Новости химической науки > Ферментативный катализ оказался сложнее, чем считалось

Ферментативный катализ лежит в основе огромного количества биохимических процессов, включая фотосинтез, фиксацию азота почвенными бактериями и дыхание Очень часто ферментативный катализ осуществляется кластерами металлов, расположенных в активных центрах ферментов.

Тем не менее, даже сейчас исследователи не обладают всей полнотой информации о работе активных центров ферментов, поскольку не всегда можно непосредственно экспериментально наблюдать процессы, происходящие в них.

В новой работе исследователи из Принстонского университета впервые приводят детальное описание состояния кластеров, состоящих из железа и серы – систем, обычных для активных центров многих ферментов. Такую информацию удалось получить благодаря компьютерному моделированию сложного квантово-механического поведения электронов в кластерах.

Рисунок из Nature Chemistry, 2014; 6 (10): 927 DOI: 10.1038/nchem.2041

Как заявляет руководитель исследования, профессор Гарнет Чан (Garnet Chan), ранее предполагалось, что поведение таких комплексов невозможно моделировать из-за необходимости учитывать слишком многих тонких процессов, единовременно протекающих в ходе ферментативной реакции.

В активном центре фермента происходит реализуется взаимодействие электронов друг с другом, их движение напоминает сложный танец. Для упрощения анализа этого движения исследователям удалось определить общие мотивы перемещения электронов.

Как заявляет Чан, с первого взгляда закономерностей в движении электронов нет, однако для облегчения определения движения электронов в своем «танце» исследователи решили упростить подход – анализировать только то влияние, которое оказывают на электрон его непосредственные соседи. Благодаря такому допущению моделирование процессов, протекающих в активном центре фермента, перестало быть невозможным, хотя и осталось нетривиальной задачей.

С помощью разработанного алгоритма Чану и его соавторам удалось определить, что кластеры, в состав которых входит железо и сера, обладают на порядок большим количеством возможных электронных состояний, чем предполагалось ранее. Это многообразие и может быть причиной разнообразности химических процессов, которые катализируются ферментами с активным центром, состоящим из железо-серных кластеров.

Возможность реализации нескольких типов электронных состояний позволяет говорить о том, что химия ферментативного катализа может оказаться сложнее, чем мы ее представляли. Вполне возможна ситуация, при которой в ходе одной и той же каталитической реакции кластеры железа и серы принимают участие, находясь в различных электронных состояниях, и ферментативная реакция протекает не через один профиль изменения электронной конфигурации, как это рассматривается в рамках традиционной теории каталитических процессов.

Для проверки такой идеи исследователи планируют провести новые расчеты, в которых, помимо электронного строения серо-железных кластеров, планируется изучить строение субстрата и продукта.

Источник: Nature Chemistry, 2014; 6 (10): 927 DOI: 10.1038/nchem.2041

метки статьи: #квантовая химия, #кинетика и катализ