TEORETICK… STUDIUM INTERAKCÕ PÿECHODN›CH KOVŸ S … · pomocÌpokroËil˝ch kvantovÏ-chemick˝ch metod vyplynulo, ûetakovÈpÌkybymohlyv[Co(H 2 O) 6] 2+existovat,aleze...

TEORETICK… STUDIUM INTERAKCÕ PÿECHODN›CH KOVŸS BIOMOLEKULAMI

LUBOMÕR RULÕäEK

⁄stav organickÈ chemie a biochemie, Akademie vÏd »eskÈrepubliky a V˝zkumnÈ centrum komplexnÌch molekulov˝chsystÈm˘ a biomolekul, Flemingovo n·m. 2, 166 10 Praha 6,e-mail: [email protected]

Doölo dne 4.IV.2001

KlÌËov· slova: p¯echodnÈ kovy, metaloproteiny, interakce,teoretickÈ studium

Obsah

1. ⁄vod2. Studium interakcÌ p¯echodn˝ch kov˘

s mal˝mi molekulami3. Interakce p¯echodn˝ch kov˘ s b·zemi nukleov˝ch

kyselin, nukleotidy a fragmenty RNA a DNA4. Struktura, funkce a spektroskopickÈ chov·nÌ

vazebn˝ch mÌst kov˘ v metaloproteinech5. Perspektivy kvantovÈ bioanorganickÈ chemie6. Z·vÏr

1. ⁄vod

Tento souhrnn˝ Ël·nek volnÏ navazuje na refer·t, t˝kajÌcÌse obecn˝ch problÈm˘ p¯i teoretickÈm studiu systÈm˘ obsa-hujÌcÌch p¯echodnÈ kovy a metodiky jejich kvantovÏ-chemic-k˝ch v˝poËt˘1. NynÌ p˘jde o shrnutÌ v˝sledk˘ p¯esn˝ch v˝-poËt˘ proveden˝ch na tÏchto systÈmech, tedy o aplikaci me-tod. Nezbytn˝m z·kladem pro pochopenÌ sloûitÏjöÌch systÈm˘je porozumÏnÌ struktur·m menöÌch komplex˘ obsahujÌcÌchp¯echodnÈ kovy a interakci kov˘ s mal˝mi ligandy (˙vodnÌkapitola). DalöÌ Ë·st je zamÏ¯ena na novÈ poznatky v oblas-ti interakcÌ b·zÌ nukleov˝ch kyselin, nukleotid˘, fragment˘DNA a RNA s kationty p¯echodn˝ch kov˘. »tvrtou kapitolurefer·tu vÏnuji struktu¯e, funkci a spektroskopickÈmu chov·nÌvazebn˝ch mÌst kov˘ v proteinech a interakcÌm p¯echodn˝chkov˘ s aminokyselinami a v z·vÏru nastÌnÌm perspektivykvantovÈ bioanorganickÈ chemie, oboru, kter˝ v poslednÌchpÏti letech prodÏlal v˝znamn˝ rozvoj.

2. Studium interakcÌ p¯echodn˝ch kov˘s mal˝mi molekulami

Komplexy p¯echodn˝ch kov˘ s mal˝mi molekulami sedajÌ podle charakteru vazby rozdÏlit p¯ibliûnÏ do dvou skupin:i) OrganokovovÈ komplexy s koordinaËnÏ-kovalentnÌ vaz-bou. Pro tyto slouËeniny je charakteristick˝ velk˝ p¯enosn·boje mezi ligandem (donor elektron˘) a kovem (akceptor

elektron˘) s n·slednou zpÏtnou donacÌ. Vazebn· situace sepopisuje pomocÌ Dewarova-Chattova-Duncansonova mode-lu2,3. Typick˝mi ligandy jsou alkeny, alkiny, karbeniovÈ ionty,kyanidovÈ anionty, karbonyly a jim p¯ÌbuznÈ slouËeniny. ii)Komplexy s p¯ev·ûnÏ iontov˝m charakterem. Zde nedoch·zÌk velkÈmu p¯enosu n·boje a jednotlivÈ komponenty v systÈmu(kov, ligandy) si do znaËnÈ mÌry zachov·vajÌ sv˘j charakter.Typick˝mi ligandy jsou molekuly s voln˝mi elektronov˝mip·ry, nap¯Ìklad H2O, H2S, NH3, halogenidovÈ anionty a jimchemicky p¯ÌbuznÈ slouËeniny.

Jelikoû tÈmÏ¯ vöechny ligandy, vyskytujÌcÌ se jako vazeb-nÈ funkËnÌ skupiny v biomolekul·ch, pat¯Ì do druhÈ skupiny,bude pozornost zamÏ¯ena pr·vÏ na ni (v˝jimkou je t¯Ìda NiñFebakteri·lnÌch hydrogenas, u kterÈ jak rentgenov· strukturnÌanal˝za4, tak infraËerven· spektroskopie5 odhalily zcela p¯e-kvapivÈ a v biochemii bezprecedentnÌ ligandy ñ CNñ a CO).P¯ÌpadnÈ z·jemce o teoretick· studia organokovov˝ch kom-plex˘ s vyuûitÌm pro katal˝zu nebo pr˘myslovÏ d˘leûitÈ reak-ce odkazuji na rozs·hlÈ souhrnnÈ Ël·nky6,7.

Z druhÈ skupiny je nejËastÏji studovan˝m ligandem voda.D˘vodem je jistÏ fakt, ûe vÏtöina koordinaËnÌ chemie se ode-hr·v· ve vodnÈm prost¯edÌ a aquakomplexy se dajÌ povaûovatza standardnÌ stav kationt˘ p¯echodn˝ch kov˘. Z v˝poËetnÌhohlediska navÌc pat¯Ì mezi menöÌ systÈmy, a proto lze pro jejichstudium pouûÌt p¯esn˝ch metod. PrvnÌm krokem k porozumÏ-nÌ fyzik·lnÏ-chemick˝m vlastnostem je v˝poËet vazebn˝chenergiÌ, vazebn˝ch vzd·lenostÌ a efekt˘ ligandovÈho pole prohexahydratovanÈ ionty kov˘ (coû je pro vÏtöinu z nich stav, vekterÈm se ve vodÏ vyskytujÌ).

Proto byly jiû v prvnÌ polovinÏ 90. let provedeny v˝poË-ty na ˙rovni SCF (p¯ÌpadnÏ CAS SCF pro systÈmy s dege-nerovan˝m z·kladnÌm stavem) a zÌsk·ny teoretickÈ vazeb-nÈ energie a vazebnÈ vzd·lenosti MeñO izolovan˝ch klastr˘[Me(H2O)6]

c+, kde Me = Sc2+, Sc3+,Ö, Cd2+, Cd3+ (cit.8,9). Prooktaedricky koordinovanÈ komplexy sleduje z·vislost vypoË-ten˝ch vazebn˝ch energiÌ na rostoucÌm atomovÈm ËÌsle (v da-nÈ periodÏ p¯echodn˝ch kov˘) k¯ivku s dvÏma vrcholy (obr. 1),tedy v z·sadÏ stejnÈho tvaru, jakou poskytnou experiment·lnÏnamÏ¯enÈ solvataËnÌ entalpie.

Jedinou v˝jimkou je kation Ca2+, kde je odchylka patrnÏzp˘sobena vyööÌm koordinaËnÌm ËÌslem v roztoku. Tyto tren-dy se kvalitativnÏ vysvÏtlujÌ pomocÌ teorie krystalovÈho po-le10, neboù vazba kovñligand je p¯ev·ûnÏ iontov·, d-orbitalyna kovu si zachov·vajÌ sv˘j charakter, a tudÌû p¯edpoklady tÈtoteorie jsou splnÏny. V oktaedrickÈm krystalovÈm poli pakdoch·zÌ k rozötÏpenÌ jejich energetick˝ch hladin na t¯ikr·tdegenerovanou hladinu t2g a dvakr·t degenerovanou eg, coûm· za n·sledek dodateËn˝ energetick˝ p¯ÌspÏvek k celkovÈenergii molekuly, tzv. LFSE (ligand field stabilization energy,pokles celkovÈ energie molekuly v d˘sledku rozötÏpenÌ ener-gie d-orbital˘ polem okolnÌch ligand˘). D·le toto rozötÏpenÌd·v· vzniknout elektronov˝m spektr˘m d-d p¯echod˘ ve vidi-telnÈ a ultrafialovÈ oblasti a u nÏkter˝ch komplex˘ tÈû Jahno-vÏ-TellerovÏ distorzi (pramenÌcÌ z degenerace z·kladnÌho mo-lekulovÈho stavu). Ukazuje se vöak, ûe snÌûenÌ celkovÈ energiev d˘sledku Jahnovy-Tellerovy distorze je zanedbatelnÈ ve

Chem. Listy 96, 132 ñ 144 (2002) Refer·ty

132

srovn·nÌ s energetick˝mi p¯ÌspÏvky poch·zejÌcÌmi od ligando-vÈho pole. V krajnÌm p¯ÌpadÏ je d˘sledkem rozötÏpenÌ d-or-bital˘ zmÏna z·kladnÌho stavu iontu kovu z vysokospinovÈho(neboù voda je ligandem, kter˝ vytv·¯Ì slabÈ krystalovÈ pole)na nÌzkospinov˝, jak se dÏje nap¯Ìklad u [Co(H2O)6]

3+, kdez·kladnÌm stavem je singlet s form·lnÌ elektronovou konfigu-racÌ (t2g)

6(eg)0. KoneËnÏ poslednÌm pouËenÌm z proveden˝ch

v˝poËt˘ je poznatek, ûe trendy ve vazebn˝ch energiÌch lzev prvnÌm p¯iblÌûenÌ p¯Ìmo korelovat s experiment·lnÌmi ental-piemi. V p¯esnÏjöÌ aproximaci lze p¯idat pomocÌ Bornova-Ha-berova termodynamickÈho cyklu rozdÌl solvataËnÌch energiÌmezi reaktanty a produkty a dostat se v absolutnÌ stupnici blÌûek experiment·lnÌm entalpiÌm.

Co se t˝Ëe reaktivity a dynamiky aquakomplex˘, d˘leûitoureakcÌ je v˝mÏna molekuly vody v prvnÌ koordinaËnÌ sfÈ-¯e. SubstituËnÌ mechanismy byly klasifikov·ny Langdorfema Grayem11 pomocÌ symbol˘ A, Ia, Id, D. Symboly A, DznamenajÌ asociativnÌ nebo disociativnÌ mechanismus, tedyzda reakce probÌh· p¯es hepta- nebo pentakoordinovanÈ me-ziprodukty; Ia, Id pak rozliöujÌ mezi souËasnou z·mÏnou ligan-

d˘ (concerted mechanism) s asociativnÌm Ëi disociativnÌmcharakterem. TeoretickÈ studie tÏchto mechanism˘12,13se opÌ-rajÌ o disociaËnÌ energii öestÈ molekuly vody v komplexu p¯idisociativnÌm mechanismu a vazebnou energii sedmÈ, p¯istu-pujÌcÌ vody p¯i asociativnÌm mechanismu. TÏmito veliËinamise aproximuje skuteËn· aktivaËnÌ energie ∆E¹, kter· vystupujejako smÏrnice p¯Ìmky v ArrheniovÏ diagramu a koreluje s ex-periment·lnÌ aktivaËnÌ entalpiÌ ∆H¹. Pomocnou veliËinou je∆V¹, tedy zmÏna mol·rnÌho objemu p¯i aktivaci. Tato veliËinasice nepat¯Ì mezi kvantovÏ-mechanickÈ veliËiny, avöak z je-jÌch experiment·lnÌch hodnot lze usoudit na reakËnÌ mecha-nismus (∆V¹ > 0 indikuje asociativnÌ, ∆V¹ < 0 disociativnÌ).I p¯i kvantovÏ-chemickÈm v˝poËtu se dajÌ nalÈzt rozumnÈdefinice tÈto veliËiny, takûe jejÌ vyhodnocenÌ poskytuje teore-tickou p¯edpovÏÔ, jak˝m mechanismem pro ten kter˝ kovz·mÏna molekuly vody probÌh·. Lze prohl·sit, ûe divalentnÌp¯echodnÈ kovy z prvnÌ periody s vÏtöÌm poËtem d-elektron˘(Fe2+,Ö, Zn2+) preferujÌ disociativnÌ mechanismus, zatÌmcokovy z poË·tku tÈto ¯ady (Sc3+, Ti3+, V2+/3+, Cr3+) preferujÌasociativnÌ mechanismus.

Deprotonizace jednÈ nebo nÏkolika molekul vody v aqua-komplexech vede ke vzniku hydroxokomplex˘. ZatÌmco pKamolekuly vody ve vodnÈm prost¯edÌ je p¯ibliûnÏ 15,7, p¯ivazbÏ na kov se sniûuje o nÏkolik jednotek14. TÌm hydroxo-komplexy nab˝vajÌ na v˝znamu nejen samy o sobÏ, ale jakonejjednoduööÌ modely pro interakci deprotonizovan˝ch funkË-nÌch skupin (vËetnÏ protick˝ch aminokyselinov˝ch zbytk˘)s ionty p¯echodn˝ch kov˘. D·le lze na p¯Ìkladu hydroxokom-plex˘ studovat zajÌmav˝ jev, tzv. trans-efekt15. Trans-efektemse rozumÌ rozdÌln· kinetick· a termodynamick· stabilita cis-a trans-isomer˘ danÈho komplexu. V chemickÈ praxi se tÏchtoznalostÌ pouûÌv· k vytvo¯enÌ empirick˝ch pravidel pro dirigo-v·nÌ n·slednÈ substituce do cis- nebo trans-polohy k danÈmuligandu, zejmÈna u ËtvercovÏ plan·rnÌch komplex˘ kationtuplatiny (II). Jev byl studov·n i teoreticky na p¯Ìkladech nÏ-kolika neutr·lnÌch komplex˘ typu Me(OH)n(H2O)6ñn (Me =Mn(III), Mn(IV), Mn(V), Fe(II), Fe(III), Fe(IV); n je takovÈ,aby byl komplex elektroneutr·lnÌ) a nÏkolika oxo-komplex˘tÏchto kov˘16. V souladu s oËek·v·nÌm bylo zjiötÏno, ûe pronÏkterÈ oxo-komplexy je dokonce preferov·na penta-koordi-nace kv˘li silnÈmu trans-efektu oxo-skupiny, vedoucÌmu k di-sociaci protilehlÈho ligandu.

