Энзимология и Молекулярная Механика
DESCRIPTION
Энзимология и Молекулярная Механика. A. B. Ферменты. Фермент направляет реакцию по более «бстрому» пути, одинаково ускоряя прямую и обратную реакции. Принципы ферментативного катализа :. Специфические вз-ия Ковалентные взаимодействия Электростатические взаимодействия - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
![Page 1: Энзимология и Молекулярная Механика](https://reader037.vdocuments.site/reader037/viewer/2022102809/56814689550346895db3abea/html5/thumbnails/1.jpg)
Энзимология Энзимология и и
Молекулярная Механика.Молекулярная Механика.
![Page 2: Энзимология и Молекулярная Механика](https://reader037.vdocuments.site/reader037/viewer/2022102809/56814689550346895db3abea/html5/thumbnails/2.jpg)
ФерментыФерменты
Фермент направляет реакцию по более «бстрому» пути, одинаково ускоряя прямую и обратную реакции.
A B
![Page 3: Энзимология и Молекулярная Механика](https://reader037.vdocuments.site/reader037/viewer/2022102809/56814689550346895db3abea/html5/thumbnails/3.jpg)
ПринципыПринципы ферментативногоферментативного катализакатализа::Специфические вз-ияСпецифические вз-ияКовалентные взаимодействияЭлектростатические взаимодействияОбразование водородных связейКоординация с металлами-катионные взаимодействия…
![Page 4: Энзимология и Молекулярная Механика](https://reader037.vdocuments.site/reader037/viewer/2022102809/56814689550346895db3abea/html5/thumbnails/4.jpg)
Принципы ферментативного Принципы ферментативного катализакатализа
Сближение и ориентацияСближение и ориентация
Y X
Раствор
![Page 5: Энзимология и Молекулярная Механика](https://reader037.vdocuments.site/reader037/viewer/2022102809/56814689550346895db3abea/html5/thumbnails/5.jpg)
Принципы ферментативного катализа
Сближение и ориентацияСближение и ориентация
![Page 6: Энзимология и Молекулярная Механика](https://reader037.vdocuments.site/reader037/viewer/2022102809/56814689550346895db3abea/html5/thumbnails/6.jpg)
Принципы ферментативного Принципы ферментативного катализакатализаИндуцированное соответствиеИндуцированное соответствие
![Page 7: Энзимология и Молекулярная Механика](https://reader037.vdocuments.site/reader037/viewer/2022102809/56814689550346895db3abea/html5/thumbnails/7.jpg)
Количественная мера сродства Количественная мера сродства субстрата к ферментусубстрата к ферменту
Константа связывания
Константа диссоциации
Энергетический эквивалент констант
связывание
][
][][
ES
SEKdiss
][][
][
SE
ESKbind
dissbindbind KRTKRTG lnln
![Page 8: Энзимология и Молекулярная Механика](https://reader037.vdocuments.site/reader037/viewer/2022102809/56814689550346895db3abea/html5/thumbnails/8.jpg)
Молекулярная механикаМолекулярная 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
![Page 9: Энзимология и Молекулярная Механика](https://reader037.vdocuments.site/reader037/viewer/2022102809/56814689550346895db3abea/html5/thumbnails/9.jpg)
Молекулярная механикаМолекулярная механика
Структурная формула
соединения
Выражение потенциальной
энергии
Координаты атомов
в молекуле
),( ConstRU
NH2
N
SCH3
CH3
COOHO
С С
HH
H
H
H
H
![Page 10: Энзимология и Молекулярная Механика](https://reader037.vdocuments.site/reader037/viewer/2022102809/56814689550346895db3abea/html5/thumbnails/10.jpg)
Молекулярно механические Молекулярно механические потенциалыпотенциалы
Ковалентно связанные атомы– Валентные связи
bonds
ijijbondbonds rrKE 20 )(
r 0ij
![Page 11: Энзимология и Молекулярная Механика](https://reader037.vdocuments.site/reader037/viewer/2022102809/56814689550346895db3abea/html5/thumbnails/11.jpg)
Молекулярно механические Молекулярно механические потенциалыпотенциалы
Ковалентно связанные атомы– Валентные углы
angles
ijkijkangleangle KE 20 )(
ijk
![Page 12: Энзимология и Молекулярная Механика](https://reader037.vdocuments.site/reader037/viewer/2022102809/56814689550346895db3abea/html5/thumbnails/12.jpg)
Молекулярно механические Молекулярно механические потенциалыпотенциалы
