Камфора в свете QM/MM
По просьбе редакции автор предыдущей статьи привел пример задачи, решенной с помощью методов, за которые дали Нобелевскую премию. Работа выполнена немецкими учеными и опубликована в 2004 году в журнале Journal of American Chemical Society (т.126, с. 4017).
Камфора C10H16O — природное вещество, кетон терпенового ряда, входящий в состав многих эфирных масел и широко применяемое в медицине. Хотя камфора и природного происхождения, но для многих организмов, в том числе человеческого, она чужеродное соединение (ксенобиотик). Любые ксенобиотики организм постепенно разлагает и выводит, даже если они дают лекарственный эффект.
Важнейший инструмент разрушения чужеродных веществ — это семейство ферментов под общим названием «цитохром P450». Они относятся к классу гемопротеинов, то есть белков, содержащих гем, а точнее, хорошо известный комплекс порфирина с двухвалентным железом, отвечающий за перенос кислорода в крови, активный центр гемоглобина (самого знаменитого гемопротеина). Есть и другие важные представители этого класса белков. Например, цитохром P450 — универсальный инструмент разрушения ксенобиотиков: он обнаружен почти во всех живых организмах и способен окислять разные органические вещества, вставляя атом кислорода между атомами углерода и водорода: C-H + O = C-OH. Эти ферменты P450 так и называют — универсальная монооксигеназа (добавляющая один атом кислорода).
Как известно, за очищение организма человека отвечает печень, в клетках которой как раз и функционирует монооксигеназная система.
Задача
Почти как в сказке: в белке «карман», в кармане — порфирин, в порфирине — железо, на железе — атом кислорода. Эта связь железо-кислород и есть «игла» — смерть ксенобиотика. В карман попадает вода и камфора, одну из связей которой и окисляет тот самый расположенный на железе кислород. Вопрос состоит в том, как это происходит: в одну или две стадии. Или кислород сразу встраивается между углеродом и водородом через треугольное переходное состояние (C-H-O), или имеет место двухступенчатый механизм, известный как повторное связывание. Сначала камфора отдает атом водорода кислороду, а образовавшийся радикал отсоединяется от активного центра. А затем присоединяется к центру с другой стороны, забирая и водород, и кислород, то есть гидроксильную группу -OH. Экспериментальные наблюдения не дают полной картины, а в чем-то и противоречат друг другу. Поэтому понять, как именно происходит окисление, можно было только с помощью компьютерного моделирования.
Решение
Наша задача — типичный случай для QM/MM. Размер системы «вода, белок и субстрат (камфора)» огромен, около 24 расчетов, а не классических силовых полей. Конечно, можно использовать и силовое поле, но результаты не добавят ясности, а только напустят еще больше тумана.
Ответ на вызов — «разделяй и властвуй», то есть QM/MM. Активный центр и субстрат — а это несколько десятков атомов — описываются с помощью квантового потенциала. Все остальное — белковый «карман» и растворитель — с помощью классических силовых полей. Таким образом, достигается баланс между точностью и полнотой описания.
Все выглядит довольно просто. Однако на деле практика QM/MM расчетов сопряжена с огромным количеством проб и ошибок, а также калибровок теоретических методов — только тогда результатам расчетов можно будет доверять хотя бы на качественном уровне.
Ответ
Ответ однозначен: реакция проходит в две стадии, то есть механизм окисления камфоры включает повторное связывание. Не вдаваясь в тонкости, скажем, что исследователям удалось объяснить все экспериментальные наблюдения, которые, как казалось до моделирования, противоречили друг другу. Причем задача определения механизма монооксигенирования камфоры важнее, чем кажется на первый взгляд: не будем забывать, что P450 — это универсальный фермент, который окисляет множество ксенобиотиков и присутствует в огромном количестве самых различных живых организмов.