Superkomputer czy domowy PC? Do czego chemik potrzebuje komputera

Abstract

Rosnące zainteresowanie mechanizmami reakcji enzymatycznych oraz naturą efektów katalitycznych stwarzają zapotrzebowanie na odpowiednie narzędzia wizualizacyjne. W pierwszej części niniejszej pracy prezentowana jest interaktywna metoda pozwalająca na badanie efektów katalitycznych z wykorzystaniem domowego komputera klasy PC, stworzona w oparciu o metodę Różnicowej Stabilizacji Stanu Przejściowego DTSS [7,8]. Metoda przetestowana została na przykładzie deaminazy cytydylowej (CDA, E.C. 3.5.4.5) [4] i zaimplementowana z wykorzystaniem interfejsu skryptowego VMD [1]. Do opisu własności elektrostatycznych substratu i stanu przejściowego wykorzystane zostały Skumulowane Atomowe Momenty Multipolowe CAMM [2,6,9]. Druga część pracy poświęcona została szczegółowym badaniom mechanizmu i energetyki reakcji przeprowadzanej przez CDA [10]. Niezbędne obliczenia wykonane zostały przy użyciu unikalnej metody hybrydowej ONIOM [5]. Prezentowana procedura w łatwy sposób może być przeniesiona na dowolny problem w układzie enzymatycznym, stając się tym samym skutecznym narzędziem badań.
Autor: Paweł WIELGUS

1.1 WIZUALIZACJA RóŻNICOWEJ STABILIZACJI STANU PRZEJŚCIOWEGO

1.1.1 RóŻNICOWA STABILIZACJA STANU PRZEJŚCIOWEGO DTSS

W klasycznym, dobrze ugruntowanym podejściu do katalizy enzymatycznej, rolę enzymu utożsamia się z obniżeniem energii aktywacji reakcji, które wynika z dopasowania własności centrum aktywnego do stanu przejściowego. W metodzie DTSS (ang. Differential Transition State Stabilization, [7,8]) za główny wkład w obniżenie bariery aktywacji uznaje się wielkość deltaDTSS, która może być obliczona jako różnica energii swobodnych oddziaływania enzymu ze stanem przejściowym deltaGE,TS i substratem deltaGE,S (rys.1). Zakładając, że wkład oscylacyjny do entalpii układu ulega skasowaniu w energii oddziaływania, a wartość wkładu entropowego jest mała, jako użyteczne przybliżenie deltaDTSS przyjmuje się różnicę energii elektronowych . Za delta E, na podstawie dyskusji przeprowadzonej w [3], można przyjąć wkład pochodzący od oddziaływań elektrostatycznych. Rozkład potencjałów elektrostatycznych ligandów jest stabilizowany przez komplementarny rozkład ładunków w centrum aktywnym enzymu. Wykorzystując przybliżenie elektrostatyczne możliwe jest w ten sposób przewidzenie własności centrum aktywnego enzymu, co odbywa się na podstawie różnicowego rozkładu potencjałów elektrostatycznych komplementarnych do potencjałów substratu i stanu przejściowego. W prezentowanym podejściu różnica pomiędzy gradientami potencjałów elektrostatycznych może zostać wykorzystana do określenia sił stabilizujących stan przejściowy.

1.1.2 SKUMULOWANE ATOMOWE MOMENTY MULTIPOLOWE CAMM

Do dokładnego opisu własności elektrostatycznych ligandów i centrum aktywnego enzymu zostały wykorzystane w niniejszej pracy skumulowane atomowe momenty multipolowe CAMM (ang. Cumulative Atomic Multipole Moments, [2,6,9]). Stosując tradycyjne rozwinięcie multipolowe do opisu rzeczywistych własności elektrostatycznych molekuły napotykane są zasadniczo dwa skrajne modele: nieskończenie wiele członów rozwinięcia multipolowego dla jednego centrum lub wyłącznie monopole (ładunki) dla nieskończonej liczby centrów. W praktyce oba modele są niemożliwe do realizacji. Metoda CAMM opiera się na podejściu pośrednim, w którym zakłada się, że do dobrego opisu rozkładu ładunku wystarczy kilka multipoli umieszczonych na jądrach atomowych. Metoda umożliwia uzupełnienie izotropowych ładunków atomowych, uzyskanych w dowolnej analizie populacyjnej, momentami kartezjańskimi wyższego rzędu (atomowymi dipolami, kwadrupolami, oktupolami itp.) reprezentującymi anizotropię atomowego rozkładu ładunku. Rozkład CAMM został wykorzystany do uzyskania statycznych (potencjały elektrostatyczne VCAMM) oraz dynamicznych własności układu (pole elektrostatyczne jako analityczny gradient VCAMM).

1.1.3 WIZUALIZACJA

Prezentowana metoda została wykorzystana do opisu własności katalitycznych w centrum aktywnym deaminazy cytydylowej [4]. Enzym ten przeprowadza reakcję deaminacji cytozyny do uracylu. Obliczone potencjały elektrostatyczne oznaczone zostały kolorami zgodnie z dołączoną skalą, wektory pola są natomiast reprezentowane różnymi długościami stożków, co umożliwia jednoczesną prezentację własności dynamicznych i statycznych układu. Rys. 1 prezentuje potencjały i pola w otoczeniu kolejno kompleksu substratów i stanu przejściowego. W obu przypadkach należy zwrócić uwagę na stosunkowo małą wartość wektorów pola elektrostatycznego przy jednocześnie wyraźnym dodatnim potencjale, wynikającym z protonacji atomu azotu pierścienia cytozyny. Wizualizacja wartości różnicowych dla kompleksu substratów i stanu przejściowego (rys.2) pokazuje, że idealny dla przebiegu reakcji katalizator powinien posiadać dodatni ładunek zlokalizowany na wysokości atomu węgla w pierścieniu cytozyny, do którego następuje przyłączenie cząsteczki wody. Powyższe założenie zostało potwierdzone w wyniku wizualizacji statycznych i dynamicznych własności centrum aktywnego enzymu (rys.2), która pokazuje obecność silnie dodatniego potencjału w oczekiwanym miejscu, generowanego przez skoordynowany kation cynku.

Zaprezentowana metoda odznacza się unikalną interaktywnością, umożliwiającą śledzenie zmian zachodzących w centrum enzymu podczas przemieszczania ligandów. Może być zastosowana do weryfikacji hipotetycznych mechanizmów reakcji katalitycznych, w tym przewidywania optymalnych własności katalizatora. Dodatkową zaletą metody jest jej niski koszt obliczeniowy i możliwość wykorzystania na domowym komputerze klasy PC.