.

096

0.04

2 0.

034

Fe4S

4 -0

.645

-0

.796

-1

.217

-0

.684

-0

.847

-1

.342

-0

.692

-0

.860

-1

.381

Tabl

ica

A4.

Ene

rgia

str

uktu

r zo

ptym

aliz

owan

ych,

wyb

rane

pa

ram

etry

ge

omet

rycz

ne,

gęst

ości

sp

inow

e i ł

adun

ki

NBO

dla

rozw

arte

go

mod

elu

klas

tera

A

(MOa

) z

cząs

tecz

ką

wod

y. W

ynik

i ob

licze

ń m

etod

ą D

FT/B

P86

w ba

zie

funk

cyjn

ej

TZ

VP

z za

stoso

wan

iem

m

odel

u PC

M/f

=4,

20,

80

O O OŃ

CN O - cn

S<N o '•O< 1 ^ (N

<N p —

w Tt

<N .— P’-CN

Oa•O -S e<3 0 .^

7 ) a

O 00 in O CN

83.5 p TtTtin CNO OCN c nTt

iriCN OoCN Tt CN '

r- cn O 00 nO 00 I

ON — — CN NO ON

OO Tt Tt NO pND NO NO00

OCN Tt CN o

— CN nOCN X no00cn r-‘CN CN o

*“ *

m r-CN oo sD On<N c n

cn i/o CN (N NO ON

p c n o —

Tt ON nO00

miCN Tt CN o

o cn nO ON 00CN X

NOOOcn 00CN *T) CN o

o Ttcn cnp o oCN Tt CN

p On p 00 pcn00

triCN odON

2 ^

Tt ON Tt CN CNCN O NOOO

00 OOCN in CN o

no inNO NO NO O

r- cn cn O p p CN Tf

CN ON Tt cn »n pCN Tt

w m « co Z ZT3 i i i i iv- u a, a, a. nO <n Z Pu O vz •►c s oo on

i i t / L , / L , t ia. a, a, i i i 1 a, ^ £ r ^ ;Z Z Z 05 M w fc ,

c n c n i/ p 00 NOO c n TtOO

NO dCN Tt CN o

— CN ONoo mtn o r -d d o

c n NOo c NO c nm O oO o o

vO X ^' f N 5 _ o 9 O O 9

2S !£ o°ON ^ t l/p'/-> o óo i 9 9 d

CN Tt oOO nC Ttyn O oO O o

CN oo Ttcn CN CN Tto CN O Oo d o o

— ON om ts mO P | 9 9 o

— cn ooOO nC Tt»n O Oo O d

r - ON c n c nc n c n — TtO CN o Oo d o o

Z Z Nip

0.24

1 0.

021

-0.0

21

0.23

5 0.

028

-0.0

15

0.25

7 0.

026

-0.0

52N

irf 0.

136

0.06

8 0.

049

0.13

0 0.

060

0.04

2 0.

126

0.05

7 0.

038

Fe4S

4 -0

.786

-0

.839

-1

.178

-0

.807

-0

.884

-1

.321

-0

.815

-0

.892

-1

.279

HoO

0.12

3 -

- 0.

127

- -

0.12

0

Tabl

ica

A5.

Ene

rgia

str

uktu

r zo

ptym

aliz

owan

ych,

wyb

rane

pa

ram

etry

ge

omet

rycz

ne,

gęst

ości

sp

inow

e i

ładu

nki

NBO

dla

prot

onow

aneg

o m

odel

u kl

aste

ra

A (M

O-H

) be

z cz

ąste

czki

w

ody.

