Czasopismo | CHEMIK | Rocznik 2024 - zeszyt 1

Opis oddziaływań niekowalencyjnych wybranych penicylin metodami chemii obliczeniowej

Non-covalent interactions description of selected penicillins in the framework of computational chemistry

10.15199/5.2024.1.5

nr katalogowy: 148528
10.15199/5.2024.1.5

Streszczenie

Oddziaływania niekowalencyjne wewnątrz- i międzycząsteczkowe mają kluczowe znaczenie w nowoczesnym projektowaniu związków aktywnych biologicznie. W artykule omawiamy właściwości fizykochemiczne trzech wybranych związków z grupy penicylin - oksacyliny, ampicyliny i penicyliny G. Dla tych związków zostały wykonane symulacje kwantowo-chemiczne wykorzystując teorię funkcjonału gęstości (DFT). Analizowane były wybrane parametry metryczne, jak również struktura elektronowa (teoria QTAIM i indeks NCI) skondensowanych pierścieni, jak i całych cząsteczek. Symulacje zostały wykonane w fazie gazowej, jak również z uwzględnieniem polaryzacji otoczenia – model CPCM i wody jako rozpuszczalnika. Ostatni fragment badań stanowi analiza oddziaływań niekowalencyjnych pomiędzy opisywanymi penicylinami a ich miejscem wiążącym. Przedstawione wyniki badań wpisują się w założenia komputerowo wspomaganego projektowania leków.

Abstract

Intra- and intermolecular non-covalent interactions play an important role in modern design of biologically active compounds. In the paper, we discuss the physicochemical features of three selected compounds from penicillin group – Oxacillin, Ampicillin and Penicillin G. Quantum-chemical simulations on the basis of Density Functional Theory (DFT) were carried out for these compounds. The analyses were performed for selected metric parameters as well as electronic structure (QTAIM and NCI index) of the fused rings and the whole molecules. The simulations were done in the gas phase and taking into account the influence of the polar environment – CPCM model and water as a solvent. The last part of the study is devoted to the non-covalent interactions analysis in the binding site of the penicillins. The presented results are in line with the Computer-Aided Drug Design (CADD) philosophy.

Słowa kluczowe

Keywords

Bibliografia

[1] Graham P.: Chemia medyczna. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2019.
[2] Cui W., Aouidate A., Wang S., Yu Q., Li Y., Yuan S.: Discovering Anti-Cancer Drugs via Computational Methods. Front. Pharmacol. 2020, 11, 733.
[3] Yocum R.R., Waxman D.J., Rasmussen J.R., Strominger J.L.: Mechanism of penicillin action: penicillin and substrate bind covalently to the same active site serine in two bacterial D-alanine carboxypeptidases. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1979, 76, 2730–2734.
[4] Jacoby G.A.: AmpC β-Lactamases. Clin. Microbiol. Rev. 2009, 22, 161–182.
[5] Fleming, A.: On the antibacterial action of cultures of a Penicillium, with special reference to their use in the isolation of B. influenzae. Brit. J. Exp. Pathol. 1929, 10, 226–236.
[6] Berman H.M., Westbrook J., Feng Z., Gilliland G., Bhat T.N., Weissig H., Shindyalov I.N., Bourne P.E.: The Protein Data Bank. Nucl. Acids Res. 2000, 28, 235–242.
[7] https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Oxacillin.
[8] Wallar B.J., Powers R.A., Docter B.E.: Crystal Structure of AmpC betalactamase from E. coli in Complex with Oxacillin, https://doi.org/10.2210/ pdb4JXG/pdb, data dostępu: 31.03.2024.
[9] Chen Y., Zhang W., Shi Q., Hesek D., Lee M., Mobashery S., Shoichet B.K.: Crystal structures of penicillin-binding protein 6 from Escherichia coli. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 14345–14354.
[10] Mcvey C.E., Walsh M.A., Dodson G.G., Wilson K.S., Brannigan J.A.: Crystal Structures of Penicillin Acylase Enzyme- Substrate Complexes: Structural Insights Into the Catalytic Mechanism.J. Mol. Biol. 2001, 313, 139–150.
[11] Barone V., Cossi M.: Quantum calculation of molecular energies and energy gradients in solution by a conductor solvent model. J. Phys. Chem. A 1998, 102, 1995–2001.
[12] Hohenberg P., Kohn W.: Inhomogeneous Electron Gas. Phys. Rev. 1964, 136, B864–B871.
[13] Kohn W., Sham L.: Self-Consistent Equations Including Exchange and Correlation Effects. Phys. Rev. 1965, 140, A1133–A1138.
[14] Chai J.-D., Head-Gordon, M.: Long-range corrected hybrid density functionals with damped atom-atom dispersion corrections. Phys. Chem. Chem. Phys. 2008, 10, 6615–6620.
[15] Grimme, S., Ehrlich, S., Goerigk, L. Effect of the Damping Function in Dispersion Corrected Density Functional Theory. J. Comput. Chem. 2011, 32, 1456–1465.
[16] Weigend F., Ahlrichs R.: Balanced basis sets of split valence, triple zeta valence and quadruple zeta valence quality for H to Rn: Design and assessment of accuracy. Phys. Chem. Chem. Phys. 2005, 7, 3297–3305.
[17] Neese F.: The ORCA program system. WIREs Comput. Mol. Sci. 2012, 2, 73–78.
[18] Bader R.F.W.: Atoms in Molecules, A Quantum Theory. Oxford University Press, 1990.
[19] Johnson E.R., Keinan, S., Mori-Sánchez, P., Contreras-García, J., Cohen, A.J., Yang W.: Revealing Noncovalent Interactions. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 6498–6506.
[20] Laskowski R.A., Swindells M.B.: LigPlot+: multiple ligand-protein interaction diagrams for drug discovery. J. Chem. Inf. Model. 2011, 51, 2778– 2786.
[21] Humphrey W., Dalke A., Schulten K.: VMD – Visual Molecular Dynamics. J. Mol. Graph. 1996, 14, 33–38.
[22] Keith T., Gristmill T.: AIMAll (Version 19.10.12), Software. Overland Park KS, 2019.
[23] Lu T., Chen F.: Multiwfn: a multifunctional wavefunction analyzer. J. Comput. Chem. 2012, 33, 580–592.
[24] Pocheć, M.; Kułacz, K. Panek, J.J.; Jezierska, A. How Substitution Combines with Non-Covalent Interactions to Modulate 1,4-Naphthoquinone and Its Derivatives Molecular Features-Multifactor Studies. Int. J. Mol. Sci. 2021, 22, 10357.

Jeśli masz wykupiony/przyznany dostęp - zaloguj się. Skorzystaj z naszych propozycji zakupu!

Publikacja


CHEMIK- e-publikacja (pdf) z zeszytu 2024-1 , nr katalogowy 148528 licencja: Osobista Produkt cyfrowy Nowość	10.00 zł

Zeszyt


CHEMIK- e-zeszyt (pdf) 2024-1 licencja: Osobista Produkt cyfrowy Nowość	49.00 zł

Prenumerata

CHEMIK - prenumerata cyfrowa
licencja: Osobista

Produkt cyfrowy
Nowość

150.00 zł

CHEMIK - PAKIET prenumerata PLUS
licencja: Osobista

Produkt cyfrowy

Szczegóły pakietu

300.00 zł

Zeszyt

2024-1

Twój Koszyk

Publikacja

Zeszyt

Prenumerata

Zeszyt

Czasopisma