QUANTUM-CHEMICAL STUDY OF MOLECULAR HYDROGEN BINDING ON [NiFe]-HYDROGENASE ACTIVE SITE

全文:

Постоянный рост цен на традиционные энергоносители и ущерб, наносимый окружающей среде в ходе их использования, делает актуальными исследования, направленные на поиск новых, более эффективных и экологически чистых энергоносителей. В роли одного из них выступает молекулярный водород. Однако на данный момент массовое использование данного энергоносителя является экономически нецелесообразным из-за высокой стоимости производства молекулярного водорода [1]. Одним из способов снижения затрат при производстве водорода может быть использование функциональных моделей гидрогеназы в качестве катализаторов. Гидрогеназы относятся к классу энзимов, способных катализировать процессы окисления и восстановления водорода: 2H+ + 2e- = H2 (1) Каталитическое окисление водорода с использованием гидрогеназы применимо для создания топливных ячеек, которые в будущем могут стать основой для преобразования химической энергии в электрическую [2]. Большое значение приобретают представления о функционировании гидрогеназ также в рамках материаловедения, в частности, при разработке материалов электродов фотобиокаталитических систем на основе наноструктурированных мезопористых пленок TiO2, поверхность которых модифицирована иммобилизированными ферментами [3]. Основные типы гид-рогеназ - это [NiFe]-гидрогеназа [4], [FeFe]-гидрогеназа [5] и [Fe]-гидрогеназа [6]. Наиболее перспективной среди них является [NiFe]-гидрогеназа ввиду того, что это единственный тип гидрогеназы, сохраняющий каталитическую активность в присутствии кислорода [7]. При выделении гидрогеназы из бактерии-носителя данный энзим становится нестабильным и теряет свою каталитическую активность после нескольких каталитических циклов. В послед нее десятилетие был синтезирован ряд соединений, имитирующих активный центр [NiFe]-гидрогеназы. Существует два класса таких соединений. К первому классу относятся структурные модели гидрогеназы [8], ко второму - функциональные модели гидрогена-зы [9]. Все ранее созданные функциональные модели активны лишь в электрохимических условиях, что значительно снижает спектр их возможного применения [10]. Вместе с тем, показано, что структурные модели [NiFe]-гидрогеназы не проявляют каталитической активности [11]. В этой связи важным направлением исследований является определение положения связывания молекулярного водорода, рассмотрение механизма его расщепления, а так же факторов, влияющих на эти процессы. Выяснение положения связывания Н2 является первоочередным для объяснения каталитического механизма, так как данный процесс является начальной стадией каталитического цикла. При изучении свойств активного центра гидроге-назы были использованы модели структур синглетно-го и триплетного состояний активного центра, в которых цистеиновые фрагменты были заменены на тио-метильные группы (рис. 1). На начальном этапе была проведена предварительная оптимизация геометрии комплекса без водорода. Затем, связывание Н2 было изучено посредством оптимизации геометрий структур с различными начальными положениями водорода (рис 2). Они были выбраны на основании исследований, проведенных ранее, указывающих на то, что наиболее вероятными являются положения молекулярного водорода на атоме железа, никеля, а также мостиковое положение между двумя металлами [12-15]. В ходе расчетов рассматривались всевозможные варианты ориентации Н2 относительно комплекса. Оптимизация геометрических параметров комплекса со связанным водородом проводилась до достижения минимального значения 33 Вестник СибГАУ. N 4(50). 2013 энергии, что соответствует образованию устойчивой системы. Таким образом, были определены наиболее выгодные конформеры, которые были рассмотрены в дальнейших расчетах. Оптимизация геометрий представленных структур была осуществлена методами теории функционала плотности B3LYP [16; 17], TPSS [18], PBE [19] с использованием базисного набора функций bs1, состоящего из штудгартского базиса в комбинации с эффективным потенциалом остова ECP10MDF для атомов железа и никеля [20], и набора базисных функции 6-31G(d, p) для других атомов [21]. Данный набор базисных функций показал хорошее соответствие полученных геометрий с экспериментальными величинами при исследовании каталитического цикла с участием Н2 в синтетических комплексах с одиночным никелевым центром [22]. Результаты работы свидетельствуют о том, что связывание молекулярного водорода происходит лишь на атоме железа, как в синглетном, так и три-плетном состоянии активного центра. Вращение ме-тильных групп приводит к появлению двух конфор-меров с различной энергией сорбции. Данный эффект наблюдается как для синглетного (s = 0), так и для триплетного состояний (s = 1) (рис. 3). После оптимизации геометрий и расчета энергий связывания водорода с использованием набора базисных функций bs1, полученные энергии связывания были уточнены при помощи расчетов с использованием набора базисных функций def2-TZVP [23]. Для получения наиболее точной энергии были проведены расчеты энергии нулевых колебаний. Учет данной поправки является крайне важным для систем с большим количеством внутренних координат, в число которых