Computational Modeling of Catalytic Mechanisms of Glycyl Radical Enzymes

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Feliks, Mikolaj:
Computational Modeling of Catalytic Mechanisms of Glycyl Radical Enzymes.
Bayreuth , 2014 . - 86 S.
( Dissertation, 2014 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

In this thesis, different computational methods have been used to study the catalytic mechanisms of three glycyl radical enzymes. The mechanism of the B(12)-independent glycerol dehydratase has been elucidated by combining continuum electrostatic and density functional theory calculations. A mechanism for the dehydration of glycerol is proposed that does not involve a complex intramolecular 1→2 shift of the middle hydroxyl group, as previously suggested. Instead, the enzyme uses a pair of residues in the active site, glutamate and histidine, to facilitate direct release of a water molecule from glycerol. The mechanism of 4-hydroxyphenylacetate decarboxylase has been explored based on continuum electrostatic and hybrid quantum chemical/molecular mechanical calculations. The calculations suggest that the substrate is activated to a radical form by two simultaneous transfers, one of an electron to the thiyl radical and second of a proton to the active site glutamate. This activation mode has not been reported for any known radical enzyme. The mechanism of pyruvate formate-lyase has been investigated based for the first time on the complete enzyme model. The key new finding is that quenching of the formyl radical is performed by one of the active site cysteines and not by coenzyme A, as previously suggested.

Abstract in weiterer Sprache

In der vorliegenden Arbeit werden unterschiedliche Berechnungsmethoden angewendet, um die katalytischen Mechanismen von drei Glycyl-Radikalenzyme zu untersuchen. Der Mechanismus der B(12)-unabhängigen Glyceroldehydratase wurde mit Hilfe von Kontinuumselektrostatik- und Quantenchemierechnungen untersucht. Der vorgeschlagene Dehydratisierungsmechanismus benötigt nicht die komplexe 1→2 Migration der mittleren Hydroxyl-Gruppe des Glycerins. Die Dehydratisierung des Glycerins involvierte einige Reste im aktiven Zentrum des Enzyms, im speziellen ein Glutamat und ein Histidin. Der Mechanismus der 4-Hydroxyphenylacetat-Decarboxylase wurde mit Hilfe von Kontinuumselektrostatik und Quantenchemischen/Molekülmechanischen Rechnungen untersucht. Die Berechnungen zeigen, dass das Substrat zu einer radikalen Form durch zwei gleichzeitige Transfers aktiviert wird. Zum einen wird ein Elektron zum Thiylradikal transferiert und zum anderen ein Proton zu einem Glutamat im aktiven Zentrum. Dieser Aktivierungsmechanismus wurde bisher in keinem anderen Radikalenzym beobachtet. Der Mechanismus der Pyruvat-Formiat-Lyase wurde zum ersten Mal mit einem kompletten Enzymsmodell untersucht. Die wichtigste neue Erkenntnis ist, dass die Deaktivierung des Formyl-Intermediats nicht durch Koenzym A durchgeführt wird, sondern durch ein Cystein im aktiven Zentrum.