Энзимология и Молекулярная Механика.

Ферменты Фермент направляет реакцию по более «бстрому» пути, одинаково ускоряя прямую и обратную реакции. AB

Принципы ферментативного катализа : Специфические вз-ия Ковалентные взаимодействия Электростатические взаимодействия Образование водородных связей Координация с металлами -катионные взаимодействия …

Принципы ферментативного катализа Сближение и ориентация Y X Раствор

Принципы ферментативного катализа Сближение и ориентация

Принципы ферментативного катализа Индуцированное соответствие

Количественная мера сродства субстрата к ферменту Константа связывания Константа диссоциации Энергетический эквивалент констант связывание

Молекулярная механика Атомы в молекулах представляются материальными точками (сферами) определенной массой и зарядом (радиусом) Энергия системы равна сумме энергий всех парных взаимодействий атомов Сила, действующая на атом, = - градиент энергии взаимодействия данного атома со всеми остальными Движение каждого атом описывается ньютоновским уравнением

Молекулярная механика Структурная формула соединения Выражение потенциальной энергии Координаты атомов в молекуле СС H H H H H H

Молекулярно механические потенциалы Ковалентно связанные атомы – Валентные связи r 0 ij

Молекулярно механические потенциалы Ковалентно связанные атомы – Валентные углы ijk

Молекулярно механические потенциалы Ковалентно связанные атомы – Торсионные (двугранные) углы

Молекулярно механические потенциалы Ковалентно несвязанные атомы (атомы разных молекул, или удаленные атомы одной молекулы) – Кулоновское взаимодействие R ij qjqj qiqi

Молекулярно механические потенциалы Ковалентно несвязанные атомы (атомы разных молекул, или удаленные атомы одной молекулы) – Ван дер ваальсово взаимодействие R ij

Молекулярная механика Межмолекулярное взаимодействие: универсальные потенциалы – Электростатическое взаимодействие – Ван дер Ваальсово Внутренние степени свободы: малые отклонения от равновесной геометрии – Валентные связи – Валентные углы – Торсионные степени свободы

Характерные молекулярные системы в науках о живом пенициллин пенициллинацилаза 30 атомов10000 атомов

Какие взаимодействия возникают / исчезают ? Фермент-субстрат (+) связывание найди 10 отличий! Фермент-вода (-) Субстрат-вода (-)

Оценка константы связывания фермента с субстратом Взаимодействие фермент-субстрат G bind = G bind vacuum + G solvation(ES) - G solvation(E+S) Сольватация комплекса Сольватация компонентов

Фермент-субстратное взаимодействие Кулоновское (электростатическое) Ван дер Ваальсово Специфические вз-ия – водородные связи –... G bind = G bind vacuum + G solvation(ES) - G solvation(E+S) Меж- молекулярное Внутри- молекулярное Внутренняя энергия Потеря степеней свободы

Фермент-субстратное взаимодействие: меж-молекулярное Кулоновское (электростатическое) Ван дер Ваальсово Специфические вз-ия – водородные связи –... G bind vacuum R ij qBqB qAqA АВ r A-B

Электростатическое взаимодействие «Экранированный» кулоновский потенциал учитывает зависимость диэлектрической проницаемости от расстояния На коротких расстояниях микрогетерогенность среды оказывает сильное влияние на электростатические взаимодействия 1.Вода 2.Степень погруженности

Фермент-субстратное взаимодействие: меж-молекулярное Кулоновское (электростатическое) Ван дер Ваальсово Специфические вз-ия – водородные связи –... G bind vacuum R ij АВ r A-B

Ван дер Ваальсово взаимодействие Параметры ван дер Ваальсова взаимодействия достаточно определить для каждого типа атомов, а не для каждой из всех возможных пар атомов

Фермент-субстратное взаимодействие: меж-молекулярное Кулоновское (электростатическое) Ван дер Ваальсово Специфические вз-ия – водородные связи –... G bind vacuum резкая зависимость потенциала от расстояния r и угла r

Фермент-субстратное взаимодействие: изменение внутренней энергии G bind vacuum Внутренняя энергия напряжение валентных и торсионных углов изменения в нековалентных вз-иях Потеря степеней свободы искажение планарности протопорфирина в активном центре феррохелатазы