входит активный центр [NiFe]-гидрогеназы со связанным с ним водородом. Расчет энергии связывания проводился по следующей формуле: Есвязывания ЕАЦ+Н2 ЕАЦ EH (2) где Есвязывания - энергия связывания; ЕАц+Н2 - полная энергия активного центра со связанным водородом; ЕАц - полная энергия активного центра; ЕН2 - полная энергия молекулы водорода. Отрицательные значения энергии связывания свидетельствуют об энергетической выгодности присоединения водорода. Положительные энергии присущи системам в метастабильном состоянии. Энергии связывания Н2 на активном центре гидрогеназы для синглетного (рис. 4) и триплетного (рис. 5) состояний активного центра представлены ниже. Синглетное состояние Ł t Триплетиое состояние Рис. 1. Модельные структуры синглетного и триплетного состояний гидрогеназы ^ I л Ni Mo стиковое горизонтальное ^ (MT) ί v - e.^.t Mo етико в о е в ертикально е Mo етико во e пр игщц нято e (MB) (МП) Рис. 2. Начальные положения молекулярного водорода, использованные в ходе геометрической оптимизации: эллипсы на рисунке показывают положения связанного водорода 34 Энергия связывания, Математика, механика, информатика Рис. 3. Конформеры полученные в ходе оптимизации геометрии активного центра со связанным водородом: эллипсы на рисунке показывают основные отличия конформеров между собой 4.00 -7.00 K2 K1 I K2 K1 PBE TPSS B3LYP def2-TZVP def2-TZVP ЭНК Рис. 4. Энергия связывания Н2 на активном центре гидрогеназы в синглетном состоянии 0. -1. -2. -3. -4. -5. -6. -7. -8. -9. -10 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 К2 К1 К2 К1 К 2 К1 □ bs 1 def2-TZVP def2-TZVP ЭНК PBE TPSS B3LYP Рис. 5. Энергия связывания Н2 на активном центре гидрогеназы в триплетном состоянии 35 Вестник СибГАУ. N 4(50). 2013 Из приведенных данных видно, что энергия связывания молекулярного водорода всегда остается выше для второго конформера (К2). Данный тренд сохраняется для всех методов и поправок, как для синглетно-го, так и для триплетного состояний активного центра гидрогеназы. Тем не менее, после учета всех поправок было выявлено, что связывание водорода на активном центре в синглетном состоянии гораздо слабее, чем связывание в триплетном состоянии. После выявления положения связывания молекулярного водорода на активном центре гидрогеназы и установления энергии связывания были исследованы непосредственно механизмы связывания Н2. Как было упомянуто ранее, ни одна из структурных моделей гидрогеназы не способна участвовать в каталитическом процессе. Причиной этого может служить то, что все искусственные модели гидрогеназы, созданные ранее, могут иметь только одно спиновое состояние, в то время как в природе активный центр способен постоянно изменять его. Данный эффект можно объяснить присутствием переходных металлов Fe2+ d6 и Ni2+ d8 в структуре активного центра. Согласно теории кристаллического поля, атом Fe в рассматриваемом комплексе не может менять свое спиновое состояние ввиду того, что он окружен двумя CN - и одной CO-группами, являющимися лигандами сильного поля и вызывающими большое расщепление d-орбиталей. Этот факт делает атом железа предпочтительным центром связывания. Центром, который может менять свое спиновое состояние в данном комплексе, является атом Ni. Изменение спинового состояния Ni приводит к перераспределению электронной плотности, что, в свою очередь, влияет на энергию связывания молекулярного водорода на атоме железа. В результате воздействия протеиновых цепей, окружающих активный центр, лиганды вокруг атома никеля способны вращаться, меняя геометрию комплекса с плоскоквадратной на тетраэдрическую (рис. 6). Изменения в положении лигандов вокруг атома никеля приводят к изменению спинового состояния и иному расщеплению d-орбиталей. Данный процесс, характерный для модели активного центра, представляется ключевым в объяснении каталитической активности природной гидрогеназы. Иными словами, связывание водорода может являться неадиабатическим спин-запрещенным процессом, в ходе которого система, находящаяся вначале в одном спиновом состоянии, претерпевает его изменение в ходе реакции. Кристаллическая структура активного центра [NiFe]-гидрогеназы, полученная методом рентгеновской дифракции, свидетельствует о том, что атом Ni находится в окружении лигандов занимающих промежуточное положение между плоскоквадратным и тетраэдрическим. Данный факт косвенно подтверждает возможность постоянного изменения геометрии активного центра гидрогеназы [24]. Путь реакции неадиабатического связывания молекулярного водорода может быть выражен через торсионный угол φ, описывающий вращение плоскости, образованной двумя лигандами атома никеля, относительно плоскости, образованной двумя другими лигандами (рис. 6). В ранее опубликованной работе было продемонстрировано пересечение кривых потенциальной энергии триплетного и синглетного состояний активного центра [25]. Однако для того, чтобы доказать неадиабатический характер связывания Н2 на активном центре гидрогеназы, необходимо показать, что такое пересечение существует и для системы, состоящей из активного центра и связанного с ним молекулярного водорода. Для изучения кривых потенциальной энергии синг-летного и триплетного состояний активного центра гидрогеназы