Ковалентно связанные атомы– Торсионные (двугранные)
углы
))cos(1(2
0 nV
Etors
torstors
![Page 13: Энзимология и Молекулярная Механика](https://reader037.vdocuments.site/reader037/viewer/2022102809/56814689550346895db3abea/html5/thumbnails/13.jpg)
Молекулярно механические Молекулярно механические потенциалыпотенциалы
Ковалентно несвязанные атомы (атомы разных молекул, или удаленные атомы одной молекулы)– Кулоновское взаимодействие
Rijqjqi
ji ij
jiCoul R
qqE
04
![Page 14: Энзимология и Молекулярная Механика](https://reader037.vdocuments.site/reader037/viewer/2022102809/56814689550346895db3abea/html5/thumbnails/14.jpg)
Молекулярно механические Молекулярно механические потенциалыпотенциалы
Ковалентно несвязанные атомы (атомы разных молекул, или удаленные атомы одной молекулы)– Ван дер ваальсово
взаимодействие
Rij
66
1212)(
jiji
jir
C
r
CrV
![Page 15: Энзимология и Молекулярная Механика](https://reader037.vdocuments.site/reader037/viewer/2022102809/56814689550346895db3abea/html5/thumbnails/15.jpg)
Молекулярная механикаМолекулярная 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
![Page 16: Энзимология и Молекулярная Механика](https://reader037.vdocuments.site/reader037/viewer/2022102809/56814689550346895db3abea/html5/thumbnails/16.jpg)
Характерные молекулярные Характерные молекулярные системы в науках о живомсистемы в науках о живом
пенициллин
пенициллинацилаза
30 атомов 10000 атомов
![Page 17: Энзимология и Молекулярная Механика](https://reader037.vdocuments.site/reader037/viewer/2022102809/56814689550346895db3abea/html5/thumbnails/17.jpg)
Какие взаимодействия Какие взаимодействия возникают / исчезают ?возникают / исчезают ?
Фермент-субстрат (+)
связывание
найди 10 отличий!
Фермент-вода (-)
Субстрат-вода (-)
![Page 18: Энзимология и Молекулярная Механика](https://reader037.vdocuments.site/reader037/viewer/2022102809/56814689550346895db3abea/html5/thumbnails/18.jpg)
Оценка константы связывания Оценка константы связывания фермента с субстратомфермента с субстратом
Взаимодействие фермент-субстрат
Gbind = Gbindvacuum + Gsolvation(ES) - Gsolvation(E+S)
Сольватация комплекса
Сольватация компонентов
![Page 19: Энзимология и Молекулярная Механика](https://reader037.vdocuments.site/reader037/viewer/2022102809/56814689550346895db3abea/html5/thumbnails/19.jpg)
Фермент-субстратное взаимодействиеФермент-субстратное взаимодействие
Кулоновское (электростатическое)
Ван дер Ваальсово
Специфические вз-ия– водородные связи– ...
Gbind = Gbindvacuum + Gsolvation(ES) - Gsolvation(E+S)
Меж-молекулярное
Внутри-молекулярное
Внутренняя энергия Потеря степеней свободы
![Page 20: Энзимология и Молекулярная Механика](https://reader037.vdocuments.site/reader037/viewer/2022102809/56814689550346895db3abea/html5/thumbnails/20.jpg)
Фермент-субстратное взаимодействие: Фермент-субстратное взаимодействие: меж-молекулярноемеж-молекулярное
Кулоновское (электростатическое)
Ван дер Ваальсово
Специфические вз-ия– водородные связи
– ...
Gbindvacuum
Rij
qBqA
А В
rA-B
BA
BABA rD
qqkrV
)(
![Page 21: Энзимология и Молекулярная Механика](https://reader037.vdocuments.site/reader037/viewer/2022102809/56814689550346895db3abea/html5/thumbnails/21.jpg)
Электростатическое взаимодействиеЭлектростатическое взаимодействие
«Экранированный» кулоновский потенциал учитывает зависимость диэлектрической проницаемости от расстояния
BABA
BABA rrD
qqkrV
)()(
На коротких расстояниях микрогетерогенность среды оказывает сильное влияние на электростатические взаимодействия
1. Вода2. Степень погруженности <0.3 3. Степень погруженности <0.74. Степень погруженности >0.7
1 2 34
![Page 22: Энзимология и Молекулярная Механика](https://reader037.vdocuments.site/reader037/viewer/2022102809/56814689550346895db3abea/html5/thumbnails/22.jpg)
Фермент-субстратное взаимодействие: Фермент-субстратное взаимодействие: меж-молекулярноемеж-молекулярное
Кулоновское (электростатическое)
Ван дер Ваальсово
Специфические вз-ия– водородные связи
– ...
