Dokument: Combined Quantum Mechanical / Molecular Mechanical Calculations on Cytochrome P450cam

Titel:	Combined Quantum Mechanical / Molecular Mechanical Calculations on Cytochrome P450cam
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=2622
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20030923-000622-9
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Schöneboom, Jan Claasen Curd [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 3,13 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 09.02.2007 / geändert 09.02.2007
Beitragende:	Prof. Dr. Thiel, Walter [Gutachter] Prof. Dr. Marian, Christel M. [Gutachter] Prof. Shaik, Sason PhD. [Gutachter]
Stichwörter:	Häm-Enzym, Cytochrom P450, Rechnungen, QM/MM, Mechanismus, SpektroskopieHeme enzyme, cytochrome P450, calculations, QM/MM, mechanism, spectroscopy
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 540 Chemie
Beschreibungen:	Die vorliegende Arbeit befasst sich mit theoretischen Untersuchungen zur Cytochrom P450 katalysierten Hydroxylierung von C--H-Bindungen. Zur Beschreibung von Häm-Enzym, Substrat und Solvens wird eine kombinierte quantenmechanische/molekülmechanische (QM/MM) Methode verwendet. Im Rahmen dieses Ansatzes wird die elektronische Struktur im reaktiven Zentrum des Enzyms (40--84 Atome) durch Dichtefunktionaltheorie erfasst. Die gesamte Protein- und Solvensumgebung (ca. 24000 Atome) wird in den Simulationen durch ein klassisches Kraftfeld repräsentiert. Zunächst wird die elektronische und geometrische Struktur des katalytisch aktiven Oxo-Eisen(IV) Komplexes [Fe(O)(porph+)(SR)] (SR = Cystein-357, porph = Protoporphyrin IX) in P450cam ("Compound I") beschrieben, welcher sich bislang dem experimentellen Nachweis entzieht. Es wird dargelegt, wie sich die explizite Berücksichtigung der Proteinumgebung durch das QM/MM-Verfahren im Vergleich zu vereinfachten Modellen des Komplexes in der Gasphase auswirkt. So wird im Enzym ein Porphyrin-pi-Radikalkation (A2u-Zustand) stabilisiert, während in der Gasphase hauptsächlich ein Schwefel-zentriertes Radikal vorliegt. Wasserstoffbrücken in der Umgebung von Cystein-357 begünstigen Ladungslokalisation am koordinierenden Schwefelatom, wodurch die Fe--S Bindung im Vergleich zu dem isolierten Komplex in der Gasphase verkürzt und verstärkt wird. Das berechnete Reaktionsprofil für den Abstraktions-Rekombinations- ("Rebound"-) Mechanismus der C-H Hydroxylierung läßt darauf schließen, dass die Reaktion in zwei Spin-Zuständen (Dublett und Quartett) stattfindet, wie zuvor aufgrund von einfacheren Modellrechnungen vorgeschlagen wurde ("Zwei-Zustands-Reaktivität"). Während die Umwandlung auf der Dublett-Potenzialfläche asynchron, jedoch effektiv konzertiert abläuft, ist die Reaktion im Quartett-Zustand zweistufig, wobei intermediär ein Substrat-Radikal und ein Hydroxo-Eisen-Komplex vorliegen. Vergleichende Rechnungen in der Gasphase zeigen, dass die polarisierende Wirkung der Proteinumgebung die relative Stabilität von Spin-Zuständen und Redox-Elektromeren beeinflusst. Rechnungen an der Substrat-freien Form von P450cam sagen die Multiplizität des Grundzustandes korrekt voraus und befinden sich in guter Übereinstimmung mit experimentell bekannten Bindungsabständen und ESR-Hyperfeinkopplungskonstanten der Ligandenatome. Ferner geben die Untersuchungen Aufschluss über die Faktoren, welche die Bindungseigenschaften des axialen Wasserliganden im Enzym bestimmen. Weitere Dichtefunktional-basierte Untersuchungen betreffen die spektroskopischen Eigenschaften von Intermediaten im Enzym und entsprechenden Modellkomplexen. Der Vergleich von Rechnungen an [FeO(TPP)]+ (TPP = meso-tetraphenylporphyrin) und experimentellen Daten seiner Derivate zeigt, dass Heisenberg-Austauschkopplungskonstanten, Mößbauer-Isomerieverschiebungen und Quadrupolaufspaltungen in guter Genauigkeit erhalten werden. Entsprechende Vorraussagen über die spektroskopischen Parameter der hochvalenten Oxo-Eisen(IV)-Zwischenstufe ("Compound I") in P450cam werden vorgestellt, um deren experimentellen Nachweis zu erleichtern. The present work is concerned with theoretical studies on the cytochrome P450-catalyzed hydroxylation of C--H bonds. To describe the heme-enzyme, substrate, and solvent, a combined quantum mechanical/molecular mechanical (QM/MM) approach is adopted. Density functional theory is employed to treat the electronic structure of the active site (40--84 atoms), while the protein and solvent environment (ca. 24000 atoms) is approximated at the classical force field level. The calculations characterize the electronic and geometric features of the elusive active oxidant of P450cam (compound I), i.e. the oxoferryl species [Fe(O)(porph+)(SR)] (SR = cysteine-357, porph = protoporphyrin IX). We analyze how the explicit consideration of the protein environment by the QM/MM treatment influences the results with respect to simplified compound I models in the gas phase. We find that a porphyrin pi-cation radical (A2u state) is stabilized in the enzyme, while the gas phase models are mainly sulfur-centered radicals. A hydrogen bonding network around the proximal cysteine-357 favors localization of charge density at the coordinating sulfur atom, which shortens and strengthens the Fe--S bond with respect to the gas phase complex. The calculated energy profile of the ``rebound'' mechanism of C--H hydroxylation indicates that the reaction takes place in two spin-states (doublet and quartet), as has been suggested earlier on the basis of calculations on simpler models ("two-state-reactivity"). While the reaction on the doublet potential energy surface is non-synchronous, yet effectively concerted, the quartet pathway is truly stepwise, including formation of a distinct intermediate substrate radical and a hydroxo-iron complex. Comparative calculations in the gas phase demonstrate that the polarizing effect of the enzyme environment affects the relative stability of spin states and redox electromers. Calculations on the substrate-free resting form of P450cam correctly predict the ground state multiplicity and are in good accord with experimentally known bond lengths and EPR hyperfine coupling constants on ligand atoms. Furthermore, these investigations offer insights into the factors that govern the binding properties of the axial water ligand in the enzyme environment. Additional density functional-based calculations address the spectroscopic parameters of intermediates in the protein environment and corresponding model complexes. The comparison of computational results on the complex [FeO(TPP)]+ (TPP = meso-tetraphenylporphyrin) and experimental data of its derivatives shows that Heisenberg exchange coupling constants, Mößbauer isomer shifts, and quadrupole splittings are obtained with satisfactory accuracy. Corresponding predictions for the spectroscopic parameters of the high-valent oxoferryl intermediate (compound I) in P450cam are presented, to facilitate its spectroscopic detection.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Chemie
Dokument erstellt am:	23.09.2003
Dateien geändert am:	12.02.2007
Promotionsantrag am:	25.07.2003
Datum der Promotion:	25.07.2003