научная статья по теме ОКИСЛЕНИЕ ПЛАСТОХИНОЛА ЦИТОХРОМНЫМ B6 F-КОМПЛЕКСОМ. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОМ ФУНКЦИОНАЛА ПЛОТНОСТИ Химия

Текст научной статьи на тему «ОКИСЛЕНИЕ ПЛАСТОХИНОЛА ЦИТОХРОМНЫМ B6 F-КОМПЛЕКСОМ. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОМ ФУНКЦИОНАЛА ПЛОТНОСТИ»

ЖУРНАЛ ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ, 2009, том 83, № 3, с. 593-595

КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ

УДК 539.192:541.124

ОКИСЛЕНИЕ ПЛАСТОХИНОЛА ЦИТОХРОМНЫМ ¿¿/-КОМПЛЕКСОМ. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОМ ФУНКЦИОНАЛА

ПЛОТНОСТИ

© 2009 г. А. Е. Фролов, А. Н. Тихонов

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Физический факультет

E-mail: an_tikhonov@mail.ru Поступила в редакцию 04.08.2008 г.

Методом функционала плотности рассчитаны энергетический профиль и скорость реакции окисления триметилхинола в модельной системе, включающей в себя Fe^-класгер цитохромного bf-комплекса и окружающие его аминокислотные остатки (Cys134-Thr135-His136-Leu137-Gly138-Cys139, Cys152, Cys154-His155-Gly156-Ser157, Tyr159). Показано, что лимитирующая стадия реакции окисления хинола - перенос водорода от хинола к ближайшему атому азота (His155) - является эндоэргоническим процессом (ДЕ = 10.6 ккал/моль), связанным с преодолением энергетического барьера Ea = 25.5 ккал/моль. Оценки константы скорости этой реакции в рамках теории Маркуса с использованием полуэмпирического уравнения Мозера-Даттона дают значения &PCET = 40-170 c-1, которые хорошо согласуются с известными экспериментальными данными.

Окисление пластохинола (QH2) цитохромным bf-комплексом является лимитирующей стадией в работе цепи фотосинтетического транспорта электронов в хлоропластах высших растений, клетках водорослей и цианобактерий [1]. Особенностью этой двухэлектронной реакции, протекающей по механизму Q-цикла Митчелла [2], является ее бифуркационный характер: первый электрон от молекулы QH2 переносится на окисленный высокопотенциальный железо-серный белок Риске (ISP(ox)), а образующаяся при этом молекула се-михинона (QH0 служит донором электрона для

окисленного низкопотенциального гема b6б :

QH2 + ISP(ox) — QH + ISP(red) + H+, (1)

QH + bL6 (ox) —- Q + bL6 (red) + H+. (2)

Считается [1, 3-5], что обе реакции протекают практически одновременно ("концертно"), но стадией, лимитирующей общую скорость окисления QH2, является реакция (1).

Цель настоящей работы - рассчитать методом функционала плотности энергетический профиль реакции (1) и скорость окисления пластохинола для модельной системы (рис. 1), включающей в себя железо-серный кластер (Fe2S2), окружающие его аминокислотные остатки (Cys134-Thr135-His136-Leu137-Gly138-Cys139, Cys152, Cys154-His155-Gly156-Ser157, Tyr159) и триметилхинол -аналог пластохинола. Координаты атомов для рассматриваемой нами модельной системы взяты из Брукхевенского банка данных белков (код структуры 1Q90) для bf-комплекса водоросли

СЫашуёошопа$ ге1пЪагёШ [6]. Расположение триметилхинола в модельной системе соответствует положению ингибитора ТО8920 (тридецилстигма-телин) в структуре 1090. Квантово-химические расчеты методом функционала плотности выполнены с помощью программы "Природа" (автор Д.Н. Лайков [7]) с использованием функционала РВЕ и базиса 37.

Согласно [1, 3-5], первая стадия окисления пластохинола (1) включает в себя перенос электрона от молекулы 0Н2 на атом железа Бе^-кла-стера, сопряженный с одновременным переносом протона на Ке-атом имидазола гистидинового остатка (Н18155), К§-атом которого образует координационную связь с атомом железа Бе1 (рис. 1),

0Н2 + 1БР(ох) —- ОН- + 18Р(геё)(Н1$155_Н+). (3)

Для моделирования энергетического профиля реакции мы рассчитали зависимость потенциальной энергии системы Е от положения атома водорода относительно атомов О и Ке, принадлежащих 0Н2 и №$155. В качестве координаты реакции переноса атома водорода (О_Н—N —- О-Н_Ке) выбрано расстояние между атомами Н и N (параметр ЯМ-н).