Celou dalöÌ oblastÌ aplikacÌ kvantovÏ-chemick˝ch v˝poËt˘na malÈ komplexy p¯echodn˝ch kov˘ iontovÈho charakteru jestudium jejich spektroskopick˝ch vlastnostÌ. ZatÌmco elektro-nov· spektra hexaaqua-, hexaammin-, hexafluorokomplex˘byla zmÏ¯ena p¯ed mnoha lety, jejich interpretace pomocÌkvantovÏ-chemick˝ch metod je st·le aktu·lnÌ. CÌlem je nejenv˝poËetnÏ zreprodukovat namÏ¯en· spektra, ale tÈû identifi-kovat p˘vod namÏ¯en˝ch elektronov˝ch excitacÌ. Tak bylanap¯Ìklad vypoËtena d-d elektronov· spektra pro CoO v pevnÈf·zi, na CoO (100) povrchu, a u oktaedrick˝ch Co2+ komple-x˘17. Velmi zajÌmav· je v tomto ohledu pr·ce pojedn·vajÌcÌv detailech o spektru hydratovanÈho iontu Co2+ (cit.18). Elek-tronovÈ spektrum Co2+ ve vodÏ vykazuje dva öirokÈ absorpËnÌpÌky, jeden okolo 8000 cmñ1 a druh˝, strukturovan˝, oko-lo 20 000 cmñ1. V nÏm lze dekonvolucÌ rozliöit dva pÌky:19 400 cmñ1 a 21 550 cmñ1. TÈmÏ¯ bez jak˝chkoliv dalöÌchpochyb byly tyto pÌky p¯isuzov·ny d-d elektronovÈ excitaciv oktaedrickÈm komplexu [Co(H2O)6]

2+, coû je dominantnÌforma iontu Co2+ ve vodÏ. Z velmi peËlivÈ studie provedenÈ

Obr. 1. Z·vislost celkovÈ vazebnÈ energie, ∆Eb (∆Eb = E{Men+(g)}+ 6E{H2O(g)} ñ E{[Me(H2O)6]

n+(g)}) pro hexaaquakomplexy di-valentnÌch (a) a trivalentnÌch (b) kationt˘ prvnÌ ¯ady p¯echod-n˝ch kov˘ na rostoucÌm atomovÈm ËÌsle. Trendy sledujÌ vzr˘stajÌcÌk¯ivku (danou zmenöujÌcÌm se iontov˝m polomÏrem kov˘ s vyööÌmatomov˝m ËÌslem) se dvÏma vrcholy v d˘sledku LSFE (ligand fieldstabilization energy)

Ca Ti V Cr Zn

320

240

280

200Sc

∆Eb,

kcal.molñ1

Mn Fe Co Ni Cu

GaTi V Cr Zn

580

500Sc

∆Eb,

kcal.molñ1

Mn Fe Co Ni Cu

660

b

a


133

pomocÌ pokroËil˝ch kvantovÏ-chemick˝ch metod vyplynulo,ûe takovÈ pÌky by mohly v [Co(H2O)6]

2+ existovat, ale zesymetrick˝ch d˘vod˘ musÌ mÌt tÈmÏ¯ nulovou intenzitu. Anidistorze tohoto komplexu, poruöujÌcÌ symetrii, v˝raznÏ nezvy-öujÌ jejich intenzitu. Z·roveÚ bylo nastÌnÏno nÏkolik dalöÌchmoûnostÌ, t˝kajÌcÌch se p˘vodu tÏchto elektronov˝ch excitacÌ.Jako moûnÈ Ë·stice byly uvedeny aquakomplexy s niûöÌmkoordinaËnÌm ËÌslem Ëi hydroxokomplexy, jeû jsou sice za-stoupeny zanedbatelnÏ, avöak jejich elektronovÈ excitace majÌvyööÌ intenzitu. Z·vÏry pr·ce nelze br·t v ultimativnÌm duchu,spÌöe jako moûn˝ popud pro experiment·lnÌ snahu o jejichpotvrzenÌ Ëi vyvr·cenÌ.

V naöÌ laborato¯i jsme se tÈû zab˝vali spektry Co2+, hlavnÏpak vlivem poruöenÌ oktaedrickÈ symetrie substitucÌ vody zajednu Ëi dvÏ funkËnÌ skupiny z mnoûiny {CH3OH, CH3NH2,CH3SH}, tedy skupin reprezentujÌcÌch jednoduchÈ modelyaminokyselinov˝ch postrannÌch ¯etÏzc˘19. Doöli jsme k z·vÏ-ru, ûe aË je ötÏpenÌ p˘vodnÏ degenerovan˝ch hladin malÈ (¯·dustovek cmñ1), jednotlivÈ stavy se nek¯ÌûÌ a kaûd˝ z nich jedominantnÏ tvo¯en jednou elektronovou konfiguracÌ, coû m·kromÏ d˘sledk˘ pro spektroskopii i velk˝ v˝znam pro prov·-dÏnÌ kvantovÏ-chemick˝ch v˝poËt˘ na tÏchto systÈmech. NenÌasi nutnÈ na z·vÏr tohoto odstavce p¯ipomÌnat, jak velkou˙lohu hraje porozumÏnÌ spektr˘m mal˝ch komplex˘ p¯echod-n˝ch kov˘ pro teoretickÈ i experiment·lnÌ studium spektro-skopick˝ch vlastnostÌ vazebn˝ch mÌst kov˘ v biomolekul·ch.

DalöÌ zajÌmavou informacÌ, kterou poskytujÌ studie aqua-komplex˘, je preference pro danÈ koordinaËnÌ uspo¯·d·nÌ. Zdeje nutno, na rozdÌl od p¯edeöl˝ch pracÌ, uvaûovat a mezi sebouporovn·vat r˘znÈ koordinaËnÌ geometrie. Toto porovn·nÌ vöaknenÌ zdaleka trivi·lnÌ, neboù problÈmem je schopnost chemic-

kÈho modelu (izolovanÈho systÈmu [Me(H2O)n]c+) korelovat

s tak vzd·lenou a nep¯Ìliö rigorÛznÏ definovanou veliËinou,jakou je afinita kovu k danÈ koordinaËnÌ geometrii. Je tedynutno buÔ d˘kladnÏ zahrnovat vliv okolÌ, v nejjednoduööÌmp¯ÌpadÏ hydrataci systÈmu, nebo porovnat nÏkolik kov˘ v nÏ-kolika koordinaËnÌch uspo¯·d·nÌch mezi sebou navz·jem.PrvnÌ p¯Ìstup byl zvolen v pr·ci zab˝vajÌcÌ se hydratacÌ iont˘Be2+, Mg2+, Ca2+, Zn2+ (cit.20). PomocÌ trend˘ v p¯Ìr˘stcÌchvazebn˝ch energiÌch p¯ipadajÌcÌch na jednu molekulu vodyjejich postupn˝m p¯id·v·nÌm aû k vysycenÌ prvnÌ koordinaËnÌsfÈry a d·le k hypotetickÈmu vzniku druhÈ solvataËnÌ sfÈry,byly tÏmto iont˘m p¯ips·ny preferovanÈ koordinaËnÌ geome-trie ve vodnÈm prost¯edÌ. Druh˝ p¯Ìstup byl zvolen p¯i studiiprovedenÈ v naöÌ laborato¯i21. Studovali jsme komplexaËnÌenergie öesti kationt˘ (Co2+, Ni2+, Cu2+, Zn2+, Cd2+, Hg2+)s vazebn˝m mÌstem (H2O)n uspo¯·dan˝m v line·rnÌ (n = 2),tetraedickÈ, ËtvercovÏ plan·rnÌ (n = 4) a oktaedrickÈ (n = 6)koordinaËnÌ geometrii. V˝sledky jsou zn·zornÏny na obr·zku 2.

Z obr·zku jsou patrnÈ trendy, kterÈ kvalitativnÏ souhlasÌse z·vÏry rozs·hlÈ studie analyzujÌcÌ preferovanÈ koordinaËnÌgeometrie v experiment·lnÏ zmÏ¯en˝ch struktur·ch mal˝chmolekul a metaloprotein˘22. Z nÌ vypl˝v·, ûe Co2+ a Ni2+

preferujÌ oktaedrickÈ uspo¯·d·nÌ, Cu2+ ËtvercovÏ plan·rnÌ,Zn2+ tetraedrickÈ, Hg2+ line·rnÌ, Cd2+ tetraedrickÈ a oktaedric-kÈ.

ZatÌm byla pozornost vÏnov·na hlavnÏ aqua- (v malÈmÌ¯e tÈû hydroxo-) komplex˘m. Ligandy, bÏûnÏ se vyskytujÌcÌv bioanorganickÈ chemii, majÌ jako donorovÈ atomy p¯ev·ûnÏsÌru, dusÌk, a kyslÌk. KromÏ vody jsou (ve vztahu k interakcÌmkov˘ s biomolekulami) zajÌmav˝mi ligandy amoniak (NH3),thioly (RSH), thiol·ty (RSñ) a thioethery (RSRí), karboxylo-

Obr. 2. RelativnÌ komplexaËnÌ energie divalentnÌch (2+) kationt˘ jednotliv˝ch kov˘ v r˘zn˝ch koordinaËnÌch geometriÌch

ñ80

ñ120

oktaedrickÈ

ñ40

Hg

Cd

Ni

Zn

0

40

80Cd

ñ (Me),

kcal.mol

EGmñ1

ZnCo

Ni Cu

CoCu

Hg CdZnCo Ni

Cu

Hg

Cd

Zn

CoNi Cu

Hg

tetraedrickÈ ËtvercovÏplan·rnÌ

line·rnÌ


134

vÈ kyseliny (RCOOH) a jejich anionty (RCOOñ), alkoholy(ROH) a alkohol·ty (ROñ). O nÏkolika studiÌch pojedn·vajÌ-cÌch o interakcÌch tÏchto ligand˘ s kationty p¯echodn˝ch kov˘se nynÌ struËnÏ zmÌnÌme.

Velmi pÏknou a instruktivnÌ pr·ci t˝kajÌcÌ se reakËnÌhomechanismu Co+(3F,5F) s NH3 publikovali Taketsugu a Gor-don23. DÌky multikonfiguraËnÌmu charakteru danÈho problÈ-mu museli pouûÌt velmi pokroËilÈ metody MR-CI. V prvnÌmkroku vytvo¯Ì reaktanty ion-molekulov˝ komplex CoNs vazebnou energiÌ 49 (triplet) a 45 (kvintet) kcal.molñ1. Pos-lÈze je aktivov·na vazba NñH, coû vede k meziproduktuHñCoñ , kter˝ je o 60 (triplet) a 44 (kvintet) kcal.molñ1

energeticky v˝öe. PotÈ n·sleduje ötÏpenÌ vazby CoñN neboCoñH a vytvo¯enÌ HCo+ + NH2 nebo H + CoN . Oba dvareakËnÌ kan·ly (pro triplet i kvintet) jsou endotermickÈ (54 aû64 kcal.molñ1), v dobrÈm souladu s experimentem. Tato pr·-ce poukazuje na nutnost pouûitÌ velmi n·roËn˝ch v˝poËet-nÌch metod pro dosaûenÌ kvantitativnÌ shody s experimentema p¯edstavuje pouËn˝ p¯Ìklad studia reakËnÌho mechanismu.Podobn˝m postupem, avöak s pouûitÌm metod DFT, je ¯e-öen problÈm aktivace OñH vazby atomem Ni v methanolu(CH3OH)24. V˝poËty vazebn˝ch energiÌ jednÈ Ëi dvou molekulamoniaku se vöemi monovalentnÌmi kationty prvnÌ ¯ady p¯e-chodn˝ch kov˘ a srovn·nÌ amminkomplex˘ s jejich aquaana-logy jsou n·mÏtem jinÈ studie25, jejÌû v˝sledkem jsou odhadyafinity tÏchto dvou molekul (H2O, NH3) ke studovan˝m ko-v˘m. Povaha vazby CuñN v komplexech Cu+ s NH3, CH3NH2,NHCH2, HCN je n·plnÌ pr·ce26, kter· demonstruje pouûitÌpopulaËnÌch anal˝z: Baderovy anal˝zy AIM a anal˝zy NBO1.Z dalöÌch pracÌ lze uvÈst teoretickÈ studium fotolytick˝chprodukt˘ molekul Cu(H2O) a Cu(NH3) (cit.27), studium vazbyamoniaku na atom mÏdi, jeho dimer (Cu2) a trimer (Cu3) (cit.28)a studium v˝mÏnnÈ reakce Co , kterÈ ukazuje odvo-zenÌ kinetick˝ch rovnic a v˝poËet rychlostnÌch konstant proprocesy, ve kter˝ch vystupujÌ koordinaËnÌ slouËeniny29. Tentov˝Ëet, kter˝ si neËinÌ n·rok na ˙plnost, bych zakonËil pouka-zem na studii, kter· m· p¯Ìm˝ vztah ke zp˘sobu vazby karbo-

xyl·t˘ (Aspñ, Gluñ) v metaloproteinech obsahujÌcÌch zinek(II)30. Vazba se m˘ûe realizovat Ëty¯mi zp˘soby: bident·tnÏ,monodent·tnÏ, syn a anti. Tyto zp˘soby jsou zn·zornÏny naobr·zku 3.