Wyn

iki

oblic

zeń

met

odą

DFT

/BP8

6 w

bazie

fu

nkcy

jnej

TZ

VP

z za

stoso

wan

iem

m

odel

u PC

M/f

=4,

20,

80

w cna i <

I ' ? ©

IIOj

oa■o =a cl

* 3 C/D

sD*“ * Os sD

3t nr - t n

t nt n c no c n

r -o ś CN CN

OO b - h h - (NO —r - no «n in vo

O sD

CN 0 0

CN o śOO SD

—

c n _ o-■ 2

oo r -

On n n • • CN c n

C N C N — — — —•

O tri sDsD O —T sO triCN CN

nOsC r - • rT tr i tnCN CN

■"“t OCN 0 0 r -T tr i t nCN CN —1

tn no O nO

c n m o r-

CN c n O

CN ON CNOO sD

—

— 9_ • CN

— sD c nCN c n c n

o oCN

O r - r -

r - cnON —« —r - sD tnCN CN

CN CN ONON r - tnT tr i triCN CN

T f O CN(N 0 0 r -r - t r i tn

in tnt r i \o

T sD O

CN o ś0 0 sD

sD ON CN

CN O sDOO r -

O . CN CN — —

T sD Osc nr - cn

00 r -

n — m cz w Z Z• i « i i

a. NO cs C/3 C/D

a. a.. . z z za. a, a. i i i — a ^ s S ^ '■o — (uZ Z Z wc^ t d ł Z

2 o ^ oc Tf o 00 — P O P o

o—. 'w '9 ©

O © ooX o 00 _mP O P O © o - o

ON sD c n c nCN OO o

J s ^ 00c n c n ^ ” ! P c n o 9 9 o o

00 so 5 ^ cn cn ^ ^c j O ^ P o o 9 P

sD O t n OOCN oCN CN oOi O1 O O

o\ o ^ ^ c n c n P J CN O r J. P

o o 9 P

00 r < OS£ O 22 O o c >P o p

2 8 ^ °° ^ £ j CN — T CN O9 9 d o

C/Da. tj Tf Z Z ł I

c n00

CN

O

sOO

ooo

ONr-o

00SD

CN

O

ooasoo

Nirf

0.15

3 0.

081

0.06

8 0.

150

0.07

0 0.

051

0.15

7 0.

066

0.04

7F

e4S4

-0

.610

-0

.883

-0

.870

-0

.577

-0

.894

-0

.932

-0

.549

-0

.895

-0

.946

H 0.

105

0.10

6 0.

061

0.104

0.

103

0.05

9 0.

105

0.10

3 0.

057

t 3 a

PQ ^

2 1 c . J i

" O 3cd . O

■ “ £

X !0 0c u

• a G 9

“ Ł' « Q

t r ^& - gt o 2 <D D 3c cN v«& § C N•ł— * CJ (D 3 3

£ - Qo oo ._ t s a . *

> 9 E J 3 > > u ^ £§ . £ ^ 3 5 q * o

£

Ctf*<D 3

2 £ Nr *^ C/5

s ^ o o o

J So> >ccd

N o- ^«N

O ~ V ' t s i o II

3 ^ M

^ < WO S iN 0>s- 3

<DT 3O

£

3- 5 ^

b = £C/3 D

.2 o ' l £ ? £ |

c o o

W S ? 1

5 § i< ^ N

Cd O N. a

g S nH o * H

< ~ o

1 « ? o

Ttm — Tt 00 O On

83

.3

ON m

-2 1/2 00O

0 CNOOr-TtOs'O msO m ON

Ono

CN cn *”*’T

< “ °

- *0)c3 cT 3 . 5 ca a .

on

T t o o o m— © CN r, oo oo r- Tt• W ,V1 ”o

oo OO hO SO S ----------

so so OO OS n h s o o o t

CN cn — '

— © cn cn cn so oo oo cn

O 00 c n Tt TtON m c n

00NO 0

O NO *—1

00 OO c n ON m

TtON

Or - 0 0

Tt

m — ON CN —>00 0 0 ON 0 00 NO OO O

00 r- cn _ T t ID s o ^ o o o© c n

. NO O m

On CN

OOsOOONONr^t^Ori ri - *— — °° — —

T t r^ r ' i n a v ^ ' s DT t

cn n - — — — —

O ON t f N O s sO oo r- - cn cn

ON cn m

ON — ; T t•— c n NOr - 0 0

v i — i/) ^ 7 -^ X 9 on c/5 Z £a) A , a. a. a, so cnJ onC/5

Z Z £1 Js J*. 1 ’"""" ®Z Z Z W 7 5 7 5 Ł Z

ON NO 00 mcn 0 m 00 0 0 0d d d 0

'O so inm o m . oO O O I oc o o o

S N 1/1 M ^S H — ° °9 9 — O O0 9 0 0 0

Tt 00CN Tt mCN CN CNO O O

O r - —ON — m'—> CN c nO O O

» n 00 Q N - 00 gO O ON 9 o d d 9

ON r - mcn 0 c nO 0 OO 0 O

c n mON CN Tt— CN c nO O1 0

NO 00 ONCN c n NOO O CNd O d

S ^ § o 9 o 9 o

a i s

z z ^ HH 1-HŁ I X

c n m NOTt c n c n r -CN O 0 0 0O O d 0

CN O n ON NOr - T t c n CN

NO O01 O O1 O1

(N o z: ^ o^ ^ ^ ^ ^— o — —0 0 9 0 0

m ON c n ONc n c n —*CN 0 00 0O1 O O1 0 1

ON c n — ON0 0 c n ON CN— m OO © d ©

c nCNr -0

0NO

T t T t00© © ©1 © ©

0 c n c n ONCN m 0 0 NOCN © r - ©©1 © © ©

m CN mr - T t —« c n— • NO ©©1 © ©1 ©1

NO TtOO

ON ©r -

r -r -

© © NO

© © ©1 © ©

Tf

Z Z « * TMU- DC Z

B. Miejsca protonacji klastera A rozważane w obliczeniach

Tabl

ica

B1.

