[en] The present Doctoral Thesis has been focused in the study of the family of enzymes of the DNA-Methytransferases (DNA-MTases) thorugh the Molecular Dynamics (MD) methodology and the hybrid Quantum Mechanics/Molecular Mechanics (QM/MM) methodology. The DNA-MTases catalyze the transfer of a methyl group from the cofactor S-adenosyl-L-Methionine (SAM), to an adenine base or cytosine base which are placed in the recognition sequence of nucleic bases read by the enzyme. Through the methylation of the nucleic bases new information can be coded in a stable but reversible manner. Therefore, being possible to extend the classical alphabet coded in the DNA to its methylated derivatives. This information is named epigenetic information and has important biological functions. In the Doctoral Thesis the reactions mechanisms have been obtained as well as the associated free energy profiles for one representative of each subclass of DNA-MTases enzymes which are known: the N4, N6 and C5-DNA-MTases. In the DNA-MTases which methylate an exocyclic nitrogen of a cytosine base (N4-DNA-MTase) or of an adenine base (N6-DNA-MTase) the presence, or not, of a strong base in the active site determines the reaction mechanism. The N4-DNA-MTase enzyme has an amino acid with characteristics of a strong base in the active site. The reaction mechanism proceeds firstly through the deprotonation of the exocyclic nitrogen and then the methyl group is transferred. The promiscuity that exhibits the N4-DNA-MTase enzyme towards adenine substrates has also been studied. An analog reaction mechanism was obtained although it has higher energetic barriers. For the N6-DNA-MTase enzyme classical molecular dynamics simulations were performed where the most important interactions that are stablished between the DNA and the protein were analyzed as well as how the double helix of the DNA is stabilized while having the target adenine base inserted in the active site and the most important interactions which are stablished in the active site. The N6-DNA-MTase which belong to the gamma subclass does not have a strong base places in the active site. Therefore, the reaction mechanism is a step-wise one where the methylation precedes the proton abstraction of the N6 position of an adenine. The alpha and beta subclasses of N6-DNA-MTases were also studied. In the N6-DNA-MTases variants which in their active site have an amino acid with strong base characteristics the reaction mechanism can also proceed through the proton transfer firstly. In the DNA-MTases which methylate an aromatic carbon of a cytosine base of the DNA (C5-DNA-MTases) the reaction mechanism consists in the activation of the C5 position of the cytosine through the addition of a cysteine residue at the C6 position, the methylation of the target C5 carbon atom and finally one last step which consists in the elimination of the leftover proton of the cycle of the cytosine through a B-Elimination. The interactions that are stablished within this enzymes and the DNA were studied thoroughly, as well as the most important interactions which are formed in the active site and how the DNA structure is stabilized making use of molecular classical dynamics simulations for the enzyme, DNA and cofactor complex.

[es] La presente Tesis Doctoral se ha centrado en el estudio de la familia de enzimas ADN-Metiltransferasas (ADN-MTasas) mediante la metodología de la Dinámica Molecular (MD) y la metodología híbrida Mecánica Cuántica/Mecánica Molecular (QM/MM). Las ADN-MTasas catalizan la transferencia de un grupo metilo a una base nucleica objetivo del ADN. La transferencia de metilo tiene lugar desde el cofactor, S-adenosil-Lmetionina (SAM), a una base adenina o citosina que forma parte de una secuencia específica de bases nucleicas que son reconocidas por la enzima. Mediante la metilación de las bases nucleicas se puede codificar nueva información de manera estable pero reversible, siendo posible ampliar el alfabeto clásico codificado en el ADN a sus derivados metilados. A esta información se la denomina información epigenética y posee importantes funciones biológicas. En la tesis doctoral se han obtenido los mecanismos de reacción con los perfiles de energía libre para un representante de todos subclases de ADN-MTasas que se conocen: N4, N6 y C5 ADN-MTasas. En las ADN-MTasas que metilan un nitrógeno exocíclico de una base citosina (N4-ADN-MTasa) o de una base adenina (N6-ADN-MTasa) la presencia, o no, de una base fuerte en el centro activo determina el mecanismo de reacción. La enzima N4-ADN-MTasa posee un aminoácido con características de base fuerte en el centro activo. El mecanismo de reacción procede primero a través de la desprotonación del nitrógeno exocíclico y después se transfiere el grupo metilo. También se estudió la promiscuidad que exhibe la enzima N4-ADN-MTasa hacia sustratos adenina obteniéndose un mecanismo análogo pero con mayores barreras energéticas. Para la enzima N6-ADN-MTasa se realizaron simulaciones de dinámica molecular clásicas donde se analizaron las interacciones más importantes que se establecen entre la enzima y el ADN, cómo se estabiliza la doble hebra de ADN al poseer la base adenina objetivo a metilar en el centro activo y las interacciones más importantes que se establecen en el centro activo enzimático. La N6-ADN-MTasa perteneciente a la subclase gamma no posee una base fuerte en el centro activo por lo que el mecanismo es un mecanismo por pasos donde la metilación precede a la abstracción protónica de la posición N6 de una adenina. También se estudiaron las subclases alfa y beta de N6-ADN-MTasas. En las variantes de enzimas N6-ADN-MTasas que en su centro activo poseen un aminoácido con características de base fuerte el mecanismo puede proceder también a través de la abstracción protónica en primer lugar. En las ADN-MTasas que metilan un carbono aromático de una base citosina del ADN (C5-ADN-MTasas) el mecanismo de reacción consiste en la activación de la posición C5 de la citosina mediante la adición de un residuo cisteína a la posición C6, la metilación del carbono C5 objetivo y un último paso donde se elimina el protón sobrante del ciclo de citosina mediante un paso de B-eliminación. Se ha estudiado con detalle las interacciones que tienen lugar entre estas enzimas y el ADN, las interacciones más importantes que se forman en el centro activo enzimático y cómo se estabiliza la estructura del ADN a través de simulaciones de dinámica molecular clásica para el complejo enzima, ADN y cofactor.