Vöechny Ëty¯i zp˘soby byly vyöet¯eny pomocÌ metodyDFT/B3LYP. Bylo zjiötÏno, ûe jsou-li ostatnÌ ligandy v tetra-koordinovanÈm komplexu neutr·lnÌ (celkov˝ n·boj systÈmuje +1), je rozdÌl mezi mono- a bident·tnÌm vazebn˝m modemvelmi mal˝ (2,5 kcal.molñ1). Avöak je-li zde dalöÌ z·pornÏnabit˝ ligand, je preferov·n monodent·tnÌ zp˘sob (tedy vazbap¯es jeden atom kyslÌku). CelkovÏ se d· ¯Ìci, ûe rozdÌl meziobÏma zp˘soby je mal˝ a konkrÈtnÌ realizace m˘ûe b˝t urËenainterakcemi s druhou solvataËnÌ sfÈrou nebo sousednÌmi ligan-dy. Energetick˝ rozdÌl mezi vazebn˝m modem syn a anti p¯imonodent·tnÌ vazbÏ karboxyl·tu je vÏtöÌ (16 aû 22 kcal.molñ1

ve prospÏch modu syn). RovnÏû je ve studii zmÌnÏn v˝poËetvedoucÌ k odhadu, ûe pKa vody v·zanÈ k zinku (II) v karboxy-peptidase a termolysinu je 8 aû 9.

VÏ¯Ìm, ûe bylo uvedeno dostateËnÈ mnoûstvÌ argument˘a p¯Ìklad˘ ilustrujÌcÌch, proË je d˘leûitÈ studovat strukturymenöÌch systÈm˘ obsahujÌcÌch p¯echodnÈ kovy. Dovolil bychsi tyto argumenty shrnout. DÌky tomu, ûe kationty p¯echod-n˝ch kov˘ jsou v˝znamn˝mi molekulov˝mi centry, a to kv˘lisilnÈ elektrostatickÈ interakci s nejbliûöÌmi ligandy, lze jejichchemickÈ chov·nÌ dob¯e odhadnout ze struktury a vlastnostÌmal˝ch komplex˘, tedy lok·lnÌho chov·nÌ. Jejich studiumn·m oz¯ejmÌ spinovÈ stavy, ve kter˝ch se p¯echodnÈ kovy vevazebn˝ch mÌstech biomolekul nach·zejÌ, d·le poskytuje in-formaci o preferovanÈm koordinaËnÌm ËÌsle a koordinaËnÌgeometrii, lze z nÏj dob¯e usuzovat na spektroskopickÈ chov·-nÌ sloûitÏjöÌch vazebn˝ch mÌst kov˘ (urËovanÈm do velkÈ mÌrylok·lnÌm okolÌm kovu) a na reakËnÌ mechanismy, pro kterÈtakÈ platÌ v˝öe zmÌnÏn˝ princip korespondence. NavÌc u ma-l˝ch molekul lze lÈpe prov·dÏt porovn·nÌ v˝sledk˘ s experi-mentem, neboù v˝poËet nenÌ zkreslen p¯ijat˝m chemick˝mmodelem.

3. Interakce p¯echodn˝ch kov˘ s b·zeminukleov˝ch kyselin, nukleotidya fragmenty RNA a DNA

P¯ipomeÚme si na ˙vod v˝öe zmÌnÏn˝ d˘leûit˝ rys inter-akce kationt˘ p¯echodn˝ch kov˘ s ligandy nesoucÌmi parci·lnÌz·porn˝ n·boj, kter˝m je sÌla tÈto interakce (mÏ¯en· nap¯Ìkladvazebnou energiÌ komplexu kovñbiomolekula). Ta p¯ibliûnÏo jeden ¯·d p¯evyöuje nevazebnÈ interakce (aË v ˙hrnu po-ËetnÏjöÌ) stabilizujÌcÌ supramolekul·rnÌ strukturu biomolekul.P¯Ìtomnost kationtu (p¯echodnÈho) kovu tedy v˝razn˝m zp˘-sobem ovlivnÌ jinak velmi vyv·ûenÈ rovnov·hy mezi r˘zn˝miformami tÈhoû ˙tvaru. Zd· se, ûe p¯Ìroda tohoto fenomÈnuvyuûÌv· i v p¯ÌpadÏ struktur DNA a RNA.

Z tohoto d˘vodu jsou interakce p¯echodn˝ch kov˘ s b·ze-mi nukleov˝ch kyselin a (poly)nukleotidy p¯edmÏtem inten-zivnÌho v˝zkumu, neboù je tÈmÏ¯ jistÈ, ûe kovy majÌ velk˝v˝znam p¯i replikaci DNA31, tedy ovlivÚujÌ p¯enos genetickÈinformace. Jeden z velmi d˘leûit˝ch efekt˘, pramenÌcÌ z ne-specifickÈ elektrostatickÈ interakce mezi kationtem a z·pornÏnabitou fosf·tovou skupinou, vede ke stabilizaci polynukleo-tidov˝ch ¯etÏzc˘. KromÏ toho doch·zÌ k p¯ÌmÈ, tedy specifickÈvazbÏ na fosf·t, nebo, i kdyû vz·cnÏji, k vazbÏ na atomy

H3+

NH2+

H2+

( )NH3 62+/3+

Obr. 3. R˘znÈ zp˘soby vazby karboxyl·tu (RCOOñ) ke kationt˘mkov˘, demonstrovanÈ na modelov˝ch komplexech [Zn(H2O)3(CH3COO)]+ a [Zn(H2O)(His)(Cysñ)(CH3COO)]: a ñ anti (torznÌ˙hel ZnñOñCñO je p¯ibliûnÏ 180∞), b ñ syn (tZnñOñCñO ~ 0∞), c ñmonodent·tnÌ, d ñ bident·tnÌ

a c

b d


135

kyslÌku z cukernÈ jednotky. KoneËnÏ poslednÌm, avöak velmid˘leûit˝m mÌstem vazby kovu jsou vlastnÌ nukleob·ze obsa-hujÌcÌ atomy kyslÌku a dusÌku. Zde se opÏt rozliöuje mezivnÏjöÌ koordinacÌ, vÏtöinou zprost¯edkovanou molekulami vo-dy, a vnit¯nÌ koordinacÌ (inner-sphere coordination), kdy jeatom b·ze p¯Ìmo v·z·n ke kationtu kovu32. ZatÌmco interakceion kovu s fosf·tem pravdÏpodobnÏ p¯evl·d· v biologick˝chpolynukleotidech, vnit¯nÌ koordinace kovñnukleob·ze je veli-ce d˘leûit· v nÏkolika genetick˝ch procesech. Je celkem vöe-obecnÏ zn·mo, ûe nejlepöÌ vazebnÈ mÌsto pro kov je pozice N7v guaninu. D·le n·sledujÌ atom O6 v guaninu, N3 v cytosinu,N7 a N1 v adeninu, N3 v adeninu a guaninu33. Je ale t¯eba mÌtna pamÏti, ûe ne vöechna tato mÌsta jsou p¯Ìstupn· po sp·rov·nÌb·zÌ. V p¯ÌrodÏ se lze s tÏmito interakcemi setkat v nÏkolikap¯Ìpadech. Ukazuje se nap¯Ìklad, ûe koordinace iontu Zn2+ nadusÌk N7 guaninu a adeninu v 5 S RNA genovÈ sekvenci Xe-nopus borealis m· za n·sledek siln˝ ohyb molekuly34. Kati-onty Mn2+, Co2+, Zn2+, Ni2+ a Cd2+ zase stabilizujÌ jistÈ typyintramolekul·rnÌch purinïpurinïpyrimidin DNA triplex˘, pa-trnÏ dÌky vazbÏ na mÌsta N7 guanin˘ a adenin˘35. RovnÏû che-moterapeutick˝ ˙Ëinek cis-diammindichloroplatnatÈho (DDP)komplexu je d·n vazbou platiny(II) na pozici N7 v purinov˝chnukleotidech36.

Po shrnutÌ stavu problematiky v oblasti interakcÌ p¯echod-n˝ch kov˘ s RNA, DNA a jejich sloûkami bych na nÏkolikavybran˝ch pracÌch uk·zal, jak konkrÈtnÏ kvantovÏ-chemickÈv˝poËty p¯ispÌvajÌ nejen k akumulaci, ale i t¯ÌdÏnÌ a zp¯esÚo-v·nÌ tÏchto znalostÌ. Chemick˝m modelem je zpravidla hy-dratovan˝ kation kovu a fragment molekuly DNA Ëi RNA(vÏtöinou vöak pouze p·r b·zÌ). Fyzik·lnÌmi veliËinami, kterÈse zÌsk·vajÌ z v˝poËtu, jsou a) rozdÌly v interakËnÌch energiÌchjednotliv˝ch iont˘ se studovan˝mi fragmenty, kterÈ jsou vo-dÌtkem p¯i rozhodov·nÌ o specificitÏ interakce, b) rovnov·ûnÈvzd·lenosti v optimalizovan˝ch struktur·ch, kterÈ poskytujÌinformace o mÌstÏ vazby kovu a geometrick˝ch zmÏn·ch,kterÈ tuto vazbu prov·zejÌ, c) energetickÈ bilance vztahujÌcÌ sek rozliËn˝m konstant·m rovnov·h (tautomernÌ, protonizaËnÌ)a koneËnÏ d) parci·lnÌ n·boje na jednotliv˝ch atomech, dipÛ-

lovÈ momenty a mapy elektronov˝ch hustot, kterÈ umoûÚujÌvypoËtenÈ ËÌselnÈ hodnoty veliËin a)ñc) p¯evÈst do chemickysrozumiteln˝ch termÌn˘ (elektrostatickÈ p¯ÌspÏvky, ion-dipÛ-lovÈ p¯ÌspÏvky, p¯enosy n·boje atp.). Na rozdÌl od komplex˘mal˝ch molekul vöak nenÌ optimalizace molekulovÈ geome-trie a nalezenÌ glob·lnÌho minima snadnou z·leûitostÌ. Jednakjsou minima na povrchu potenci·lnÌ energie slabÏ v·zan˝chsystÈm˘ velmi ploch· (coû v praxi znamen· p¯Ìsn· konver-genËnÌ kritÈria), jednak tento povrch obsahuje mnoûstvÌ lok·l-nÌch minim, ve kter˝ch m˘ûe minimalizaËnÌ algoritmus skon-Ëit. Je tedy nutnÈ zkoumat paralelnÏ nÏkolik moûn˝ch struktur(jejich poËet a odhad poË·teËnÌch geometriÌ je vÌcemÈnÏ vÏcÌzkuöenosti) a srovn·nÌm celkov˝ch energiÌ zÌskat glob·lnÌminimum. Pro dokreslenÌ situace je na obr·zku 4 zn·zornÏ-na modelov· situace interakce hydratovanÈho kationtu kovus p·rem b·zÌ.

Co se t˝k· kvantovÏ-chemick˝ch metod, v p¯ÌpadÏ inter-akce Watsonova-Crickova p·ru b·zÌ s kationtem kovu se jevÌjako nejefektivnÏjöÌ pouûÌvat hybridnÌ metody DFT (nap¯.B3LYP). V p¯ÌpadÏ, ûe chemick˝ model obsahuje patrovÈinterakce (b·ze jsou umÌstÏny nad sebou), mohou metody DFTselhat, a je nutnÈ p¯ejÌt k v˝poËetnÏ n·roËnÏjöÌm metod·m.VÏtöinou se pouûÌv· Møllerovy-Plessetovy poruchovÈ metodydruhÈho ¯·du (MP2).

PrvnÌ ilustrativnÌ p¯Ìklad, t˝kajÌcÌ se konkrÈtnÌch kvanto-vÏ-chemick˝ch v˝poËt˘, bude pojedn·vat o vlivu kationt˘ nastabilitu p·r˘ b·zÌ nukleov˝ch kyselin. V sÈrii pracÌ37ñ39 bylyzkoum·ny parametry interakce p¯echodnÈho kovu s p·ry b·zÌËi cel˝mi nukleotidy, a to Watsonov˝mi-Crickov˝mi ade-ninñthymin (AT), cytosinñguanin (CG) a reverznÌmi Hoogste-nov˝mi AA, GG. Bylo zjiötÏno, ûe tzv. energie BPE (basepairing enhancement, rozdÌl energie p¯i p·rov·nÌ b·zÌ beza v p¯Ìtomnosti kovu) je ñ6 aû ñ14 kcal.molñ1, tedy p·r b·zÌ jekovem stabilizov·n. D˘leûit· je vöak p¯Ìtomnost z·pornÏ na-bitÈ fosf·tovÈ skupiny stÌnÌcÌ ion kovu (cel˝ systÈm pak m·n·boj +1), kter· ËinÌ definici energie BPE smysluplnou.

