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Gaussian软件在生命科学领域的应用

关键词:    发布时间:2014-03-07 17:08:02    点击数:4004

应用范例一:

多环聚醚天然产物因其具有生物活性、高度复杂结构及有趣的生物合成机理而受到化学家及生物学家的广泛关注。本文对聚醚类离子载休提出了一种统一立体化学模型,帮助研究者理解其反应机理。

 

高斯软件的作用:

使用Gaussian软件研究了不同溶剂效应下Lsd19 上发生的酶催化环氧开环反应,帮助研究者对该反应的机理进入深入分析。

 

Enzymatic catalysis of anti-Baldwin ring closure in polyether biosynthesis

Kinya Hotta et al.  Nature 483, 355 (2012)

 

应用范例二: 

细胞色素P450为一类亚铁血红素—硫醇盐蛋白的超家族,它参与内源性物质和包括药物、环境化合物在内的外源性物质的代谢。本文主要研究铁-羟基化合物在不同pKa下活化C-H键的反应。

 

高斯软件的作用: 

使用Gaussian软件计算了不同pKa值下反应的自由能变,理解了不同环境下P450-铁-羟基化合物催化反应的倾向。 

 

 

Iron(IV)hydroxide pKa and the Role of Thiolate Ligation in C–H Bond Activation by Cytochrome P450

T. H. Yosca et al.Science342, 825 (2013)

 

应用范例三:

单核非血红素铁酶能催化许多氧化反应,如卤化反应、羟基化反应、关环反应等,它涉及一系列生物过程。本文通过实验和理论计算阐明了Fe(IV)=O 活性中间体的作用。

 

高斯软件的作用:

使用Gaussian软件计算了SyrB2的PVDOS谱及反应机理,并与实验结果进行了对比(NRVS),确认了中间体的结构。

Elucidation of the Fe(IV)=O intermediate in the catalytic cycle of the halogenase SyrB2

Shaun D.Wong et al. Nature 499, 320(2013)

 

应用范例四:

微生物氢化酶利用地球含量丰富的Fe, FeNi, FeFe催化质子与氢气之间相互转化的氧化还原反应。本文研究了FeFe型氢化酶的催化反应,确定了涉及自由基中间体的反应机理。

 

高斯软件的作用:

使用Gaussian软件分析了溶剂效应下HydG+DTH等的EPR谱、Tyr自由基及4OB自由基的自旋密度,并与EPR实验进行了对比,辅助确定了该自由基的存在。 

A Radical Intermediate in Tyrosine Scission to the CO and CN- Ligands of FeFe Hydrogenase

Jon M. Kuchenreuther et al. Science 342, 472 (2013)

 

应用范例五:

氢气在许多化学过程中都扮演着重要的角色,并且能作为潜在的环境友好型能量载体。然而如果要实现大规模和可持续的氢气利用,目前的主要问题集中于新型贵金属催化剂的研发。氢化酶是一类涉及到H2代谢的酶,它可以根据活性位点分为三类:[NiFe]-, [FeFe]-及[Fe]-型。本文借助DFT理论,阐明了[NiFe]-型氢化酶的反应活性及反应位点的立体电子结构特性。

 

高斯软件的作用:

使用Gaussian软件计算了[NiFe]-型氢化酶的结构及反应路径热力学,分析了不同模型下的电子结构,阐明了在此体系下H2的结合和分离机理。

 

Bruschi, M.; Tiberti, M.; Guerra, A.; De Gioia, L., Disclosure of key stereoelectronic factors for efficient H2 binding and cleavage in the active site of [NiFe]-hydrogenases. Journal of the American Chemical Society 2014, 136 (5), 1803-14.

 

应用范例六:

金属蛋白是人类蛋白家族中一个重要的分支,其中许多是药物作用靶点。对于后者而言,大量的金属蛋白抑制剂已被成功研发并应用与临床,比如HDACs, ACE, CA等等。本文着重研究了三类螯合物与碳酸酐酶的作用情况,揭示了作用机理。

 

高斯软件的作用:

使用Gaussian软件优化了三类螯合物与碳酸酐酶的结构,并与实验得到的晶体结构进行了对比,发现了一种非常规的配位模式,这有助于金属蛋白抑制剂结构的认识并为研发新型抑制剂提供研究思路。

 

Martin, D. P.; Blachly, P. G.; Marts, A. R.; Woodruff, T. M.; de Oliveira, C. A.; McCammon, J. A.; Tierney, D. L.; Cohen, S. M., 'Unconventional' coordination chemistry by metal chelating fragments in a metalloprotein active site. Journal of the American Chemical Society 2014, 136 (14), 5400-6.

