Энзимология и Молекулярная Механика.

1. Энзимология и Молекулярная Механика.

2. A B Ферменты • Фермент направляет реакцию по более «бстрому» пути, одинаково ускоряя прямую и обратную реакции.

3. Принципыферментативногокатализа:Принципыферментативногокатализа: Специфические вз-ия • Ковалентные взаимодействия • Электростатические взаимодействия • Образование водородных связей • Координация с металлами • p-катионные взаимодействия • …

4. Принципы ферментативного катализа Сближение и ориентация Y X Раствор

5. Принципы ферментативного катализа Сближение и ориентация

6. Принципы ферментативного катализа Индуцированное соответствие

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

8. 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

9. H H H H С С H H Молекулярная механика Координаты атомов в молекуле Структурная формула соединения Выражение потенциальной энергии

10. Молекулярно механические потенциалы • Ковалентно связанные атомы • Валентные связи r 0ij

11. Молекулярно механические потенциалы • Ковалентно связанные атомы • Валентные углы qijk

12. Молекулярно механические потенциалы • Ковалентно связанные атомы • Торсионные (двугранные) углы f0

13. Молекулярно механические потенциалы • Ковалентно несвязанные атомы (атомы разных молекул, или удаленные атомы одной молекулы) • Кулоновское взаимодействие qj Rij qi

14. Молекулярно механические потенциалы • Ковалентно несвязанные атомы (атомы разных молекул, или удаленные атомы одной молекулы) • Ван дер ваальсово взаимодействие Rij

15. 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

16. Характерные молекулярные системы в науках о живом пенициллин 30 атомов 10000 атомов пенициллинацилаза

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

18. Оценка константы связывания фермента с субстратом DGbind = DGbindvacuum + DGsolvation(ES) - DGsolvation(E+S) • Взаимодействие фермент-субстрат • Сольватация компонентов • Сольватация комплекса

19. Фермент-субстратное взаимодействие DGbind = DGbindvacuum + DGsolvation(ES) - DGsolvation(E+S) • Кулоновское (электростатическое) • Ван дер Ваальсово • Специфические вз-ия • водородные связи • ... • Меж-молекулярное • Внутри-молекулярное • Внутренняя энергия • Потеря степеней свободы

20. rA-B А В Rij qA qB Фермент-субстратное взаимодействие: меж-молекулярное DGbindvacuum • Кулоновское (электростатическое) • Ван дер Ваальсово • Специфические вз-ия • водородные связи • ... s e

21. Электростатическое взаимодействие • На коротких расстояниях микрогетерогенность среды оказывает сильное влияние на электростатические взаимодействия • «Экранированный» кулоновский потенциал учитывает зависимость диэлектрической проницаемости от расстояния 3 1 2 4 • Вода • Степень погруженности <0.3 • Степень погруженности <0.7 • Степень погруженности >0.7

22. Фермент-субстратное взаимодействие: меж-молекулярное DGbindvacuum Rij • Кулоновское (электростатическое) • Ван дер Ваальсово • Специфические вз-ия • водородные связи • ... rA-B А В s e

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

24. Фермент-субстратное взаимодействие: меж-молекулярное DGbindvacuum • Кулоновское (электростатическое) • Ван дер Ваальсово • Специфические вз-ия • водородные связи • ... r резкая зависимость потенциала от расстоянияrи угла q

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

26. Фермент-субстратное взаимодействие: изменение внутренней энергии E, kJ/mol • Напряжение валентных и «фиксированных» двугранных углов f0 Df f0равновесное значение угла Df = отклонение от равновесного угла Df, 0 «фиксированные» двугранные углы

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

28. Энтропийные потери при связывании DGbindvacuum • Внутренняя энергия • Потеря степеней свободы • Поступательных • Вращательных: • молекулы как целого • внутренние вращений N – число поступательно-вращательных степеней свободы субстрата

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

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

31. Энтропийные потери при связывании:теоретические подходы к их оценке «Малоподвижные» способы связывания Различные способы связывания • 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 Энергетический профиль образования различных фермент-субстратных комплексов

32. связывание Фермент-субстратное взаимодействие: сольватация DGbind = DGbindvacuum + DGsolvation(ES) - DGsolvation(E+S) DGsolvation(E+S)= DGsolvation(E) + DGsolvation(S) сайт связывания (Binding Site) DGsolvation(ES)- DGsolvation(E) -DGsolvation(BindingSite) DGbindDGbindvacuum-DGsolvation(BindingSite) - DGsolvation(S)

33. 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

34. Фермент-субстратное взаимодействие: сольватация DGsolv, kcal/mol * а.к. заряд • Инкременты сольватации аминокислотных остатков DGsolvation(BindingSite) = = DGsolv,i *СтепеньДоступностиi Остатки Сайта Связывания *Wimley W.C. et al, 1996, Biochemistry, 35, 5109-5124

35. Фермент-субстратное взаимодействие: сольватация DGsolv, kcal/mol ** тип атома* • Aтомные инкременты сольватации DGsolvation(BindingSite) = = DGsolv,I*Доступная Площадьi(Å2) Атомы Сайта Связывания * cиловое поле CHARMM 19 ** Lazaridis K. and Karplus M. 1999, Proteins: Structure, Function and Genetics, 35, 133-152

36. Фермент-субстратное взаимодействие: сольватация DGsolvation(BindingSite)=DGelectrostatic+ DGnon-polar • Полуэмпирические модели вода, 1 фермент, 2 q1 q1 q2 q3 q2 q3 P.L. Privalov DGelectrostatic=1/2 qi*(e1 - e2 ) электростатическая работа по переносу системы зарядов из одной среды в другую

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

38. Характерные вклады отдельных взаимодействий в энергию связывания • Межатомный контакт 0.2 ккал/моль • Солевой мостик 1 ккал/моль • Водородная связь 0.2 ккал/моль • Сольватация атома 0.2 ккал/моль

39. Примеры расчетов* Фермент: нейраминидаза эксперимент: -15.2 -13.2 -6.9 -2.8 *Kevin Musakawa, method: Molecular Mecahnics/Poisson-Boltzmann Surface Area (MM/PBSA)