The interaction of the superoxide radical ion O2– with the active center of Cu,Zn-superoxide dismutase was studied by computer simulation using the ORCA software package version 5.0.2. at the level of density functional theory using the PBE functional. The main characteristics for two processes of electron transfer in the catalytic cycle of deactivation of the radical ion are obtained. The variable factor in the modeling was the presence of the Zn2+ ion in the active site of the enzyme. It has been established that the presence of the Zn2+ ion contributes to a large extent only to the second electron transfer from the Cu+ ion to the protonated form of the radical ion, to the hydroperoxide radical HO2
Cu,Zn-superoxide dismutase, superoxide radical ion, enzyme, reactive oxygen species, antioxidants, condensed state physical chemistry, computer simulation
В данной работе рассматриваются основные аспекты и специфика взаимодействия супероксидного ион-радикала и активного центра Cu,Zn-SOD. Детали каталитического механизма до сих пор остаются дискуссионными. Целью данного исследования является изучение процессов переноса электрона на двух стадиях каталитического процесса дезактивации O2– ферментом СОД1 и выявление при этом роли иона Zn2+ путем сравнения характеристик переноса с «нормальным» и «Zn-дефицитным» активными центрами.
Параметры компьютерного моделирования: пакет ORCA 5.0.2.; метод DFT/PBE, базис def2-TZVPD, неявная модель воды CPCM. По Маркусу константа скорости переноса электрона:
где h – постоянная Планка; HAD – матричный элемент перекрывания МО донора и акцептора; λ – энергия реорганизации; ΔG≠ – энергия активации; Т – температура; kБ – постоянная Больцмана.
В таблице 1 представлены расчетные параметры первичного переноса электрона от иона О2– на ион Cu2+ на расстоянии 6 Å.
Таблица 1
Характеристики первичного переноса электрона при R = 6 Å
|
Характеристика |
СОД1 |
Zn-дефицитная СОД1 |
|
λtot, эВ |
1,754 |
1,686 |
|
ΔG≠, эВ |
0,208 |
0,174 |
|
HDA, эВ |
1,68∙10-2 |
2,51∙10-3 |
|
ket, c-1 |
1,11∙109 |
9,37∙107 |
В таблице 2 представлены расчетные параметры вторичного переноса электрона от иона Cu+ на радикал HO2 на расстоянии 6 Å.
Таблица 2
Характеристики вторичного переноса электрона при R = 6 Å
|
Характеристика |
СОД1 |
Zn-дефицитная СОД1 |
|
λtot, эВ |
1,603 |
1,672 |
|
ΔG≠, эВ |
0,208 |
0,368 |
|
HDA, эВ |
1,91∙10-1 |
3,70∙10-2 |
|
ket, c-1 |
1,49∙1011 |
1,08∙107 |
Показано, что для первого акта переноса электрона присутствие иона Zn2+ незначительно. Для второго переноса электрона от Cu+ на предварительно протонированный HO2 ион цинк играет важную роль. Он стабилизует структуру связи лигандов в активном центре, понижает потенциал реакции ΔG0 и энергию активации ΔG≠, направляет один имидазольный лиганд к иону Cu+, способствуя делокализации электронной плотности и усиливая перекрывания МО, повышая значение HAD. Результаты моделирования позволяют сказать, что первичный перенос электрона происходит именно от супероксидного иона О2– на ион меди Cu2+ c последующим переносом протона, а вторичный перенос электрона предваряется переносом протона на O2– с образованием HO2, который далее принимает электрон от иона Cu+.
1. Neese, F. The ORCA program system / F. Neese // Wiley interdisciplinary Reviews - Computational Molecular Science. - 2012. - Vol 2. - Issue 1. - P. 73-78.