Gbindvacuum
66
1212)(
BABA
BAr
C
r
CrV
Rij
А В
rA-B
![Page 23: Энзимология и Молекулярная Механика](https://reader037.vdocuments.site/reader037/viewer/2022102809/56814689550346895db3abea/html5/thumbnails/23.jpg)
Ван дер Ваальсово взаимодействиеВан дер Ваальсово взаимодействие
Параметры ван дер Ваальсова взаимодействия достаточно определить для каждого типа атомов, а не для каждой из всех возможных пар атомов
BBAABA
)(21
,,, BBeqAAeqBAeq rrr
BABAeqr 61
, 2
6,6 2 BAeqBA rC
12,12 BAeqBA rC
612
66
1212 4)(
BABABA
BABA
BA rrr
C
r
CrV
![Page 24: Энзимология и Молекулярная Механика](https://reader037.vdocuments.site/reader037/viewer/2022102809/56814689550346895db3abea/html5/thumbnails/24.jpg)
Фермент-субстратное взаимодействие: Фермент-субстратное взаимодействие: меж-молекулярноемеж-молекулярное
Кулоновское (электростатическое)
Ван дер Ваальсово
Специфические вз-ия– водородные связи– ...
Gbindvacuum
резкая зависимость потенциалаот расстояния r и угла
r
1010
1212)(
BABA
BAr
C
r
CrV
![Page 25: Энзимология и Молекулярная Механика](https://reader037.vdocuments.site/reader037/viewer/2022102809/56814689550346895db3abea/html5/thumbnails/25.jpg)
Фермент-субстратное взаимодействие: Фермент-субстратное взаимодействие: изменение внутренней энергииизменение внутренней энергии
Gbindvacuum
Внутренняя энергия
напряжение валентных и торсионных углов
изменения в нековалентных вз-иях
Потеря степеней свободы
искажение планарности протопорфирина в активном центре феррохелатазы
![Page 26: Энзимология и Молекулярная Механика](https://reader037.vdocuments.site/reader037/viewer/2022102809/56814689550346895db3abea/html5/thumbnails/26.jpg)
Фермент-субстратное взаимодействие: Фермент-субстратное взаимодействие: изменение внутренней энергииизменение внутренней энергии
Напряжение валентных и «фиксированных» двугранных углов
E, kJ/mol
, 0
2)(21)( kV
равновесное значение угла
отклонение от равновесного угла
«фиксированные» двугранные углы
![Page 27: Энзимология и Молекулярная Механика](https://reader037.vdocuments.site/reader037/viewer/2022102809/56814689550346895db3abea/html5/thumbnails/27.jpg)
Фермент-субстратное взаимодействие: Фермент-субстратное взаимодействие: изменение внутренней энергииизменение внутренней энергии
Напряжение «подвижных» двугранных (торсионных) углов
N
H
H
NO
HH H
HHH
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0 120 240 360
Эне
ргия
, кка
л/м
оль
угол поворота
![Page 28: Энзимология и Молекулярная Механика](https://reader037.vdocuments.site/reader037/viewer/2022102809/56814689550346895db3abea/html5/thumbnails/28.jpg)
Энтропийные потери при связыванииЭнтропийные потери при связывании
NG molkcalenthropy ]/[31.0
N – число поступательно-вращательных степеней свободы субстрата
Gbindvacuum
Внутренняя энергия
Потеря степеней свободыПоступательных
Вращательных:
молекулы как целого
внутренние вращений
![Page 29: Энзимология и Молекулярная Механика](https://reader037.vdocuments.site/reader037/viewer/2022102809/56814689550346895db3abea/html5/thumbnails/29.jpg)
Энтропийные потери при связывании:Энтропийные потери при связывании:теоретические подходы к их оценкетеоретические подходы к их оценке
WkS ln1
2lnW
WkTSTGýíòðîï
раствор
комплекс с ферментом
W = статистичекий вес (~число способов реализации данного состояния)
раствор комплекс с ферментом
![Page 30: Энзимология и Молекулярная Механика](https://reader037.vdocuments.site/reader037/viewer/2022102809/56814689550346895db3abea/html5/thumbnails/30.jpg)
Энтропийные потери при связывании:Энтропийные потери при связывании:теоретические подходы к их оценкетеоретические подходы к их оценке
qdpdkTqpHkWkS )),(exp(lnln
),()(),( rVpEqpH êèí
Кинетическая энергия молекулы
Потенциал трансляций и вращений молекулы как целого
kS 21При потере одной степени свободы
![Page 31: Энзимология и Молекулярная Механика](https://reader037.vdocuments.site/reader037/viewer/2022102809/56814689550346895db3abea/html5/thumbnails/31.jpg)
Энтропийные потери при связывании:Энтропийные потери при связывании:теоретические подходы к их оценкетеоретические подходы к их оценке
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
Различные способы связывания
«Малоподвижные» способы связывания
Энергетический профиль образования различных фермент-субстратных комплексов
![Page 32: Энзимология и Молекулярная Механика](https://reader037.vdocuments.site/reader037/viewer/2022102809/56814689550346895db3abea/html5/thumbnails/32.jpg)
Фермент-субстратное Фермент-субстратное взаимодействие: сольватациявзаимодействие: сольватация
Gbind = Gbindvacuum + Gsolvation(ES) - Gsolvation(E+S)
связывание
Gsolvation(E+S) = Gsolvation(E) + Gsolvation(S)
Gsolvation(ES) - Gsolvation(E) -Gsolvation(BindingSite)
Gbind Gbindvacuum - Gsolvation(BindingSite) - Gsolvation(S)
сайт связывания(Binding Site)
![Page 33: Энзимология и Молекулярная Механика](https://reader037.vdocuments.site/reader037/viewer/2022102809/56814689550346895db3abea/html5/thumbnails/33.jpg)
Фермент-субстратное Фермент-субстратное взаимодействие: сольватациявзаимодействие: сольватация
Почему сольватационные эффекты рассчитать сложнее, чем взаимодействие фермент-субстрат?