со связанным с ним молекулярным водородом было использовано два различных подхода к симуляции искажения геометрии активного центра. В соответствии с первым подходом фиксировалось значение угла φ и проводилась последующая оптимизация геометрии каждой точки на пути перехода из плоскоквадратной структуры в тетраэдрическую. Второй подход заключался в использовании фиксированных положений атомов углерода с последующей геометрической оптимизацией для каждой точки (рис. 7). Рис. 6. Изменение геометрии активного центра гидрогеназы с плоской-квадратной на тетраэдрическую и соответствующее расщепление d-орбиталей 36 Математика, механика, информатика Рис. 7. Подходы, использованные для описания искажения геометрии активного центра, вследствие влияния протеиновых цепей Рис. 8. Кривые потенциальной энергии, рассчитанные методами DFT в приближении фиксированного угла В ходе изучения кривых потенциальной энергии синглетного и триплетного состояний активного центра гидрогеназы со связанным с ним Н2 в приближении фиксированного угла, было выявлено, что все использованные методы теории функционала плотности показывают пересечение кривых потенциальной энергии синглетного и триплетного состояний. Это подтверждает возможность неадиабатического спин-запрещенного характера процесса связывания водорода. Результаты расчетов методом TPSS хорошо согласуются с расчетами методом PBE, который, в свою очередь, положительно зарекомендовал себя в исследованиях комплексов, содержащих атом никеля [22]. Однако следует отметить, что несмотря на согласованность между функционалами TPSS и PBE в предсказании угла, соответствующего точке пересечения кривых с минимальным значением энергии (~ 50-55°), B3LYP предсказывает значение, отличное от результата этих методов (~ 25-30°) (рис. 8), поскольку качественно отличается от них наличием поправки к обменной энергии, основанной на методе Хартри-Фока. Причиной скачков энергии на приведенных графиках является изменение положения тиометильных групп, что приводит к вращению свободных электронных пар, локализованных на атомах серы. 37 Вестник СибГАУ. N 4(50). 2013 Рис. 9. Кривые потенциальной энергии, рассчитанные методами DFT в приближении фиксированных атомов углерода В ходе изучения кривых потенциальной энергии в приближении фиксированных атомов углерода было отмечено два важных факта. Во-первых, несмотря на то, что расчеты методами PBE и B3LYP показывают пересечение потенциальных кривых, результаты расчетов методом TPSS демонстрируют его отсутствие. Этот факт, вероятнее всего, обусловлен особенностями метода TPSS, относящегося к классу методов ме-таобобщенного градиентного приближения, что приводит к переоценке энергии синглетного состояния. Во-вторых, метод B3LYP предсказывает не только возможность перехода между двумя состояниями, но и десорбцию водорода при достижении критического угла φ ~ 57°. Более того, расчеты, полученные в приближении фиксированного угла, достаточно хорошо согласованы с результатами, полученными в приближении фиксированных атомов углерода (рис. 9). Также большинство данных хорошо согласуется с расчетами методом PBE, являющимся наиболее достоверным для данного типа систем. Обобщенный анализ полученных в работе данных приводит к единому выводу о характере связывания молекулярного водорода на активном центре [NiFeJ-гидрогеназы. Результаты данной работы указывают на то, что процесс связывания водорода на активном центре [NiFeJ-гидрогеназы носит неадиабатический спин-запрещенный характер. Данный факт может быть использован для объяснения каталитического механизма реакций окисления и восстановления водорода на активном центре гидрогеназы. Более того, выявлен ные результаты указывают на то, что для создания эффективного катализатора, основанного на структурных моделях гидрогеназы, необходимо создавать такие структуры, которые способны к постоянному изменению своего спинового состояния.

作者简介

Danil Kaliakin

Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev

Email: dskalyakin@mail.ru
engineer 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660014, Russian Federation

Sergey Varganov

Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev

Email: svarganov@unr.edu
Candidate of Physical and Mathematical Sciences, senior researcher 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660014, Russian Federation

Aleksandr Lykhin

Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev; Siberian Federal University

Email: alexandr_lykhin@mail.ru
engineer 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660014, Russian Federation; 79, Svobodny Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation

Alexander Kuzubov

Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev; Siberian Federal University

Email: alex_xx@rambler.ru
Candidate of Phisical and Mathematical Sciences, senior researcher 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660014, Russian Federation; 79, Svobodny Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation

Pavel Krasnov

Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev

Email: kpo1980@gmail.com
senior researcher 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660014, Russian Federation

参考

补充文件