|
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
Интеллектуальная Система Тематического Исследования НАукометрических данных |
||
Квантово-химическое моделирование таутомерных превращений аминокислотных остатков с карбоксамидной функциональной группой - аспарагина и глютаминаНИР
- Руководитель НИР: Хренова М.Г.
- Участники НИР: Григоренко Б.Л., Коц Е.Д., Кулакова А.М., Миронов В.А., Поляков И.В.
- Подразделение: Кафедра физической химии
- Срок исполнения: 12 мая 2015 г. - 31 декабря 2016 г.
- Номер договора (контракта, соглашения): 15-33-20579 мол_а_вед
- Номер ЦИТИС: 115042070010
- Тип: Фундаментальная
- Приоритетное направление научных исследований: Живые системы, медицинские технологии, медицинская химия и новые лекарственные средства
- ПН России: Науки о жизни
- Направление технологического прорыва России: Медицинские технологии и лекарственные средства
-
Рубрики ГРНТИ:
- 31.15.03 Теория строения молекул и химической связи
- 31.27.17 Энзимология
-
Ключевые слова:
биохимия, квантовая химия, молекулярное моделирование
-
Описание:
Предлагается применить современные методы молекулярного моделирования, включая квантово-химические, молекулярно-динамические подходы, а также метод квантовой механики/молекулярной механики (КМ/ММ) для изучения таутомерных превращений аминокислотных остатков с карбоксамидной функциональной группой (аспарагина и глютамина) в различных средах – в газовой фазе, в растворе и в белках. Карбоксамидная группа не обладает высокой реакционной способностью в органических реакциях, причем амидная форма является более термодинамически устойчивой, чем имидная в большинстве соединений. Однако согласно недавним исследованиям способность аминокислотного остатка глютамина к таутомеризации может играть ключевую роль в биохимических процессах: в ферментативных реакциях и фотопревращениях некоторых классов белков. В качестве примеров в работе будут рассматриваться ферменты, катализирующие гидролиз гуанозинтрифосфата (ГТФазы), бактериальные рецепторы синего света с доменом BLUF, а также олигосахарид трансферазы. В данном проекте планируется изучение механизмов реакций, происходящих с участием глютамина или аспарагина и приводящих к их таутомеризации в имидную форму, а также механизмов возвращения в амидную форму. Предполагается построить соответствующие профили реакций таутомерных превращений глютамина и аспарагина - потенциальной энергии в газовой фазе и потенциальной и свободной энергии в конденсированных средах (в водном растворе и в белковых матрицах). Результаты моделирования будут сопоставлены с результатами экспериментальных исследований, в частности, структурами таутомеров модельных молекул в низкотемпературных матрицах; кристаллографическими структурами белковых комплексов; данными ИК спектроскопии интермедиатов гидролиза гуанозинтрифосфата.
- Добавил в систему: Хренова Мария Григорьевна
Источник финансирования НИР
| грант РФФИ |
Этапы НИР
| # | Сроки | Название |
| 1 | 12 мая 2015 г.-31 декабря 2015 г. | Квантово-химическое моделирование таутомерных превращений аминокислотных остатков с карбоксамидной функциональной группой - аспарагина и глютамина |
| Результаты этапа: За первый год выполнения проекта были рассмотрены две белковые системы, состоящие из малой ГТФазы и белка ускорителя и гидролизующие гуанозинтрифосфат (ГТФ) – Ras-GAP и Arl3-RP2, комбинированными методами квантовой механики / молекулярной механики (КМ/ММ) и методом молекулярной динамики как в классическом, так и в КМ/ММ вариантах. Реакция гидролиза ГТФ в обоих случаях приводит к образованию неорганического фосфата и имидной формы каталитического глютамина в результате первой части процесса. Для регенерации фермента, то есть возвращения боковой цепи глютамина в амидную форму, требуются повороты OH групп вокруг одинарных P-O связей и последующие переносы протонов, что было впервые показано в данной работе. Вторая часть реакции наиболее энергетически затратная, однако, для сравнения полученного теоретического профиля с экспериментальным значением требуется анализ всей кинетической схемы. В работе были применены как численные методы решения системы кинетических уравнений, так и найдено аналитическое решение. Полученные таким образом эффективные константы скорости хорошо согласуются с экспериментальными данными. К особенностям гидролиза ГТФ в белковом комплексе Arl3-RP2 стоит отнести образование интермедиата, в котором функциональная группа каталитического глютамина находится в протонированной форме, что было показано как в рамках КМ/ММ оптимизации геометрических параметров, так и в расчетах методом молекулярной динамики с КМ/ММ потенциалами. | ||
| 2 | 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. | Квантово-химическое моделирование таутомерных превращений аминокислотных остатков с карбоксамидной функциональной группой - аспарагина и глютамина |
| Результаты этапа: В работе применялись комбинированный метод квантовой механики / молекулярной механики (КМ/ММ), методы квантовой химии и метод молекулярной динамики как в классическом, так и в КМ/ММ вариантах. Сформулированы механизмы реакции гидролиза гуанозинтрифосфата (ГТФ) двумя родственными комплексами малой ГТФазы и белка ускорителя – Ras-GAP и Arl3-RP2. В обоих случаях в результате гидролиза ГТФ образуется неорганический фосфат и каталитический глютамин в имидной форме. На последующих стадиях происходит регенерации фермента, то есть возвращение боковой цепи глютамина в амидную форму, что сопровождается поворотами OH групп вокруг одинарных P-O связей неорганического фосфата с последующим переносом протонов – это впервые показано в рамках настоящего проекта. Для непосредственного сравнения полученной кинетической схемы с экспериментальными данными применялись как численные методы решения системы кинетических уравнений, так и поиск аналитического решения. Полученные таким образом эффективные константы скорости хорошо согласуются с экспериментальными данными. Для всех интермедиатов каждой из реакций рассчитаны колебательные спектры; для относительно стабильных интермедиатов определены характеристические колебательные моды, которые могут быть использованы при экспериментальной верификации механизма. Изучен механизм регенерации рецепторного состояния бактериального рецептора синего света BLUF из сигнального состояния. Показано, что реакцию инициирует консервативный остаток гистидина, находящийся в протонированной форме, передавая протон через тирозин на глютамин. Ключевую роль в дальнейших трансформациях играет глютамин хромофор-содержащей области – происходят конформационные изменения его боковой цепи. Также интерпретированы экспериментальные кинетические данные по изменению скорости восстановления рецепторного состояния при фторировании тирозина, что имеет практическое значение в связи с применением BLUF доменов в оптогенетических приложениях. По результатам расчетов, проведенных для олигосахарид трансферазы, опровергнута гипотеза об участии аспарагина в реакции. | ||
Прикрепленные к НИР результаты
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".