Моделирование молекулярной и электронной структуры активных центров гемопротеинов квантово-химическими методами

• Автор: Краснов, Павел Олегович
• Шифр специальности: 05.13.01, 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Красноярск
• Количество страниц: 113 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Гемопротеины, их функции в организме

1.2. Мутантные формы гемопротеинов

1.3. Получение и свойства мутантных форм гемопротеинов

1.4. Квантовохимические исследования гемопротеинов

1.5. Трансвлияние в комплексах порфиринов

1.6. Ингибирование активности гемопротеинов оксидом азота II ГЛАВА 2. КВАНТОВОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1. Метод ХартриФокаРутаана

2.2. Атомные функции и базисные наборы

2.3. Полуэмпирические методы расчета
2.3.1. Методы I
2.3.2. Методы
2.4. Анализ электронных заселенностей
2.5. Электронная корреляция
2.6. Методы теории функционала плотности
2.7. Организация работы программы квантовохимических расчетов
ГЛАВА 3. СРАВНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАСЧЕТОВ РАЗЛИЧНЫМИ МЕТОДАМИ
3.1. Расчет полных плотностей состояний молекулы железопорфина
3.2. Расчет геометрических характеристик молекулы тетрафенилпорфина железаН
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЯ КЛАСТЕРНЫХ МОДЕЛЕЙ ГЕМОПРОТЕИНОВ
4.1. Построение кластерных моделей активных центров гемопротеинов
4.2. Объекты и методы исследования
4.3. Электронная структура валентной области активных центров
4.4. Изменение электронной структуры в процессе переноса электронов
ГЛАВА 5. ВЛИЯНИЕ ПРОКСИМАЛЬНОГО ЛИГАНДА ГЕМА НА ПРОЧНОСТЬ СВЯЗИ С ДИСТАЛЬНЫМ ЛИГАНДОМ
5.1. Объекты и методы исследования
5.2. Природа химической связи аксиального лиганда с атомом железа гема
5.3. Комплексы железопорфирина с различными гетероциклическими молекулами в проксимальном положении и молекулой оксида углерода И в дистальном
5.4. Комплексы железопорфирина с различными аминокислотами в проксимальном положении и молекулой кислорода
в дистальном
ГЛАВА 6. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИЧИН ИНГИБИРОВАНИЯ ГЕМОГЛОБИНА МОЛЕКУЛОЙ ОКСИДА АЗОТА II
6.1. Объекты и методы исследования
6.2. Атомная и электронная структура исследуемых комплексов
6.3. Молекулярнодинамическое моделирование атомной и электронной структуры исследуемых комплексов
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


Установлено, что введением различных заместителей (небольшие гетероциклические молекулы, аминокислоты) в проксимальное положение гема вместо остатка гистидина, можно модулировать (направленно менять) степень связывания молекулы в дистальном положении. Определяющими факторами являются: «макроциклический эффект» . Величину первого можно оценить, сравнивая геометрические особенности строения и относительный размер возможных проксимальных лигандов. Второй фактор зависит ст способности вводимой аминокислоты локировать электроны, которую можно оценить по величине потенциала ионизации молекулы. По результатам численного моделирования атомной и электронной структур комплексов железопорфина с N0 и была установлена причина более прочного связывания молекулы оксида азота (И) с железом гема в отличие от молекулы кислорода. Практическая значимость. Разработан подход построения кластерной модели активного центра гемопротеина со значительно меньшим числом атомов, чем исходная молекула, что позволяет проводить качественный исследования геометрии активного центра и электронной структуры как полуэмпирическими, так и неэмпирическими квантово-химическими методами с использованием сложных базисных наборов. Дано описания механизма влияния проксимального лиганда гема на прочность связи лиганда в дистальном положении, что позволяет использовать методы численного моделирования для предсказания химических свойств активных центров гемопротеинов при введении иных заместителей в проксимальное положение. Полученная таким образом информация делает возможным целенаправленный синтез искусственных веществ с заданными свойствами (например, кровезаменителей и др. Личный вклад автора. Построением большей части молекулярных моделей, квантово-химическими расчетами и анализом полученных данных автором занимался лично. Настоящая работа является итогом исследований, проводимых в - годах. Положения, выносимые на защиту. Для квантово-химических исследований электронной структуры гемопротеинов достаточно остановиться на расчете моделей их активных центров, представленных комплексами железопорфина с лигандами в пятом и шестом координационных положениях атома железа. Для описания влияния проксимального лиганда гема на прочность связи лиганда в дистальном положении предложен подход, основанный на численном моделировании атомной и электронной структуры аксиальных комплексов железопорфина. Большая прочность связи молекулы NO в отличие от Ог с гемом обусловлена ковалентным характером взаимодействия первой и ион-дипольным второй. Апробация работы. Международная научная студенческая конференция «Студент и научно-технический прогресс», Новосибирск, , и гг. Всероссийская научная конференция «Молодежь и химия», Красноярск, г. Международная научная конференция «Молодежь и химия», Красноярск, , гг. Информационно-вычислительные технологии в решении фундаментальных научных проблем и прикладных задач химии, биологии, фармацевтики, медицины», Москва, г. Екатеринбург, г. IX Международная конференция по химии порфиринов и их аналогов, Суздаль, г. IX Международный симпозиум «Гомеостаз и. Красноярск, г. Десятая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых, Москва, г. Научная конференция студентов-физиков, Красноярск, г. Midwest Theoretical Chemistry Conference, Michigan State University, East Lansing, MI, . Результаты работы так же обсуждались на научных семинарах в следующих организациях: Институт физики им. Л.В. Киренского СО РАН (г. Красноярск), Институт биофизики (г. Красноярск), Институт катализа СО РАН (г. Новосибирск), Национальной лаборатории университета штата Айова (AmesLab, г. Эймс, США). Публикации. По материалам диссертации опубликовано статей в реферируемых отечественных журналах, 1 монография. Всего опубликовано работа, включая тезисы и материалы конференций. Работа выполнена при поддержке гранта 6-го конкурса-экспертизы молодежных проектов РАН - гг. Лаврентьевского конкурса молодежных проектов СО РАН - гг. Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Объем работы составляет 3 страниц, включающих рисунок, таблиц и список литературы из наименований.