INFLUENCE OF THE LIGANDS ON THE MOLECULAR HYDROGEN BINDING WITH A HALF-MODEL OF THE [NiFe]-HYDROGENASE ACTIVE SITE

Texto integral

Окисление молекулярного водорода и восстановление протонов посредством [NiFej-гидрогеназы -яркий пример использования переходных металлов в качестве катализаторов для важнейших биологических реакций и промышленных процессов. Часто в роле веществ ускоряющих химическую реакцию выступают дорогие и редкие металлы платиновой группы [1; 2]. В настоящее время ведутся разработки по созданию нового поколения перспективных катализаторов на основе недорогих и широко распространенных переходных металлов, таких как железо или никель. Одним из подходов к их созданию является использование биологических катализаторов, например металлоэнзим [NiFe]-гидрогеназа, способный окислять и восстанавливать молекулярный водород [3; 4]. Благодаря совершенствованию методов рентгеновской дифракции оказалось возможным определение структур металлоэнзимов катализирующих данные реакции [5-7]. Активный центр [NiFe]-гидрогеназы глубоко погружен в молекулу фермента и является достаточно сложной структурой. Можно отметить, что в его синтез одновременно вовлечены АТФ и ГТФ, а также, по крайней мере, 7 различных ферментов. Получение прямых аналогов активных центров гидрогеназ невероятно тяжелая задача на стыке органического и неорганического синтеза [8]. Также большое значение приобретают исследования функционирования гидрогеназ в области материаловедения, в частности при разработке материала электродов фотобиокаталитических систем. Их основой служат наноструктурированные мезопористые пленки TiO2, поверхность которых модифицирована иммобилизированными ферментами [9]. За последние 10 лет был синтезирован ряд структурных моделей активного центра [NiFe]-гидрогеназы [10-12]. Тем не менее оказалось, что эти модели неспособны катализировать окисление водорода. Чтобы понять причину отсутствия каталитической активности, необходимо определить механизм катализа и роль воздействия аминокислотного окружения на активный центр [NiFe]-гидрогеназы. В данной работе была рассмотрена как половинная модель активного центра [NiFe]-гидрогеназы, включающая атом Fe, окруженный двумя цианидными, двумя тиометильными и одной карбонильной группами так и ее различные модификации (рис. 1). На начальном этапе проводилась оптимизация комплексов железа в синглетном и триплетном состоянии, расчеты показали, что энергетически более выгодным является синглетное состояние, данный результат согласуется теорией кристаллического поля. Поэтому в дальнейшем для изучения сорбции водорода было выбрано синглетное состояние комплексов железа. Далее проводилось выявление наиболее энергетически выгодного положения молекулы водорода посредством оптимизации геометрий. При этом в ходе расчетов рассматривались всевозможные варианты ориентации Н2 относительно комплекса. Оптимизация геометрических параметров комплекса со связанным водородом проводилась до достижения минимального значения энергии, что соответствует образованию устойчивой системы. Таким образом, был определен наиболее энергетически выгодный конформер, который и был рассмотрен в дальнейших расчетах. В рамках формализма теории функционала плотности в базисных наборах def2-tzvp и def2-tzvpd была оптимизирована геометрия комплекса двухвалентного железа в синглетном состоянии с помощью обменно-корреляционного функционала PBE и различных гибридных функционалов: PBE0, M06, B3LYP (табл. 1 и 2). Также была использована дисперсионная поправка для PBE [13] и B3LYP функционалов. Расчеты выполнялись в квантовохимическом пакете GAMES [14; 15] до достижения стандартных критериев сходимости. Расчет энергии связывания водорода с активным центром проводился по следующей формуле: Eb _ ЕАЦ + EH2 - EАЦ+H2, (1) где Eb - энергия связывания, Едц+ш - полная энергия активного центра со связанным водородом, ЕАЦ -полная энергия активного центра, EH2 - полная энергия молекулы водорода. Положительные значения энергии связывания свидетельствует об энергетической выгодности присоединения водорода. Отрицательные энергии характеризуют систему, как находящуюся в метастабиль-ном состоянии. Рж. 1. Структуры половинной модели [NiFe]-гидрогеназы оптимизированные PBE без наложения ограничений по симметрии (I) и с симметрией Cs (II) 209 Вестник СибГАУ. N 4(50). 