P hn mềm gắn kết AutoDock và động lực phân tử GROMACS
4.2.1. Đường năng lượng phản ứng của các mơ hình tâm hoạt hóa
Đường năng lượng của các mơ hình QM tâm hoạt hóa được chỉ ra trong
hình 4.5 (cũng như là Bảng 4.4). Hàng rào năng lượng của phản ứng hình
thành liên kết CO trong phản ứng của tác nhân MC1 cao hơn đối với tác nhân NC1 là 12,5 kcal / mol. Kết quả này phù hợp với kết quả thực nghiệm NC1 có một tốc độ axyl hóa cao hơn so với MC1.38
Các tính tốn chỉ ra tiến trình phản ứng của MC1 với SER403 phản ứng một cách từng bước. Trong bước đầu tiên của phản ứng, liên kết C-O được hình thành và trong bước thứ hai, liên kết N-C sự phân cắt xảy rạ Hình 4.6 và 4.7 cho thấy các cấu hình tối ưu hóa cho các trạng thái trung gian và chuyển tiếp của phản ứng MC1 và NC1, tương ứng. Đối với MC1, trong phức chất phản ứng (RC), khoảng cách giữa Oxy trong nhóm hydroxyl của SERINE và Cacbon trong nhóm cacbonyl của phối tử là 4,26 Å, được rút ngắn xuống còn 1,94 và 1,44 Å ở trạng thái chuyển tiếp (TS1) và trạng thái trung gian (Int),tương ứng. Trong bước đầu tiên hình thành liên kết C-O của phản ứng MC1 (RC chuyển thành Int), proton nhóm OH của Ser403 (mơ hình hố bằng metanol CH3OH) đã được chuyển sang Oxy của nhóm cacboxyl của phối tử, và tại cùng một thời điểm liên kết được thành giữa Oxy của SERINE và nguyên tử Cacbon của nhóm cacbonyl. Vì vậy, nhóm cacboxyl của phối tử tác động như một xúc tác bazơ thúc đẩy q trình đề proton hóa SER403 và tăng cường hoạt tính phản ứng của nó. Điều này khác một cách rõ rệt trong cơ chế có mặt -lactamase, mà
gần đó Glu166 hoặc Lys73 được đề xuất là hoạt động như một chất xúc tác bazơ.50,47,49,48,75 Bởi vì mơ hình tâm hoạt hóa tính tốn khơng đưa vào sự có mặt của amino axit xung quanh, việc sử dụng của một mơ hình enzym đầy đủ có thể cung cấp kết quả khác.
Tuy nhiên, như chúng ta sẽ thấy sau này, SER403 có một liên kết Hiđro thuận lợi với nhóm cacboxyl của phối tử MC1 trong cấu hình ONIOM tối ưu hóa của RC. Hơn nữa, khơng có amino axit Asp hay Glu để một proton của Ser, nước, hoặc Lys có thể được chuyển sang. Vì vậy, có vẻ như có khả năng nhóm cacboxyl của phối tử hoạt động như một xúc tác bazơ trong phản ứng của PBP2ạ trạng thái chuyển tiếp của TS1 proton chuyển từ Ser403 sang nhóm cacboxyl là rất thuận lợi, ý nghĩa, việc tăng cường khả năng ái nhân (nucleophilicity) của nhóm hydroxi serine làm thúc đẩy sự hình thành liên kết C-Ọ Trong bước tiếp theo, liên kết N-C của vòng bốn cạnh của MC1 trong Int được phân tách trải qua trạng thái trung gian thứ 2 là TS2 để tạo thành sản phẩm axyl hóa cuối cùng (P).
Các cấu dạng của phối tử trong (P) cơ bản giống như trong cấu trúc tinh thể, nhưng các định hướng của nhóm cacboxyl vào vịng thiazolidine trong hai cấu trúc là có hơi khác nhau một chút (Hình 4.8). Trong cấu trúc tính
tốn, nhóm cacboxyl hình thành một tương tác cầu muối với Lys597, trong khi ở cấu trúc tinh thể, tương tác này không quan sát thấỵ Trong các cấu trúc này, các cấu dạng của Lys597 hơi khác nhaụ Điều này có thể chỉ ra rằng có sự định hướng lại thêm vào của Lys597 sau khi hình thành P.
