Analiza otoczenia katalitycznego optymalnego dla reakcji osforylacji katalizowanej przez kinazę tiazolową cd.

2. METODY OBLICZENIOWE

Projekt został w całości wykonany teoretycznymi metodami modelowania molekularnego (mechanika molekularna i kwantowa) z wykorzystaniem zarówno standardowych pakietów (InsightII, Gaussian03), jak i oprogramowania opracowanego w Zakładzie Modelowania Molekularnego Instytutu Chemii Fizycznej i Teoretycznej.

Analizy otoczenia katalitycznego dokonano w ramach metody różnicowej stabilizacji stanu przejściowego [5]. Zgodnie z jej założeniami, aktywność katalityczna (inhibicyjna) danego katalizatora, rozumiana jako stosunek szybkości reakcji katalizowanej, kC w porównaniu do procesu nie podlegającego katalizie (zachodzącego w fazie gazowej - kG), wynika z różnicy standardowych entalpii swobodnych aktywacji charakteryzujących oba porównywane przypadki Ze względu na zaniedbywalny zazwyczaj udział efektów entropowych i wkładów oscylacyjnych, entalpię swobodną aktywacji można przybliżyć poprzez barierę energetyczną reakcji, co jest z kolei równoważne różnicy energii oddziaływania otoczenia, C (np. enzymu) ze stanem przejściowym (TC) i kompleksem substratów reakcji (SC):


Tak wyrażona aktywność katalityczna opisuje stopień, w jakim stan przejściowy procesu stabilizowany jest przez środowisko w porównaniu do substratów i analogicznej reakcji w fazie gazowej. Zatem preferencyjna stabilizacja stanu przejściowego w odniesieniu do substratów, charakteryzowana przez ujemną wartość delta, odpowiada obniżeniu bariery aktywacji i w rezultacie prowadzi do efektu katalitycznego. Zakładając następnie dominującą rolę oddziaływań elektrostatycznych [7] oraz wprowadzając opis otoczenia molekularnego jako zbioru ładunków punktowych, qc, aktywność katalityczną delta można przybliżyć poprzez różnicę energii oddziaływania wspomnianych ładunków oraz potencjałów elektrostatycznych generowanych przez stan przejściowy i substraty reakcji:


Ponieważ różnica VTC-VSC wyraża wpływ jednostkowego dodatniego ładunku na obniżenie bariery energetycznej reakcji, porównanie potencjałów elektrostatycznych wytwarzanych przez stan przejściowy i substraty pozwala wyrazić potencjalny wpływ środowiska w postaci różnicowych map – statycznych pól katalitycznych [5]:


Analogicznie, porównanie pól elektrycznych wokół stanu przejściowego i substratów, interpretowane jako wpływ sprzężonego ze współrzędną reakcji ruchu jednostkowego dodatniego ładunku na wysokość bariery aktywacji, prowadzi do wektorowych, dynamicznych pól katalitycznych [6]:


Podsumowując, różnicowe mapy potencjałów elektrostatycznych i pól elektrycznych wokół nałożonych struktur stanu przejściowego i substratów pozwalają określić optymalne dla katalizy rozmieszczenie ładunków prowadzące do maksymalnego obniżenia bariery aktywacji.

W niniejszej pracy modele centrum aktywnego uzyskane w wyniku optymalizacji struktur krystalograficznych [1] metodami mechaniki molekularnej zostały wykorzystane jako punkt wyjścia do kwantowochemicznej optymalizacji geometrii substratów (HF/STO-3G) oraz wyznaczenia własności elektrostatycznych reagentów. Rozmiar badanych układów został ograniczony do cząsteczki metylotrifosforanu i etanolu, reprezentujących odpowiednio ATP i fosforylowany substrat. Ponadto wykorzystano przybliżony stan przejściowy analogicznej reakcji, katalizowanej przez kinazę białkową A, PKA [4].

Po przestrzennym nałożeniu struktur stanu przejściowego i substratów, porównano potencjał elektrostatyczny i pole elektryczne na wspólnej dla obu geometrii powierzchni van der Waalsa. W prezentowanych poniżej dwuwymiarowych reprezentacjach pól katalitycznych dla płaszczyzn przechodzących przez zrywane/tworzone wiązania, znak różnicowych wartości (oraz zwrot wektorów) został odwrócony dla wyrażenia komplementarnej charakterystyki środowiska. Rozmiar znaków „plus” i „minus” oraz strzałek jest proporcjonalny do różnicowych wartości potencjału elektrostatycznego i pól elektrycznych.