NenÌ-li modelov˝ systÈm jako celek elektroneutr·lnÌ, lzep¯esto srovn·vat interakËnÌ energie a geometrickÈ parametryvazby stejnÏ nabit˝ch kationt˘ k nukleob·zÌm, a z tÏchtousuzovat na jejich biologickou roli. Velmi zajÌmav˝ je v tomtoohledu rozdÌl v chov·nÌ jednotliv˝ch iont˘, kter˝ byl podrobnÏrozebr·n na p¯Ìpadu Zn2+ versus Mg2+. Je zn·mo, ûe tyto dvakationty majÌ rozdÌlnou roli v urËit˝ch biochemick˝ch proce-sech, zatÌmco v jin˝ch je jejich role identick·40. V˝poËtyinterakcÌ tÏchto kov˘ (hydratovan˝ch) s nukleob·zemi odha-lily rozdÌl v jejich chemickÈm chov·nÌ37. Rozkladem celkovÈenergie systÈmu hydratovan˝ kov + b·ze se zjistilo, ûe inter-akce zinku s b·zÌ je podstatnÏ silnÏjöÌ, avöak na ˙kor oslabenÌinterakce s vodami prvnÌ koordinaËnÌ sfÈry. U ho¯ËÌku je tomunaopak. SystÈm se zinkem m˘ûe b˝t tedy spÌöe povaûov·n zahydratovan˝ metalo-komplex, zatÌmco s ho¯ËÌkem jako kom-plex hydratovanÈho kationtu s b·zÌ. Tento fakt se vysvÏtlujevyööÌm kovalentnÌm p¯ÌspÏvkem ve vazbÏ ZnñN7. Tedy zinekm· spÌöe tendenci se pevnÏ v·zat k b·zi a mÏl by mÌt flexibil-nÏjöÌ solvataËnÌ sfÈru, zatÌmco ho¯ËÌk by se mÏl sn·ze uvolnitz tÈto vazby do roztoku.

V dalöÌm p¯Ìkladu bude rozebr·n moûn˝ vliv kationt˘p¯echodn˝ch kov˘ na vznik vz·cn˝ch tautomer˘ posunutÌmprotonizaËnÌ rovnov·hy41. Usuzuje se, ûe tyto vz·cnÈ tautome-ry potÈ mohou zp˘sobovat vznik nespr·vn˝ch p·r˘ (mismatchpairs, mispairs), a tedy poruchy v p¯episu genetickÈ informace.

Obr. 4. Zn·zornÏnÌ interakce pentahydratovanÈho iontu Cd2+

s Watsonov˝m-Crickov˝m p·rem b·zÌ dpG-C (dpG, guanin deo-xyribonukleotid monofosf·t; C, cytosin). Ion kovu se v·ûe k poziciN7 v guaninu


136

Princip celÈho jevu spoËÌv· v posunu vyv·ûenÈ rovnov·hymezi jednotliv˝mi tautomery zp˘sobenÈm p¯ÌtomnostÌ kovu.Z experiment˘ zamÏ¯en˝ch na acidobazickÈ chov·nÌ jednotli-v˝ch vodÌk˘ v b·zÌch42 je z¯eteln· zmÏna jejich acidity p¯ivazbÏ b·ze na kov (nap¯Ìklad pKa protonu v pozici N1 kles·o 1,5ñ2, tento se st·v· kyselejöÌm). Stejnou odpovÏÔ poskytu-je i anal˝za krystalov˝ch struktur43, kde byl nalezen guanindeprotonizovan˝ v pozici N1 a s kovem v·zan˝m v pozici N7.Z tÏchto d˘vod˘ byly podrobeny kvantovÏ-chemickÈmu zkou-m·nÌ dva elektroneutr·lnÌ komplexy:ñ Hg(1,3-DimeUñ-C5)(9-MeAñ-N6), kde 1,3-DimeUñ je 1,3

dimethyl uracilov˝ a 9-MeAñ 9-methyladeninov˝ anions kovem nav·zan˝m ve vyznaËen˝ch pozicÌch (obr. 5a).

ñ trans-(am)2Pt(1-MeCñ-N4)2, kde am = NH3 nebo CH3NH2,1-MeCñ je methylcytosinov˝ anion s kovem v·zan˝mv pozici N4 (obr. 5b)V˝poËty41 prok·zaly, ûe vazba kovu destabilizuje neutr·l-

nÌ imino tautomery s ˙plnÏ deprotonizovanou aminoskupinouo 2 aû 10 kcal.molñ1. Na druhou stranu m· za n·sledek, ûeprotonizaËnÌ energie aromatickÈho kruhu b·ze je o 30 aû 34kcal.molñ1 (Pt2+), resp. 10 aû 14 kcal.molñ1 (Hg2+) p¯ÌznivÏjöÌ.P¯esnÏ stejn˝ posun protonu byl sledov·n i v experiment·lnÌchstudiÌch. Efekt se naz˝v· vytvo¯enÌ metalickÈ formy vz·cn˝chimino tautomer˘ b·zÌ nukleov˝ch kyselin a m˘ûe vÈst kestabilizaci nespr·vn˝ch p·r˘. Je zde tedy jist˝ n·znak procesu,kter˝ m˘ûe b˝t odpovÏdn˝ za mutagennÌ aktivitu mnoh˝ch kov˘.

VÏ¯Ìm, ûe z v˝öe uveden˝ch p¯Ìklad˘ je patrnÈ, jak öirokÈmoûnosti uplatnÏnÌ m· teoretick· chemie p¯i v˝zkumu struk-tury a chov·nÌ nukleov˝ch kyselin. Z·roveÚ je nutno pozna-menat, ûe v tÈto podoblasti je st·le mnoho nevy¯eöen˝chproblÈm˘, kterÈ budou vyûadovat realistiËtÏjöÌ modely a p¯es-nÏjöÌ v˝poËty.

4. Struktura, funkce a spektroskopickÈchov·nÌ vazebn˝ch mÌst kov˘v metaloproteinech

Jestliûe se d· role p¯echodn˝ch kov˘ ve fragmentech RNAa DNA struËnÏ charakterizovat jako strukturnÌ, v metalopro-teinech k nÌ p¯ib˝v· jeötÏ role funkËnÌ, kterou dÏlÌme na dvÏpodskupiny. PrvnÌ podskupina zahrnuje ty systÈmy, ve kter˝chse p¯echodn˝ kov Ëi jeho kation p¯Ìmo ˙ËastnÌ p¯emÏny sub-str·tu, avöak jeho elektronov˝ stav z˘st·v· nezmÏnÏn. Druh·podskupina pokr˝v· zb˝vajÌcÌ systÈmy, ve kter˝ch p¯echodn˝kov p¯i katalytickÈm procesu mÏnÌ svÈ oxidaËnÌ ËÌslo. Tytoprocesy jsou zpravidla spojeny s p¯enosem elektronu mezijeho ˙ËastnÌky. Pro vÏtöÌ p¯ehlednost tÈto podkapitoly buded·le zachov·no toto dÏlenÌ, tedy nejprve se zamÏ¯Ìme nastrukturnÌ roli p¯echodn˝ch kov˘, kter· ˙zce souvisÌ s jejichinterakcemi s aminokyselinov˝mi zbytky, d·le budou probr·-ny teoretickÈ modely aktivnÌch mÌst v metaloproteinech prvnÌpodskupiny a nakonec redoxnÌ procesy v metaloproteinechdruhÈ podskupiny.

Vazebn· mÌsta kov˘ v metaloproteinech mohou vypadatr˘znÏ. P¯esto majÌ charakteristickÈ rysy, kter˝mi se v˝raznÏodliöujÌ od zp˘sobu vazby kovñkr·tk˝ peptid. Kr·tkÈ peptidyinteragujÌ s kovy p¯edevöÌm prost¯ednictvÌm koncov˝ch sku-pin, tedy ñCOOñ a ñNH2, a tvo¯Ì komplexy 1:1, 1:2, p¯ÌpadnÏ1:3 (mol·rnÌ pomÏr kov:peptid)44. PostrannÌ ¯etÏzce aminoky-selin pak vzniklÈ komplexy (chel·ty) pouze dodateËnÏ stabi-

lizujÌ. Naproti tomu vazba kovu v metaloproteinu se odehr·v·p¯ev·ûnÏ prost¯ednictvÌm postrannÌch ¯etÏzc˘ aminokyselin.Ve vÏtöinÏ zbyl˝ch p¯Ìpad˘ se tvo¯Ì vazba prost¯ednictvÌmkarbonylovÈho kyslÌku peptidovÈ vazby a pouze v malÈmpoËtu p¯Ìpad˘ se vazby ˙ËastnÌ deprotonizovan˝ dusÌk pepti-dovÈ vazby Ëi koncovÈ karboxylovÈ a aminovÈ skupiny. Po-mÏr kov:protein je ve vznikl˝ch komplexech tÈmÏ¯ v˝luËnÏ1:1 (s v˝jimkou polynukle·rnÌch center, kde tento pomÏr m˘ûeb˝t i nap¯Ìklad 2:1).

Z teoretick˝ch studiÌ pojedn·vajÌcÌch o interakcÌch vol-n˝ch aminokyselin a mal˝ch peptid˘ s kovy lze uvÈst pr·ceHoyaua a Ohanessiana45 a de Bruina a spol.46 V prvnÌ z nichauto¯i studujÌ vazbu voln˝ch molekul glycinu, serinu a cystei-nu s kationtem Cu+. CÌlem pr·ce je prozkoumat nÏkolik kon-formaËnÌch isomer˘ a taktÈû zwitteriontovÈ formy od kaûdÈaminokyseliny a zp˘sob jejich vazby k mÏdi (I). Jako energe-ticky nejv˝hodnÏjöÌ vych·zÌ u glycinu vazba prost¯ednictvÌmkoncov˝ch skupin ñCOOH a ñNH2 (bident·tnÌ chel·t), kter·je navÌc u serinu a cysteinu doplnÏna koordinacÌ postrannÌch¯etÏzc˘ ñCH2OH, resp. ñCH2SH. V tomto po¯adÌ jsou i jejichvazebnÈ energie: Eb(Gly) < Eb(Ser) < Eb(Cys), coû je ve shodÏs experiment·lnÌm po¯adÌm relativnÌch afinit a-aminokyselink Cu+. Pro zajÌmavost, nejlepöÌ odhad komplexaËnÌ energie D0(tedy vËetnÏ zahrnutÌ energiÌ nulov˝ch bod˘ reaktant˘ i pro-dukt˘) zÌskan˝ v˝poËtem ËinÌ pro glycin 64,3 kcal.molñ1. Je-litento odhad doplnÏn v˝öe uvedenou ¯adou experiment·lnÌchrelativnÌch afinit, lze zÌskat ¯adu absolutnÌch afinit, tedy ve-liËiny, kterÈ lze poslÈze p¯Ìmo porovn·vat s experimentyv plynnÈ f·zi.

Ve druhÈ pr·ci46 se pak auto¯i zab˝vajÌ strukturou a vlast-nostmi komplexu bis-(glycinato)-CuII.2 H2O. DvÏ molekulyglycinu se v·ûÌ ve ËtvercovÏ plan·rnÌm uspo¯·d·nÌ (komplex1:2), dvÏ zb˝vajÌcÌ axi·lnÌ pozice jsou doplnÏny dvÏma mole-kulami vody. PomocÌ DFT/B3LYP metody byla nalezena dvÏ

Obr. 5. StrukturnÌ vzorce komplex˘: a) [Hg(1,3-DimeUñ-C5)(9--MeAñ-N6)], b) trans-[Pt(1-MeCñ-N4)2(NH3)2], kterÈ byly pouûityjako modelovÈ struktury ve studii t˝kajÌcÌ se stabilizace vz·cn˝chtautomer˘ vazbou ke kationtu kovu

a

b


137

minima na povrchu potenci·lnÌ energie tohoto systÈmu, z nichûjedno odpovÌd· trans (dusÌkovÈ a kyslÌkovÈ atomy naprotisobÏ), druhÈ cis konfiguraci (dusÌk a kyslÌk vedle sebe). VeshodÏ s experiment·lnÌmi daty vych·zÌ, ûe ve vakuu je transstruktura o 18 kcal.molñ1 stabilnÏjöÌ, kdeûto v modelovÈmvodnÈm prost¯edÌ se tento rozdÌl sniûuje na 10 kcal.molñ1.V˝slednÈ geometrie pak do velkÈ mÌry z·visÌ na poËtu vodÌ-kov˝ch vazeb mezi karboxyl·ty, aminoskupinami na jednÈstranÏ a zb˝vajÌcÌmi dvÏma molekulami vody na stranÏ druhÈ,kterÈ soutÏûÌ s axi·lnÌmi interakcemi Cu2+ÖOH2. Tento po-znatek upozorÚuje na d˘leûitost nevazebn˝ch interakcÌ typuligandñligand v komplexech p¯echodn˝ch kov˘.

