بررسي نظري مكانيسم كاتاليستي و مهار آنتي‌بيوتيك‌هاي بتالاكتام با متالوبتالاكتامازها در حلال‌ها و دماهاي مختلف با استفاده از محاسبات مكانيك كوانتومي

Theoritical Study of the Catalytic and Inhibition Mechanism of the B-lactam Antibiotics by Metallo-B-lactamases in the Different Solvents and Different Temperatures Using Quantum Mechanical Calculatio

رايج‌ترين و مهم‌ترين مكانيسم دفاعي باكتريايي نسبت به آنتي‌بيوتيك‌هاي بتالاكتام، توليد آنزيم‌هاي بتالاكتاماز است. اين داروها از طريق هيدروليز و شكست حلقه 4-عضوي پيوند بتالاكتام، طي مكانيسمي دومرحله‌اي، شامل حمله نوكليوفيلي يون هيدروكسيد پل و پروتونه شدن گروه آمين، غيرفعال مي‌شوند. طي اين واكنش يون‌هاي فلزي نقش مهمي را در فرآيند كاتاليستي ايفا مي‌كنند. البته با وجود پژوهش‌هاي متعدد، هنوز مكانيسم عمل‌كرد اين آنزيم‌ها نامشخص و بازدارنده مناسب براي آن‌ها گزارش نشده است. نظريه تابعي چگالي (DFT) با استفاده از روش B3LYP و سري‌هاي پايه 6-31G، 6-31G* و 6-311G**، براي محاسبه جزييات ساختار و انرژي الكتروني واكنش كاتاليستي بخش فعال آنزيم CcrA از خانواده آنزيم‌هاي متالوبتالاكتاماز (MBLs)، آنتي‌بيوتيك بتالاكتام پني‌سيلين و كمپلكس‌هاي تشكيل شده شامل ES، ETS1 ، INT1، INT2، ETS2 و EP به‌ترتيب، به‌كار گرفته شده است. هم‌چنين توابع ترموديناميكي نظير، آنتالپي استاندارد (?H?)، آنتروپي استاندارد (?S?) و انرژي آزاد گيبس استاندارد (?G?) واكنش، برايETS1 ، ETS2 و براي كل واكنش، در دماهاي C° 25، C° 31، C° 37 و C°40 و فشار1 اتمسفر، بررسي شد. در همه محاسبه‌ها اثر حلال با روش PCM براي حلال‌هاي آب، اتانول، محيط پروتييني، نيترومتان و تتراكلريد كربن در نظر گرفته شده است. در نهايت اين واكنش طي يك فرآيند گرمازا و خودبه خودي، به پايداري مي‌رسد و مرحله اول مكانيسم واكنش، يعني حمله نوكليوفيلي، مرحله تعيين‌كننده سرعت است.

The most prevalent and important mechanism of bacterial resistance to B-lactam antibiotics, is the production of B-lactamase enzymes which inactivate these drugs by the hydrolytic cleavage of the four-membered B-lactam ring during two steps which is including the nucleophilic attack of the bridging hydroxide ion on the substrate and eventual protonation of the leaving amine group. During this reaction, metal ions play an important role in the catalytic process. Despite the availability of B-lactamase crystallographic structures, their mechanism of action is still unclear and no clinically useful inhibitors of these enzymes have been reported. Density functional theory (DFT) using B3LYP and 6-31G, 6-31G* and 6-311G** basis sets have been employed to calculate the details of electronic structure and electronic energy of catalytic reaction of CcrA enzyme active center from metallo-B-lactamase enzymes (MBLs), penicillin from B-lactam antibiotics, and the formed complexes including ES, ETS1, EI1, EI2, ETS2 and EP respectively, has been used. Also all the thermodynamic functions including ?H?, ?S? and ?G? to form two transition states, ETS1 and ETS2, and for the total reaction are evaluated at 25 °C, 31 °C, 37 °C and 40 °C and 1 atmosphere pressure. In all calculations solvent effects have been considered by using PCM method for water, ethanol, protein environment, nitro methane and carbon tetrachloride. Finally this reaction proceeds during an exothermic and spontaneous process, and the first step, the nucleophilic attack of the bridging hydroxide ion on the substrate, is the rate-limiting step.