БИОФИЗИКА, 2008, том 53, вып.5, c.778-786
= БИОФИЗИКА КЛЕТКИ= =
УДК 544.531
СПИНОВОЕ СОСТОЯНИЕ МАГНИЯ ОПРЕДЕЛЯЕТ ЭНЕРГЕТИКУ МОЛЕКУЛЫ АДЕНОЗИНТР ИФОСФАТА
© 2008 г. А.А. Тулуб
Санкт-Петербургский государственный университет, 199034, Санкт-Петербург, Университетская набережная, 7/9;
E-mail: аШ1иЬ@уаНоо.со.ик FreieUniversitat Berlin, Institut fur Mathematik II, A rnimalle 2-6, D-14195 Berlin, Germany
Поступила в p едакцию 07.02.08 г.
После доработки 17.06.08 г.
При помощи метода молекулярной динамики (функционала плотности), MD DFT:B3LYP, базис 6-31G**, t = 310 K, изучено взаимодействие молекулы аденозинтрифосфата (подсистема АТР) с магниевым кофактором [Mg(H2O)6] (подсистема Mg) в водной среде, имитируемой 78 молекулами воды, в синглетном (S) и триплетном (Т) состояниях. Поверхности потенциальной энер гии для синглетного (нижнее по энер гии со стояние) и тр иплетных со стояний (высшие по энер гии состояния) существенно разделены в пространстве. Движение вдоль них направляет Mg-комплекс либо к атомам кислорода у-р-фосфатных гр упп (O1-O2), синглетное со стояние поверхности потенциальной энер гии, либо к атомам кислорода р-а-фосфатных групп (O2-O3), триплетное состояние поверхности потенциальной энергии. Хелатирование у-р-и р-а- фосфатов пр иводит, соответственно, к образованию устойчивого низкоэнергетического комплекса ([Mg(H2O)4-(О1-О2)АТP] -) или метастабильного высокоэнергетического комплекса ([Mg(H2O)2-(O2-O3)ATP] -), которые различаются по числу молекул воды, окружающих атом Mg. Пересечение двух триплетных поверхностей потенциальной энер гии сопр овождается обр азованием нестабильного со стояния, характер изуемого перераспр еделением спинов между подсистемами Mg и АТР. Это со стояние, чувствительное к взаимодействию со спином магниевого ядр а, Mg, порождает неспаренный электр онный спин, котор ый инициирует распад аденозинтрифосфата в соответствии с ион-радикальным механизмом с обр азованием реакци-онноспособного ион-р адикала аденозинмонофосфата (•АМР-), ранее обнаруженного экспериментально при помощи метода CIDNP (СИет1са11у Indeed Dynamk Nudear Polarization). Рассмотрены биологические аспекты полученных р езультатов.
Ключевые слова: распад А ТФ, синглетные и триплетные состояния, электронный и ядерный спин Mg, окислительно-восстановительные свойства Mg, свободные ион-радикалы, динамический метод функционала плотности.
Не будет большим пр еувеличением сказать, что аденозинтрифосфат (АТР, рис. 1), является одной из наиболее важных и удивительных молекул живой природы благодаря его способности поддерживать энергетический баланс в живых клетках и инициировать огромное число биохимических р еакций за счет высвобождения значительного количества энергии, 7,3 -г 10,9 ккал/моль, котор ое затем вновь восстанавливается в ходе ресайклинга - процесса, повторяющегося в клетке в течение суток 2000 - 3000 раз [1-6].
Сокращения: ТТ - трифосфатная группа, ППЭ - поверхности потенциальной энергии, НТФ - нуклеозидтрифос-фат.
Энергия АТP аккумулируется в его трифос-фатных группах (см. рис. 1), и ее высвобождение, как принято считать, происходит в результате гидролиза АТP, частичного (ДЕ = - 7,3 ккал/моль) или полного (ДЕ = -10,9 ккал/моль) [1], приводящего соответственно к образованию аденозиндифосфата (ADP) или аденозннмоно-фосфата (AMP) [1,5,7]. В водной ср еде, каковой является клеточная ср еда, АТP весьма стабилен. Его гидролиз сопр овождается пр еодолением значительного энер гетического барьера ~ 25 ккал/моль [8-10]. Гидролиз, как ионная реакция [8-10], протекает медленно с образованием ионных форм ADP и AMP [4,5]. Однако большое число реакций полимеризации в живых клетках, основанных на превращении NTP ^ NDP или
Рис. 1. Cтруктура подсистем АТР и Mg - трифосфатная группа.
NTP ^ NMP (N = нуклеозидтрифосфат; N = А (аденозин), C (цитидин), G (гуанозин), Т (тимидин), U (ур идин)), протекают с большими скоростями (пикосекундный - наносекундный интервал времени [11]). В основе этих р еакций лежит механизм полимеризации «живых цепей» [12], предполагающий образование свободных радикалов в качестве интермедиатов [11,13,14]. К этим реакциям относится, в частности, сборка тубулина в микротрубочки (NTP = GTP) [7,11,15,16] и ДНК/РНК полимеризация одиночной цепи [13,17]. В этих реакциях дифосфатные и монофосфатные продукты крайне активны и участвуют в перено се спина от одной частицы к другой [11,18]. Ионным механизмом гидролиза невозможно объяснить образование свободных радикалов [13]. Причина этого состоит в том, что АТР, или NTP в целом, всегда ра ссматривались с позиций низколежащих энергетических состояний без учета высоколежащих состояний, отличающихся от основного по спину и имеющих локальные минимумы энергии в различных точках конфигурационного пространства вокруг фрагмента О1 - О3 (рис. 1).
