Моделирование механизма реакций гидролиза циклических гуанозинмонофосфатов в воде

УДК 517.15

МОДЕЛИРОВАНИЕ МЕХАНИЗМА РЕАКЦИЙ ГИДРОЛИЗА ЦИКЛИЧЕСКИХ ГУАНОЗИНМОНОФОСФАТОВ В ВОДЕ

Н.Н. Андрийченко, М.Г. Хренова, А.В. Немухин, Б.Л. Григоренко

Комбинированным методом квантовой и молекулярной механики рассчитаны равновесные геометрические конфигурации и энергии реагентов и продуктов реакций гидролиза молекул циклических гуанозинмонофосфата (ц-ГМФ) и дигуанозинмонофосфата (ц-ди-ГМФ) в воде.

Ключевые слова: циклические гуанозинмонофосфаты, реакции гидролиза в воде, метод КМ/ММ.

Химические реакции гидролиза, приводящие к переходу циклических форм гуанозинмонофосфата (ц-ГМФ) и дигуанозинмонофосфата (ц-ди-ГМФ) в соответствующие нециклические формы ГМФ и ди-ГМФ, представляют важнейшие природные биохимические процессы. В живых системах за дециклизацию ответственны ферменты семейства фосфодиэстераз, регулирующие концентрацию вторичных посредников ц-ГМФ и ц-ди-ГМФ при передачах сигналов в клетках. Изучение механизмов реакций гидролиза ц-ГМФ и ц-ди-ГМФ в воде необходимо для получения ре-перных данных, относительно которых принято оценивать каталитический эффект ферментов. Подобная стратегия была, в частности, применена при моделировании реакций гидролиза нуклеозидтрифосфатов в воде [1] и в ферментах [2-4].

Результаты предшествующих расчетов энергетических профилей реакций гидролиза ц-ГМФ в воде [5] и в белковой матрице [6] весьма противоречивы и

не дают убедительных ответов на вопросы ни о возможном механизме химических превращений, ни об энергетическом эффекте реакций. На рис. 1 представлена реакция гидролиза ц-ГМФ - в результате взаимодействия молекулы гуанозинфосфата с молекулой воды происходит разрыв связи Р-ОЗ' с присоединением гидроксил-аниона к атому фосфора и протониро-ванием атома кислорода ОЗ'. Формально происходит расщепление единственной реакционной молекулы воды, однако в конденсированной среде необходимо принимать во внимание наличие ориентированных водородными связями цепочек молекул воды, по которым может эффективно осуществляться перенос протонов, облегчая процесс разрыва и образования химических связей [1].

Таким образом, необходимо использовать методику молекулярного моделирования с явным учетом молекул растворителя (воды). Реакционная система, включающая молекулу гуанозинфосфата, а также цепочку

Рис. 1. Реакция гидролиза циклического гуанозинмонофосфата

молекул воды - проводника протонов, окружается объемной сольватной оболочкой из нескольких сотен молекул воды. Расчеты энегетических профилей вдоль реакционного пути проводятся комбинированным методом квантовой и молекулярной механики (КМ/ММ) [7, 8]. Согласно этому подходу, та часть модельной системы, в которой происходят перераспределения химических связей, включается в квантовую подсистему, значения энергии и силы в ней рассчитываются методами квантовой химии. Большинство атомов, окружающих выделенную центральную часть, относятся к молекулярно-механической подсистеме, значения энергии и силы в которой оцениваются с помощью параметров силовых полей. Анализ стационарных точек на поверхности потенциальной энергии, через которые происходит движение ядер от реагентов до продуктов, составляет предмет исследования механизма реакции.