2013 Расширение базисного набора за счет включения диффузных функций приводит к незначительному увеличению энергии связывания. В то же время разные функционалы не вносят существенных изменений в геометрию комплекса. Для выбора функционала, наиболее корректно описывающего данную систему, проводился расчет высокоточным методом связанных кластеров с учетом одинарных, двойных (CCSD) и тройных возбуждений (CCSD(T)) [17] (табл. 3). В соответствии с данными табл. 1 и 3 наиболее согласованными с CCSD(T) являются функционалы PBE и B3LYP, показывающие, что взаимодействие водорода с активным центром приводит к переходу системы в метастабильное состояние. В свою очередь метод Хартри-Фока (HF), теория возмущения второго порядка (MP2) и CCSD переоценивают энергию свя зывания. Введение дисперсионной поправки также дает завышенные результаты, поэтому в дальнейших расчетах она не учитывалась. Функционал PBE был выбран для оценивания влияний лигандов на энергию связывания. Рассмотрение конформера с симметрией Gi (рис. 1) с использованием PBE и базисного набора def2-tzvpd также показало хорошее согласование с методом связанных кластеров. Для исследования влияния природы лигандов на связывание молекулярного водорода с половинной моделью активного центра [NiFe]-гидрогеназы были смоделированы структуры комплексов, в которых варьировалось соотношение между карбонильными и цианидными лигандами. Оптимизированные структуры комплексов с молекулярным водородом [Fe(SCHs)2(CO)s], [Fe^CHsMCNb]3-, [FeCN(SCH3)2(CO)2]1- представлены на рис. 2. Таблица 1 Энергии связывания водорода с активным центром гидрогеназы и длины связи в зависимости от функционала в базисном наборе def2-tzvp Параметры Функционал PBE PBE0 PBE_D M06 B3LYP B3LYP_D Eb(Fe-H2), ккал/моль -2,4 1,5 5,5 2,9 -2,1 -0,3 r(Fe-H7), Â 1,79 1,76 1,79 1,75 1,83 1,83 r(Fe-H8), Â 1,78 1,75 1,78 1,74 1,82 1,81 r(H7-H8), Â 0,80 0,79 0,80 0,80 0,77 0,77 Примечание. В табл. 1 использованы следующие обозначения: PBE_D и B3LYP_D - функционалы с дисперсионной поправкой Гримме третьего поколения [16]. Таблица 2 Энергии связывания водорода с активным центром гидрогеназы и длины связи в зависимости от функционала в базисном наборе def2-tzvpd Параметры Функционал PBE PBE0 B3LYP Eb(Fe-H2), ккал/моль -2,3 1,5 -2,0 r(Fe-H7), Â 1,79 1,76 1,83 r(Fe-H8), Â 1,78 1,75 1,81 r(H7-H8), Â 0,80 0,79 0,77 Таблица 3 Энергии связывания молекулярного водорода с атомом Fe активного центра половинной модели [NiFe]-гидрогеназы, базисный набор def2-tzvp Метод расчета Функционал PBE PBE0 PBE_D M06 B3LYP B3LYP_D PBE* (Cs) HF 3,1 1,0 3,1 -2,6 2,3 2,3 2,6 MP2 0,3 1,2 0,3 3,0 0,8 0,8 1,2 CCSD 0,7 0,3 0,7 0,1 0,4 0,4 1,3 CCSD(T) -1,1 -1,2 -1,1 -1,2 -1,2 -1,2 0,03 Примечание. В табл. 3 использованы следующие обозначения: PBE_D и B3LYP_D - функционалы с дисперсионной поправкой Гримме третьего поколения, PBE* (Cs) - расчет c наложением Сs симметрии и def2-tzvpd базисным набором. 210 Технологические процессы и материалы Рис. 2. Структуры половинной модели [NiFe]-гидрогеназы оптимизированные с помощью функционала PBE: I - [Fe(SCH3)2(CO)3] , II - [Fe(SCH3)2(CN)3]3', III - [FeCN(SCH3)2(CO)2]1- Энергии связывания водорода с активным центром гидрогеназы и длины связи в зависимости от функционала в базисном наборе def2-tzvpd Таблица 4 Параметры Геометрии I II III Eb(Fe-H2), ккал/моль -9,3 0,4 -7,9 r(Fe-H7), Â 1,74 1,66 1,76 r(Fe-H8), Â 1,76 1,66 1,78 r(H7-H8), Â 0,81 0,84 0,81 Для всех структур атом железа находится в октаэдрическом поле лигандов. Оптимизация геометрий и расчет энергий связывания водорода проводились с использованием набора базисных функций def2-tzvpd, кроме того для получения наиболее точного значения энергии, были проведены расчеты энергии нулевых колебаний. Результаты расчетов представлены в табл. 4. Структурам I и III соответствует отрицательная энергия связывания водорода с комплексом. Половинная модель активного центра [NiFe]-гидрогеназы, содержащая три цианидных лиганда характеризуется наибольшей энергией связывания, составляющей 0,4 ккал/моль. В сравнении со свободной молекулой водорода длина связи Н7-Н8 в комплексе увеличилась от 0,74 до 0,84 Â, что свидетельствует об образовании комплекса Кубаса. В связи с этим для модификации структурных аналогов активного центра [NiFe]гидрогеназы перспективным является замещение одного карбонильного лиганд на цианидный. Таким образом, полученные данные могут быть использованы для изучения особенностей механизмов катализа водорода на моделях активных центров ме-таллоэнзимов, содержащих атомы переходных элементов. Малое растяжение связи в молекуле водорода свидетельствует о преобладающем влиянии переноса электронной плотности с лиганда на металл. Несмотря на то, что оба лиганда и цианидный, и карбонильный относятся к лигандам сильного поля, комплекс состава [Fe(SCH3)2(CN)3H2]3- характеризуется наиболее выгодной энергией связывания.

Sobre autores

Anastasiya Eremina

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

Email: dskalyakin@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

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

Mariya Serzhantova

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

Email: dskalyakin@mail.ru
Candidate of Physical and Mathematical Sciences, senior teacher 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660014, Russian Federation

Bibliografia

Arquivos suplementares