Фермент-субстратное взаимодействие: изменение внутренней энергии Напряжение валентных и «фиксированных» двугранных углов E, kJ/mol, 0 равновесное значение угла отклонение от равновесного угла «фиксированные» двугранные углы

Фермент-субстратное взаимодействие: изменение внутренней энергии Напряжение «подвижных» двугранных (торсионных) углов Энергия, ккал/моль угол поворота

Энтропийные потери при связывании N – число поступательно- вращательных степеней свободы субстрата G bind vacuum Внутренняя энергия Потеря степеней свободы Поступательных Вращательных: молекулы как целого внутренние вращений

Энтропийные потери при связывании: теоретические подходы к их оценке раствор комплекс с ферментом W = статистичекий вес (~число способов реализации данного состояния) раствор комплекс с ферментом

Энтропийные потери при связывании: теоретические подходы к их оценке Кинетическая энергия молекулы Потенциал трансляций и вращений молекулы как целого При потере одной степени свободы

Энтропийные потери при связывании: теоретические подходы к их оценке Субстрат может связываться с ферментом несколькими способами Субстрат обладает некоторой подвижностью в комплексе с ферментом Эти факторы вносят вклад в энтропийную составляющую при связывании Можно оценить эти вклады, перебрав все возможные способы связывания субстрата с ферментом и оценив подвижность субстрата в каждом из комплексов Локально «лучшие» способы связывания Различные способы связывания «Малоподвижные» способы связывания Энергетический профиль образования различных фермент- субстратных комплексов

Фермент-субстратное взаимодействие: сольватация G bind = G bind vacuum + G solvation(ES) - G solvation(E+S) связывание G solvation(E+S) = G solvation(E) + G solvation(S) G solvation(ES) - G solvation(E) - G solvation(BindingSite) G bind G bind vacuum - G solvation(BindingSite) - G solvation(S) сайт связывания (Binding Site)

Фермент-субстратное взаимодействие: сольватация Почему сольватационные эффекты рассчитать сложнее, чем взаимодействие фермент-субстрат? Подходы к расчету сольватации: инкременты сольватации аминокислотных остатков атомные инкременты сольватации «полуэмпирические» расчеты

Фермент-субстратное взаимодействие: сольватация Инкременты сольватации аминокислотных остатков а.к. G solv, kcal/mol * заряд G solvation(BindingSite) = = G solv,i *СтепеньДоступности i Остатки Сайта Связывания * Wimley W.C. et al, 1996, Biochemistry, 35,

Фермент-субстратное взаимодействие: сольватация Aтомные инкременты сольватации G solv, kcal/mol ** тип атома* * cиловое поле CHARMM 19 ** Lazaridis K. and Karplus M. 1999, Proteins: Structure, Function and Genetics, 35, G solvation(BindingSite) = = G solv,I *Доступная Площадь i (Å 2 ) Атомы Сайта Связывания

Фермент-субстратное взаимодействие: сольватация Полуэмпирические модели G solvation(BindingSite) = G electrostatic + G non-polar вода, 1 фермент, 2 q1q1 q2q2 q3q3 q1q1 q2q2 q3q3 G electrostatic =1/2 q i *( 1 - ) электростатическая работа по переносу системы зарядов из одной среды в другую P.L. Privalov

«Объемная» модель сольватации Модель удобна тем, что в расчетах фигурирует только межатомное расстояние, которое в отличие от площади молекулы можно быстро, а главное, надежно рассчитать Атомы субстрата Атомы белка Сольватационный параметр Объем атома Межатомное расстояние Степень перекрывания атома

Характерные вклады отдельных взаимодействий в энергию связывания Межатомный контакт 0.2 ккал/моль Солевой мостик1 ккал/моль Водородная связь0.2 ккал/моль Сольватация атома0.2 ккал/моль

Примеры расчетов* Фермент: нейраминидаза эксперимент: * Kevin Musakawa, method: Molecular Mecahnics/Poisson-Boltzmann Surface Area (MM/PBSA)