Asi nejobecnÏjöÌ pr·ce pojedn·vajÌcÌ o teoretick˝ch v˝-poËtech interakcÌ mezi vöemi aminokyselinov˝mi zbytkyschopn˝mi tvo¯it koordinaËnÌ vazbu s p¯echodn˝mi kovy (te-dy postrannÌmi ¯etÏzci obsahujÌcÌmi kyslÌk, dusÌk, sÌru a frag-menty CH3CONHCH3, CH3CONC , reprezentujÌcÌmi kys-lÌk a deprotonizovan˝ dusÌk peptidovÈ vazby), byla provedenav naöÌ laborato¯i21. Pro kaûd˝ z vybranÈ sÈrie kov˘ (Co2+, Ni2+,Cu2+, Zn2+, Cd2+, Hg2+) byly provedeny v˝poËty interakËnÌchenergiÌ ve Ëty¯ech nejbÏûnÏjöÌch koordinaËnÌch geometriÌch(line·rnÌ, tetraedickÈ, ËtvercovÏ plan·rnÌ a oktaedrickÈ) za˙Ëelem kvantitativnÌho vyhodnocenÌ selektivity p¯Ìsluön˝chaminokyselinov˝ch zbytk˘ k vybran˝m kov˘m. V˝poËty bylyprovedeny metodou DFT/B3LYP, p¯iËemû interakËnÌ ener-gie byla definov·na jako energie z·mÏny jednÈ vody v p¯Ìsluö-nÈm aquakomplexu [Me(H2O)n]

2+ (n je koordinaËnÌ ËÌslo) zafunkËnÌ skupinu reprezentujÌcÌ postrannÌ ¯etÏzec aminoky-seliny. Pr·ce pojedn·v· o t¯ech klÌËov˝ch faktorech urËujÌcÌchselektivitu vazebnÈho mÌsta pro dan˝ kov. PrvnÌm faktorem jepreference kovu pro danou koordinaËnÌ geometrii, diskutova-n· v˝öe. Druh˝m je optim·lnÌ velikost dutiny ohraniËenÈ ndonorov˝mi atomy ligand˘, kter· by mÏla co nejlÈpe korelovats iontov˝m pr˘mÏrem kovu. Ten se d· odvodit z v˝poËtu jakopr˘mÏrn· rovnov·ûn· vzd·lenost mezi kovem a sÈriÌ ligand˘,tvo¯enou v tomto p¯ÌpadÏ aminokyselinov˝mi zbytky. ProzajÌmavost, byl nalezen n·sledujÌcÌ bezrozmÏrn˝ pomÏr ion-tov˝ch polomÏr˘ kationt˘ studovan˝ch kov˘:

r(Co2+) : r(Ni2+) : r(Cu2+) : r(Zn2+) : r(Cd2+) : r(Hg2+) =

= 1,01 : 1 : 1 : 1,01 : 1,12 : 1,15

T¯etÌm, a patrnÏ nejd˘leûitÏjöÌ faktorem je r˘zn· afinitap¯echodn˝ch kov˘ k aminokyselinov˝m zbytk˘m. Pojedn·v·o nÌ semikvantitativnÌ teorie tvrd˝ch a mÏkk˝ch kyselin a z·-sad (HSAB, hard and soft acids and bases) Parra a Pearsona.Podle tÈto teorie platÌ, ûe ËÌm je u kovu menöÌ pomÏr polo-mÏr/n·boj, tÌm v˝raznÏji preferuje ligandy stejnÈho charakteru(tedy malÈ a z·pornÏ nabitÈ) a naopak. Nap¯Ìklad lze oËek·vat,ûe kation Co3+ bude preferovat karboxyl·ty, zatÌmcothiolovou skupinu. Je tedy nasnadÏ tuto afinitu kvantifikovat,k Ëemuû byly pr·vÏ pouûity vypoËtenÈ interakËnÌ energiea z nich odvozenÈ faktory selektivity. Ve shodÏ s experimen-t·lnÌmi poznatky se zcela p¯esvÏdËivÏ uk·zalo, ûe mezi neu-tr·lnÌmi ligandy m· nejp¯ÌznivÏjöÌ interakËnÌ energii histidin,kter˝ je takÈ nejhojnÏji zastoupen˝m zbytkem ˙ËastnÌcÌm sevazby na kov v metaloproteinech. Dokonce v˝poËty uk·zaly,

ûe po vazbÏ na kov se mÏnÌ rovnov·ha mezi jeho isomery. VevolnÈ formÏ je energeticky v˝hodnÏjöÌ 4-methylimidazol, za-tÌmco po vazbÏ na kov je tomu naopak. To p¯esnÏ korelujes ËetnostÌ jejich zastoupenÌ (koordinace prost¯ednictvÌm Nε,odpovÌdajÌcÌ 5-methylimidazolu, je asi dvakr·t ËastÏjöÌ) vevazebn˝ch mÌstech metaloprotein˘. Mezi z·pornÏ nabit˝miligandy vych·zÌ nejp¯ÌznivÏjöÌ interakËnÌ energie pro Cysñ,n·sledovanÈm Gluñ, Aspñ, Tyrñ, coû opÏt koreluje s tÌm, ûe tytoligandy jsou na druhÈm aû p·tÈm mÌstÏ v Ëetnosti zastoupenÌv metaloproteinech. P¯es velkou celkovou afinitu histidinu sevöak uk·zalo, ûe je ke studovan˝m kov˘m velmi m·lo selek-tivnÌ. Naopak ligandy obsahujÌcÌ sÌru (Cys, Met) by mÏly pat¯itmezi nejvÌce selektivnÌ zbytky.

Po uvedenÌ p¯ehledu pracÌ pojedn·vajÌcÌch o interakcÌchkationt˘ p¯echodn˝ch kov˘ s aminokyselinami lze p¯ejÌt k mo-del˘m vazebn˝ch mÌst kov˘ v metaloproteinech. Jedna z prv-nÌch studiÌ t˝kajÌcÌch se p˘sobenÌ kovu v aktivnÌm mÌstÏenzymu poch·zÌ z poË·tku 90. let (cit.47). Auto¯i se zab˝vajÌteoretick˝mi v˝poËty vlastnostÌ aktivnÌho mÌsta karboanhy-drasy (CA, carbonic anhydrase), enzymu, kter˝ posunuje rov-nov·hu reakce H2O + CO2 « H2CO3. V nativnÌ formÏ enzymuje v aktivnÌm mÌstÏ ion zinku (II), kter˝ je v·z·n ke t¯emhistidinov˝m zbytk˘m a v˝raznÏ sniûuje protonovou afinituËtvrtÈho ligandu ñ hydroxidovÈho iontu*, kter˝ v reakci vystu-puje jako nukleofilnÌ centrum48. Experiment·lnÌ studie ukazu-jÌ, ûe zatÌmco po substituci Zn2+ za ion Co2+ z˘st·v· aktivitaenzymu zachov·na, ionty Mn2+ a Cd2+ p˘sobÌ jako katalytickÈjedy. CÌlem studie47 je vysvÏtlenÌ tohoto fenomÈnu. Byl pouûitzjednoduöen˝ model, kde histidiny byly nahrazeny molekula-mi amoniaku, a zkoum·ny tetra- a pentakoordinovanÈ kom-plexy, kde Ëtvrt· pozice byla obsazena hydroxidov˝m iontema p·t· molekulou vody. V˝poËty prok·zaly rozdÌly v energe-tick˝ch bilancÌch pro Co2+, Zn2+ na jednÈ stranÏ a Cd2+, Mn2+

na stranÏ druhÈ. Pro prvnÌ dva ionty je v˝hodnÏjöÌ setrvatv tetraedrickÈm koordinaËnÌm uspo¯·d·nÌ s molekulou vodyvytlaËenou aû do druhÈ solvataËnÌ vrstvy, zatÌmco druhÈ dvapreferujÌ pentakoordinaci s molekulou vody v prvnÌ koordi-naËnÌ sfÈ¯e. Tento fakt vede ke zhoröenÌ p¯Ìstupnosti aktivnÌhomÌsta, tedy hydroxidovÈho iontu pro molekulu CO2 a ke ztr·tÏaktivity. SilnÏjöÌ vazba vody k vazebnÈmu mÌstu s Cd2+ a Mn2+

se d· nazvat inhibiËnÌm ˙Ëinkem.DalöÌm zajÌmav˝m enzymem je alkoholdehydrogenasa

(ADH), kter· katalyzuje vratnou oxidaci prim·rnÌch a sekun-d·rnÌch alkohol˘ a vyuûÌv· molekuly NAD+ jako koenzy-mu49,50. Ve svÈm aktivnÌm mÌstÏ m· rovnÏû zinek (II). Jelikoûbyla experiment·lnÏ provedena ¯ada substituËnÌch studiÌ v ak-tivnÌm mÌstÏ enzymu51, stal se rovnÏû objektem z·jmu teore-tick˝ch chemik˘. ZajÌmavou pr·ci, pojedn·vajÌcÌ o substitucizinku (II) za kadmium (II) publikovali Ryde a Hemmingsen52.Za ˙Ëelem interpretace experiment·lnÌch dat zÌskan˝ch meto-dou poruöenÈ ˙hlovÈ korelace γ paprsk˘ byla provedena opti-malizace geometriÌ 11 r˘zn˝ch struktur aktivnÌho mÌsta Cd--substituovanÈ ADH s koenzymem, bez koenzymu a s dalöÌmineproteinov˝mi ligandy za pomocÌ kombinovan˝ch metodQM/MM (quantum mechanics/molecular mechanics). Rovno-v·ûnÈ geometrie nevykazovaly v˝raznÈ rozdÌly od nativnÌchstruktur (samoz¯ejmÏ aû na vzd·lenosti kovñligand), z Ëehoûplyne, ûe kadmium by mohlo slouûit jako dobr· strukturnÌ

H3ñ

Hg22+


138

* Tento ligand reprezentuje strukturnÌ molekulu vody p¯i vysokÈm pH, p¯i kterÈm enzym p˘sobÌ.

sonda pro koordinaËnÌ geometrie zinku (II). Velmi dobr·shoda gradientu elektrickÈho pole vypoËtenÈho v bodÏ totoû-nÈm s j·drem kadmia s experiment·lnÌ hodnotou pro tetrako-ordinovan˝ komplex potvrzuje, ûe by se koordinace na iontukovu nemÏla p¯i substituci mÏnit. D˘sledkem tÈto shody jepotvrzenÌ domnÏnky, ûe Ëtvrt˝m ligandem tvo¯ÌcÌm vazbus kovem by mÏl b˝t Glu-68.

Po dvou p¯Ìkladech metaloenzym˘, ve kter˝ch je kovp¯Ìtomen v katalytickÈm centru, ale ne˙ËastnÌ se p¯enosuelektron˘, lze p¯ejÌt k poslednÌ skupinÏ, tedy metaloprotein˘mobsahujÌcÌm redoxnÌ centra. P¯edem je nutno poznamenat, ûetato skupina je z¯ejmÏ teoreticky nejobtÌûnÏjöÌ. AktivnÌ mÌstatÏchto enzym˘ vÏtöinou obsahujÌ vÌce iont˘ kovu spojen˝chrozliËn˝mi strukturnÌmi vzory. NÏkdy se p¯Ìmo vyskytujÌvazby typu kovñkov, jindy jsou interakce mezi kovy zpro-st¯edkov·ny thiol·tov˝mi, karboxyl·tov˝mi, Ëi oxo-m˘stky.Zde je prvnÌm problÈmem sestavenÌ p¯ijatelnÈho chemickÈhomodelu (tedy o velikosti, kter· nep¯esahuje souËasnÈ moûnostiv˝poËetnÌ chemie) tak, aby byly zachov·ny vöechny podstatnÈrysy skuteËnÈho mÌsta a aby se vöechny fyzik·lnÏ-chemickÈprocesy odehr·ly uvnit¯ modelu. Druh˝m, nemÈnÏ obtÌûn˝mproblÈmem je urËenÌ spr·vnÈho elektronovÈho stavu studova-nÈho systÈmu. DÌky vazbÏ nebo alespoÚ silnÈ interakci mezikovy (nap¯Ìklad tzv. (anti)feromagnetickÈ vazbÏ) jde o netri-vi·lnÌ problÈm a st·le jeötÏ existujÌ systÈmy, kde nenÌ uspoko-jivÏ vy¯eöen53. Mnohdy tyto problÈmy p¯esahujÌ hranice stan-dardnÌch metod elektronovÈ struktury, a do v˝poËtu je paknutnÈ explicitnÏ zahrnout spin-spinovou interakci.

K ÑjednoduööÌmì systÈm˘m tÈto skupiny pat¯Ì proteinytypu Ñblue copperì (nap¯. nitritreduktasa, pseudoazurin, bazic-k˝ okurkov˝ protein, plastocyanin), obsahujÌcÌ mononukle·r-nÌ centra. D˘leûit˝m procesem je zde oxidace mÏdi Cu+ naCu2+a mezi jejich neobyËejnÈ vlastnosti pat¯Ì intenzivnÌ modr·barva (p·sy u 460 a 600 nm), charakteristick· spektra elektro-novÈ spinovÈ resonance (ESR), vysokÈ redoxnÌ potenci·ly,doprov·zenÈ jeötÏ neobvyklou geometriÌ vazebnÈho mÌstakovu. Ion mÏdi je v·z·n v trigon·lnÌm uspo¯·d·nÌ (Cys a dvaHis ligandy), kdeûto v axi·lnÌch poloh·ch je slabÏ v·z·n Meta v nÏkter˝ch z nich jeötÏ karbonylov˝ kyslÌk z proteinovÈp·te¯e. Na obr·zku 6 je zn·zornÏna struktura vazebnÈho mÌstamÏdi (II) v jednom ze z·stupc˘ tÈto t¯Ìdy protein˘ ñ azurinu.

