胆碱酯酶催化反应的量子化学研究_残基作用对乙酰胆碱构象及其水解反应的影响

胆碱酯酶催化反应的量子化学研究_残基作用对乙酰胆碱构象及其水解反应的影响 11 No第 1 期东 北 师 大 学 报 自 然 科 学 版 1997 年 1997 JOURNAL OF NORTHEAST NORMAL UNIVERSITY 胆碱酯酶催化反应的量子化学研究 ———残基作用对乙酰胆碱构象及其水解反应的影响 王亚军刘则苏忠民 () 东北师范大学化学系 ,长春 ,130024 李雪梅蔡一枚 () 东北师范大学计算机系 ,长春 ,130024 摘要 采用量子化学 SCF LCAO - MO MNDO 和 CNDO/ 2 方法 ,考查了胆碱酯酶 活性基团的存在对底物乙酰胆碱的构象稳定性的影响. 同时分析了活性基团作 用下乙酰胆碱的水解部位化学键强度 、净电荷分布等的相对变化规律 ,探讨了活 性构象和稳定构象的联系 . 关键词 胆碱酯酶 ;底物 ;构象 ;量子化学 1 引言 4 胆碱酯酶在生物体内普遍存在 ,相对分子质量约为 8 ×10. 它可催化对神经节及节后 纤维等起兴奋作用的乙酰胆碱水解 ,使其酯键断裂 ,水解成乙酸和胆碱 . 一般认为胆碱酯 酶可与底物形成共价复合物 ,从而降低反应活化能 ,加速了水解反应速度. 胆碱酯酶分 子表面有两种能与乙酰胆碱及同系物结合的部 () 位 : 1阴离子部位 ,含有谷氨酸或门冬氨酸残 基的羧酸根离子等 ,呈负电性 ,在催化水解乙酰 () 胆碱过程中与季胺阳离子端结合 ; 2酯解部位 () 活性中心部位,有人认为它是由组氨酸的残 基侧链咪唑基团等构成 ,与乙酰胆碱中羰基碳 〔1,3〕() 原子结合参见图 1. 我们拟在以前工作的基础上 ,采用量子化 学 SCF LCAO - MO 方法 ,从理论上对胆碱酯酶 活性基团对乙酰胆碱构象稳定性的影响进行 图 1 反应体系考查. 同时分析在胆碱酯酶的活性基团作用下 ,乙酰胆碱的水解部位化学键强度 、净电荷 分布等的相对变化规律 ,探讨活性构象和稳定构象的联系. 收稿日期 :1996209208 2 计算模型和方法 () ( ) 乙酰胆碱 Ach的分子模型如图 1 所示. 胆碱酯酶酯解部位的组氨酸残基以咪唑 Im - - () 为模型 ,阴离子部位谷氨酸或门冬氨酸残基以乙酸根离子 Ac 为模型. Ach 、Im 和 Ac 分 别采用量子化学 MNDO 方法进行几何结构全自由度优化 ,初始构型根据文献〔4〕取值 . 在 - () ( ) () 此基础上分别以 aAch 、bAch + Im 和 cAch + Ac? 为复合体系 ,寻找 Ach 与 Im 、Ac 的相 ΦΨ 互作用距离和作用能. 并对 a,c 三者中 、二面角引起的 Ach 构象采用 CNDO/ 2 法进 行计算 , 得 到 势 能 面 图. 全 部 计 算 在 YZ —486 微 型 计 算 机 上 完 成. 绘 图 使 用 CONTOUE L INE 软件 ,选择 MSI 算法. 3 结果与讨论 311 Ach 的稳定构象及其残基的影响 ( ) ( ) 考虑到底物构象在酶催化反应中的作用 ,对于图 1 中 Ach a、Ach + Im b和 Ach + - 6 5 22 5 32 1 () () Ψ ( ) Φ Ac c的乙酰胆碱和其复合体系 ,分别取 ˉNCCOCCOC0 . 0,180 . 0 度变 (ΦΨ ) 化 ,得到以 、为变量的体系势能面图 图 2,给出最稳定的构象结构以及残基与乙酰 () 胆碱间的作用能值 表 1. ΦΨ 图 2 体系 a,c E随、变化的势能面 T 可以看到 , 残基咪唑基团和乙酸根基团与底物乙酰胆碱具有一定的相互作用. 而由 - 于 Im 或 Ac 存在 , 使 Ach 的势能面图发生变化 , 说明酶的存在对于 Ach 的构象结构有 很大影响 , 从而对 Ach 的构象扭转 , 化学键的减弱或增强乃至断裂将起到明显的作用. Ψ Φ 三个体系中的最稳定构象始终保持在 = 18010 度处 , 而 角由 010 度依次变至 3010 、6010 度 . ( ) 表 1体系的总能量及作用能 a u -System Ach Ach + Im Ach + Ac E - 110135894 - 158100564 171663 - 163T ?E 4108607 0118376 残基基团的存在对 Ach 构象的影响可从化学键的双中心作用能值看出 . 表 2 是取定 1 2 2 3 Ψ Φ = 18010 度 ,值在 010,18010 度变化时 , Ach 中 C—O、O—C两个化学键的双中心 - () ()作用能值. 由表 2 数据可以看到 : 1在体系 C 中 ,Ac 基团对 Ach 的化学键影响不大 ; 2 1 2 1 2 2 3 Im 的存在 ,使 C—O值有较明显减弱 ,从而使 C—O与 O—C键造成差异. 