|
|
Computer modeling of the catalytic activity of coupled binuclear copper enzymes
Eminger, Petr ; Rulíšek, Lubomír (vedoucí práce) ; Srnec, Martin (oponent)
Enzymy s dvěma "spřaženými" měďnatými ionty v aktivním místě (coupled binuclear copper enzymes, CBC) jsou důležitou skupinou redoxně aktivních metaloenzymů. Katalyzují různé chemické přeměny, typicky oxidační reakce. Pomocí hybridních kvantových a molekulově mechanických výpočtů (QM/MM) jsme výpočetně charakterizovali počáteční kroky v reakčním mechanismu dvou CBC enzymů: katecholoxidáz a o-aminofenoloxidáz. Katecholoxidázy byly reprezentovány polyfenoloxidázou 6 (PPO6) a katecholoxidázou z Ipomoea batatas (IBCO), o-aminofenoloxidázy pak zastupoval protein NspF, pojmenovaný podle svého genového kódu. Porovnáním vypočtených údajů s předchozími prácemi zabývajícími se tyrosinázou (Ty) jsme se pokusili odpovědět na otázku, proč NspF a Ty hydroxylují fenoly, zatímco katecholoxidázy nikoli. Naše předběžné výsledky ukazují, že existuje významný rozdíl v energii tranzitního stavu určujícího rychlost reakce, který odpovídá radikálové reakci aktivovaného kyslíkového (oxylového) radikálu spolu s vazbou fenolu na jeden z iontů mědi v aktivním místě. Vypočtená energie tohoto (v pořadí druhého) tranzitního stavu je nižší pro NspF než pro PPO6 a IBCO. Naše práce tak může pomoci pochopit chemoselektivitu CBC enzymů, identifikovat aminokyselinové zbytky ze vzdálenější druhé koordinační sféry, které jsou zodpovědné za...
|
|
|
Metal-Ion Selectivity from Quantum-Chemical Perspective
Gutten, Ondrej ; Rulíšek, Lubomír (vedoucí práce) ; Dudev, Todor (oponent) ; Baldauf, Carsten (oponent)
(CZ) Ionty kovů jsou lákavým nástrojem pro organismy díky rozmanitosti funkcí, které mohou nabídnout, pokud jsou správně rozlišeny. Analýza selektivity pro ionty kovů je z výpočetního hlediska náročná, hlavně kvůli složitosti elek- tronické struktury a solvatačních efektů. Práce představuje protokol založený na teorii hustotního funkcionálu pro předpověď selektivity pro systémy vážoucí ionty kovů. Nejdůležitější částí práce je diskuse o velikostech a zdrojích chyb, a to jak pro komplexy iontů kovů, tak pro malé peptidy. Práce je postavena na čtyřech původných článcích. Obsahuje testování proti ref- erenčním výpočetním a experimentálním datům, případovou studii ověřující protokol pro získání energetických a strukturálních poznatků a pokouší se aplikovat protokol na peptidové systémy. iii
|
|
| |
|
| |
|
|
Catalytic and Electronic Properties of Redox-Active Metalloenzymes and Transition-Metal Complexes: Insights from the Computational Chemistry.
Srnec, Martin ; Rulíšek, Lubomír (vedoucí práce) ; Himo, Fahmi (oponent) ; Papai, Imre (oponent)
Universita Karlova v Praze Přírodovědecká fakulta Obor modelování chemických vlastností bio- a nanostrutkur Katalytické a elektronové vlastnosti "redox-aktivních" metaloenzymů a komplexů přechodných kovů z pohledu výpočetní chemie Autoreferát k disertační práci RNDr. Martin Srnec Školitel: Mgr. Lubomír Rulíšek, CSc. Ústav organické chemie a biochemie AV ČR Centrum biomolekul a komplexních molekulárních systémů Praha 2010 Úvod Kovy a jejich ionty hrají v biochemických procesech významnou úlohu. Jejich přítomnost bývá nepostradatelná například při sbalování (folding) bílkovin a stabilizaci jejich struktur. Bývají běžně hnací silou enzymové aktivity, přeměny energie, či buněčných signálů. Ještě před několika desítkami let byly metaloenzymy považovány za nevýznamnou podskupinu bílkovin. Dnes se však odhaduje, že alespoň jedna třetina všech enzymů obsahuje jeden či více kovových iontů, které jsou pro funkčnost enzymu zásadní. Metaloenzymy obvykle katalyzují energeticky náročné chemické reakce jako například hydroxylaci metanu, rozklad molekulového vodíku na protony a elektrony, štěpení vazby molekulového dusíku a kyslíku atp. Dále se účastní redoxních reakcí, přenosu elektronů či spinově zakázaných reakcí, u nichž jsou nezbytné relativistické efekty, zesílené právě přítomností kovu. Biochemická úloha mnoha...