Ener

gia

struk

tur

zopt

ymal

izow

anyc

h, w

ybra

ne

para

met

ry

geom

etry

czne

, gę

stoś

ci

spin

owe

i ład

unki

NB

O dl

a m

odel

u M

l-H

(Are

d2)-

Wyn

iki

oblic

zeń

met

odą

DFT

/BP8

6 w

bazie

fu

nkcy

jnej

TZV

P z

zasto

sow

anie

m

mod

elu

PCM

/s=2

0.

Uw

zglę

dnio

ne

są ró

żne

mie

jsca

prot

onac

ji, a

war

tość

na

jniż

szej

en

ergi

i zo

stała

po

dana

po

grub

ioną

cz

cion

ką

Xz q

CN

vOGOCN CO-e i

ONin

cnCN CO "C i<u

00 O oCN

CNGOCN CO CO

vd

GOICN CO CO)

<DC■o.S J« Q. W ►4 c/a o.

in r-cf cn r-Os qCN CN

o o q VO00o

<nin ONcn ON vdcncn CN

00 in , f qooo cnf cn CNcn CN *-*

^ !V5

ONOf

oo vo

o f o f vO VO

in 00 cno CN r-q in cncn CN — ■

v ' 1 rsi on 1^ 2 oo $ 2

OO Of ON lO VO O VO J . O 00 10 CN VO

"C —•— o>Z Uh

in — mCO GO CO z

Z z za, cs C/3 c/3

o- n-E „ Ai vO vO — 1)Z Z M tfl W M Ł

C: “ m •m- r nr m o —i 9 o o 9 9 0 0

o r- oo O „ cn O 7d d 9

in o

in in ON oNO o CN ©o O

o o oi o

On in —' f~00 O —1cn o —: o o o 9 o

, CNCN r- ©cn © CN oo o oi oi

ona u ■»Z Z £ Ni

p -0

.064

-0.12

0 0.0

30

-0.13

2 -0

.237

Nid

0.058

0.0

50

0.087

0.0

49

0.04

3Fe

4S4

-0.70

5 -1

.105

-1.05

7 -1

.005

-0.8

02H

0.175

0.1

78

0.167

0.1

97

0.01

7

Tabl

ica

B2.

Ener

gia

struk

tur

zopt

ymal

izow

anyc

h, w

ybra

ne

para

met

ry

geom

etry

czne

, gę

stoś

ci

spin

owe

i ład

unki

NB

O dl

a m

odel

u M

3-H

(Are(

i). W

ynik

i ob

licze

ń m

etod

ą D

FT/B

P86

w ba

zie

funk

cyjn

ej

TZVP

z

zasto

sow

anie

m

mod

elu

PCM

/f=2

0.

Uw

zglę

dnio

ne

są ró

żne

mie

jsca

prot

onac

ji, a

war

tość

na

jniż

szej

en

ergi

i zo

stała

po

dana

po

grub

ioną

cz

cion

kąXz <N <N

NOC/3I CM

X no

ooI <N O© ^ in

CdooI

r-00I1

co —T3 .5S3 O ,►J 00

oo r- VO 00 ON NO Cd Cd — '

IT) Tl X X _ ^

- N O ' i n i r i - i j o ' Or ' o o \ o _ i ^ n Ki ^

» n « o\ m a vo o in n 2

: oo <r>2 O ON3 OO O

in —1 O OC Ul u O NO CC— « 00 _ Cdwe we 00 or-

^tCC

■*3 —z £

we — we 00 OO 00

1Z

R JR,Z z z

a. no cn 00 00Ma. a, 2E -= = i VO >0 -Z Z 71 W rW5/3 00 ŁL.

r- we c- or- ef- ON occ O Cd oo O o o

t~~® w ro NO o ° O O o O oI s— I I

CN Os on CNifi o ^ o o o _• d

o o o

</-) — !£> S - oNO

O o o o

Tf00R, "0Z Z £

OXz'2.c3T3r3-J

Nip

0.148

0.120

0.101

0.042

-0.264

Nid

-0.103

0.092

0.107

0.082

0.108

F e4S

4 -0.265

-0.546

-0.570

-0.552

-0.318

H 0.185

0.209

0.172

0.264

0.089

Tabl

ica

B3.