这将对催化 1 2 ( ) C —O 键 ,选择水解断裂位置是有作用的 ; 3表 2 和图 2 值比较可知 , E大处 , C—O键 T 强度不一定是最大处. 而体系的稳定主要由 E来衡量 , 水解的难易程度主要由化学键强 T 1 2 2 3 ( Ψ Φ ) 表 2 C—O、O—C键随 变化的双中心作用能值 = 18010 度 , ɑu Φ 010 3010 6010 9010 12010 15010 18010 1 2- 1107062 106959 107181 107171 106966 106824 106790 - 1- 1- 1- 1- 1- 1 C—O a 2 3O—C - 1106029 - 1159969 - 1106476 - 1106813 - 1107020 - 1107166 - 1107207 1 2C—O - 1101592 - 1101387 - 1101586 - 1101580 - 1101343 - 1101162 - 1101126 2 3 b O—C - 1106634 - 1106581 - 1107064 - 1107365 - 1107516 - 1107569 - 1107532 1 2 C—O - 1108095 - 1108065 - 1108488 - 1108637 - 1108586 - 1108567 - 1108577 2 3 c O—C - 1106847 - 1106706 - 1106066 - 1106240 - 1106357 - 1106488 - 1106662 312 体系中原子或基团净电荷分布及其残基的影响 1 体系中原子或基团的净电荷分布示于表 3 中 . 在 a 中 ,实际上是 C荷载了近 014 个正 - 电荷 ,而 N 上只有约 011 . 对于 C 体系 ,Ac 的负电荷仅仅转移了 0117 个 ,且只是主要给了 Ach 中的三个 - Me ,而主链上的原子的净电荷几乎未变. 而 Im 的存在 ,向 Ach 输运了约 1 2 4 0128 个电子 ,且使 C、O、O的净电荷值大幅度改变 ,可见 Im 对 Ach 化学反应部位水解活 Φ 性的影响是很大的 ,这与 Im 对化学键的影响是一致的. 另外 ,随 值等引起的构象变化 , 净电荷值具有一定波动 ,从而说明这种构象变化将对水解活性有一定的影响. ( Ψ ) 表 3 体系中原子和基团净电荷变化 = 180? 010 3010 6010 9010 12010 15010 18010 Φ1 C013967 13969 13952 13942 13949 13960 13972 0000002 O- 012678 - 02652 - 012591 - 012504 012414 - 012353 - 012330 3 011634 011632 011628 011629 011660 011676 011690 Ca 4 - 012772 - 012763 - 012717 - 012667 - 012633 - 012609 - 012603 O5 010696 010691 010676 010650 010626 010626 010634 C6010798 010781 010742 010716 010711 010699 010695 N1C 014811 014801 014710 014792 014803 014825 014836 2 O- 013062 - 013037 - 012974 - 012878 - 012789 - 012725 - 012700 3 C011501 011498 011492 011490 011514 011538 011555 4 - 014798 - 014816 - 014783 - 014737 - 014698 - 014672 - 014657 O b 5 010706 010706 010697 010668 010636 010630 010637 C6 010818 010792 010747 010727 010709 010698 010686 N010316 010322 010314 010306 010298 010289 010276 ( ) N Im012733 012780 012780 012762 012749 012733 012710 Im 1C 013915 013931 013938 013938 013941 013951 013957 2 O- 012479 - 012474 - 012469 - 012445 - 012413 - 012388 - 012379 3 C000000011552 11550 11547 11534 11542 11559 11570 4 - 0- 0- 0- 0- 0- 0- 012757 12791 12819 12829 12831 12827 12825 O5 010655 010655 010647 010623 010604 