|
|
|
Studium konformačního chování krátkých peptidových fragmentů metodami kvantové chemie
Kalvoda, Tadeáš ; Rulíšek, Lubomír (vedoucí práce) ; Vondrášek, Jiří (oponent)
Do jaké míry konformační preference ukrytá v základních stavebních blocích proteinů určuje jejich trojrozměrnou strukturu? Rozsáhlé kvantové-chemické výpočty spojené s moderními solvatačními metodami představují jedinečnou sadu nástrojů k objasnění klíčových faktorů biomolekulární struktury ab initio. Na modelových systémech představujících krátké peptidové fragmenty byl provedeno úplné konformační vzorkování (sampling). Získané výsledky ukazují, jak tyto konformační preference mohou spoluurčovat tvorbu prostorové struktury proteinů. Zároveň poskytují nesmírně cenná data pro nalezení optimálního algoritmu, který účinně dosáhne pokrytí (ideálně všech) nízkoenergetických konformerů delších a delších peptidových fragmentů. Klíčová slova: Konformační prostor, struktura proteinů, peptidy, solvatační metody, Ramachandranův diagram, DFT-D3 metody
|
|
|
Selective Activation of C-H Bonds from Theoretical Perspective
Bím, Daniel ; Rulíšek, Lubomír (vedoucí práce) ; Harvey, Jeremy (oponent) ; Pantazis, Dimitrios A. (oponent)
Přenos atomu vodíku je klíčovým krokem v celé řadě chemických a biologických procesů a modus operandi mnoha metaloenzymů. Přestože celá řada faktorů řídících reaktivitu a selektivitu těchto reakcí již byla objasněna v minulém století, nové experimentální a teoretické poznatky dokazují, že naše porozumění není úplné. V důsledku toho jsou stále omezené také metody pro přímou funkcionalizaci neaktivovaných vazeb C-H syntetickými katalyzátory. V disertaci je reakce přenosu atomu vodíku analyzována a detailně studována ve spojitosti s fyzikálně-chemickými vlastnostmi (konstantami kyselosti a redukčními potenciály) příslušných reagentů. Nejprve je představena metodologie pro kvantově chemické výpočty redukčních potenciálů komplexů železa, jejíž platnost je úspěšně ověřena na velké sérii experimentálních dat, včetně biomimetických komplexů obsahujících reaktivní ferrylovou skupinu (FeIV O). Popis redukčních potenciálů vysoce nabitých systémů (kategorie, do které komplexy přechodných kovů mnohdy spadají) je často ztížen přesným popisem solvatační energie, a to především, jsou-li cílové experimentální redukční potenciály měřeny v polárních protických rozpouštědlech. Proto byla výše uvedená metodologie dále rozšířena o robustní teoretický protokol, který pro výpočet redukčního potenciálu nabitého systému využívá...