 

应用范例七:

在许多细菌和古生菌种转运蛋白承担着转运离子及维他命分子的任务。众多的生物学及结构研究都集中于转运蛋白对维他命的转运,然而转运蛋白转运离子的机理目前仍未完全了解清楚。本文首次报道了基于镍、钴的转运蛋白结构及结合位点。

 

高斯软件的作用:

使用Gaussian软件计算了镍、钴转运蛋白结构在不同方法下结合位点的结合能、电荷及原子极化张量,并分析了在配位模式下3d轨道分裂情况。

 

Yu, Y.; Zhou, M.; Kirsch, F.; Xu, C.; Zhang, L.; Wang, Y.; Jiang, Z.; Wang, N.; Li, J.; Eitinger, T.; Yang, M., Planar substrate-binding site dictates the specificity of ECF-type nickel/cobalt transporters. Cell research 2014, 24 (3), 267-77.

 

应用范例八:

包括类固醇、萜烯等在内的类异戊二烯,是天然产物中类别最丰富也是最庞大的一类。在所有的有机体中它们来自于异戊二烯衍生物,如IPP及DMAPP等。IspH是一种含有[Fe4S4]簇的酶,它在许多细菌及疟原虫中类异戊二烯的生物合成中起作用,并且是一个重要的药物靶点。本文中首次报道了E. coli IspH与吡啶分子结合的晶体结构。

 

高斯软件的作用:

使用Gaussian软件优化了氧化态、还原态下吡啶与铁-硫簇的结构,此外,还计算了NMR谱图并与实验结果进行了对比。

 

Span, I.; Wang, K.; Eisenreich, W.; Bacher, A.; Zhang, Y.; Oldfield, E.; Groll, M., Insights into the Binding of Pyridines to the Iron-Sulfur Enzyme IspH. Journal of the American Chemical Society 2014.

 

应用范例九:

蛋白-蛋白相互作用在生物过程中是定义生长、老化、疾病及死亡的基础。然而由于蛋白的高生产费用、化学不稳定性及免疫原性等制约了其在科学、工业及药物中的应用。使用小分子理性复制蛋白的特殊功能是化学科学的一大挑战,本文报道了一种类特殊蛋白功能的小分子合成方法。

 

高斯软件的作用:

使用Gaussian软件优化了杂环化合物的结构并计算了水-杂环复合物之间的键能。

Figure 1 | Modelling C3aR interactions with Leu–Ala–Arg. (a) Structure of human C3a (pdb 4I6O). (b) Side view of seven transmembrane (7TM) region of C3aR homology model derived from the crystal structure of human CXCR4 (bound to a cyclic peptide antagonist)41. Ca of D417, R161, R340, H418 and Y393 rendered as solid spheres. (c) Ac–Leu–Ala–Arg(3, yellow) placed in the 7TM region of human C3aR, showing putative interactions with receptor residues D417 (TM7), R161 (TM4) and R340 (TM5) identified from mutagenesis to be important for binding to Arg77 of C3a. (d) A low-energy conformation of Ac–(Leu–Ox)–Arg (6, cyan carbons; Ox, oxazole) aligned well with Ac–Leu–Ala–Arg (3, green carbons) modelled in a type IIb turn conformation, showing the typical (i,it3) H-bond Ac–COyHN–Arg(Arg side chains omitted for clarity).

 

Reid, R. C.; Yau, M. K.; Singh, R.; Hamidon, J. K.; Reed, A. N.; Chu, P.; Suen, J. Y.; Stoermer, M. J.; Blakeney, J. S.; Lim, J.; Faber, J. M.; Fairlie, D. P., Downsizing a human inflammatory protein to a small molecule with equal potency and functionality. Nature communications  2013, 4, 2802.

 

应用范例十:

一些植物荷尔蒙起着蛋白-蛋白调节剂的作用,从而最终调节荷尔蒙受体。ABA(plant stress hormone abscisic acid) 对于一些非生物胁迫反应来说非常重要,ABA信号通常受PP2Cs蛋白抑制,但是胁迫诱导ABA可与PYR/PYL/RCAR (PYL) 受体结合。本文报道了一类合成ABA类似物的方法。

 

高斯软件的作用:

使用Gaussian软件计算了PYR1–AS6 化合物的结构、电荷及电荷密度,解释了与受体之间的相互作用机理。

 

Takeuchi, J.; Okamoto, M.; Akiyama, T.; Muto, T.; Yajima, S.; Sue, M.; Seo, M.; Kanno, Y.; Kamo, T.; Endo, A.; Nambara, E.; Hirai, N.; Ohnishi, T.; Cutler, S. R.; Todoroki, Y., Designed abscisic acid analogs as antagonists of PYL-PP2C receptor interactions. Nature chemical biology 2014, 10 (6), 477-82.

 

 

 

 

 

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