На рис. 2 показан энергетический профиль реакции (зависимость Е от ^_Н), соответствующий движению атома водорода по пути минимальной энергии реакции. Этот профиль найден на основании "точечных" расчетов потенциальной энергии частично оптимизированной системы для различных сечений трехмерной поверхности потенциальной энергии (ППЭ), отвечающих разным положениям атома водорода. На рис. 2 видны два

594

ФРОЛОВ, ТИХОНОВ

■о

ди2

Рис. 1. Структура системы, использованной для моделирования окисления пластохинола железо-серным белком ци-тохромного ¿б/-комплекса.

локальных минимума потенциальной энергии, соответствующих положениям атома водорода вблизи атомов О = 2.64 А) и N (Ям-И = 1.05 А). Перенос водорода от кислорода к азоту (О-И-Ке —► О—И-Ке) представляет собой эндоэргонический процесс (АЕ = 10.6 ккал/моль), сопряженный с пре-

Е, ккал/моль 30 -

20

10

2.5

2.0

1.5 1.0

- и, А

Рис. 2. Профиль потенциальной энергии системы (пояснения в тексте).

одолением энергетического барьера Еа = 25.5 ккал/моль. Колоколообразная кривая, связывающая два минимума ППЭ, описывает изменение энергии системы при перемещении атома водорода вдоль траектории по дну "долины" ППЭ через сед-ловую точку (Е = 25.5 ккал/моль при Ям-И = 1.53 А).

Скорость окисления хинола можно оценить в рамках теории Маркуса [8] с использованием полуэмпирического уравнения Мозера-Даттона [9]. Согласно [4], в случае электронного транспорта, сопряженного с переносом протона, константу скорости &рсет можно найти из уравнения

Ш кроит = 13 -

в

2.303

2

(Я-3.6) -

(А Ее + X)2 л

- у ех - а р к,

(4)

где Я - расстояние (А) между донором (0И2) и акцептором электрона (атом Бе1 железо-серного кластера), в = 1.4 А-1, у = 3.1 эВ-1, АЕе (эВ) - разность энергий конечного и начального состояний для реакции электронного переноса, АрК = = (р К дН2 - р К 18Р(0Х)) - разность значений рК донора (хинол) и акцептора (№8155) протона, X - энергия реорганизации (эВ). Для ¿^-комплекса хлоро-пластов АрК = 4 [1, 10]. Величину АЕе (эВ) можно вычленить из рассчитанной нами разности энергий АЕ (рис. 2), воспользовавшись соотношением

0

ОКИСЛЕНИЕ ПЛАСТОХИНОЛА ЦИТОХРОМНЫМ ^/-КОМПЛЕКСОМ

595

A Ee = AE -0.06 A p K. (5)

Для значений X = 1.1-1.3 эВ, типичных для энергии реорганизации в реакциях внутрибелкового транспорта электронов [11], получаем kPCET = 40170 с-1 (при 298 К), что хорошо согласуется с известными экспериментальными данными [12-14]. Таким образом, рассмотренная нами система является адекватной моделью для квантово-хими-ческого описания первой стадии окисления пла-стохинола внутри ¿/-комплекса.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (код проекта № 06-04-48620). Авторы признательны И.П. Глориозову и Л.Ю. Устынюк за ценные консультации и полезные советы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Berry E., Guergova-Kuras M, Huang L.-S, Crofts A.R. // Ann. Rev. Biochem. 2000. V. 69. P. 1007.

2. Mitchell P. // J. Theor. Biol. 1976. V. 62. P. 327.

3. Link T.A. // FEBS Lett. 1997. V. 412. P. 257.

4. Crofts AR. // Biochim. Biophys. Acta. 2004. V. 1655. P. 77.

5. Zu Y., Couture M.M.-J, Kolling D.R.J. et al. // Biochemistry. 2003. V. 42. P. 12 400.

6. Stroebel D, Choquet Y, Popot J.-L, Picot D. // Nature. 2003. V. 426. P. 413.

7. Laikov D. // Chem. Phys. Lett. 1997. V. 281. P. 151.

8. Marcus R.A., Sutin N. // Biochim. Biophys. Acta. 2008. V. 811. P. 265.

9. Moser C.C., Dutton PL. // Ibid. 1992. V. 1101. P. 171.

10. Rich PR. // Ibid. 1981. V. 637. P. 28.

11. Gray HB, Winkler JR. // Annu. Rev. Biochem. 1996. V. 65. P. 537.

12. Rumberg B, Siggel U. // Naturwissenschaften. 1969. B. 56. S. 130.

13. Tikhonov A.N., Khomutov G.B, Ruuge E.K., Blumenfeld L.A. // Biochim. Biophys. Acta. 1981. V. 637. P. 321.

14. Hope A.B. // Ibid. 2000. V. 1456. P. 5.

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.

Показать целиком