Enzymatic spin-catalysis in flavin-containing oxidases and magnetic orientation of birds
##plugins.themes.bootstrap3.article.main##
Анотація
Introduction. The magnetic field of the Earth covers the entire globe and the closest space around it, which makes it possibleto provide information about the direction of magnetic flux lines. Humans use it with a compass to navigate and orient in the space of the ocean or airplane in the sky. Can birds and other animals also use the magnetic field of the Earth for orientation in space?
Purpose. To calculate spin density in individual radicals - anion radicals FAD and cation-radical tryptophan for radical pairs which are contained in cryptochromes of birds. On this basis, to evaluate the electron-nuclear hyperfine interactions of the Fermi contact type. To estimate the influence of magnetic field on the birds orientation through the neural net using the Hori theory.
Methods. The 3D visualization method of the HyperChem-7.51 calculation software for quantum-chemical modeling of FAD and tryptophan by the PM3 method and the Gaussian software for optimizing the FAD molecule by the exchange-correlation functional B3LYP/6-31G (d) were used.
Results. The values of charges and spin density on atoms in the corresponding anion- and cation- radicals are calculated. Such atomic charges clearly explain intermolecular interactions that occurs when the radicals are coordinated in the protein shell of the cryptochrome.
Taking into account the spin density in the anion- and cation-radicals of the cryptochrome RP, we have calculated the constants of the hyperfine interactions for all the nuclei of both radicals. Based on the theory of RP, an estimation of the T-S transition rate in a divided pair of radicals of an anion FAD and a tryptophan cation was performed. Our calculations confirm the general picture of the kinetics of spin transitions in the weak magnetic field proposed in the paper [1].
Conclusion. Quantum-chemical calculations of FAD confirm the theory of enzymatic spin-catalysis in oxidases due to the specific structure of the molecular orbitals of this molecule and of its oxidized and reduced forms. Similar calculations are applied for the cryptochrome radical pair.
The calculated atomic charges explain the strength of intermolecular interactions when the radicals are coordinated in the protein shell of the bird’s eyes cryptochrome.
Spin density at nitrogen atoms creates large values of hyperfine magnetic electron-nuclear interactions, which determines a sufficient rate constant value of the singlet-triplet transition, even in the weak magnetic field of the Earth.
##plugins.themes.bootstrap3.article.details##
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з такими умовами:
1. Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
2. Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
3. Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи.
УГОДА
ПРО ПЕРЕДАЧУ АВТОРСЬКИХ ПРАВ
Я, автор статті/Ми, автори рукопису статті _______________________________________________________________________
у випадку її прийняття до опублікування передаємо засновникам та редколегії наукового видання «Вісник Черкаського Університету: Серія Біологічні науки» такі права:
1. Публікацію цієї статті українською (англійською) мовою та розповсюдження її друкованої версії.
2. Розповсюдження електронної версії статті через будь-які електронні засоби (розміщення на офіційному web-сайті журналу, в електронних базах даних, репозитаріях, тощо).
При цьому зберігаємо за собою право без узгодження з редколегією та засновниками:
1. Використовувати матеріали статті повністю або частково з освітньою метою.
2. Використовувати матеріали статті повністю або частково для написання власних дисертацій.
3. Використовувати матеріали статті для підготовки тез, доповідей конференцій, а також усних презентацій.
4. Розміщувати електронні копії статті (зокрема кінцеву електронну версію, завантажену з офіційного web-сайту журналу) на:
a. персональних web-pecypcax усіх авторів (web-сайти, web-сторінки, блоги, тощо);
b. web-pecypcax установ, де працюють автори (включно з електронними інституційними репозитаріями);
с. некомерційних web-pecypcax відкритого доступу (наприклад, arXiv.org).
Цією угодою ми також засвідчуємо, що поданий рукопис відповідає таким критеріям:
1. Не містить закликів до насильства, розпалювання расової чи етнічної ворожнечі, які викликають занепокоєння, є загрозливими, ганебними, наклепницькими, жорстокими, непристойними, вульгарними тощо.
2. Не порушує авторських прав та права інтелектуальної власності інших осіб або організацій; містить всі передбачені чинним законодавством про авторське право посилання на цитованих авторів та / або видання, а також використовувані в статті результати і факти, отримані іншими авторами чи організаціями.
3. Не був опублікований раніше в інших видавництвах та не був поданий до публікації в інші видання.
4. Не включає матеріали, що не підлягають опублікуванню у відкритій пресі, згідно з чинним законодавством.
____________________ ___________________
підпис П.І.Б. автора
"___"__________ 20__ р.
Посилання
Hore P. J., Mouritsen H. (2016) The Radical-Pair Mechanism of Magnetoreception. Annu Rev Biophys. 45. 299-344.
Solov'yov, I. A., Chandler, D.E., Schulten, K. (2008) Exploring the possibilities for the radical pair effects in cryptochrome. Plant Signal Behav. 3(9). 676-677.
Solov'yov I. A., Mouritsen H., Schulten K. (2010) The Radical-Pair Mechanism of Magnetoreception. Biophysical Journal. 99. 40-49.
Minaev, B. F. (2009) Spin-catalysis in the processes of photo- and bioactivation of molecular oxygen. Ukr. bіоhіm. Jurnal [Ukrainian biochemical journal]. 81. 3. 22-45.[in Rus].
Buchachenko A. L., Molin Y. N., Sagdeev R. Z., Salikhov K.M., Frankevich E.L. (1987) Magnetic spin effects in chemical reactions.Uspehi Fizicheskih Nauk [Successes of physical sciences]. 151. 1. 173-174.[in Rus].
Minaev. B. F. (2002) Spin effects in reductive activation of O2 by oxidase enzymes. RIKEN Rev. 44. 147-149.
R. Prabhakara, E. M. Siegbahna, B. F. Minaev (2003) A theoretical study of the dioxygen activation. Biochimica et Biophysica Acta-Proteins and Proteomics. 1647. 1-2. 173-178.
B. F. Minaev (2007) Electronic mechanisms of molecular oxygen activation. Uspehi himii [Successes of chemistry]. 76. 11. 1059-1083. [in Rus].
Minaev B. F. (2004) Models of the electronic structure of flavoproteins and the mechanism of action of oxidases. Biopolimeri i klitina [Biopolymers and cell]. 20. 3. 224-232.[in Rus].