В данной работе модельные системы, содержащие молекулы ц-ГМФ и ц-ди-ГМФ в окружении водных оболочек в кубе со стороной 30 А (для ц-ГМФ) или 45 А (для ц-ди-ГМФ), предварительно анализировали методом классической молекулярной динамики с использованием программы НЛМЭ [9] с силовым полем СИЛЯММ [10]. Рассчитывали траектории продолжительностью до 5 пс с шагом интегрирования 1 фс для канонического ансамбля (ЫУТ) при температуре 300 К. Затем периферийные молекулы воды

Рис. 2. Модельная система для описания реакции гидролиза ц-ди-ГМФ в водном растворе. В цветном изображении этого и следующих рисунков атомы углерода выделены зеленым цветом, кислорода - красным, азота - синим, фосфора -оранжевым

были удалены и оставлены кластеры, состоящие из 301 или 617 молекул воды, полностью окружающих частицы ц-ГМФ или ц-ди-ГМФ соответственно. По результатам анализа молекулярно-динамических траекторий были выбраны те молекулы воды, которые могут участвовать в процессе передачи протонов вдоль водородных связей, осуществляя переход от реагентов к продуктам реакций. На рис. 2 показан общий вид модельной системы для описания реакции гидролиза ц-ди-ГМФ - атомы молекулы дигуанозин-монофосфата изображены шарами, цепочка семи молекул воды, участвующих в реакции, выделена стержнями, а молекулы сольватной оболочки изображены линиями.

В данном случае разделение модельных систем на квантовую и молекулярно-механическую части достаточно очевидно: молекула гуанозинмонофосфата и цепочка ближайших молекул воды (пять для ц-ГМФ и семь для ц-ди-ГМФ), ответственных за перенос протонов, составляют КМ-подсистему, а все остальные молекулы воды - ММ-подсистему. Вычисления значений энергии и силы в КМ-части проводили в приближении теории функционала электронной плотности в варианте Б31УР/сс-рУЭ2. Для описания ММ-части использовали силовое поле СИЛКММ [10]. Для расчетов методом КМ/ММ в варианте внедренного кластера [8] использовали программный пакет NWChem [11], установленный на суперкомпьютере СКИФ-МГУ "Чебы-шев". Была проведена полная оптимизация параметров равновесных геометрических конфигураций реагентов и продуктов в модельных системах, описывающих гидролиз ц-ГМФ и ц-ди-ГМФ.

На рис. 3, 4 представлен механизм реакции гидролиза циклических гуанозинмонофосфатов в водном растворе. В обоих случаях в равновесных конфигурациях реагентов (левые стороны рис.3, 4) четко выделяются цепочки молекул воды, ориентированных водородными связями около фосфатных групп: Wat1-Wat5 для ц-ГМФ и Wat1-Wat7 для ц-ди-ГМФ. Жирными стрелками на рис. 3, 4 изображены направления нуклеофильной атаки ближайших к атому фосфора молекул Wat5 для ц-ГМФ (на расстоянии 3,08 А) или Wat7 для ц-ди-ГМФ (на расстоянии 3,20 А). Результатом взаимодействия является присоединение гидроксил-аниона от Wat5 для ц-ГМФ или от Wat7 для ц-ди-ГМФ к атому фосфора, а протон последовательно передается по цепочке молекул воды до молекулы Wat1. В ре-

Рис. 3. Механизм реакции гидролиза ц-ГМФ в водном растворе. Не показаны молекулы водной оболочки, составляющие ММ-подсистему. Расстояния приведены в А

Рис. 4. Механизм реакции гидролиза ц-ди-ГМФ в водном растворе. Фрагменты молекулы ц-ди-ГМФ изображены стержнями и линиями. Не показаны молекулы водной оболочки, составляющие ММ-подсистему. Расстояния приведены в А

зультате этого переноса по водному проводнику (показано стрелками на левых сторонах рис. 3, 4) протон, исходно принадлежащий молекуле Watl присоединяется к атому кислорода 03' (показано жирными стрелками на левых сторонах рис. 3, 4), завершая дециклизацию гуанозинмонофосфатов. На правых сторонах рис. 3, 4 показаны равновесные геометрические конфигурации продуктов реакций. В обоих случаях атомы фосфора и кислорода 03' расходятся до расстояний более 3 А; в обоих случаях цепочки молекул воды Wat1'-Wat4' (рис.3) или Wat1'-Wat6' (рис. 4), образовавшиеся после переноса протонов, входят в систему водородных связей продуктов реакции в водной среде. По результатам расчетов методом КМ/ММ энергия продуктов реак-

