MAO A enziminin aktif bölgesinin ONIOM yöntemi ile modellenmesi
Modelling of the active site of MAO A enzyme by ONIOM method
Yazar: VİLDAN ENİSOĞLU ATALAY
Danışman: PROF. DR. SAFİYE ERDEM
Marmara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Organik Kimya Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2010
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Monoamin Oksidaz biyolojik aminleri oksitleyen bir flavo enzimdir. MAO A ve MAO B olmak üzere %70 benzerliğe sahip, substrat ve inhibitör seçiciliklerinde farklılıklar gösteren iki izomer yapıya sahiptir. Bu iki izomer enzimin inhibitör bileşiklerinin Parkinson hastalığının tedavisinde kullanılması ve anti-depresyon etkiye sahip olmaları sebebiyle 20000'e yakın literatür çalışmasına sahiptirler. Ancak söz konusu enzimlerin amin oksitleme mekanizmalarına ait bine yakın makale bulunmasına rağmen oksitleme mekanizmasının hangi yolu izlediğine dair net bir delil bulunmamaktadır.Flavo enzim ailesinde önemli bir yere sahip olan MAO A ve MAO B nin yakın tarihlerde x-ışını yapılarının aydınlatılması enzim üzerindeki gerçeğe daha yakın hesapsal çalışmaların önünü açmıştır. Enzimi oluşturan aminoasit konformasyonlarının öneminin araştırılmasına ve amin oksitleme mekanizmalarının hesapsal yollarla çalışılmasına fırsat vermiştir.Bu tez çalışılmasında MAO A izomeri temel alınarak hesaplamalar yapılmıştır. Bunun yanısıra, MAO B ve flavo enzim ailesindeki diğer enzimlerin katalizleme mekanizmalarına ışık tutabilecek küçük model yapılar modellenmiştir. Yapılan çalışmalar genel olarak beş başlık altında toparlanabilir:1.Doğal enzimin aktif bölge yapısı kullanılarak yapılan hesaplamalar2.Aromatik aminoasitlerin mutantlarının aktif bölge yapısı üzerine yapılan hesaplamalar3.Önerilen amin oksitleme mekanizmalarının incelenmesi4.Yeni amin oksitleme mekanizmalarının önerilmesi5.p-Sübstitüe benzilamin türevleri ile yapılan QSAR çalışmalarıAktif bölgenin tamamının dahil edildiği hesaplamalar ONIOM yöntemi ile, mekanizmaların modellenmesine yönelik hesaplamalar ise PM3, PM6, HF/6-31G*, B3LYP/6-31G*, CAM/6-31G*, WB97XD/6-31G*, MP2, gibi çeşitli seviyelerde kuantum kimya yöntemleri ile yapılmıştır.Doğal enzim ve mutant enzimlerin aktif bölgeleri kullanılarak yapılan hesaplamalar sonucunda aktif bölgedeki aromatik kafesi oluşturan Tyr407 ve Tyr444 aminoasitlerinin substratın amin azotunun elektron yoğunluğunu arttırdığı ve bu artışta Tyr407 nin daha büyük katkısı olduğu görülmüştür. Amin oksitleme mekanizmasını araştırmaya yönelik hesaplamalar, polar nükleofilik mekanizmanın haricinde hidrür mekanizmasının ve yeni önerdiğimiz karbonil mekanizmasının da dikkate alınması gerektiği sonucunu ortaya koymuştur.

Abstract:
Monoamin Oxidase is a flavo-enzyme which oxidizes biological amines. It exists as two distinct isoenzymic structures called as MAO A and MAO B that exhibit around %70 similarities but having differences in their subtrate and inhibitor selectivities. There exist approximately 20000 research papers in the literature on inhibitor compounds for these two isomer enzymes as they are effectively used in the treatment of Parkinson disease and possess anti-depressant properties. However, despite the presence of around 1000 published papers concerning amine oxidation mechanisms of aforementioned enzymes, there is no concrete proof or evidence on which path this oxidation mechanism follows.Recent elucidation of X-ray structures for MAO A and MAO B created new prospects for more realistic computational analysis and modelling on this enzyme. These developments also opened new research possibilities towards understanding the importance of aminoacid comformations that make up the enzyme and analyzing amine oxidation mechanisms through computational methods.In this thesis, the computational work has been concentrated on MAO A isomer. As complementary work, small model structures that might shed light on the catalysis mechanisms of MAO B and other enzymes in flavoenzyme family have been constructed and then modeled accordingly. The thesis work could be summarized under five broad headings:The computations carried out by using active site of the natural enzyme.The computations implemented on the active site structure of the mutant aromatic aminoacidsInvestigation and evaluation of already proposed amine oxidation mechanisms.Proposing new amine oxidation mechanismsQSAR work with p-subsitute benzilamine derivativesThe computations into which the whole active region has been included have been carried out with ONIOM method. Whereas the computational work towards modelling mechanisms is pursued through quantum chemical methods with varying degrees such as PM3, PM6, HF/6-31G*, B3LYP/6-31G*, CAM/6-31G*, WB97XD/6-31G* and MP2Resulting from the computational work carried out by utilizing active sites of natural and mutant enzymes, it has been observed that Tyr407 and Tyr444 aminoacids constituting active site's aromatic cage, increase the electron density of amine nitrogen of substrate. Contribution of Tyr407 to this increase is more substantial. Computational studies towards exploring amine oxidation mechanisms revealed that hydride and newly proposed carbonyl mechanisms should also be taken into consideration in addition to polar nucleophilic mechanism