DÌky v˝öe uveden˝m vlastnostem byly tyto proteiny n·-mÏtem nÏkolika teoretick˝ch studiÌ54ñ56. Tyto studie p¯ede-vöÌm prok·zaly, ûe struktura modelovÈho mÌsta ve vakuu jetÈmÏ¯ identick· s krystalovou strukturou proteinu. TÌm bylypop¯eny teorie, kterÈ vysvÏtlovaly tyto vlastnosti pomocÌ vel-kÈ rigidity proteinovÈ struktury, nutÌcÌ ion Cu2+ zaujÌmat iden-tickÈ koordinaËnÌ uspo¯·d·nÌ, jako m· ion Cu+ p¯ed oxidacÌ,coû mÏlo mÌt za n·sledek velk˝ konformaËnÌ stres ve struktu¯e.P¯i hled·nÌ alternativnÌho vysvÏtlenÌ se nejprve hledala odpo-vÏÔ na ot·zku, proË tyto proteiny preferujÌ trigon·lnÌ bipyra-mid·lnÌ uspo¯·d·nÌ, kdyû vÏtöina komplex˘ mÏdi je ËtvercovÏplan·rnÌch. VysvÏtlenÌ p¯inesla anal˝za elektronovÈ struktury,kter· uk·zala, ûe zatÌmco vazby σ mezi ligandy a kovem vedouk ËtvercovÏ plan·rnÌmu uspo¯·d·nÌ, π vazby (kterÈ lze ch·patjako interakce neobsazen˝ch d orbital˘ na atomu sÌry s obsa-zen˝mi d orbitaly atomu kovu) form·lnÏ obsazujÌ dvÏ pozicev koordinaËnÌ sfÈ¯e kovu; tedy pro ligandy obsahujÌcÌ atomysÌry (Cys, Met) lze oËek·vat v˝raznÈ odchylky od ËtvercovÏplan·rnÌho uspo¯·d·nÌ. Od porozumÏnÌ strukturnÌm rys˘mvede dalöÌ krok k v˝poËtu spektroskopick˝ch vlastnostÌ tÏchto

systÈm˘ a jejich vztahu ke struktu¯e. Elektronov· spektra bylavypoËtena pomocÌ metody CASPT2 a öest nejniûöÌch excitacÌbylo urËeno s chybou menöÌ neû 1800 cmñ1. DÌky pouûitÌmultikonfiguraËnÌ metody bylo snadnÈ dva pÌky ve viditelnÈoblasti spektra interpretovat jako excitace zp˘sobenÈ p¯eno-sem n·boje mezi cysteinem a mÏdÌ: jeden (600 nm) z vazeb-nÈho π orbitalu a druh˝ (460 nm) z vazebnÈho σ orbitalu.PomÏr jejich intenzit pak z·visÌ na struktu¯e vazebnÈho mÌstakovu. Proteiny typu Ñblue copperì s trigon·lnÌ strukturou majÌnÌzk˝ pomÏr ε460 /ε600, zatÌmco u struktur s ËtvercovÏ plan·r-nÌm uspo¯·d·nÌm je tomu naopak. PoslednÌm fenomÈnem,kter˝ byl podroben teoretickÈmu zkoum·nÌ, jsou redoxnÌ po-tenci·ly komplexu. Bylo nap¯Ìklad prok·z·no, ûe axi·lnÌ li-gandy majÌ na jejich hodnotu mal˝ vliv, zatÌmco solvataËnÌefekty jejich hodnotu ovlivÚujÌ v˝znamn˝m zp˘sobem.

PoslednÌ Ë·st tÈto podkapitoly se bude t˝kat pokrok˘ do-saûen˝ch p¯i studiu systÈm˘ obsahujÌcÌch vÌce atom˘ kovuv aktivnÌm mÌstÏ. Mimo jinÈ bude na p¯Ìkladu dvou systÈm˘,cytochromu c oxidasy a fotosystÈmu II, demonstrov·no pouûi-tÌ kvantovÏ-chemick˝ch metod pro vysvÏtlenÌ reakËnÌch me-chanism˘ v systÈmech, kde doch·zÌ k p¯enosu elektron˘.

Cytochrom c oxidasa (CcO) zprost¯edkov·v· redukci O2na vodu, p¯iËemû zÌskan· energie je uloûena ve formÏ ATP.P¯i tomto procesu nast·v· relativnÏ komplikovan˝ tok elek-tron˘ a proton˘, jehoû detailnÌ znalost je nutn· k tomu, aby sev˘bec mohlo zaËÌt s v˝poËty. VlastnÌ reakce probÌh· v binu-kle·rnÌm centru se dvÏma atomy kov˘, mÏdÌ v·zanou ke t¯emhistidin˘m a ûelezu obsaûenÈmu v hemovÈ jednotce a3, kekterÈmu se v axi·lnÌ poloze v·ûe jeötÏ jeden histidin. Strukturatohoto komplikovanÈho centra je zn·zornÏna na obr·zku 7.

Stav centra p¯ed reakcÌ je Cu (I)ñFe (II) a po reakci se mÏnÌna Cu (II)ñFe (III). Zb˝vajÌcÌ dva elektrony, pot¯ebnÈ k plnÈredukci O2, p¯ich·zejÌ ze sousednÌho hemua. Tento z·kladnÌmodel byl pouûit p¯i kvantovÏ-chemickÈm studiu57, p¯iËemû

Obr. 6. VazebnÈ mÌsto mÏdi (II) v azurinu zÌskanÈ z krystalovÈstruktury tohoto enzymu. T¯emi ekvatori·lnÌmi ligandy jsou dvahistidiny a cystein (na obr·zku ve vertik·lnÌm smÏru), zatÌmco v axi-·lnÌch poloh·ch jsou slabÏ v·z·ny methionin a peptidov˝ kyslÌkglycinu sousedÌcÌho s histidinem


139

je zn·mo, ûe reakËnÌ mechanismus musÌ splÚovat tato kriteria:i) kaûd˝ reakËnÌ krok musÌ b˝t p¯ibliûnÏ termoneutr·lnÌ, abyse energie nevypl˝tvala ve formÏ tepla; ii) nesmÏjÌ b˝t p¯Ìtom-

ny vysokÈ energetickÈ bariÈry pro tvorbu meziprodukt˘ a tran-zitnÌ stavy; iii) reakce musÌ p¯edevöÌm zvyöovat elektronovouafinitu aktivnÌho mÌsta.

Obr. 7. Struktura binukle·rnÌho centra CuñFe v katalytickÈm mÌstÏ cytochrom c oxidasy57

Obr. 8. ModelovÈ struktury jednotliv˝ch stav˘ S0 aû S3 v katalytickÈm centru WOC65

s=3,81

S stav0

s=11

s=2,84

s=20

s=4,81

2,77

3,073,79

3,45 s=3,80

s=11

s=2,96

s=2,99

2,74

2,80 3,25

3,51

s=3,80

s=10

s=2,99

s=3,91

2,74

2,823,60

3,45s=3,81

s=10s=2,83

s=2,89

2,81

2,933,28

3,28

s=11 s=90

S stav2

S stav1S stav3

Tyr244

His240His291

His290

His376

Hemea3

CuB


140

PrvnÌ krok ve sloûitÈ kask·dÏ n·sledn˝ch dÏj˘ je aktivacemolekuly O2 vazbou na Fe (II) v hemu. KyslÌk je zde velmislabÏ v·z·n, jak vypl˝v· z vypoËtenÈ hodnoty vazebnÈ energie(2 kcal.molñ1) (cit.58). Druh˝m krokem je vznik komplexu,kter˝ byl z optick˝ch spekter interpretov·n jako (porf)Fe(III)ñOñOH (cit.59). Proton poch·zÌ z molekuly vody slabÏ v·zanÈna druhÈ centrum, Cu (I). Ve stejnÈ chvÌli je z·roveÚ p¯enesenelektron z mÏdi a v˝sledkem tohoto druhÈho kroku je stavFe (III)ñOñOH + Cu (II)OH. Tato reakce je endotermick·(6 kcal.molñ1). T¯etÌ krok je rozötÏpenÌ OñO vazby a vznikoxoferrylovÈho meziproduktu (porf)Fe (IV) = O. ExistujÌ roz-pory, zdali k tomuto procesu doch·zÌ p¯ed nebo po p¯Ìchodut¯etÌho elektronu ze sousednÌho hemu. Zde se nask˝t· moû-nost, jak kvantovÏ-chemick˝m v˝poËtem rozhodnout mezi tÏ-mito dvÏma hypotÈzami. Byly proto vypoËteny hodnoty reakË-nÌch energiÌ pro obÏ moûnosti (6 kcal.molñ1 a 30 kcal.molñ1).Jelikoû ve druhÈm p¯ÌpadÏ je reakce p¯Ìliö exotermick· a p¯e-bytek energie by se vypot¯eboval na tvorbu tepla, musÌ keötÏpenÌ dojÌt p¯ed p¯Ìchodem t¯etÌho elektronu. ReakËnÌ ener-gie je vyuûita ke zv˝öenÌ elektronovÈ afinity binukle·rnÌhocentra, kter· je vlastnÌ hnacÌ silou pro p¯enos elektronu. PorozötÏpenÌ OñO vazby je proces dokonËen transportem proto-n˘, jejichû cesty jsou zn·my, na O2ñ (cit.60).

PodstatnÏ tÏûöÌ je v˝zkum reakËnÌho mechanismu v kom-plexu oxidujÌcÌm vodu (WOC, water oxidizing complex) vefotosystÈmu II. P¯i tÈto unik·tnÌ reakci je energie Ëty¯ svÏtel-n˝ch foton˘ p¯emÏnÏna v energii chemickou za vzniku mole-kuly O2. AË je v˝zkumu tohoto systÈmu vÏnov·no nesmÌrnÈ˙silÌ, st·le panuje mnoho nejistot okolo jednotliv˝ch krok˘v procesu. Z·roveÚ vöak p¯edstavuje jednu z nejvÏtöÌch v˝zevv dneönÌ chemii61. Velk˝m problÈmem je fakt, ûe dosud nebylavy¯eöena krystalov· struktura komplexu, coû ËinÌ jakÈkolivdetailnÌ p¯edpovÏdi mimo¯·dnÏ obtÌûn˝mi. Pro poË·teËnÌ v˝-poËty se vöak jevÌ jako dostateËnÈ informace, kterÈ pod·vajÌmÏ¯enÌ EXAFS. Je tedy zn·mo, ûe WOC obsahuje Ëty¯i atomymanganu a tÈû z¯ejmÏ v·pnÌk a chloridov˝ anion. Oxidacevody probÌh· ve Ëty¯ech krocÌch62. Meziprodukty se oznaËujÌS0 aû S4, z nichû struktury S0 aû S3 jsou zn·zornÏny na obr·zku 8.

Z·kladnÌm stavem p¯ed reakcÌ je S1. V kaûdÈm kroku vedeabsorpce fotonu k separaci n·boje, proton i elektron pak kaûd˝zvl·öù opouötÏjÌ WOC. Jedna ze studiÌ proveden˝ch metodouDFT/B3LYP testovala hypotÈzu, ûe jednÌm z ˙kol˘ tyrosinu,kter˝ v kaûdÈm S stavu vystupuje jako tyrosylov˝ radik·l,je odebr·nÌ vodÌkov˝ch atom˘ z ligand˘ vody a hydroxiduv klastru manganu63. V˝poËty bylo prok·z·no, ûe takov˝ pro-ces je moûn˝, tedy sÌla vazby OñH v molekule vody a hydro-xylu koordinovanÈm k manganu je p¯ibliûnÏ stejn· jako vevolnÈm tyrosinu. V dalöÌm studiu byl uËinÏn pokus modelovatcelou sekvenci ud·lostÌ za pouûitÌ pouze jednoho manganovÈ-ho centra64. Nejd˘leûitÏjöÌm poznatkem byl fakt, ûe pro typic-kÈ redoxnÌ reakce ve slabÈm ligandovÈm poli je nesmÌrnÏd˘leûit· poloha excitovan˝ch stav˘ p¯ed a po reakci. BuÔexcitovan˝ stav reaktantu, korespondujÌcÌ se z·kladnÌm sta-vem produktu, nebo excitovan˝ stav produktu, korespondujÌcÌse z·kladnÌm stavem reaktantu, musÌ leûet dostateËnÏ nÌzko.V p¯ÌpadÏ oxidace vody to znamen·, ûe nejprve musÌ b˝t v S3stavu vytvo¯en radik·l kyslÌku a teprve potÈ m˘ûe dojÌt k vy-tvo¯enÌ O2. V nejnovÏjöÌ studii65 je jiû zkoum·n model obsa-hujÌcÌ vöechny atomy manganu spojenÈ oxo- m˘stky. Z v˝-sledk˘ v˝poËt˘ lze usuzovat, ûe pouze jeden z atom˘ manganuvykazuje redoxnÌ aktivitu. V·pnÌk m· roli silnÏ chelatujÌcÌho

kofaktoru, kter˝ napom·h· vytvo¯enÌ nezbytnÈho radik·lukyslÌku. VlastnÌ tvorba vazby OñO by pak mohla probÌhatv nekompletnÌ kubanovÈ struktu¯e (s jednÌm chybÏjÌcÌm vr-cholem), z nichû ve dvou vrcholech jsou atomy manganua v jednom ion v·pnÌku, zbylÈ jsou pak tvo¯eny oxo-m˘stky.ExternÌ molekula vody, kter· poskytuje druh˝ kyslÌk, vstupujepr·vÏ do tohoto volnÈho rohu. Tyto v˝sledky jsou ve shodÏs experimenty EXAFS. AË se tyto teoretickÈ studie zatÌm za-b˝vajÌ modelov˝mi strukturami, je obdivuhodnÈ, jak˝m zp˘-sobem pom·hajÌ skl·dat z ne˙pln˝ch st¯Ìpk˘ experiment·lnÌchinformacÌ v˝sledn˝ obraz.

