Камфора в свете QM/MM

(«ХиЖ», 2013, №11)

По просьбе редакции автор предыдущей статьи привел пример задачи, решенной с помощью методов, за которые дали Нобелевскую премию. Работа выполнена немецкими учеными и опубликована в 2004 году в журнале Journal of American Chemical Society (т.126, с. 4017).


s20131111 camphora1.jpg


Камфора C10H16O — природное вещество, кетон терпенового ряда, входящий в состав многих эфирных масел и широко применяемое в медицине. Хотя камфора и природного происхождения, но для многих организмов, в том числе человеческого, она чужеродное соединение (ксенобиотик). Любые ксенобиотики организм постепенно разлагает и выводит, даже если они дают лекарственный эффект.

Важнейший инструмент разрушения чужеродных веществ — это семейство ферментов под общим названием «цитохром P450». Они относятся к классу гемопротеинов, то есть белков, содержащих гем, а точнее, хорошо известный комплекс порфирина с двухвалентным железом, отвечающий за перенос кислорода в крови, активный центр гемоглобина (самого знаменитого гемопротеина). Есть и другие важные представители этого класса белков. Например, цитохром P450 — универсальный инструмент разрушения ксенобиотиков: он обнаружен почти во всех живых организмах и способен окислять разные органические вещества, вставляя атом кислорода между атомами углерода и водорода: C-H + O = C-OH. Эти ферменты P450 так и называют — универсальная монооксигеназа (добавляющая один атом кислорода).

Как известно, за очищение организма человека отвечает печень, в клетках которой как раз и функционирует монооксигеназная система.


Задача


Почти как в сказке: в белке «карман», в кармане — порфирин, в порфирине — железо, на железе — атом кислорода. Эта связь железо-кислород и есть «игла» — смерть ксенобиотика. В карман попадает вода и камфора, одну из связей которой и окисляет тот самый расположенный на железе кислород. Вопрос состоит в том, как это происходит: в одну или две стадии. Или кислород сразу встраивается между углеродом и водородом через треугольное переходное состояние (C-H-O), или имеет место двухступенчатый механизм, известный как повторное связывание. Сначала камфора отдает атом водорода кислороду, а образовавшийся радикал отсоединяется от активного центра. А затем присоединяется к центру с другой стороны, забирая и водород, и кислород, то есть гидроксильную группу -OH. Экспериментальные наблюдения не дают полной картины, а в чем-то и противоречат друг другу. Поэтому понять, как именно происходит окисление, можно было только с помощью компьютерного моделирования.


Решение


Наша задача — типичный случай для QM/MM. Размер системы «вода, белок и субстрат (камфора)» огромен, около 24 расчетов, а не классических силовых полей. Конечно, можно использовать и силовое поле, но результаты не добавят ясности, а только напустят еще больше тумана.

Ответ на вызов — «разделяй и властвуй», то есть QM/MM. Активный центр и субстрат — а это несколько десятков атомов — описываются с помощью квантового потенциала. Все остальное — белковый «карман» и растворитель — с помощью классических силовых полей. Таким образом, достигается баланс между точностью и полнотой описания.

Все выглядит довольно просто. Однако на деле практика QM/MM расчетов сопряжена с огромным количеством проб и ошибок, а также калибровок теоретических методов — только тогда результатам расчетов можно будет доверять хотя бы на качественном уровне.


Ответ


Ответ однозначен: реакция проходит в две стадии, то есть механизм окисления камфоры включает повторное связывание. Не вдаваясь в тонкости, скажем, что исследователям удалось объяснить все экспериментальные наблюдения, которые, как казалось до моделирования, противоречили друг другу. Причем задача определения механизма монооксигенирования камфоры важнее, чем кажется на первый взгляд: не будем забывать, что P450 — это универсальный фермент, который окисляет множество ксенобиотиков и присутствует в огромном количестве самых различных живых организмов.


В разных масштабах

Победа прагматизма

Разные разности

02.09.2019 17:00:00

...японский космический аппарат «Хаябуса-2» взял образец материала из глубины астероида Рюгу и должен вернуться на Землю в декабре 2020 года...

...разработаны умные очки, компенсирующие возрастную потерю способности глаза к аккомодации...

...у членов парламента Великобритании больше проблем с психическим здоровьем, чем в среднем по популяции...


>>
27.08.2019 16:00:00

В мире сложилась странная ситуация, когда одни стремятся всеми силами уменьшить выбросы углекислого газа, а другие планируют эти выбросы увеличивать – строят всё новые электростанции и котельные для получения энергии из ископаемого топлива

>>
21.08.2019 18:00:00

Может ли финансовый кризис изменять течение вод в реках? Да, согласно исследованию, которое провели швейцарские специалисты из университетов Лозанны, Берна, Женевы и Цюриха

>>
05.08.2019 10:00:00

...как следует из данных, полученных межпланетным аппаратом «Кассини», кольца Сатурна намного моложе самой планеты...

…опубликованы результаты второго этапа проекта «Микробиом человека»...

...ферменты бактерий, обитающих в человеческом кишечнике, могут превратить эритроциты групп крови А в эритроциты «универсальной» крови группы 0...

>>
30.07.2019 17:30:00

Климатологи из Саскачеванского университета проанализировали данные о почти девяти тысячах дождей, собранные с 1964 по 2013 год. Вывод оказался таким: чем сильнее развивается глобальное потепление, тем чаще случаются именно катастрофические ливни.

>>