Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 

Бактерия Saccharopolyspora spinosa делает невозможное: ферментативная реакция Дильса-Альдера.

Ключевые слова:  AnanikovLab, молекулярное моделирование, органическая химия, спинозин, ферменты, циклоприсоединение

Опубликовал(а):  Попова Олеся Геннадьевна

09 апреля 2015

Долгое времени считалось, что реакция циклоприсоединения является исключительно синтетическим методом органической химии и не встречается в природе, поскольку не было достоверных доказательств существования ферментов, катализирующих такой процесс. Интереснейшей находкой оказалась бактерия Saccharopolyspora spinosa - этот микроорганизм, как выяснилось, способен осуществить внутримолекулярную реакцию [4+2] циклоприсоединения. Теоретическое исследование механизма реакции циклоприсоединения, выполненное в Институте органической химии им. Н.Д. Зелинского Российской Академии Наук (Москва), выявило энергетически сбалансированную координату реакции для этого уникального процесса. Результаты исследования, опубликованного в журнале PLOS ONE (doi: 10.1371/journal.pone.0119984), дают новое представление о механизме ферментативной реакции циклоприсоединения.

Механизм ферментативной реакции циклоприсоединения пока остается загадкой.

До недавнего времени предполагалось, что реакции циклоприсоединения (также широко известные как реакции Дильса-Альдера) не встречаются в живой природе, и ферменты, катализирующие такие процессы, также не были известны. Однако спустя некоторое время были открыты некоторые микроорганизмы, поставившие себе на службу реакцию внутримолекулярного [4+2] циклоприсоединения. Оказалось, что кое-кто в живой природе все-таки умеет осуществлять такие превращения: совсем недавно в клетках бактерии Saccharopolyspora spinosa был обнаружен фермент SpnF, катализирующий внутримолекулярную реакцию Дильса-Альдера, в результате которой образуется Спинозин А – природный тетрациклический инсектицид. Действительно, внутримолекулярная реакция [4+2] циклоприсоединения является наиболее оптимальным способом для получения полициклической основы Спинозина А (рис.1).

Рис. 1. Синтез молекулы Спинозина А происходит в результате реакции Дильса-Альдера.

В лабораторных условиях такие химические превращения требуют относительно жестких условий. Например, высоких температур в районе 80-120 °C, которые недостижимы внутри живых клеток. Уникальной особенностью ферментов является их способность обеспечивать протекание реакции с высокой селективностью при намного меньших температурах. В таких процессах обязательно необходим катализатор для уменьшения энергии активации реакции. Следствием катализа является намного более высокая скорость реакции по сравнению с некаталитическим процессом. Несмотря на то, что катализатор активно участвует в химическом превращении, он полностью регенерируется по его завершении и способен снова катализировать химические реакции.

В общепринятой модели ферментативного катализа одностадийная некаталитическая реакция с высокой энергией активации заменяется многостадийной каталитической реакцией, протекающей через последовательность переходных состояний и промежуточных продуктов с низкой энергией (рис. 2, слева). В рамках этой общепринятой схемы оказывается невозможным объяснение значительного каталитического эффекта в реакции циклоприсоединения, приводящей к молекуле Спинозина А. В результате моделирования методами квантовой химии было показано, что классическая схема обеспечивает незначительное уменьшение энергии активации, то есть не приводит к существенному ускорению реакции.

Новый механизм ферментативной реакции образования Спинозина А был предложен и количественно охарактеризован теоретическими методами в работе профессора В.П. Ананикова и сотрудников из Института органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН. Предлагаемый авторами механизм обеспечивает значительно больший каталитический эффект ферментативной реакции для данной реакции по сравнению с общепринятой схемой.

Рис. 2. Общепринятый путь каталитической реакции (слева) и предлагаемый в работе энергетически сбалансированный путь каталитической реакции (справа); ПС обозначает переходное состояние.

В рамках предложенной модели допускается, что гибкая молекула циклического субстрата может сжиматься под действием окружения в активном центре фермента, в результате чего происходит сближение соединящихся фрагментов молекулы (диен и диенофил, рис. 1) в составе молекулы субстрата до достижения состояния, очень близкого к переходному состоянию реакции циклоприсоединения.

Однако сжатие молекулы приводит к увеличению ее энергии. Это увеличение энергии компенсируется за счет образования водородных связей между молекулой субстрата и аминокислотными остатками в активном центре фермента. После нескольких стадий такого сжатия/компенсации полная энергия системы изменяется незначительно, однако структура молекулы субстрата значительно приближается к структуре переходного состояния. После этого даже небольшое смещения атомов углерода, участвующих в реакции циклоприсоединения, приводят к достижению точки переходного состояния и далее к образованию продукта реакции. Таким образом, общий путь реакции включает несколько промежуточных состояний и только одно переходное состояние (рис. 2, справа).

Если рассмотреть механизм реакции более детально, то можно отметить следующее:

Общепринятый механизм. Методами молекулярного моделирования в работе показано, что координация аминокислот, имитирующих окружение в активном центре фермента, таких как глутамин и серин (всего до трех молекул аминокислот) с молекулой субстрата приводит к незначительному уменьшению энергии активации: от 27.8 ккал/моль для изолированной молекулы субстрата до 25.1 ккал/моль для ассоциированной с тремя молекулами аминокислот молекулы субстрата (на уровне теории - B3LYP/6-311+G(d)). Такое снижение барьера реакции, конечно, вносит свой вклад в ускорение процесса, но не может иметь принципиального значения.