5. Perspektivy kvantovÈ bioanorganickÈ chemie

V refer·tu byl prezentov·n pr˘¯ez studiemi, t˝kajÌcÌmi seinterakcÌ p¯echodn˝ch kov˘ a jejich kationt˘ s molekulamiRNA/DNA, aminokyselinami, peptidy a proteiny. D˘raz bylkladen ne tak na ˙plnost v˝Ëtu vöech pracÌ z tÈto oblasti, jakospÌöe na podrobnÏjöÌ rozebr·nÌ nÏkter˝ch p¯Ìklad˘. VÏ¯Ìm, ûebyly srozumitelnÏ vysvÏtleny postupy, kterÈ se p¯i teoretickÈmstudiu pouûÌvajÌ. P¯estoûe je zatÌm studium vazebn˝ch mÌstkov˘ v biomolekul·ch v poË·tcÌch, dosaûenÈ v˝sledky jsouoptimistickÈ.

Pro vÏtöÌ ˙plnost tohoto refer·tu bych si dovolil p¯ipome-nout, ûe i v relativnÏ mladÈ oblasti, jakou je kvantov· bioanor-ganick· chemie, jiû byla naps·na ¯ada souhrnn˝ch Ël·nk˘.V tÏch lze nalÈzt mnoho informacÌ komplement·rnÌch neboË·steËnÏ se p¯ekr˝vajÌcÌch s obsahem refer·tu. KromÏ mono-grafiÌ citovan˝ch v p¯edeölÈm Ël·nku1, kterÈ shrnujÌ jak ex-periment·lnÌ, tak teoretickÈ znalosti o p¯echodn˝ch kovechv biologick˝ch systÈmech, lze pouk·zat na souhrnnÈ pr·ceZieglerovy z prvnÌ poloviny 90. let66,67, ve kter˝ch popisujeprvnÌ ˙spÏönÈ v˝poËty pomocÌ metod DFT a ukazuje jedno-duchÈ prost¯edky umoûÚujÌcÌ anal˝zu vlnovÈ funkce (nebomatice elektronovÈ hustoty) v pojmech bliûöÌch chemickÈmuuvaûov·nÌ. RovnÏû z poË·tku 90. let je Veillardova pr·ce68,v nÌû shrnuje v˝poËty struktury a vlastnostÌ organokovov˝chslouËenin. Cory a Zerner69 shrnujÌ studie t˝kajÌcÌ se elektrono-vÈ v˝mÏny mezi kovem a ligandem, kter· m· v˝znam vespektroskopii tÏchto systÈm˘. Velmi srozumiteln· öirokÈmuokruhu chemik˘ se mi jevÌ pr·ce Deetheho70, kter· se snaûÌv jednoduch˝ch pojmech popsat v˝poËetnÌ chemii pro systÈ-my s p¯echodn˝mi kovy. Z konce 90. let je pr·ce Comby71, vekterÈ se zab˝v· moûnostmi (byù omezen˝mi) empirick˝chmetod (zaloûen˝ch na empirick˝ch meziatomov˝ch potenci·-lech, tzv. force fields) pro studia p¯echodn˝ch kov˘. DospÌv·k z·vÏru, ûe hlavnÌm p¯Ìnosem je moûnost urËit energetickouv˝hodnost Ëi nev˝hodnost pre-organizace danÈho vazebnÈhomÌsta pro kov. StruËn˝ p¯ehled, kter˝ publikoval Chermette72,shrnuje rozsah aplikacÌ metod DFT pro komplexy p¯echod-n˝ch kov˘ (vazebnÈ energie, molekulovÈ struktury, plochypotenci·lnÌ energie a reakËnÌ profily, ionizaËnÌ potenci·ly,elektronovÈ afinity, vibraËnÌ frekvence, UV-VIS spektrosko-pie, ESR, NMR). Mnoho informacÌ o p¯echodn˝ch kovech lzetakÈ nalÈzt v rozs·hlÈ encyklopedii v˝poËetnÌ chemie73. Z po-slednÌ doby jsou souhrnnÈ Ël·nky Niu a Halla6 o reakcÌchp¯echodn˝ch kov˘ (obzvl·ötÏ organokovov˝ch systÈm˘ majÌ-cÌch velk˝ v˝znam pro homogennÌ katal˝zu), LoewovÈ a Har-rise74 o roli hemovÈho aktivnÌho mÌsta a proteinovÈho okolÌpro strukturu, spektra a funkci cytochromu P450, Siegbahna


141

a BlombergovÈ57 o teoretick˝ch studiÌch reakËnÌch mechanis-m˘ metaloprotein˘. Dedieu75 pak pod·v· kompletnÌ p¯ehledo kvantovÈ chemii paladia a platiny, Hush a Reimers76 shrnujÌvliv solvataËnÌch efekt˘ na elektronov· spektra komplex˘p¯echodn˝ch kov˘ a koneËnÏ lze odk·zat na velmi instruktivnÌa pouËnou souhrnnou pr·ci Frenkinga a Frˆhlicha77, pojedn·-vajÌcÌ o charakteru rozliËn˝ch typ˘ vazeb mezi p¯echodn˝mikovy a ligandy.

NynÌ lze p¯ejÌt k vlastnÌmu tÈmatu tÈto kapitoly, tedynastÌnÏnÌ dalöÌch perpektiv kvantovÈ bioanorganickÈ chemie.Jak bylo zmÌnÏno, tento obor je relativnÏ mlad˝, a p¯es ËetnÈ˙spÏchy p¯i popisu struktur biomolekul obsahujÌcÌch p¯echod-nÈ kovy jsme v naöich snaûenÌch spÌöe na zaË·tku, neû v do-hledu bezrozporn˝ch vysvÏtlenÌ chemick˝ch proces˘ v tÏchtosystÈmech. Z·kladnÌ ot·zkou z˘st·v·, proË si p¯Ìroda k plnÏnÌsv˝ch ˙kol˘ vybÌr· konkrÈtnÌ p¯echodnÈ kovy a jsme-li schop-ni technick˝mi prost¯edky p¯ÌrodnÌ procesy napodobit a vy-uûÌt. Tomu ale musÌ p¯edch·zet d˘kladnÈ porozumÏnÌ. ZdevidÌm i do budoucna nejvÏtöÌ p¯Ìnos teoretick˝ch studiÌ. Zd·se mi, ûe v souËasnÈ dobÏ nast·v· v chemii rovnov·ha meziteoretick˝m a experiment·lnÌm snaûenÌm tak, jak byla po-ps·na v p¯edeölÈm Ël·nku1. Proces kladenÌ ot·zek a hled·nÌodpovÏdÌ vedoucÌch k odhalov·nÌ p¯ÌrodnÌch z·konitostÌ sest·v· vÌcestupÚov˝m a z·visl˝m na jejich tÏsnÈm spojenÌ.KonkrÈtnÏ mnozÌ experiment·lnÌ chemici oceÚujÌ, kdyû teorienapovÌd·, jak dan˝ experiment uspo¯·dat a na co je pot¯ebazamÏ¯it pozornost p¯i anal˝ze v˝sledk˘ tak, aby bylo oddÏlenon·hodnÈ a zkreslujÌcÌ od z·konitÈho78. O tom, jak je p¯esn˝a dob¯e poveden˝ experiment d˘leûit˝ pro teorii, nenÌ t¯ebamluvit.

P¯ÌötÌ v˝voj v kvantovÈ bioanorganickÈ chemii se d· p¯ed-povÏdÏt jak p¯Ìmou extrapolacÌ souËasn˝ch trend˘ do budouc-na, tak i odhadem, jakÈ problÈmy budou n·mÏtem teoretickÈhozkoum·nÌ. Co se t˝Ëe p¯ÌmÈ extrapolace, lze oËek·vat, ûev˝voj v˝poËetnÌ techniky bude pokraËovat nezpomalen˝mtempem, tedy umoûnÌ prov·dÏnÌ p¯esnÏjöÌch v˝poËt˘ a studi-um vÏtöÌch systÈm˘. Vedle toho lze oËek·vat dalöÌ rozvojhybridnÌch metod typu QM/MM nebo solvataËnÌch metod,kterÈ posunou studovanÈ systÈmy blÌûe k experiment·lnÌmuuspo¯·d·nÌ (dle terminologie refer·t˘ vylepöÌ chemick˝ mo-del). RovnÏû ve vlastnÌ metodologii ab initio v˝poËt˘ lzeoËek·vat novÈ algoritmy, jejichû cÌlem bude vylepöenÌ efekti-vity v˝poËtu p¯i zachov·nÌ p¯esnosti. Ide·lem je dos·hnoutline·rnÌho r˘stu n·roËnosti v˝poËtu s r˘stem systÈmu ñ O(n).Vyjmenuji t¯i aktu·lnÌ trendy, kterÈ se jevÌ velmi slibnÈ prop¯esnost a rychlost v˝poËt˘. PrvnÌm jsou tzv. lok·lnÌ korelaËnÌmetody79 p¯edpokl·dajÌcÌ, ûe korelaËnÌ efekty (bez jejichûzahrnutÌ jsou v˝poËty na systÈmech p¯echodn˝ch kov˘ tÈmÏ¯bezcennÈ) klesajÌ ˙mÏrnÏ rñ6, kde r je vzd·lenost mezi elek-trony (p¯esnÏji mezi atomy, pohyb jejichû elektron˘ kore-lujeme). Jin˝mi slovy, bez velkÈ ztr·ty p¯esnosti ve v˝poËtulze zanedbat korelaci dvou elektron˘, kterÈ se nach·zejÌ naopaËn˝ch koncÌch vÏtöÌch molekul. MusÌ b˝t ale splnÏnapodmÌnka, ûe lze provÈst ˙Ëinnou lokalizaci molekulov˝chorbital˘, a tedy elektron˘m form·lnÏ p¯isoudit jejich p¯ibliû-nou polohu v molekule, coû ale nenÌ u vöech chemick˝chsystÈm˘ proveditelnÈ. Druh˝m trendem jsou v˝poËty metodouMonte Carlo80 aplikovanÈ na ¯eöenÌ elektronovÈho problÈmu,tzv. kvantovÈ MC. AË je r˘st tÈto metody p¯ibliûnÏ O(n5),p¯edstavuje vlastnÏ jeden z p¯Ìstup˘ k p¯ÌmÈmu numerickÈmu¯eöenÌ Schrˆdingerovy rovnice, tedy nalezenÌ p¯esnÈ nerelati-

vistickÈ energie elektronov˝ch stav˘ molekuly. D¯Ìve se zd·-lo, ûe oblast pouûitÌ z˘stane omezena na velmi malÈ systÈmy,avöak dnes lze poËÌtat i systÈmy obsahujÌcÌ aû dvacet atom˘.T¯etÌm p¯Ìstupem, kter˝ je velmi vhodn˝ pro velkÈ systÈmya mohl by zanedlouho konkurovat empirick˝m potenci·l˘m,je tzv. metoda DFT Tight-Binding81, kter· prov·dÌ ¯·dn˝v˝poËet DFT pouze pro atomy p¯Ìmo spojenÈ vazbou a apro-ximuje ostatnÌ p¯ÌspÏvky. Je samoz¯ejmÏ nutnÈ vyzkouöetp¯ijatelnost tÈto aproximace na jednoduööÌch systÈmech stej-nÈho typu, jak˝ bude n·mÏtem cÌlovÈ studie. V souËasnÈ chvÌlise v˝poËetnÌ n·roËnost tÈto metody jevÌ srovnateln· se se-miempirick˝mi v˝poËty, poskytuje vöak v˝raznÏ p¯esnÏjöÌa obecnÏji pouûitelnÈ v˝sledky.

Co se t˝Ëe konkrÈtnÌch oblastÌ v oboru a formulace pro-blÈm˘, oËek·v·m st·le vÏtöÌ prosazov·nÌ v˝poËt˘ na vÏtöÌchsystÈmech, kterÈ budou blÌûe konkrÈtnÌmu uspo¯·d·nÌ v me-taloproteinu, fragmentu DNA atp. Budou viditelnÈ jemnÏjöÌrozdÌly v chov·nÌ tÏchto systÈm˘ ve srovn·nÌ s mal˝mi mole-kulami, kterÈ doposud slouûily jako jejich modely. St·le asibudou st¯edem z·jmu jednotlivÈ sloûky fotosyntÈzy, d·le z·-kladnÌ metabolickÈ procesy, jichû se ˙ËastnÌ p¯echodnÈ kovy,interakce iont˘ kov˘ s RNA, DNA a jejich v˝znam p¯i p¯enosugenetickÈ informace. Na tÏchto systÈmech se kromÏ klasic-k˝ch kvantovÏ-chemick˝ch v˝poËt˘ budou prov·dÏt mole-kul·rnÏ dynamickÈ studie s potenci·lem ab initio (Carova--Parrinellova metoda), pro kterÈ je extrapolace do budoucnap¯ÌmoËar·. Jsme-li dnes na urËitÈm systÈmu schopni provÈstsimulaci zachycujÌcÌ evoluci systÈmu po dobu ¯eknÏme 1 ps(tedy 1000 krok˘ s integraËnÌm krokem 1 fs), desetin·sobn˝vzr˘st v˝poËetnÌho v˝konu n·m za jinak stejn˝ch podmÌnekumoûnÌ provÈst 10 ps simulaci, kter· uû m˘ûe b˝t schopnazachytit rychlÈ procesy v systÈmu, tisÌcin·sobn˝ vzr˘st (rok2010?) n·s p¯enese do nanosekundovÈ oblasti, kde by jiûmohly b˝t pops·ny nap¯Ìklad rychlÈ konformaËnÌ zmÏny ponÏjakÈm iniciaËnÌm procesu (p¯enos protonu, fotoexcitace).