Hình 4.5. Đường năng lượng phản ứng (kcal/mol) của các mơ hình QM tâm hoạt hóa
Bảng 4.4. Năng lượng tương đối (kcal/mol) của các phức phản ứng, các trạng thái chuyển tiếp, các trạng thái trung gian, các sản phẩm trong phản ứng của MC1 và NC1 RC TS1 Int (Int’) TS2 (TS2’) P QM MC1 0.0 23.2 10.7 11.5 -10.4 MC1’ 0.0 22.2 -12.6 3.9 -8.8
NC1 0.0 10.7 -23.2 -16.8 -21.9 NC1’ 0.0 16.6 -6.1 -12.9 -12.9 ONIOM- ME MC1 0.0 33.0 17.0 18.9 -18.1 NC1 0.0 21.3 -26.6 -23.1 -31.0 ONIOM- EE MC1 0.0 37.1 23.6 23.5 -6.2 NC1 0.0 26.8 -3.5 -4.5 -16.6
Hình 4.6. Các cấu hình tối ưu (khoảng cách liên kết, đơn vị là Å) trong phản ứng của MC1 trong mơ hình enzym ONIOM(DFT:MM) và mơ hình QM tâm hoạt hóa (trong ngoặc đơn)
Hình 4.7. Các cấu hình tối ưu (các khoảng cách liên kết, đơn vị là Å) trong phản ứng của NC1 với mơ hình enzym ONIOM(DFT:MM) và mơ hình QM tâm hoạt hóa (trong ngoặc đơn)
Cơ chế của phản ứng NC1 là tương tự như MC1 ở một số khía cạnh, nhưng cũng có những điểm khác nhaụ Cấu trúc của TS1 trong phản ứng của NC1 với khoảng cách O(Ser403)•••H (Ser403), H(Ser403)•••O(cacboxyl), và O(Ser403)•••C (cacbonyl) tương ứng 1,18, 1,24 và 1,84 Å, một cách định lượng tương tự như vậy, TS1 trong phản ứng của MC1 với khoảng cách tương ứng là 1,31, 1,18 và 1,94 Å. Tuy nhiên, kiểm tra một cách chi tiết cho thấy các proton di chuyển gần từ SER403 tại TS1 trong phản ứng của NC1, cũng như thu được với mơ hình tâm hoạt động, so với TS1 trong phản ứng của MC1 proton chuyển sang cacboxyl thuận lợi hơn. Mặt khác, khoảng cách O(Ser403)•••C(cacbonyl) trong NC1 ngắn hơn một chút so với MC1 tại TS1, điều này cho thấy rằng hình thành liên kết C-O của phản ứng NC1 dễ dàng hơn MC1 ở TS1. Sau khi hình thành TS1, liên kết N-C ở vòng bốn cạnh dễ dàng bị phá vỡ trong phản ứng của NC1. giai đoạn trung gian tiếp theo (Int '), liên kết N-C được tách hoàn toàn.
Trạng thái trung gian này là khác nhau từ việc phân cắt N-C tạo ra sản phẩm của phản ứng MC1 (P), trong đó proton từ Ser403 là ràng buộc sang cacboxyl trước và chuyển sang với nguyên tử nitơ saụ Proton sau đó được chuyển ở bước thứ hai qua TS2' tới nguyên tử Nitơ để tạo thành một sản phẩm cuối cùng (P) trong phản ứng của NC1. Một ký hiệu ' được sử dụng trong TS2’ và Int', để chỉ ra rằng bản chất của chúng là khác nhau từ các thành phần tương ứng trong phản ứng của MC1. Trong phản ứng MC1, liên kết N-C không bị phá vỡ tại Int và TS2 liên quan đến sự phân cắt đồng thời liên kết N-C và chuyển dịch proton (Hình 4.6). Ngược lại, liên kết N-C đã bị phá vỡ ở Int' trong phản ứng của NC1, và TS2' chỉ đặc trưng duy nhất là chuyển proton từ cacboxyl sang Nitơ (Hình 4.7).
Hình 4.8. Chồng chập vị trí cấu trúc X-ray (mã 1MWU theo PDB) và cấu trúc sản
phẩm tối ưu (P) bằng ONIOM (màu đỏ của các nguyên tử Cacbon, quả c u màu trắng là cấu trúc X-ray, và dạng que là cấu trúc ONIOM)