P hn mềm gắn kết AutoDock và động lực phân tử GROMACS
4.2.2.Đường năng lượng phản ứng của các mô hình protein
Hình 4.6 và 4.7 cũng chỉ ra các thông số hình học tính ONIOM cho các
mô hình protein. Có thể thấy được trong môi trường protein, các cơ chế phản ứng cho hai phản ứng về cơ bản giống như những gì đã thu được khi sử dụng các mô hình tâm hoạt động. Tuy nhiên, những hàng rào năng lượng cho bước đầu tiên đã tính ở mức ONIOM-ME trong môi trường protein cao hơn so với bước đầu tiên cho các mô hình tâm hoạt động xấp xỉ ~10 kcal/mol (Bảng 4.4).
Hàng rào đã tính được với ONIOM-EE thậm chí còn cao hơn, 37,1 và 26,8 kcal/mol cho phản ứng MC1 và NC1, tương ứng. Hàng rào năng lương cao thu được đối với MC1 là phù hợp với hoạt tính ức chế kém của
127
methicillin đối với PBP2ạ Hơn nữa, hàng rào năng lượng tương đối cao thu được cho phản ứng NC1 chỉ ra rằng vẫn còn có chỗ cho sự cải thiện về hoạt động ức chế của các hợp chất -lactam. Như đã chỉ ra ở trên, tâm hoạt động của enzym bị biến dạng một cách đặc biệt ở nếp gấp 3 và xoắn 2, cũng có thể là một trong những yếu tố gây ra việc kém hiệu quả của các liên kết giữa β-lactam và tâm hoạt động của enzym PBP2ạ 70
Phân tích cẩn thận về mặt tĩnh điện và tương tác van der Waals (vdW) giữa các nguyên tử QM (không bao gồm các nguyên tử kết nối H) và các axit min xung quanh cho thấy ảnh hưởng của yếu tố không gian, theo ước tính từ các năng lượng tương tác vdW đối với RC và TS1, nhất thiết phải thuận lợi cho bước hình thành liên kết C-Ọ Hơn nữa, việc tăng chiều cao rào thế năng trong môi trường protein chủ yếu là do sự tương tác tĩnh điện kém thuận lợi tại TS1.
Bảng 4.5 tóm tắt năng lượng tương tác tĩnh điện (Ees) và vdW (EvdW) đối với RC và TS1 của hai phản ứng. Tương tác giữa phối tử và các axit amin gần đó tại TS1 được minh họa bằng hình vẽ trong hình 4.9. Bền hóa về mặt tĩnh điện của tâm hoạt động hơn 6 kcal/mol tại RC nhỏ hơn tại TS1, trong khi đó sự tương tác vdW là thuận lợi hơn một chút tại TS1.
Các đóng góp chính cho sự bất ổn tĩnh điện này là: w1026 (9,5 kcal/mol), Ser462 (2,6 kcal/mol), Ser403 (2,5 kcal/mol), Ser598 (2,0 kcal/mol), Gly402 (1,5 kcal/mol), và Glu447 (1,3 kcal/mol) cho phản ứng của MC1, và Ser462 (3,6 kcal/mol), Thr600 (3,0 kcal/mol), Lys406 (1,7 kcal/mol), Asn464 (1,4kcal/mol), và w1026 (1,3 kcal/mol) cho phản ứng của NC1. Phân tử nước (w1026) có một tương tác liên kết Hidro với oxy của nhóm cacbonyl của MC1 và oxy của nhóm hydroxyl của Ser403 trong RC. Tuy nhiên, những liên kết Hidro này bị gián đoạn tại TS1, dẫn đến sự bất ổn định tĩnh điện lớn. Ngược lại, w1026 có liên kết Hidro chỉ với oxy của nhóm
128
cacbonyl trong RC của phản ứng NC1, và liên kết Hidro này được giữ lại tại TS1. Vì vậy mà sự bất ổn tĩnh điện gây ra bởi w1026 là ít nghiêm trọng trong phản ứng của NC1. Sự bất ổn gây ra bởi các axit amin khác do các tương tác liên kết Hidro kém hiệu quả hơn ở TS1. Để cải thiện hoạt động ức chế của các hợp chất -lactam này, những ảnh hưởng bất ổn tĩnh điện nên được giảm nhẹ. Một vài axit amin được tìm thấy để làm bền trạng thái chuyển tiếp. Trong phản ứng của MC1, tác động của Lys406 (-4,1 kcal/mol), Thr600 (-2,3 kcal/mol), và Tyr446 (-1,8 kcal/mol) là tương đối lớn, trong khi đó phản ứng của NC1, hiệu quả của Lys597 (-3,3 kcal/mol) là tương đối lớn. Lys406 tạo thành liên kết Hidro với nhóm hydroxyl của Ser403. Chính Lysine này bền hóa TS1 trong phản ứng của NC1, nhưng bất ổn tại TS1 trong phản ứng của MC1. Điều này có lẽ là vì hình thành liên kết C-O ưu tiên hơn trong phản ứng sau, do đó tương tác liên kết Hidro kém hiệu quả hơn. Cũng nên lưu ý rằng tương tác liên kết Hiđro của Lys406 với Ser403 sẽ thấp hơn là khả năng phản ứng đề proton hóa Ser403. Đây là lý do tại sao ONIOM-EE tạo ra các hàng rào cao hơn so với ONIOM-MẸ
Bảng 4.5. Năng lượng tương tác tĩnh điện và tương tác vdW giữa các nguyên tử QM và môi trường Protein (kcal/mol)
RC TS1 MC1 Ees -173.2 -166.3 EvdW -47.2 -47.3 NC1 Ees -127.6 -121.0 EvdW -47.6 -49.3
129
130
So sánh với các hàng rào thu được cho các mô hình tâm hoạt hóa, các hàng rào năng lượng ở bước thứ hai của cả hai phản ứng MC1 và NC1 là thấp, 1,9 và 3,5 kcal/mol, tương ứng, trong các tính toán ONIOM-ME, và các hàng rào biến mất trong các tính toán ONIOM-EẸ Với tất cả các tính toán, vì vậy rút ra nhận xét rằng chính bước đầu tiên (hình thành liên kết C-O) là bước hạn chế tốc độ.