Ener

gia

struk

tur

zopt

ymal

izow

anyc

h, w

ybra

ne

para

met

ry

geom

etry

czne

, gę

stoś

ci

spin

owe

i ład

unki

NB

O dl

a m

odel

u M

3-H

(Are

d2)-

Wyn

iki

oblic

zeń

met

odą

DFT

/BP8

6 w

bazie

fu

nkcy

jnej

TZ

VP

z za

stoso

wan

iem

m

odel

u PC

M/5

=20.

U

wzg

lędn

ione

są

różn

e m

iejsc

a pr

oton

acji,

a w

arto

ść

najn

iższ

ej

ener

gii

zosta

ła

poda

na

pogr

ubio

ną

czci

onką

zI CN

XnoO i/S

NOGO

cs CN“ę i

GO

cs CNiO nCO

CNGOI _ , ON cn (N n

r-GO

cs CN "O Il/oNO

<DCd)S-Het

SZU3 G oo ‘Ł ^ H GO o-

NO

n o o n c nON NC J ON NO Tt ^ CN CN — ' — < NO CNoo r-

on on rt00 ^ vri roO rt 2 §CO CN — I — <

— CNoi oń $ 00 NO Z-,

no on cn0 0 ^ NO ^ ^o i/o co jej ięCO CN

in oo on CN nO in coON

—1<DZ UhUO — U0 20GO C/3 C/3 Z

o- a-SC „ *— ! . NO NOZ Z GO GO GO

a. a, a, no csz z z “ “?

GO<U

U h

^ Os §9 o

CO l/or** noCO Oo O

0 tn£ d no o o q

d o 9 9

t-~ $ ^ o- o x— 9 oo 9 9 o

ro rri >r>Tf £> 2 o m o S oO O O OI I — I

00 CNNO O 1 ^r- o d o

ONd

TfGO

a , "is Tt

Z Z Uh E

O03Z2c=3"Ocd

Nip

0.117

0.074

0.006

-0.079

-0.228

Nid

0.088

0.081

0.083

0.063

0.060

Fe4S4

-0.675

-1.028

-0.813

-0.820

-0.676

H 0.188

0.195

0.168

0.220

0.035

C. AZPE i kąt dwuścienny

Tablica C l. Wartości AZPE dla małych modeli

MODEL STRUKTURA A ZPE (kcal/mol)A0X-S2H a,b 6.1

Aredi _NiH c,d 4.9Afe^2“NlH e,f 5.7A0X-H2 0 g ’h 7.2

Rysunek C l. Struktury małych modeli do obliczenia wartości AZPE

Rysunek C2. Kąt dwuścienny

Dorobek naukowy

Publikacje1. A. Chmielowska, M. Jaworska, P. Lodowski, „Catalytic mechanism of Acetyl CoA

synthase. The insight from DFT calculations” praca w przygotowaniu

2. A. Chmielowska, M. Jaworska, P. Lodowski, „Redox potentials and protonation of the A-cluster from acetyl-CoA synthase. A density functional theory study” J. Phys. Chem. A 117(2013) 12484-12496

3. P. Sitek, M. Jaworska, P. Lodowski, A. Chmielowska, „Methyl transfer reaction between Mel and Ni(PPh2CH2CH2 SEt)2 complex. A DFT study” Inorganic Chemistry Communications 29 (2013) 65-69

4. A. Chmielowska, P. Zerzucha, T. Pluta, „Dipole moment and polarizability of furan and chlorofuran” Annals of the Polish Chemical Society 2 (2003) 904

Prezentacje ustne1. A. Chmielowska, M. Jaworska, P. Lodowski

Geometria i struktura elektronowa klastera A w syntazie acetylo-CoA,53 Z j a z d PTCh i SITPChem, Gliwice 2010

2. A. Chmielowska, M. Jaworska, P. LodowskiGeometria i struktura elektronowa klastera A syntazy acetylo-CoA 5 2 Z j a z d P T C h i S IT P C h e m , Łódź 2 0 0 9

