Analiza otoczenia katalitycznego optymalnego dla reakcji osforylacji katalizowanej przez kinazę tiazolową

Abstract

Kinazy to enzymy katalizujące jedną z najpowszechniejszych w układach biologicznych reakcję fosforylacji, polegającą na przeniesieniu grupy fosforanowej z cząsteczki donora (zwykle adenozynotrifosforanu, ATP) na akceptor. Celem niniejszej pracy jest teoretyczna analiza mechanizmu reakcji fosforylacji katalizowanej przez kinazę tiazolową – reprezentanta kinaz węglowodanowych. Modele centrum aktywnego enzymu i reagentów stworzono metodami modelowania molekularnego. Analiza potencjałów elektrostatycznych i pola elektrycznego generowanego przez stan przejściowy i substraty reakcji dała w rezultacie różnicowe mapy własności elektrostatycznych – statyczne i dynamiczne pola katalityczne, interpretowane jako otoczenie molekularne optymalne dla reakcji. Porównanie pól katalitycznych z rzeczywistym układem obdarzonych ładunkiem reszt aminokwasowych centrum aktywnego pozwoliło zweryfikować wpływ wspomnianych reszt na efektywność katalizy. Zastosowana metoda różnicowej stabilizacji stanu przejściowego stanowi obiecujący sposób projektowania katalizatorów wyłącznie na podstawie znajomości struktury substratów i stanu przejściowego zadanej reakcji chemicznej.
Autorzy: Edyta DYGUDA , Borys SZEFCZYK , W. Andrzej SOKALSKI

1. WSTĘP

Z uwagi na ogromne znaczenie katalizatorów, zarówno biologicznych dla funkcjonowania żywych organizmów, jak i chemicznych w przemyśle, idea teoretycznego projektowania związków specyficznie katalizujących daną reakcję cieszy się dużym zainteresowaniem. Optymalną sytuację stanowiłaby możliwość konstruowania otoczenia molekularnego, najbardziej sprzyjającego danej reakcji, wyłącznie na podstawie jej mechanizmu. Takie podejście do zagadnienia projektowania katalizatorów jest podstawą techniki statycznych i dynamicznych pól katalitycznych [5, 6]. Niniejsza praca prezentuje przykład zastosowania pól katalitycznych, stworzonych w ramach metody różnicowej stabilizacji stanu przejściowego [5], do określenia optymalnego otoczenia molekularnego procesu przeniesienia grupy fosforanowej. Badana reakcja katalizowana jest przez kinazę tiazolową [1].

Kinazy katalizują reakcje przeniesienia grupy fosforanowej (zazwyczaj z ATP) na szereg cząsteczek o różnorodnym charakterze chemicznym: alkoholi, cukrów, białek, a nawet lipidów [2]. Mimo licznych prac teoretycznych i eksperymentalnych, mechanizmy ich funkcjonowania nadal są przedmiotem dyskusji. Jednocześnie większość teoretycznych badań dotyczy kinaz białkowych, podczas gdy inne kinazy, w tym kinazy węglowodanowe z rodziny rybokinazy, analizowane były jak dotąd głównie na drodze eksperymentalnej. Z wymienionych powodów kinaza 4-metylo-5-beta-hydroksyetylotiazolu (kinaza tiazolowa, ThiK) – reprezentująca wspomnianą rodzinę kinaz cukrowych – wybrana została jako obiekt niniejszej pracy.



Oprócz struktur kompleksów ThiK z substratami, znane są wyniki ukierunkowanej mutagenezy [1]: mutacja reszty cysteiny sąsiadującej z fosforylowaną grupą hydroksylową do asparaginianu 9-krotnie zwiększa aktywność katalityczną enzymu. Zarówno kinazy białkowe, jak i pozostałe kinazy węglowodanowe, mają w analogicznej pozycji resztę asparaginianu, któremu przypisuje się rolę zasady katalitycznej zwiększającej nukleofilowość atomu tlenu grupy hydroksylowej. Kwestia optymalnej dla efektów katalitycznych liczby jonów magnezu i samego mechanizmu reakcji również nie została rozstrzygnięta. Stąd celem niniejszego projektu jest określenie optymalnego dla reakcji fosforylacji otoczenia katalitycznego i porównanie jego charakterystyki z geometrią centrum aktywnego, co w przyszłości umożliwiłoby analizę mechanizmu katalizy badanego procesu, a w szególności roli wybranych reszt aminokwasowych.