بررسي نظري شيمي گزيني آنزيم استيلن هيدراتاز

Theoretical Study of Chemoselectivity of Acetylene Hydrates

در اين پژوهش از نظريه تابعي چگالي براي بررسي شيمي‌گزيني آنزيم استيلن‌هيدراتاز در واكنش هيدراسيون 3-بوتين-2-ال، پروپارژيل الكل و پروپن استفاده شده است. ابتدا، بر اساس ساختار كريستالي آنزيم، يك مدل بزرگ از جايگاه فعال آن ساخته شد. ساختار نقاط ايستا در طول مسير واكنش بهينه شده و نيمرخ انرژي واكنش به دست آمد. نتايج نشان مي‌دهد كه براي 3-بوتين-2-ال انرژي اتصال 16/1 كيلوكالري‌برمول بالاتر و محصول ايجاد شده 17/4 كيلوكالري‌برمول پايدارتر از محصول سوبستراي طبيعي اين آنزيم (استيلن) است. به طور مشابه براي پروپارژيل الكل نيز انرژي اتصال 10/7 كيلوكالري‌برمول بالاتر از سوبستراي استيلن است. پروپارژيل الكل در مرحله سوم واكنش خود به يك حد واسط بسيار پايدار رسيده و واكنش آن متوقف مي‌شود. اين نتايج نشان مي‌دهند كه 3-بوتين-2-ال و پروپارژيل الكل به عنوان بازدارنده رقابتي براي آنزيم استيلن هيدراتاز عمل مي‌كنند. نتايج محاسبات براي واكنش پروپن نشان داد كه انرژي اتصال اين تركيب بسيار گرماگيرتر از استيلن، 3-بوتين-2-ال و پروپارژيل الكل است (30/3 كيلوكالري برمول). همچنين مرحله بعدي واكنش نيز انرژي بالايي لازم دارد. در نتيجه پروپن نمي‌تواند سوبستراي مناسبي براي استيلن هيدراتاز باشد.

Density functional theory (DFT) was used to study the chemoselectivity of acetylene hydratase in hydration of 3-butyn-2-ol, propargyl alcohol and propen. A quite large model of the enzyme’s active site was made, based on its crystal structure. Geometrical structures of the stationary points along the reaction paths were optimized, and energy profiles of the reactions were obtained. The results showed that the binding energy of 3-butyn-2-ol is 16.1 kcal/mol higher than the binding energy of the enzyme’s normal substrate (acetylene), but the corresponding reactant is 17.4 kcal/mol more stable. Similarly, propargyl alcohol’s binding energy is 10.7 kcal/mol more than binding energy of acetylene. In the third step of the reaction, propargyl alcohol reaches to a very stable intermediate and its reaction stops. These show that 3-butyn-2-ol and propargyl alcohol act as competitive inhibitors of acetylene hydratase. The results showed that binding of propen is very endothermic than binding of the other compounds (30.3 kcal/mol). In addition, the next nucleophilic attack is also very endothermic. In summary, propen cannot be hydrated by acetylene hydratase.