Dokument: Kombinierte quanten- und molekularmechanische Untersuchungen zur Acylierung von Klasse A Beta-Lactamasen

Titel:	Kombinierte quanten- und molekularmechanische Untersuchungen zur Acylierung von Klasse A Beta-Lactamasen
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=2730
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20040129-000730-4
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Deutsch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Hermann, Johannes Cornelius [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 3,80 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 09.02.2007 / geändert 09.02.2007
Beitragende:	Prof. Dr. Dr. h.c. Höltje, Hans-Dieter [Gutachter] Prof. Dr. Kuckländer, Uwe [Gutachter] Prof. Dr. Wiese, Michael [Gutachter]
Stichwörter:	Lactamase, QM/MM, Mechanismus, Resistenz, Reaktionsmechanismus, Zellwand, Murein, Acylierung, Enzym, Übergangsszustandlactamases, mechanism, resistance, QM/MM, modeling, cell wall, mureine, acylation, transition state, enzyme
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 540 Chemie
Beschreibungen:	Der Acylierungsmechanismus von Klasse A Beta-Lactamasen wurde mit theoretischen Methoden untersucht. Die mit der Acylierung einhergehende Spaltung von Beta-Lactam-Antibiotika durch Beta-Lactamasen stellt den wichtigsten Resistenzmechanismus von Bakterien gegen diese Klasse von Antibiotika dar. Als Modellstrukturen für die Untersuchungen wurden mit der Lactamase TEM1 von Escherichia Coli sowie dem Benzylpenicillin jeweils die prominentesten Vertreter der Klasse A Beta-Lactamasen und der Beta-Lactam-Antibiotka ausgewählt. Anhand von theoretischen Untersuchungen wurde ein mit experimentellen Untersuchungsergebnissen übereinstimmender Reaktionsmechanismus erarbeitet und anschließend die Acylierungsreaktion modelliert und analysiert. Es mussten zunächst Hinweise für die Identität der den Mechanismus bestimmenden General Base durch Molecular-Modelling-Techniken gewonnen werden. Ergebnisse von MD-Simulationen konnten hierbei, in Einklang mit allen verfügbaren Daten, ein strukturell konserviertes Glutamat als General Base verifizieren. Die erfolgreiche Modellierung der gesamten Acylierungsreaktion konnte anschließend den Mechanismus bestätigen. Durch Anwendung von quantenmechanisch/molekularmechanischen-Hybridmethoden (QM/MM) konnte eine der komplexesten, theoretisch dargestellten Enzymreaktionen modelliert werden. Hier wurde nicht nur auf den geschwindigkeitsbestimmenden Schritt der Acylierung Wert gelegt, sondern die vollständige Reaktion berechnet. Es wurde gezeigt, dass sich die einzelnen Reaktionen der Acylierung in zwei Reaktionsschritte aufteilen. Innerhalb dieser Reaktionsschritte wurden hochkonzertiert und nicht strikt konzertiert ablaufende Reaktionen beobachtet, die das perfekte Zusammenspiel der katalytischen Aminosäuren demonstrieren. Die Analyse der Übergangszustandsstruktur des geschwindigkeits-bestimmenden Schritts erbrachte, dass die Umsatzrate dieser Enzyme von den Protonentransfers abhängt, die das aktive Serin für den nucleophilen Angriff an den Beta-Lactamring des Antibiotikums aktivieren. Es konnten darüber hinaus Energiebarrieren für die Acylierung berechnet werden, die, unter Berücksichtigung der durch die gegenwärtig anwendbaren Methoden zu erreichenden Genauigkeiten, gut mit den experimentell bestimmten Aktivierungsenergien in Einklang zu bringen sind. Schließlich war es möglich, katalytisch essenzielle Aminosäuren der Klasse A Beta-Lactamasen zu identifizieren. Dabei konnte der Mechanismus der Stabilisierung von wichtigen repräsentativen Strukturen der Acylierungsreaktion aufgeklärt und der Effekt quantifiziert werden. Hier scheint der Kompensation von Ladungsverschiebungen innerhalb des aktiven Zentrums während der Reaktion die größte Bedeutung zuzukommen. The complete mechanism of acylation of class A beta-lactamases with benzylpenicillin was modelled using a combined quantum mechanical and molecular mechanical (QM/MM) method (AM1/CHARMM). The semiempirical energies were corrected at the B3LYP/6-31G+(d) level. Important structures of the reaction were investigated by an amino acid decomposition analysis. The effects of essential residues for these structures were calculated and their mechanism of stabilization was investigated. The rate limiting and most important step in the acylation reaction is the formation of a tetrahedral intermediate. Glu166 is acting as the general base activating Ser70 for nucleophilic attack on the antibiotic compound. The results give a detailed insight into the investigated mechanism.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Chemie
Dokument erstellt am:	29.01.2004
Dateien geändert am:	12.02.2007
Promotionsantrag am:	23.01.2004
Datum der Promotion:	23.01.2004