Начиная с первых р абот по изучению АТP в условиях in vitro и in vivo, неоднократно отмечалась необходимость присутствия катионов Mg2+ (Mg-кофактор) во всех процессах с участием этой молекулы [19-22]. Однако механизм функционирования Mg-кофактора остается до сих пор непонятным [14]. В частности, остается неясным, почему требуется именно Mg, а не другой катион, скажем Cа, Zn, Fe или Мп. Отмеченный факт вряд ли может быть пр иписан «уникальному» р азмеру Mg, поскольку расстояния между атомами кислорода 01,
О2 и О3 (рис. 1), являющимися основными центрами для атаки катионов, достаточно велики и составляют ~ 4 A, а связи и углы в тр ифосфате достаточно гибки, чтобы любой из названных катионов мог беспрепятственно хе-латировать атомы кислорода, выступая, как и Mg, в роли хелатирующего катиона [1,6].
Можно считать доказанным, что Mg2+ хе-латирует АТР преимущественно по атомам 01-О2 [1-4,23] (рис. 1), однако этот общепризнанный факт до настоящего вр емени не находит прямого физического объяснения [5]. Многие авторы считают хелатирование необходимым, поскольку оно снижает активационный барьер пр и гидролизе АТР [9,10]. Однако снижение высоты барьера незначительно, ~ 5 ккал/моль (одна пятая величины барьера), и вряд ли этим можно объяснить существенное ускорение распада АТР с образованием свободных ион-радикалов, недавно обнаруженное экспериментально при помощи метода CIDNP (СЬеш1са11у Indeed Dynamk Nudear Polarization) [14,17].
В последних р аботах [14,17,18] предпринята попытка рассматривать Mg (точнее, его комплекс) в качестве спинового тр иггера, который в зависимости от природы молекулярного окружения и энергии способен изменять спиновую активность АТР, заставляя молекулу распадаться по одному или другому каналу [14,17,18,22,24,25], в том числе и тому, который предполагает образование ион-радикалов •NMP- (- соответствует отрицательному заряду, а • означает неспаренный электрон) [8,14,17]. Помимо этого, следует помнить, что в естественном содержании Mg присутствует 10% 25Mg,
обладающего активным спином ядра (5/2), который посредством сверхтонкого взаимодействия может инициировать необычные пути реакции [26].
В работе показано, что различные способы хелатирования и распада АТР, ионные, а также ион-радикальные, связаны с переключением между 8- и Т-состояниями, которые формируют свои каналы реакции. Эти каналы возникают в результате взаимодействия Mg-комплекcа и АТР в водной среде. Уникальная роль Mg, отличающая его от других катионов, проявляется в его способности выступать в качестве своеобразной р едокс-машины, быстр о принимающей на себя часть электронной плотности от АТР, а затем медленно отдающей ее обратно, что, в конечном итоге, формирует спин-зависимые пути реакции, ответственные за образование устойчивых, метастабильных и нестабильных энергетических состояний. Основной акцент сделан на доказательство следующих положений:
а) синглетные и тр иплетные состояния поверхности потенциальной энергии ответственны за хелатирование магнием О1-О 2 и О2-О 3 фрагментов АТР;
б) движение вдоль синглетных и триплетных состояний приводит к разному числу удерживаемых Mg молекул воды;
в) ион-радикальный распад АТР является следствием перераспределения спинов между подсистемами Mg и АТР в окрестности Т-Т-пересечения;
г) ядерный спин магния, 25Mg, влияет на распад АТР в соответствии с ион-р адикальным механизмом [14].
Постр оение ППЭ различной спиновой конфигурации предполагает проведение компьютерного эксперимента. Для больших молекулярных систем, наподобие нашей, наиболее надежным и проверенным методом является метод молекулярной динамики (функционала плотности), MD БРТ:Б3ЬУР.
МОДЕЛЬ И МЕТОДЫ РАСЧЕТА
Клеточная среда преимущественно водная, поэтому можно считать, что в ней катион магния Mg2+ существует в виде октаэдрического водного комплекса Mg[(H2O)6]2+ (магниевый кофактор), рис. 1, наиболее стабильного из всех других возможных, тетраэдр ического и линейного билигандного [27-29]. Моделирование предполагало взаимодействие этого комплекса Mg[(H2O)6]2+ ^-подсистема) с АТР (АТР-под-система), рис. 1. До включения взаимодействия
геометрия обеих подсистем была оптимизирована при помощи метода DFT:B3LYP (базис 6-31G**). Полученные в результате оптимизации межатомные расстояния и углы (S-состоя-ния) находятся в превосходном согласии с ранее полученными данными для S-состояний [9,10,29]. Т-со стояния заслуживают отдельного рассмотрения.
АТP в Т- и S-состояниях (расчеты выполнены в водном пуле из 78 молекул воды с полной оптимизацией геометрии, методы DFT:B3LYP и MDDFT:B3LYP, базис 6-31G**) имеет практически одно и то же значение полной энергии Etot: при температуре t = 0 К Etot(T) < Etot(S) на 0,57 ккал/моль [17], что составляет барьер величины кТ, который при t = 310 К (метод MD DFT:B3LYP) легко преодолим. Как следствие, при t = 310 К Т- и S-состояния оказываются перепутанными [17]. Если АТP в Т-состоянии стабилен, то Mg[(H2O)6]2+ в этом со стоянии нестабилен: р аз-ница в полной энер гии между Т -и S-состояния-ми составляет заметную величину: ДEtot(T-S) = 8,3 эВ [29,30-32]. Переходя из нестабильного состояния в стабильное, комплекс элиминирует атом водорода одной из молекул воды и переходит в конечном итоге в однозарядную форму [Mg(H2O
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.