|
|
|
Metal-Ion Selectivity from Quantum-Chemical Perspective
Gutten, Ondrej ; Rulíšek, Lubomír (vedoucí práce) ; Dudev, Todor (oponent) ; Baldauf, Carsten (oponent)
(CZ) Ionty kovů jsou lákavým nástrojem pro organismy díky rozmanitosti funkcí, které mohou nabídnout, pokud jsou správně rozlišeny. Analýza selektivity pro ionty kovů je z výpočetního hlediska náročná, hlavně kvůli složitosti elek- tronické struktury a solvatačních efektů. Práce představuje protokol založený na teorii hustotního funkcionálu pro předpověď selektivity pro systémy vážoucí ionty kovů. Nejdůležitější částí práce je diskuse o velikostech a zdrojích chyb, a to jak pro komplexy iontů kovů, tak pro malé peptidy. Práce je postavena na čtyřech původných článcích. Obsahuje testování proti ref- erenčním výpočetním a experimentálním datům, případovou studii ověřující protokol pro získání energetických a strukturálních poznatků a pokouší se aplikovat protokol na peptidové systémy. iii
|
|
|
Computational Study of Organometallic Interactions with Models of DNA/RNA and Proteins Using Tools of Quantum Chemistry and Molecular Mechanics.
Šebesta, Filip ; Burda, Jaroslav (vedoucí práce) ; Rulíšek, Lubomír (oponent) ; Urban, Ján (oponent)
Při vývoji nových materiálů či léčiv zaujímají v poslední době kvantově-chemické metody důležitou roli. V rámci této disertační práce jsou využity při studiu platinových komplexů představujících potencionální protirakovinná léčiva. Interakce pěti hydratovaných Pt(II) komplexů s guaninem je studována pomocí DFT metod. U cytostatik na bázi Pt(IV) komplexů je však pozorováno méně vedlejších účinků a zároveň překonávají rezistenci některých nádorů vůči cisplatině. Obecně jsou ale vysoce kinecky inertní, a proto musí být v organismu redukovány, aby bylo dosaženo jejich protirakovinné aktivity. Z tohoto důvodu jsou stanoveny redukční potenciály pro jedenáct Pt(IV) komplexů pomocí DFT výpočtů a post-Harteeho-Fockových metod. Kinetika však hraje zásadní roli v případě redukce těchto sloučenin, a proto je zkoumán reakční mechanismus odpovídající redukci tetraplatiny v přítomnosti deoxyguanosin monofosfátu a redukci satraplatiny pomocí kyseliny askorbové. Jelikož se uvažovaná redukční činidla vyskytují při neutrálním pH v různých protonačních stavech, efektivní rychlostní konstanty jsou stanoveny pomocí vztahů pro boční reakce. Při interakci kovových kationtů s thyminem představují přenosy protonů velmi důležitou část reakce. Přítomnost hydratovaných Mg2+ , Zn2+ , Hg2+ kationtů vede k výraznému snížení aktivační...
|
|
|
QM/MM výpočty a klasické molekulárně-dynamické simulace biomolekul
Melcr, Josef ; Barvík, Ivan (vedoucí práce) ; Rulíšek, Lubomír (oponent)
Byla provedena literární rešerše v oblastech proteosyntézy, MD simulací, DFT a QM/MM metod. Elongační faktor Tu (EF-Tu) je protein který se účastní proteosyntézy. Do svého aktivního místa váže GTP, jehož hydrolýza hraje důležitou roli při translaci. V nedávných simulacích bylo zaznamenáno spontánní vázání sodných iontů do aktivního místa EF-Tu Z experimentu je přitom známo, že monovalentní ionty stimulují katalytický efekt EF-Tu na GTPázovou reakci. Systematickými QM/MM výpočty byl tudíž v rámci této práce prozkoumán povrch volné energie hydrolytických reakcí methyl-di-fosfátu (ve vakuu a v implicitních vodních prostředích) a GTP v aktivním místě EF-Tu. Bylo použito extrapolační QM/MM schéma ONIOM a DFT. V souladu s experimenty byl zaznamenán slabý katalytický efekt sodíkového iontu na GTPázovou reakci. Jeho přítomnost změnila konformaci GTP interakcemi s jeho záporně nabitými kyslíkovými atomy a vyrovnala také náboje na fosfátových skupinách. To znamenalo především přenos elektronů z gamma na beta-fosfátovou skupinu, což je charakteristické pro mezistavy při hydrolýze GTP.
|
host ::
RSS.