Přenosy vybraných entit v biomolekulárních systémech studované pomocí výpočetních metod

RNDr. Petr Kulhánek, Ph.D.

Disertační práce

Selected Entity Transfers in Biomolecular Systems Studied by Computional Methods

Anotace:

Předkládaná disertační práce se zaměřuje na použití výpočetních metod ke studiu přenosu entit v biomolekulárních systémech. Prvním studovaným problémem byl přenos protonu v krátkých protonovaných oligopeptidech. Ke studiu byly zvoleny tři modely popisující situaci na jednom až třech aminokyselinových zbytcích. K výpočtům byl použit hybridní funkcionál B3LYP a báze od úrovně 6-31+G* po úroveň 6-31++G**. V použitých modelech bylo nalezeno několik možných cest přenosu protonu, přičemž nejvyšší nalezená bariéra (~ 50 kcal/mol) byla pro přeskok protonu z karbonylového kyslíku na atom dusíku amidické vazby. Další výpočty byly proto zaměřeny na interakce protonu s karbonylovými kyslíky amidických skupin. V tomto případě bylo zjištěno, že izomerace protonu okolo částečné dvojné vazby karbonylové skupiny vykazuje ve všech modelech rychlost určující energetické bariéry okolo 10-18 kcal/mol. V modelu dipeptidu bylo dále zjištěno, že přítomnost jedné molekuly vody významně ovlivňuje mechanismus přenosu protonu. Jeho rychlost určujícím krokem sice zůstává izomerace, ta je však doprovázena výměnou protonu s molekulou vody. Bariéra tohoto procesu je pak pouze ~ 8 kcal/mol. Srovnatelné bariéry byly nalezeny pro cestu přenosu protonu v modelu tripeptidu bez přítomnosti vody. Při přenosu je plně využita flexibilita peptidového řetězce, která umožňuje eliminovat izomerační krok. Druhým studovaným systémem byl enzym LgtC, který katalyzuje přenos galaktosylové skupiny z UDP-Gal na laktosu. Tento systém byl studován pomocí molekulově dynamických simulací, které byly zaměřeny na popis situace předcházející vlastní reakci. Bylo uskutečněno celkem šest simulací o jednotlivých délkách 3 až 10 ns. Ze simulací bylo zjištěno, že UDP-Gal je velmi pevně vázán do aktivního místa. V případě její nepřítomnosti bylo pozorováno spontánní otevírání smyček, které UDP-Gal při její vazbě v aktivním místě kryjí. Dále byl enzym LgtC studován v přítomnosti inhibitoru reakce - deoxylaktosy. Během této simulace nebyla v blízkosti anomerního uhlíku UDP-Gal nalezena žádná molekula vody, což je ve shodě s údaji z krystalové struktury tohoto komplexu. Odlišná situace nastala u simulace s laktosou, kdy byly nalezeny dva způsoby její vazby do aktivního místa. Zatímco první vazebný mód je charakterizován nepřítomností vody v blízkosti anomerního uhlíku UDP-Gal, ve druhém vazebném módu se v jeho blízkosti nacházely průměrně dvě molekuly vody. Na základě tohoto zjištění byl navržen možný alternativní reakční mechanismus přenosu galaktosylové skupiny na koncovou hydroxylovou skupiny laktosy ve studovaném systému.

Abstract:

The presented dissertation is focused on the utilization of computational methods for studies of selected entity transfer processes in biomolecular systems. The first studied process was proton transfer in short protonated oligopeptides. Three models were selected to describe the situation on one to three aminoacid residues. Hybrid functional B3LYP with 6-31+G* and 6-31++G** basis sets was employed in all calculations. Several possible proton transfer pathways were found in the used models. The highest energy barrier (~ 50 kcal/mol) was found for the movement of a proton from the carbonyl oxygen to nitrogen atoms of the amide group. Therefore, further calculations were only focused on the interaction of the proton with carbonyl oxygen atoms. In this case, the isomerization of the proton around partial double carbonyl bond exhibits energy barriers of about 10-18 kcal/mol in all models. When a single water molecule was added to the studied system, the mechanism of proton transfer was significantly changed. Its highest energy barrier is only about 8 kcal/mol. In this particular case the exchange of a proton with one of the water hydrogen atoms occurs, although the key step is still isomerization process. Similar energy barriers were found for the proton transfer pathway in the protonated tripeptide model without a water molecule. This is due to the fact that the flexibility of the peptide chain allows the complete elimination of the isomerization step. The second studied system was the LgtC enzyme. In this case, the transferred entity is the galactosyl moiety which is transferred from UDP-Gal to lactose by the action of the LgtC enzyme. Molecular dynamics simulations were employed in this study. Six simulations in total were performed with lengths from 3 to 10 ns. Simulations were focused on the situation before the reaction takes place. It is clear from studies of individual simulations that UDP-Gal is very strongly bound into the active site of the enzyme. However, when the UDP-Gal was removed from the active site, the spontaneous opening of the loops that cover UDP-Gal was observed. The complex with deoxylactose, which is the competitive inhibitor, has been also studied. No water molecules were found in the close proximity of the anomeric carbon of UDP-Gal in this complex, which is in good agreement with known crystal structures. However, a different situation was observed in the simulation of the complex containing lactose. Two binding modes of lactose were found and in the second one, several water molecules were present in the close proximity of the anomeric carbon of UDP-Gal. This observation has been used to formulate a new hypothesis of the reaction mechanism.

Klíčová slova

proton transfer, peptides, glycosyl transferase LgtC, density functional theory, molecular dynamics

Jazyk práce: čeština

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 11. 12. 2006

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 11. 12. 2006
• Vedoucí: prof. RNDr. Jaroslav Koča, DrSc.

Masarykova univerzita

Přírodovědecká fakulta

Doktorský studijní program / obor:
Chemie / Organická chemie