010607 010614 Cc 6 011022 011008 010970 010951 010943 010934 010931 N- - 015603 - 015601 - 015598 - 015590 - 015594 - 015594 - 015589 )(CAc - - - 011308 - 010127 - 010121 - 010118 - 010115 - 010113 - 010028 () O Ac - - 010036 - 010038 - 010037 - 010033 - 010028 - 010029 - 010114 ( () O Ac - - 018342 - 018341 - 018343 - 018335 - 018337 - 018332 - 018335 ()Ac 313 体系的 FMO 特征及其残基的影响 体系 a,c 的 FMO 能量值示于表 4 中 . 由表 4 可以看到 ,Ach 中 HO 、LU 能级基本保持 - Φ 在 - 0163 和 - 0104 左右 ,随变化很小. 而 Im 、Ac 的存在 ,使 HO 、LU 值均有较大变化. b Φ 体系中的 LU 基本未变 ,而 HO 值升高 ,这将对水解有利. 构象角度 的变化也随能级值 Φ 起伏较大 , 如在 = 9010 度左右 , HO 由 - 0153 变为 - 0148 . Ψ )表 4 FMO 能量的变化( = 18010 度 , ɑu Φ010 3010 6010 9010 12010 15010 18010 a HO - 016454 16412 16396 16353 16332 16326 16326 - 0- 0- 0- 0- 0- 0 - 010346 - 010347 - 010375 - 010446 - 010408 - 010411 - 010411 LU - 014999 - 014960 - 014887 - 015347 - 014811 - 014811 - 014822 b HO - 010222 - 010207 - 010235 - 010262 - 010279 - 010285 - 010297 LU a HO - 013058 - 013061 - 013084 - 013109 - 013118 - 013127 - 013131 + 011229 - 011218 - 011227 - 011231 - 011229 - 011227 - 011227 LU 参 考文 献 1 Sltnlake J B 著 1 药物作用的化学基础 1 沈文梅等译 1 北京 :人民教育出版社 ,北京 ,1982167 永田亲义著 1 量子生物学入门 1 陶宗晋等译 1 上海 :上海科学技术出版社 ,1979125 ,28 2 杨藻宸等编 1 医用药理学 :第二版 1 北京 :人民卫生出版社 ,1987130 3 波普尔著 1 分子轨道近似方法和理论 1 江元生译 1 北京 :科学出版社 ,1976178 4 Quantum Chemistry Study of Cholinestera se : The Infl uence of Residues on the Conf ormation of Acetylcholine and Hydrolysis Reaction Wang Yajun Liu Zhe Su Zhongmin ()Department of Chemistry ,Northeast Normal University ,Changchun ,130024 Li xuemei Chai Yimei ()Department of Computer ,Northeast Normal University ,Changchun ,130024 Abstract In this paper ,the influence of residues on the conformation of acetylcholine and its hy2 drolysis reaction is studied by quantum chemistry SCF LCAO - MO MNDO and CNDO/ 2 methods. The regularities of the change of net charge and bond strength of hydrolysis sites of acetylcholine un2 der existing of active group the relationship of active conformation and stable conformation are analy2 sized. Key words cholinesterase ; residue ;conformation ; quantum chemistry