Kvantov· bioanorganick· chemie pat¯Ì k obor˘m, kterÈbudou v p¯ÌötÌch letech upout·vat pozornost st·le vÏtöÌho poËtu(nejen) kvantov˝ch chemik˘.

6. Z·vÏr

V p¯edchozÌ kapitole jsem prezentoval sv˘j mÌrnÏ optimis-tick˝ pohled na dalöÌ v˝voj oboru. Z·vÏrem bych chtÏl vyslovitale i urËitÈ varov·nÌ. Jako v dalöÌch oblastech v˝zkumu, takÈv aplikovanÈ kvantovÈ chemii se prosazujÌ programy, kterÈmajÌ slouûit jako ÑËernÈ sk¯ÌÚkyì, kterÈ od uûivatele vyûadujÌpouze povrchnÌ znalost problÈmu a tv·¯Ì se, ûe je to vöe, copot¯ebuje k prov·dÏnÌ v˝poËt˘. NavÌc jsou nÏkterÈ z tÏchtoprogram˘ velmi komerËnÌ, p¯iËemû nap¯Ìklad pro p¯echodnÈkovy chybÏjÌ parametry do empirick˝ch potenci·l˘, a to proto,ûe obecnou parametrizaci tÈmÏ¯ nelze provÈst. MÌsto toho sedoplÚujÌ jakÈsi generickÈ parametry, coû vede k tomu, ûev˝poËtem zÌskanÈ v˝sledky jsou tÈmÏ¯ bezcennÈ. Nechci od-razovat z·jemce o kvantovou bioanorganickou chemii, musÌmale upozornit, ûe za kvalitnÌmi v˝sledky z tÈto oblasti stojÌ rokypoctivÈ pr·ce a sbÌr·nÌ zkuöenostÌ.

Autor dÏkuje za podporu projektu LN00A032 MinisterstvaökolstvÌ, ml·deûe a tÏlov˝chovy »eskÈ republiky (V˝zkumnÈcentrum komplexnÌch molekulov˝ch systÈm˘ a biomolekul)


142

a grant˘m 203/01/0832 (GA »R) a A4055103/01 (GA AV »R).RNDr. ZdeÚku Havlasovi, DrSc. pak dÏkuji za peËlivÈ p¯eËtenÌrukopisu.

LITERATURA

1. RulÌöek L.: Chem. Listy 95, 796 (2001).2. Dewar M. S. J.: Bull. Soc. Chim. Fr. 18, C71 (1951).3. Chatt J., Duncanson L. A.: J. Chem. Soc. 1953, 2939.4. Volbeda A., Charon M. H., Piras C., Hatchikian E. C.,

Frey M., Fontecilla-Camps J. C.: Nature 373, 580 (1995).5. Happe R. P., Roseboom W., Pierik A. J., Albracht S. P.

J., Bagley K. A.: Nature 385, 126 (1997).6. Niu S., Hall M. B.: Chem. Rev. 100, 353 (2000).7. Torrent M., Solà M., Frenking G.: Chem. Rev. 100, 439

(2000).8. Åkesson R., Pettersson L. G. M., Sandstrˆm M., Sieg-

bahn P. E. M., Wahlgren U.: J. Phys. Chem. 96, 10773(1992).

9. Åkesson R., Pettersson L. G. M., Sandstrˆm M., Wahl-gren U.: J. Am. Chem. Soc. 116, 8691 (1994).

10. Bethe H. A.: Ann. Phys. (Leipzig) 3, 133 (1972).11. Langdorf C. H., Gray H. B.: Ligand Substitution Dyna-

mics. Benjamin, New York 1965.12. Åkesson R., Pettersson L. G. M., Sandstrˆm M., Wahl-

gren U.: J. Am. Chem. Soc. 116, 8705 (1994).13. Rotzinger F. P.: J. Am. Chem. Soc. 119, 5230 (1997).14. Baes C. F., Jr., Mesmer R. E.: The Hydrolysis of Cations.

Wiley, New York 1976.15. Cotton F. A., Wilkinson G.: Advanced Inorganic Chemi-

stry. Wiley, New York 1980.16. Blomberg M. R. A., Siegbahn P. E. M.: Theor. Chem.

Acc. 97, 72 (1997).17. Shi S., Staemmler V.: Phys. Rev. B 52, 12345 (1995).18. Gilson H. S. R., Krauss M.: J. Phys. Chem. A 102, 6525

(1998).19. RulÌöek L., Havlas Z.: J. Chem. Phys. 112, 149 (2000).20. Pavlov M., Siegbahn P. E. M., Sandstrˆm M.: J. Phys.

Chem. A 102, 219 (1998).21. RulÌöek L., Havlas Z.: J. Am. Chem. Soc. 122, 10428

(2000).22. RulÌöek L., Vondr·öek J.: J. Inorg. Biochem. 71, 115

(1998).23. Taketsugu T., Gordon M. S.: J. Chem. Phys. 106, 8504

(1997).24. Fournier R.: Theor. Chim. Acta 91, 129 (1995).25. Langhoff S. R., Bauschlicher C. W., Jr., Partridge H.,

Sodupe M.: J. Phys. Chem. 95, 10677 (1991).26. Luna A., Amekraz B., Tortajada J.: Chem. Phys. Lett.

266, 31 (1997).27. P·pai I.: J. Chem. Phys. 103, 1860 (1995).28. Fournier R.: J. Chem. Phys. 102, 5396 (1995).29. Newton M. D.: J. Phys. Chem. 95, 30 (1991).30. Ryde U.: Biophys. J. 77, 2777 (1999).31. Sigel A., Sigel H., ed.: Metal Ions in Biological Systems,

sv. 32, Interactions of Metal Ions with Nucleotides, Nu-cleic Acids, and Their Constituents. Marcel Dekker, NewYork 1996.

32. Cowan J. A.: Inorganic Biochemistry, An Introduction.VCH Publishers, NewYork 1993.

33. Sigel H.: Chem. Soc. Rev. 22, 255 (1993).

34. Nickol J., Rau D. C.: J. Mol. Biol. 228, 1115 (1992).35. Bernues J., Azorin F., v knize: Nucleic Acids and Mole-

cular Biology (Eckstein F., Lilley D. M., ed.), sv. 9, str. 1.Springer-Verlag, Berlin 1995.

36. Lippert B. (ed.): Cisplatin. Chemistry and Biochemistryof Leading Anticancer Drug. Wiley-VCH, Z¸rich 1999.

37. äponer J., Burda J. V., Sabat M., Leszczynski J., HobzaP.: J. Phys. Chem. A 102, 5951 (1998).

38. äponer J., Sabat M., Burda J. V., Leszczynski J., HobzaP.: J. Phys. Chem. B 103, 2528 (1999).

39. äponer J., Sabat M., Gorb L., Leszczynski J., Lippert B.,Hobza P.: J. Phys. Chem. B 104, 7535 (2000).

40. Bock C. W., Katz K. A., Glusker J. P.: J. Am. Chem. Soc.117, 3754 (1995).

41. äponer J., äponer J. E., Gorb L., Leszczynski J., LippertB.: J. Phys. Chem. A 103, 11406 (1999).

42. Song B., Zhao J., Griesser R., Meiser C., Sigel H., LippertB.: Chem. Eur. J. 5, 2374 (1999).

43. Schrˆder G., Lippert B., Sabat M., Lock C. J. L., FaggianiR., Song B., Sigel H.: J. Chem. Soc., Dalton Trans. 1995,3767.

44. Pettit L. D., Robbins R. A., v knize: Handbook of Me-talñLigand Interactions in Biological Fluids (Berthon G.,ed.), sv. 1, str. 648. Marcel Dekker, New York 1995.

45. Hoyau S., Ohanessian G.: J. Am. Chem. Soc. 119, 2016(1997).

46. deBruin T. J. M., Marcelis A. T. M., Zuilhof H., SudhˆlterE. J. R.: Phys. Chem. Chem. Phys. 1, 4157 (1999).

47. Garmer D. R., Krauss M.: J. Am. Chem. Soc. 114, 6487(1992).

48. Silverman D. N., Lindskog S.: Acc. Chem. Res. 21, 30(1988).

49. Petterson G.: CRC Crit. Rev. Biochem. 21, 349 (1987).50. Eklund H., Br‰ndÈn C. I., v knize: Zinc Enzymes (Spiro

T. G., ed.), str. 124. Wiley, New York 1983.51. Bill E., Haas C., Ding X.-O., Maret W., Winkler H.,

Trautwein A. X., Zeppezauer M.: Eur. J. Biochem. 180,111 (1989).

52. Ryde U., Hemmingsen L.: J. Biol. Inorg. Chem. 2, 567(1997).

53. Ceulemans A., Chibotaru L. F., Heylen G. A., PierlootK., Vanquickenborne L. G.: Chem. Rev. 100, 787 (2000).

54. Olsson M. H. M., Ryde U., Roos B. O., Pierloot K.: J.Biol. Inorg. Chem. 3, 109 (1998).

55. Pierloot K., De Kerpel J. O. A., Ryde U., Olsson M. H.M., Roos B. O.: J. Am. Chem. Soc. 120, 13156 (1998).

56. Olsson M. H. M., Ryde U., Roos B. O.: Protein Sci. 7,2659 (1998).

57. Siegbahn P. E. M., Blomberg M. R. A.: Chem. Rev. 100,421 (2000).

58. Ferguson-Miller S., Babcock G. T.: Chem. Rev. 96, 2889(1996).

59. Babcock G. T., Wikstrˆm M.: Nature 356, 301 (1992).60. Wikstrˆm M.: Biochem. Biophys. Acta 1365, 185 (1998).61. Yachandra V. K., Sauer K., Klein M. P.: Chem. Rev. 96,

2927 (1996).62. Kok B., Forbush B., McGloin M.: Photochem. Photobiol.

11, 457 (1970).63. Blomberg M. R. A., Siegbahn P. E. M., Styring S.,

Babcock G. T., Åkermark B., Korall P.: J. Am. Chem.Soc. 119, 8285 (1997).


143

64. Siegbahn P. E. M., Crabtree R. H.: J. Am. Chem. Soc.121, 117 (1999).

65. Siegbahn P. E. M.: Inorg. Chem. 39, 2923 (2000).66. Ziegler T.: Chem. Rev. 91, 651 (1991).67. Ziegler T.: Can. J. Chem. 73, 743 (1995).68. Veillard A.: Chem. Rev. 91, 743 (1991).69. Cory M. G., Zerner M. C.: Chem. Rev. 91, 813 (1991).70. Deeth R. J.: Coord. Chem. 82, 1 (1995).71. Comba P.: Coord. Chem. Rev. 185ñ186, 81 (1999).72. Chermette H.: Coord. Chem. Rev. 178ñ180, 691

(1998).73. Schleyer P. v. R., Allinger N. R., Clark T., Gasteiger J.,

Kollman P. A., Schaefer H. F., III, Schreiner P. R. (ed.):Encyclopedia of Computational Chemistry. Wiley, Chi-chester 1998.

74. Loew G. H., Harris D. L.: Chem. Rev. 100, 407 (2000).75. Dediue A.: Chem. Rev. 100, 543 (2000).76. Hush N. S., Reimers J. R.: Chem. Rev. 100, 775 (2000).77. Frenking G., Frˆhlich N.: Chem. Rev. 100, 717 (2000).78. Doyle A. C.: Sherlock Holmes: The Complete Illustrated

Short Stories. Chancellor Press, London 1985.79. Sch¸tz M., Werner H.-J.: Chem. Phys. Lett. 318, 370

(2000).80. Anderson J. B.: J. Chem. Phys 112, 9699 (2000).

81. Han W. G., Elstner M., Jalkanen K. J., Frauenheim T.,Suhai S.: Int. J. Quant. Chem. 78, 459 (2000).

L. RulÌöek (Institute of Organic Chemistry and Bioche-mistry, Academy of Sciences of the Czech Republic, Prague):Theoretical Studies of the Interactions of Transition Me-tals with Biomolecules

Theoretical studies of various aspects of interactions oftransition metal (TM) ions with biomolecules make it possibleto analyze the principles governing the fundamental chemicalprocesses, in which they participate, at the atomic or evenelectronic level. We present a concise review of the recentachievements in the field of quantum bioinorganic chemistry,i.e. the studies dealing with the structure and energetics ofTM-containing systems of biological relevance. In the firstpart, the interactions of TM ions with smaller molecules areanalyzed, since they constitute the elementary knowledge thathelps understand more complex systems. Then, the work inthe field of interactions of TM ions with nucleic acids and theircomponents is briefly summarized. In the third part, we focuson structure, function, and spectroscopic behaviour of metal--binding sites in metalloproteins and, finally, the perspectivesof quantum bioinorganic chemistry are outlined.

P O K R O K Y V C H R O M A T O G R A F I I

A E L E K T R O F O R … Z E 2 0 0 2

&

C H I R A N A L 2 0 0 2

O L O M O U C

2 4 . A é 2 7 . » E R V N A 2 0 0 2


144

TEORETICK… STUDIUM INTERAKCÕ PÿECHODN›CH KOVŸ S … · pomocÌpokroËil˝ch kvantovÏ-chemick˝ch metod vyplynulo, ûetakovÈpÌkybymohlyv[Co(H 2 O) 6] 2+existovat,aleze...

Documents