Postery1. A. Chmielowska, M. Jaworska, P. Lodowski

Wpływ modelu strukturalnego i otoczenia białkowego na wartość potencjałów redoks klastera A w syntazie acetylokoenzymu A 5 7 Z j a z d P T C h e m i S IT P C h e m , C zęsto ch o w a 2 0 1 4

2. A. Chmielowska, M. Jaworska, P. LodowskiWpływ otoczenia białkowego na wartość potencjałów redoks klastera A w syntazie acetylo-CoA5 6 Z j a z d P T C h e m i S IT P C h e m , S ied lce 20 1 3

3. A. Chmielowska, M. Jaworska, P. LodowskiAlkilacja kobinamidu z udziałem halogenków alkilowych: Mechanizm rodnikowyczy Sn 2?5 5 Z j a z d P T C h e m i S IT P C h e m , B ia ły sto k 20 1 2

4 . P. S itek , A . C h m ielow sk a , M . Jaw orskaDFT calculations of geometries and redox potentials for cobalt and nickel complexes11 -TH C e n t r a l E u r o p e a n S y m p o s i u m o n T h e o r e t i c a l C h e m i s t r y , M a- riapfarr, A ustria, 2 0 1 2

5. A . C h m ielow sk a , M . Jaworska, P. L od ow sk iCobinamide alkylation by alkyl halides: radical or S^2 mechanism? A DFT study 11 -TH C e n t r a l E u r o p e a n S y m p o s i u m o n T h e o r e t i c a l C h e m i s t r y , M a- r iapfarr , A us t r i a 20 12

6 . A . C h m ielow sk a , M . JaworskaDFT study ofMFe\S\ clusters (M=Ni, Co)1 0 - t h C e n t r a l E u r o p e a n S y m p o s i u m o n T h e o r e t i c a l C h e m i s t r y , T o ruń 2011

7 . A . C h m ielow sk a , M . Jaworska, P. L od ow sk iMechanism of methyl transfer reaction between methylcobalamin and A-cluster in acetyl-CoA synthase (ACS). DFT calculations3 - r d Q u a n t u m B i o I n o r g a n i c C h e m i s t r y , Ć e s k y Kru mlo v , C z e c h y 2011

8. A . C h m ielow sk a , M . Jaworska, P. L od ow sk iMechanizm reakcji przeniesiena metylu pomiędzy metylokobaltokoryną i klasterem A w syntazie acetylo-koenzymu A (ACS). Obliczenia DFT H I T Y 2 0 1 1 - Z a s t o s o w a n i e t e o r i i w b a d a n i a c h m o l e k u l a r n y c h , K ra k ó w 2 0 1 0

9. A . C h m ielow sk a , M . Jaworska, P. L od ow sk iGeometria i struktura elektronowa klastera A w syntazie acetylo-CoA 5 3 Z j a z d P T C h e m i S IT P C h e m , G liw ice , 2 0 1 0

10. A . C h m ielow sk a , M . Jaworska, P. L od ow sk iStructure and electronic properties of A-cluster in Acetyl-CoA synthase: insight from DFT9 - t h C e n t r a l E u r o p e a n S y m p o s i u m o n T h e o r e t i c a l C h e m i s t r y , N ovy S m o k o v ec , S łow acja 2 0 1 0

11. A . C h m ie low sk a , M . Jaworska, P. L od ow sk iGeometry and electronic structure of A-cluster in Acetyl-CoA synthase M o d e l i n g & D e s i g n o f M o l e c u l a r M a t e r i a l s , W r o c ł a w 2 0 1 0

12. A . C h m ie low sk a , P. Z erzucha, T. PlutaTeoretyczne wyznaczanie molekularnych własności elektrycznych i energii przejśćelektronowych cząsteczki pirydynyX L I X Z j a z d P T C h e m i S IT P C h e m , G dańsk 2 0 0 6

13. A . C h m ielow sk a , P. Zerzucha, T. PlutaTeoretyczne wyznaczanie molekularnych własności elektrycznych dwuazotowych pochodnych furanu i tiofenuX L V II Z j a z d P T C h e m i S IT P C h e m , W rocław 2 0 0 4

14. A . C h m ielow sk a , P. Zerzucha, T. PlutaTeoretyczne wyznaczanie molekularnych własności elektrycznych furanu i jego chloro pochodnychX L V I Z j a z d P T C h e m i S IT P C h e m , L ublin 2003

obliczenia właściwości strukturalnych i elektronowych oraz ... · sowane zostały metody chemii...

Documents

Transcript of obliczenia właściwości strukturalnych i elektronowych oraz ... · sowane zostały metody chemii...