Behavior of Membrane Anchored Cytochromes P450

Mgr. Veronika NAVRÁTILOVÁ

Disertační práce

Abstract:

The cytochromes P450 (CYP) are enzymes involved in the metabolism of most xenobiotics in the human body such as drugs or some environmental pollutants. Mammalian CYPs metabolizing xenobiotics are membrane-attached to the endoplasmic reticulum. The transport of molecules from the membrane hydrophobic core towards CYP's deeply buried active site cavity is provided by the network of transportation channels managing substrate ingress and metabolite egress. These processes can be studied by the computational chemistry methods such as molecular dynamics (MD) or specialized bioinformatics tools which allow identification and characterization of channels leading to the active site (e.g. MOLE). Both approaches can be combined and together allow the detailed description of the substrate uptake from the membrane to the CYP active site and metabolite egress to cytosol. Moreover, combination of software tools also allows to obtain the energetics of the whole process of compound permeation through the network of channels to identify the most favorable path. In this thesis, these approaches were successfully used for elucidation of the structure and dynamics of the membrane-attached cytochromes P450 and the combination of the MD and MOLE helped us to explain the potential binding mechanism of the ligands to the CYP active site and to evaluate metabolite's egress paths. The data and processes presented in this thesis may be therefore used e.g. in the in silico drug design including drug metabolism and for rational design of new enzymes with desirable properties of their access/egress channels.

Abstract:

Cytochromy P450 (CYP) jsou enzymy podílející se na metabolismu většiny cizorodých látek v lidském těle, ať už se jedná např. o léčiva, či polutanty vyskytující se v životním prostředí. Savčí CYP metabolizující cizorodé látky jsou membránově kotveny v endoplasmatickém retikulu. Transport látek z hydrofobního prostředí membrány do hluboce zanořené kavity aktivního místa je zprostředkován sítí kanálů, které zajišťují jak příjem substrátů, tak výstup metabolitů. Všechny tyto procesy je možno sledovat pomocí nástrojů výpočetní chemie např. metodami molekulární dynamiky (MD) či specializovanými bioinformatickými nástroji pro identifikaci a analýzu kanálů (např. MOLE). Oba tyto přístupy lze navíc vzájemně propojit, čímž lze získat nástroj umožňující popis energetiky celého procesu průchodu molekuly z membrány do aktivního místa CYP a také výstup jejich metabolitů kanály, a navíc identifikovat kanál, který je pro průchod dané látky nejvhodnější. Přístupy použité v rámci této disertační práce mohou pomoci při objasnění struktury a dynamiky membránově kotvených cytochromů P450 a kombinací MD a nástroje MOLE lze také získat další informace potřebné k vysvětlení potenciálního mechanismu vazby ligandu do aktivního místa CYP a určení vhodné výstupní cesty metabolitů. Takto získané informace a výpočetní postupy lze použít např. při návrhu nových léčiv s ohledem na jejich metabolismus, popřípadě při racionálním návrhu nových enzymů s námi požadovanými vlastnostmi přístupových či výstupních kanálů.

Keywords

cytochrom P450, kanál, tunel, molekulová dynamika, MOLE

Jazyk práce: angličtina

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 29. 3. 2018

Obhajoba závěrečné práce

• Vedoucí: prof. RNDr. Michal Otyepka, Ph.D.

UNIVERZITA PALACKÉHO V OLOMOUCI

Přírodovědecká fakulta

Doktorský studijní program / obor:
Chemie / Fyzikální chemie