Per citar aquest document: http://ddd.uab.cat/record/36692
Study of the reaction mechanism in Mandelate Racemase enzyme : reaction path and dynamical sampling approaches / Xavier Prat Resina ; [directors, Josep Maria Lluch López i Àngels González i Lafont]
Prat Resina, Xavier
González Lafont, Àngels, dir. (Universitat Autònoma de Barcelona. Departament de Química)
Lluch López, Josep Maria, dir. (Universitat Autònoma de Barcelona. Departament de Química)

Publicació: Bellaterra : Universitat Autònoma de Barcelona, 2004
Resum: En aquesta tesi s'ha dissenyat i aplicat diferents eines teòriques i computacionals per a l'estudi de la reactivitat de l'enzim Mandelat Racemasa. L'enzim Mandelat Racemasa catalitza la interconversió dels dos enantiòmers (S) i (R) de l'àcid mandèlic a una velocitat semblant. El mecanisme de reacció que es postula experimentalment passa per l'abstracció d'un protó molt poc àcid. Aquesta reacció molt poc favorable en medi aquós l'enzim la catalitza a una velocitat sorprenentment alta. Fent un estudi Mecànica Quàntica / Mecànica Molecular (QM/MM) de la reactivitat de l'enzim s'han trobat els intermedis i les barreres de reacció que permeten deduir tres mecanismes a través dels quals el substracte natural mandelat i altres dos substractes anàlegs poden racemitzar. Expliquem de quina manera l'enzim pot fer la catàlisi tant efectiva i equivalent per als dos enantiòmers. Partint de la necessitat de millorar l'estudi QM/MM anterior, sobretot pel què fa a l'acurada localització dels estats de transició (barreres reacció), s'ha dissenyat un mètode d'optimització d'estructures per ser aplicat a sistemes de milers d'àtoms com ho és el nostre enzim. El mètode anomenat micro-iteratiu es basa en una cerca segons les equacions Rational Function Optimization (RFO) en una zona reduida mentre es minimitza l'entorn amb un mètode computacionalment barat com el LBFGS. Aquest mètode micro-iteratiu ha estat formulat, implementat i testejat en sistemes moleculars grans i petits. Se n'ha estudiat les diferents opcions donant una recepta pràctica per al seu ús en altres reaccions. També se n'ha justificat el seu desenvolupament posant de relleu les millores obtingudes amb aquest nou mètode quan es comparen els nous resultats amb els obtinguts en l'estudi QM/MM inicial. Finalment, l'energia lliure de la reacció enzimàtica s'ha calculat amb tècniques de la dinàmica molecular i de l'Umbrella Sampling. Per aquest tipus de càlcul és imprescindible escollir a priori una coordenada de reacció que permeti anar de reactius a productes, en altres paraules, és necessari saber com té lloc la reacció. Gràcies a la prèvia localització d'estats de transició amb el mètode micro-iteratiu podem conèixer el mecanisme de reacció. I per tant podem emprar una coordenada de reacció adequada que ens permet calcular l'energia lliure de reacció de forma efectiva.
Resum: In this thesis several theoretical techniques to study the Mandelate Racemase enzyme reactivity are designed and used. The Mandelate Racemase enzyme catalyses the interconversion of both enantiomers (S) and (R) of mandelic acid at apparently the same rate. Experimental results suggest that the reaction mechanism takes place through the abstraction of a non-acid hydrogen. This reaction is very low in aqueous media but the enzyme catalyzes it at an extremely fast rate. We carry out a QM/MM study of the enzyme reativity. We have found the intermediate structures and the energy barriers corresponding to three proposed mechanisms that the natural substrate mandelate and two other substrate analogues may undergo. We are able to explain how the the efficient catalysis is performed for the two enantiomers. Due to the lack in the previous QM/MM study of an efficient method to locate transition state structures (energy barriers) we have designed an structure optimization method to be applied to systems constituted by thousands of atoms such as our enzyme. The so-called micro-iterative method consists in a search based on the Rational Function Optimization (RFO) equations applied in a core zone while the environment is minimized through a computationally affordable method such as LBFGS. The micro-iterative method has been formulated, implemented and tested for small and big molecular systems. We have studied several possible options giving as a result a practical guide for its usage in other reactions. Comparing the results coming from the initial QM/MM study with the ones found by this micro-iterative method we show an improvement that justifies the development. Finally, the free energy corresponding to the enzymatic reaction is calculated by means of Molecular Dynamics and Umbrella Sampling techniques. The free energy computation requires the a priori election of a reaction coordinate that allows the system to go from reactants to products. In other words, it is essential to know how the reaction takes place. Thanks to the accurate search of transition states performed previously by the micro-iterative we can find the reaction mechanism. In this sense we can use an adequate reaction coordinate that permits us an efficient calculation of the reaction free energy.
Nota: Bibliografia
Nota: Tesi doctoral - Universitat Autònoma de Barcelona, Facultat de Ciències, Departament de Química, 2004
Nota: Consultable des del TDX
Nota: Títol obtingut de la portada digitalitzada
Drets: ADVERTIMENT. L'accés als continguts d'aquesta tesi doctoral i la seva utilització ha de respectar els drets de la persona autora. Pot ser utilitzada per a consulta o estudi personal, així com en activitats o materials d'investigació i docència en els termes establerts a l'art. 32 del Text Refós de la Llei de Propietat Intel·lectual (RDL 1/1996). Per altres utilitzacions es requereix l'autorització prèvia i expressa de la persona autora. En qualsevol cas, en la utilització dels seus continguts caldrà indicar de forma clara el nom i cognoms de la persona autora i el títol de la tesi doctoral. No s'autoritza la seva reproducció o altres formes d'explotació efectuades amb finalitats de lucre ni la seva comunicació pública des d'un lloc aliè al servei TDX. Tampoc s'autoritza la presentació del seu contingut en una finestra o marc aliè a TDX (framing). Aquesta reserva de drets afecta tant als continguts de la tesi com als seus resums i índexs.
Llengua: Anglès.
Document: Tesis i dissertacions electròniques ; doctoralThesis
Matèria: Enzims ; Reactivitat ; Mètodes iteratius (Matemàtiques)
ISBN: 8468878014

Adreça alternativa:: http://hdl.handle.net/10803/3175


230 p, 4.6 MB

El registre apareix a les col·leccions:
Documents de recerca > Tesis doctorals

 Registre creat el 2009-05-07, darrera modificació el 2016-06-05



   Favorit i Compartir