Flavoenzimlerdeki flavin oksidasyonu mekanizmasının hesapsal modellenmesi
Computational modelling of the flavin oxidation mechanism in flavoenzymes
- Tez No: 488018
- Danışmanlar: PROF. DR. SAFİYE ERDEM
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya, Chemistry
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Marmara Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Organik Kimya Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 82
Özet
Flavoproteinler vücutta indirgenme ve yükseltgenme reaksiyonları, moleküler oksijenin aktivasyonu, ışık emisyonu, fotosentez, bitki fototropizması, DNA tamiri ve biyolojik saatin ayarlanması gibi birçok önemli kimyasal reaksiyonu katalizleyen, aktif bölgelerinde riboflavin bulunduran enzimlerdir. Riboflavin enzimin aktif bölgesinde flavin adenin dinükleotit (FAD) ve flavin mononükleotit (FMN) olarak bulunabilir. Flavoproteinlerde çeşitli enzim mekanizmaları sonucu kataliz sırasında FAD indirgenmektedir. İndirgenmiş flavin aşagıdaki reaksiyona göre moleküler oksijenle reaksiyona girerek tekrar oksitlenir ve enzim tekrar aktif hale gelir. E-FADH2 + O2 → E-FAD + H2O2 Reaksiyon sonunda oluşan hidrojenperoksit bir reaktif oksijen türüdür ve oksidatif strese neden olmaktadır. Oksidatif stres, hücre yaşlanmasına hatta hücre ölümüne sebep olabilecek önemli bir sorundur. Bu nedenle reaksiyonun aydınlatılması büyük önem taşımaktadır. Literatürde flavinin reaksidasyon mekanizması bazı enzimlerle çalışılmıştır ve son yıllarda söz konusu reaksiyon ile ilgili çalışmalar hızla artmaktadır. Bu tez çalışmasında herhangi bir enzime bağlı kalmadan flavinin tam indirgenmiş formu (FADH2) ve moleküler oksijen arasındaki reaksiyon modellenmiştir. Önerilen mekanizmalardaki tüm yapılar gaz fazında, yoğunluk fonksiyoneli teorisi (YFT) M06- 2X/6-31+G(d,p) ve UM06-2X/6-31+G(d,p) yöntemi ile optimize edilmiştir ve Gibbs serbest enerjileri hesaplanmıştır. Relatif enerjiler ve optimize yapılar potansiyel enerji yüzeyinde gösterilmiştir. Flavinin si ve re-yüzünden triplet, singlet ve açık kabuk singlet olmak üzere yedi mekanizma modellenmiştir. Daha sonra re-yüzünden modellenen üç mekanizma spin dönüşüm noktası olup olmadığı araştırılmak üzere aynı potansiyel enerji yüzeyinde çakıştırılmıştır. Önerdiğimiz mekanizmaya göre açık kabuk enerji yüzeyinde FADH….OOH biradikal araürünü oluştuktan sonra triplet-singlet spin dönüşüm noktası gözlenmiştir. Reaksiyon triplet FAD….O2 kompleksiyle başlayarak triplet FADH….OOH radikal ara ürününü oluşturur ve bu ara ürün açık kabuk singlet biradikal hale geçer. Daha sonra açık kabuk singlet biradikal enerji yüzeyi ile kapalıv kabuk singlet enerji yüzeyi çakışarak kovalent bağlı, kararlı FADH-OOH ara ürünü oluşur. Reaksiyon 25.2 kkal/mol aktivasyon enerjili hız belirleme adımında OOH'ın FADH'tan hidrojeni almasıyla biter. Sonuç olarak bizim önerdiğimiz mekanizma bu reaksiyonun herhangi bir enzim olmadan da gerçekleşebileceğini kanıtlamaktadır. Bu mekanizmanın detaylarının anlaşılması oksidatif stres ve nörodejenerasyon hakkında gelecekteki terapötik yaklaşımların tasarımına yardımcı olabilir.
Özet (Çeviri)
Flavoproteins are enzymes that contain riboflavin in their active sites and catalyze very important reactions in the living systems such as oxidation-reduction reactions, activation of molecular oxygen, light emission, photosynthesis, phototrophism, DNA repair and circadian rhythm regulation. Riboflavin can be found in the active sites of flavoproteins as flavin adenin dinucleotide (FAD) and flavin mononucleotide (FMN). As a result of various enzyme mechanisms in the flavoproteins, FAD is reduced during the catalysis. Reduced flavin is reoxidized by reacting with molecular oxygen according to the following reaction and the enzyme becomes active again. E-FADH2 + O2 → E-FAD + H2O2 Hydrogen peroxide formed at the end of the reaction is a reactive oxygen species which causes oxidative stress. Oxidative stress is an important problem that can lead to cell damage and even cell death. For this reason, elucidating the mechanism of this reaction is very important. The mechanism of flavin reoxidation in several enzymes has been studied in the literatüre and studies about this reaction are increasing rapidly in recent years. In this study, the reaction between fully reduced form of flavin (FADH2) and molecular oxygen is modeled in gas phase regardless of any enzyme. All the structures in proposed mechanisms were optimized with the density fuctional theory (DFT) M06- 2X/6-31+G(d,p) and UM06-2X/6-31+G(d,p) method and Gibbs free energies were calculated. Relative energies and optimized structures were shown on the potential energy surfaces. Seven mechanisms have been modeled on flavin si and re-faces as triplet, singlet and singlet biradical. Since this reaction involves a spin-forbidden change from triplet to singlet, three of the mechanisms modelled on re-face were superposed on the same potential energy surface to search for the possibility of any spin-crossing point. We propose that a triplet-singlet spin crossing point has been observed in the open shell potential energy surface after the formation of FADH….OOH biradical intermediate. Reaction starts with triplet FAD….O2 complex which is converted tovii triplet FADH….OOH intermediate and then it crosses with open shell singlet state somewhere near the singlet FADH….OOH biradical intermediate. Afterwards, the open shell singlet surface crosses with the closed shell surface and the stable FADH-OOH covalent intermediate forms. The reaction is finalized at the rate-determining step with 25.2 kcal/mol activation energy while OOH abstracts the second hydrogen from FADH. As a result, our proposed mechanism confirms that this reaction can even occur nonenzymatically. Understanding the details of the mechanism may help to design future therapeutic approaches about oxidative stress and neurodegeneration.
Benzer Tezler
- Flavin redoks tepkimesine sübstitüent etkisinin modellenmesi
Modelling the effect of substituents on the flavin redox reaction
ARZU TOPAL
