Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Селен присутствует в активных центрах белков (селенопротеинов) в виде одного или нескольких остатков селеноцистеина (аминокислоты, которая отличается от цистеина заменой атома серы на селен). Функции селенопротеинов в основном связаны с механизмами защиты от окислительного стресса. Однако к настоящему моменту в научном сообществе нет единого мнения о деталях каталитического механизма глутатионпероксидазы. Преимущественно это связано с тем, что результаты его экспериментального моделирования существенно зависят от используемых модельных систем и условий. Данный проект посвящён квантово-химическому моделированию каталитических реакций с участием антиоксидантного фермента глутатионпероксидазы на примере модельных соединений, которые имитируют действие активного центра белка. В текущем отчётом году методами квантовой химии были исследованы особенности внешних электронных оболочек фрагментов R–SeH, R–Se(–) и R–SeOH (R = CH3), которые можно рассматривать как упрощенные модели активного центра глутатионпероксидазы вдоль по каталитическому пути (восстановление пероксидов), при помощи анализа распределения функции локализации электронов и электростатического потенциала. Показано, что преимущественным направлением для нуклеофильной атаки на фрагмент R–Se(–) является обеднённая электронами область на продолжении связи C–Se. Продемонстрировано, что в водных средах ближайшие к атому селена молекулы воды стремятся образовывать водородные связи OH···Se, которые, в свою очередь, влияют на распределение электронной плотности на продолжении связи C–Se, а именно наблюдается увеличение максимального значения молекулярного электростатического потенциала на атоме селена. Определено количество молекул воды, необходимое для насыщения первой координационной сферы селена для фрагментов R–SeH, R–Se(–) и R–SeOH, оно равно двум, шести и двум соответственно. Несмотря на то, что эти водородные связи достаточно слабые (<7 ккал/моль), их присутствие сильно влияют на электронную оболочку селена. Причём оказалось, что сольватация не блокирует направление потенциальной нуклеофильной атаки. Было показано, что химический сдвиг ЯМР 77Se крайне чувствителен как к степени окисления, так и к состоянию гидратации селенсодержащего фрагмента, поэтому может быть успешно использован для экспериментального исследования селенсодержащих соединений, а именно определения как состояния окисления, так и степени гидратации. Показано, что параметры ЯМР (химический сдвиг селена δSe) существенно изменяются при последовательном добавлении молекул воды. Сравнение экспериментального значения δSe с расчетным показывает, что лучшее согласие достигается для полностью насыщенной молекулами воды первой координационной сферы атома селена. В то же время молекулы воды, не взаимодействующие напрямую с атомом селена (т. е. расположенные во второй координационной сфере селена), не изменяют заметно электронную оболочку селена. Следовательно, можно утверждать, что для более точного моделирования селенсодержащих фрагментов необходим явный учёт влияния дополнительных взаимодействий, в частности невалентных взаимодействий с молекулами растворителя или другими аминокислотными остатками в боковых цепях белка. Также проведено моделирование особенностей внешних электронных оболочек для более крупной модельной системы – молекулы селеноцистеина. Показано, что особенности внешних электронных оболочек фрагментов R–SeH, R–Se(–) и R–SeOH не содержат заметных отличий для случая R = CH3 и целой молекулы аминокислоты. Следовательно, способность активного центра глутатионпероксидазы вступать в различные химические реакции, в частности эффективно восстанавливать пероксиды, обусловлена присутствием именно атома селена с его легкополяризуемой электронной оболочкой. Были определены термодинамические параметры каталитического восстановления перекисей для модельных систем в вакууме, показана энергетическая выгодность такой реакции. По результатам первого года реализации проекта, можно заключить, что продемонстрированная чувствительность особенностей электронных оболочек селенсодержащих фрагментов к эффектам окружения может найти практическое применение в вопросах тонкой подстройки антиоксидантной активности селеносодержащих лекарственных препаратов.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
На втором году реализации проекта было завершено исследование кластеров вида CH3Se(–)⋯(H2O)n, представляющих собой упрощённую модель активного центра антиоксидантного фермента глутатионпероксидазы в физиологической среде, и водородных связей в них. Исследованы всевозможные конформеры таких кластеров с использованием высокоуровневого метода расчёта CCSD/aug-cc-pVDZ, получены их геометрии, спектральные ЯМР параметры. Для селенолятного аниона CH3Se(–) с помощью кластерно-континуального подхода рассчитана свободная энергия сольватации (–71.41 ккал/моль в водной среде). Показано, что водородные связи OH⋯Se(–) являются антикооперативными, то есть добавление каждой последующей молекулы воды уменьшает прочность уже образованных водородных связей. Для водородных связей OH⋯Se(–) предложены коэффициенты пропорциональности между параметрами QTAIM в критической точке связи типа (3; –1) и прочностью индивидуальной водородной связи ∆E. Показано, что, несмотря на относительную слабость водородных связей OH⋯Se(–) (<6 ккал/моль), внешняя электронная оболочка атома селена существенно изменяется при образовании каждой водородной связи. Это, в свою очередь, приводит к резкому изменению параметров ЯМР ядер селена. Таким образом, учет влияния соседних с атомом селена функциональных групп белка или молекул растворителя чрезвычайно важен для согласования расчетных данных с экспериментальными. Также в этом отчётном периоде было проведено квантово-механическое исследование структуры реального активного центра глутатионпероксидазы (для трёх форм селеноцистеинового фрагмента –SeH, –SeOH и –Se(O)OH, которые соответствуют продуктам и реагентам первых двух реакций вдоль по каталитическому циклу). Невалентные взаимодействия, образованные селеноцистеиновым фрагментом и молекулами воды/перекиси между собой и с другими аминокислотными остатками подробно изучены и обсуждена их роль в реакциях восстановления пероксидов. Впервые показано наличие -дырочных взаимодействий (халькогенных, тетрельных и пниктогенных связей) в активном центре глутатионпероксидазы. Также наглядно продемонстрировано, что для аккуратного расчёта термодинамических параметров необходимо моделирование каталитического цикла с использованием всего активного центра фермента, так как разница в изменениях энергии Гиббса в сравнении с упрощёнными модельными системами без дополнительных невалентных взаимодействий может достигать 20–25%.