Проведено изучение взаимодействия супероксидного ион-радикала О2– с активным центром Cu,Zn-супероксиддисмутазы путем компьютерного моделирования при помощи программного пакета ORCA версии 5.0.2 на уровне теории функционала плотности с использованием функционала PBE. Получены основные характеристики для двух процессов переноса электрона в каталитическом цикле дезактивации ион-радикала. Переменным фактором при моделировании являлось наличие иона Zn2+ в активном центре фермента. Установлено, что наличие иона Zn2+ способствует в значительной степени только второму переносу электрона от иона Cu+ к протонированной форме ион-радикала – к гидропероксидному радикалу HO2
Cu,Zn-супероксиддисмутаза, супероксидный ион-радикал, фермент, активные формы кислорода, антиоксиданты, физикохимия конденсированного состояния, компьютерное моделирование
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.