ции гидролиза ц-ГМФ (правая часть рис. 3) ниже энергии реагентов (левая часть рис. 3) на 1,1 ккал/моль. Для димерного гуанозинмонофосфата энергия продуктов (правая часть рис. 4) на 5,6 ккал/моль ниже энергии реагентов (левая часть рис. 4). Таким образом, реакции гидролиза ц-ГМФ и ц-ди-ГМФ в водном растворе должны быть термодинамически выгодны. Предварительные оценки ак-тивационных барьеров на потенциальных поверхностях этих реакций дают величины порядка 20 ккал/ моль, что указывает на возможность подобных химических превращений; однако результаты метода КМ/ММ в варианте внедренного кластера [8] могут быть скорректированы в сторону меньших активаци-онных барьеров при более точных расчетах [12].

При написании данной статьи использованы работы, поддержанные грантом РФФИ (проект № 10-03-00139-а). Авторы выражают благодарность программе СКИФ-ГРИД и Научно-исследовательскому вычислительному центру МГУ имени М.В. Ломоносова за предоставленную возможность использовать

суперкомпьютер СКИФ-МГУ "Чебышев"

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Grigorenko B.L., RogovA. V., Nemukhin A. V. // J. Phys. Chem. B. 2006. 110. P. 4407.

2. Grigorenko B., Nemukhin A., Topol I.A. et al. // Proteins. 2005. 60. P. 495.

3. Grigorenko B., Nemukhin A., Shadrina M. et al. // Proteins. 2007. 66. P. 456.

4. Grigorenko B.L., Rogov A.V., Topol I.A. et al. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2007. 104. P. 7057.

5. ChenX., Zhan C.-G. // J. Phys. Chem. A. 2004. 108. P. 3789.

6. Salter E.A., WierzbickiA. // J. Phys. Chem. B. 2007. 111. P. 4547.

7. WarshelA., LevittM. // J. Mol. Biol. 1976. 103. P. 227.

8. BakowiesD, Thiel W. // J. Phys. Chem. 1996. 100. P. 10580.

9. Phillips J.C., BraunR., Wang W. etal. // J. Comp. Chem. 2005. 26. P.1781.

10. Brooks B.R, Brooks C.L., Mackerell A.D. et al. // J. Comp. Chem. 2009. 30. P. 1545.

11. Kendall R.A., Apr a E., Bernholdt D.E. et al. // Computer Phys. Comm. 2000. 128. P. 260.

12. Немухин A.B., Григоренко Б.Л., ПоляковИ.В. и др. // Вести. Моск. ун-та. Сер. 2. Химия. 2010. 51. С. 427.

Поступила в редакцию 20.01.11

MODELING MECHANISM OF HYDROLYSIS REACTIONS OF THE CYCLIC GUANOSINE MONOPHOSPHATES IN AQUEOUS SOLUTION

N.N. Andriichenko, M.G. Khrenova, A.V. Nemukhin, B.L. Grigorenko

The combined quantum mechanical - molecular mechanical (QM/MM) method is used to characterize the equilibrium geometry configurations and the corresponding energies of the reagents and products of the hydrolysis reactions of the cyclic guanosine monophosphate (c-GMP) and dimeric guanosine monophosphate (c-di-GMP) in aqueous solutions.

Key words: cyclic guanosine monophosphates, hydrolysis reactions in aqueous solution, QM/MM method.

Сведения об авторах: Андрийченко Наталья Николаевна - аспирант химического факультета МГУ (hrompik.omega@gmail.com), Хренова Мария Григорьевна - аспирант химического факультета МГУ (wasabiko13@gmail.com), Немухин Александр Владимирович - профессор кафедры физической химии химического факультета МГУ, лаборатория химической кибернетики; докт. хим. наук (anemukhin@yahoo.com); Григоренко Белла Людвиговна — ст. науч. сотр. лаб. химической кибернетики кафедры физической химии химического факультета МГУ; докт. физ.-матем. наук (bell_grig@yahoo.com).