Подходы к расчету сольватации:инкременты сольватации аминокислотных
остатковатомные инкременты сольватации«полуэмпирические» расчеты
![Page 34: Энзимология и Молекулярная Механика](https://reader037.vdocuments.site/reader037/viewer/2022102809/56814689550346895db3abea/html5/thumbnails/34.jpg)
Фермент-субстратное Фермент-субстратное взаимодействие: сольватациявзаимодействие: сольватация
Инкременты сольватации аминокислотных остатков
а.к. Gsolv,
kcal/mol * заряд
Gsolvation(BindingSite) =
= Gsolv,i *СтепеньДоступностиi
Остатки
Сайта Связывания
*Wimley W.C. et al, 1996, Biochemistry, 35, 5109-5124
![Page 35: Энзимология и Молекулярная Механика](https://reader037.vdocuments.site/reader037/viewer/2022102809/56814689550346895db3abea/html5/thumbnails/35.jpg)
Фермент-субстратное взаимодействие: Фермент-субстратное взаимодействие: сольватациясольватация
Aтомные инкременты сольватации
Gsolv,
kcal/mol ** тип атома*
* cиловое поле CHARMM 19
** Lazaridis K. and Karplus M. 1999, Proteins: Structure, Function and Genetics, 35, 133-152
Gsolvation(BindingSite) =
= Gsolv,I*Доступная Площадьi(Å2)
Атомы
Сайта Связывания
![Page 36: Энзимология и Молекулярная Механика](https://reader037.vdocuments.site/reader037/viewer/2022102809/56814689550346895db3abea/html5/thumbnails/36.jpg)
Фермент-субстратное взаимодействие: Фермент-субстратное взаимодействие: сольватациясольватация
Полуэмпирические модели
Gsolvation(BindingSite) = Gelectrostatic + Gnon-polar
вода, 1 фермент, 2
q1
q2 q3
q1
q2 q3
Gelectrostatic=1/2 qi*(1 - )
электростатическая работа по переносу системы зарядов из одной среды в другую
P.L. Privalov
![Page 37: Энзимология и Молекулярная Механика](https://reader037.vdocuments.site/reader037/viewer/2022102809/56814689550346895db3abea/html5/thumbnails/37.jpg)
«Объемная» модель сольватации«Объемная» модель сольватации
Модель удобна тем, что в расчетах фигурирует только межатомное расстояние, которое в отличие от площади молекулы можно быстро, а главное, надежно рассчитать
)2exp( 22
,
ijjji
isol rVSG
Атомы субстратаАтомы белка
Сольватационный параметр Объем атома
Межатомное расстояние
Степень перекрывания атома
![Page 38: Энзимология и Молекулярная Механика](https://reader037.vdocuments.site/reader037/viewer/2022102809/56814689550346895db3abea/html5/thumbnails/38.jpg)
Характерные вклады отдельных Характерные вклады отдельных взаимодействий в энергию взаимодействий в энергию
связываниясвязывания
Межатомный контакт 0.2 ккал/мольСолевой мостик 1 ккал/мольВодородная связь 0.2 ккал/мольСольватация атома 0.2 ккал/моль
![Page 39: Энзимология и Молекулярная Механика](https://reader037.vdocuments.site/reader037/viewer/2022102809/56814689550346895db3abea/html5/thumbnails/39.jpg)
Примеры расчетовПримеры расчетов**
Фермент:нейраминидаза
эксперимент: -15.2 -13.2 -6.9 -2.8
*Kevin Musakawa, method: Molecular Mecahnics/Poisson-Boltzmann Surface Area (MM/PBSA)