Энергетически сбалансированная координата реакции. Для объяснения большего каталитического эффекта авторами работы предложена другая модель ферментативного катализа. Реакция начинается в точке I, соответствующей изолированным молекулам субстрата и фермента. В результате специфического взаимодействия между ними, субстрат располагается в активном сайте фермента (точка II), причем в процессе перехода системы из состояния (I) в состояние (II) происходит уменьшение энергии системы на 7.3 ккал/моль за счет образования водородных связей между молекулами фермента и субстрата. Затем происходит сжатие молекулы субстрата (III), таким образом, что выигрыш энергии, полученный в результате координации первого аминокислотного остатка, компенсируется, и полная энергия системы повышается до уровня энергии системы (I). Далее происходит координация второго аминокислотного остатка (IV), снова сопровождающаяся уменьшением энергии, и последующее сжатие субстрата (V), компенсирующее это уменьшение. В результате третьей стадии координации-сжатия (VI-VII) субстрат геометрически приближается к переходному состоянию (VIII), которое в свою очередь стабилизировано координацией с тремя аминокислотами так, что его образование уже не требует того количества энергии, как если бы оно формировалось из точки (II). После того как стадия циклоприсоединения завершилась, продукт остается какое-то время в ассоциированном с ферментом состоянии (IX), и лишь затем покидает полость активного сайта (X). В результате энергия активации такого процесса (если отсчитывать ее от самой энергетически низкой точки IV) составляет 19.0 ккал/моль, что по сравнению с 36.6 ккал/моль для некаталитического процесса (черная линия на рисунке) представляет собой значительное уменьшение энергии активации.

Рис. 3. Энергетически сбалансированная координата реакции (синяя кривая) характеризуется намного меньшей энергией активации по сравнению с некаталитическим процессом (черная кривая).

Таким образом, в предложенном механизме каталитический эффект достигается за счет движения по энергетически сбалансированной координате реакции. Сжатие молекулы субстрата в активном центре фермента и приближение к структуре продукта достигаются за счет ступенчатого процесса, сопровождающегося образованием водородных связей. Принципиально важно отметить, что данное превращение проходит всего лишь через одно переходное состояние. В отличие от общеизвестных представлениях об энзиматическом катализе, где постулируется обязательное наличие нескольких переходных состояний. Полученный результат развивают наши представления о механизмах работы энзимов и открывают новые возможности для создания каталитических превращений.

Статья «Computational Study of a Model System of Enzyme-Mediated [4+2] Cycloaddition Reaction» (авторы Evgeniy G. Gordeev, Valentine P. Ananikov) опубликована в журнале PLOS ONE.

Ссылка: PLOS ONE, 2015; DOI: 10.1371/journal.pone.0119984


Веб-сайт: http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0119984



Источник: AnanikovLab




Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Кристаллы полученные изотермическим испарением растворителя
Кристаллы полученные изотермическим испарением растворителя

В Нижегородском метро могут появиться нанотехнологические кабели и системы контроля
В Нижегородском метро могут появиться созданные с применением нанотехнологий пожаробезопасные кабели и системы волоконно-оптического контроля.

Нанотехнологии против половодья: ФИОП предлагает композитные дороги и плотины
Компании наноиндустрии разработали модульные композитные элементы, из которых можно очень быстро собрать плотину и мобильную "плавучую" дорогу.

Расписание очного тура Олимпиады
Расписание очного тура XI Всероссийской Интернет-олимпиады по нанотехнологиям «Нанотехнологии – прорыв в будущее!», который пройдет с 27 марта по 1 апреля 2017 года в Московском государственном университете имени М.В.Ломоносова.

XIX Весенняя научная школа МГУ

Разыскиваются юные технари, химики и математики!
Во время весенних каникул с 27 марта по 2 апреля в Подмосковье пройдет Весенняя школа МГУ "ЛАНАТ". В программе школы практикумы по математике, химии, биологии, программированию, электронике.

Измерение неоднородности оптических свойств наночастиц PbSe в растворе при помощи двумерной фемтосекундной спектроскопии
Баранов Дмитрий Александрович
Заметка о статье в которой удалось измерить неоднородность оптических свойств квантовых точек селенида свинца в растворе методом двумерной оптической спектроскопии и увязать эту неоднородность с распределением квантовых точек по размерам.

Андрей Свинаренко: учеба должна длиться всю жизнь
ТАСС
Интервью Генерального директора ФИОП А.Г.Свинаренко ТАСС.

Проектная работа

Сегодня становится все более популярной так называемая проектная работа школьников, однако на этот счет есть очень разные мнения. Мы были бы признательны, если бы Вы высказали кратко свое мнение по этому поводу путем голосования. Заранее благодарны!

Закон о реформировании РАН

В Совместном заявлении Совета по науке и членов Общественного совета Минобрнауки предлагается отозвать нынешний проект закона о "реформировании" РАН из Государственной думы и вернуться к его рассмотрению с соблюдением процедуры утвержденной постановлением Правительства РФ №851 от 25.08.2012, и указом Президента РФ №601 от 07.05.2012, которая была грубо нарушена. Мы предлагаем Вам высказать (анонимно) свое мнение в данном опросе, чтобы его статистические результаты были видны всем участникам опроса и общественности.

Проектная деятельность с точки зрения учителя

Это специальный опрос для учителей и представителей школ, которых мы просим оценить значимость предлагаемых материалов, мероприятий и перспективы их дальнейшего совершенствования на пути эффективного взаимодействия школ и ВУЗов. В опросе могут также участвовать школьники, студенты и аспиранты, особенно со своими критическими замечаниями в комментариях.



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.