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

 

C Новым Годом!
C Новым Годом!

Дистанционный лекторий ФНМ МГУ
Опубликованы приглашения на 4 интересные лекции онлайн лектория проекта дистанционного образования факультета наук о материалах МГУ имени М.В.Ломоносова на ближайшую неделю.

Евгений Кац: Перовскит, загадка названия и история открытия
28 мая 2020 г. в 18:00 мск. в рамках развития дистанционного образования ФНМ МГУ имени М.В.Ломоносова состоится онлайн лекция известного ученого, профессора Евгения Каца (Ben-Gurion University of the Negev) "Перовскит, загадка названия и история открытия", который известен не только своими выдающимися научными достижениями в области химии твердого тела, углеродных наноматериалов, перовскитной фотовольтаики, но и большим вкладом в популяризацию науки.

М.Гретцель "The stunning rise of perovskite solar cells"
28 мая 2020 г. в 19:00 мск. в рамках развития дистанционного образования ФНМ МГУ имени М.В.Ломоносова состоится онлайн лекция всемирно известного ученого, профессора М.Гретцеля (Федеральная политехническая школа Лозанны) "The stunning rise of perovskite solar cells".

Материалы к защитам магистерских квалификационных работ на ФНМ МГУ в 2020 году
коллектив авторов
2 - 5 июня пройдут защиты магистерских диссертаций выпускниками Факультета наук о материалах МГУ имени М.В.Ломоносова.

Академия – университетам: химия и науки о материалах в эпоху пандемии
Гудилин Е.А., Горбунова Ю.Г., Калмыков С.Н.
Отделение химии и наук о материалах РАН, а также химический факультет и факультет наук о материалах МГУ инициируют реализацию открытого образовательного проекта «Академия – университетам: химия и науки о материалах в эпоху пандемии». В рамках проекта ведущие ученые, члены Российской и международных Академий, видные представители вузовской науки прочитают тематические образовательные лекции по химии, науках о материалах, современным подходам в биологии и медицине. Видеозаписи лекций будут размещены в открытом доступе и могут быть использованы ВУЗами в основной и дополнительной образовательных программах, а также для самоподготовки и мотивации студентов и аспирантов на будущие научные достижения.

2019-nCoV: очередной коронованный убийца?
Анна Петренко
В статье рассказывается о коронавирусе 2019-nCoV — что мы знаем сегодня. А ведущие международные научные издательства предоставляют бесплатный доступ к новым статьям, посвященных изучению коронавируса

Технонано

Технопредпринимательство - идея, которая принесет свои плоды при бережном культивировании и взращивании. И наша наноолимпиада, и Наноград от Школьной Лиги РОСНАНО, и проект Стемфорд, и другие замечательные инициативы - важные шаги на пути реализации этой и других идей, связанных с развитием новых высоких технологий в нашей стране и привлечением молодых талантов в эту вполне стратегическую область. Ниже приведен небольшой опрос, который позволит и нам, и вам понять, а что все же значит этот модный термин, и какова его суть.

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!



 
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.