Opis oddziaływań niekowalencyjnych wybranych penicylin metodami chemii obliczeniowej

• Autorzy: Kamil Wojtek , Jezierska Aneta J. , Panek Jarosław J.

Identyfikatory

DOI

10.15199/5.2024.1.5

Warianty tytułu

EN

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

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

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.

EN

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

PL

CADD; penicyliny; oddziaływania niekowalencyjne; DFT; QTAIM; NCI

EN

CADD; penicillins; noncovalent interactions; DFT; QTAIM; NCI

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Przemysłu Chemicznego, ZW CHEMPRESS-SITPChem ; Politechnika Wrocławska
• Czasopismo: Chemik
• Rocznik: 2024
• Tom: Nr 1
• Strony: 64--70
• Opis fizyczny: Bibliogr. 24 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Kamil Wojtek

• Wydział Chemii, Uniwersytet Wrocławski, Wrocław

autor

Jezierska Aneta J.

• Wydział Chemii, Uniwersytet Wrocławski, Wrocław

autor

Panek Jarosław J.

• Wydział Chemii, Uniwersytet Wrocławski, Wrocław

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.