Estudi de la reactivitat de catalases mitjançant dinàmica molecular ab initio

Abstract

El peròxid d'hidrogen és una espècie reactiva de l'oxigen que està involucrada en el dany oxidatiu i en la transducció intracelular de senyals. Per tant, és molt important regular la concentració de H2O2 per tal de mantenir la senyalització sense danyar les biomolècules. Les catalases són el principal sistema regulador dels nivells de peròxid d'hidrogen i per això participen en processos imflamatoris, mutagènesi, prevenció de l'apoptosi i estimulació d'un ampli espectre de tumors. <br/>Les hemo catalases són enzims que dismuten el peròxid d'hidrogen en aigua i oxigen (2 H2O2 &#8594;2 H2O + O2). Estan presents en pràcticament tots els organismes aeròbics i són uns dels enzims més eficients coneguts, amb 106 molècules de H2O2 degradades per segond. Degut a aquest augment excepcional de la velocitat de dismutació del H2O2 respecte als catalitzadors que no són proteïnes, la catalasa va ser un factor clau per reconèixer que els enzims són proteïnes i que tenen especificitat de substrat. <br/>S'ha observat que algunes catalases contenen un hemo modificat (hemo d), en comptes del més abundant hemo b (protoporfirina IX de ferro). Malgrat que el cicle catalític d'aquests dos tipus de catalases és el mateix, no es coneix l'efecte de la modificació de l'hemo en l'estructura i configuració electrònica dels intermedis de reacció o en les seves propietats redox i àcid-base. <br/>El principal intermedi del cicle catalític és una espècie de ferro de valència alta (Por·+-FeIV=O) anomenada Compost I (Cpd I). El Cpd I reacciona amb una mol·lècula de peròxid d'hidrogen produint aigua i oxigen molecular. Aquesta reacció també és duta a terme per altres hemoproteïnes, però a una velocitat molt méss baixa. La causa d'aquesta disparitat s'ha estudiat durant molts anys, i, tot i que aquesta reacció es coneix des del 1940, el seu mecanisme molecular detallat encara no s'ha clarificat. <br/>Aquesta tesi té com a objectiu respondre aquestes preguntes, considerant dues catalases com a prototip: la catalasa de Helicobacter pylori (HPC, que conté hemo b) i la catalasa de Penicillium vitale (PVC, basada en hemo d). Aquest estudi s'ha realitzat utilitzant dinàmica molecular (clàssica i ab initio). <br/>La tesi s'ha organitzat de la següent manera. El Capítol I introdueix els enzims a estudiar, les hemo catalases, i presenta els objectius generals d'aquest treball. Els fonaments metodològics s'expliquen al Capítol II. Els Capítols III-VII contenen una breu introducció al problema investigat, seguida d'una descripció i discussió de les simulacions realitzades. En primer lloc (Capítol III), s'ha estudiat l'efecte de la modificació de l'hemo en els intermedis de la catalasa utilitzant models en fase gas. Al Capítol IV, s'ha analitzat l'estructura dels intermedis formats per HPC and PVC i s'ha confirmat l'estat de protonació del Compost II (Cpd II) de catalasa. Al Capítol V s'han investigat els factors que determinen que HPC and PVC formin diferents intermedis (Compost I i Compost I, respectivament). Al Capítol VI, s'ha avaluat la validesa dels arguments utilitzats normalment per predir l'estat de espín de l'oxigen molecular produït per la catalasa. El mecanisme molecular de la reacció de la catalasa s'ha estudiat al Capítol VII. Finalment, el Capítol VIII llista les principals conclusions d'aquesta tesi. Informació addicional sobre les simulations realitzades als Capítols IV-VII es pot trobar als Apèndixs A-D.

Hydrogen peroxide is a reactive oxygen species that is involved in oxidative damage as well as in intracellular redox-sensitive signal transduction. Therefore, a fine balance of the H2O2 concentration is essential for mantaining signaling without damaging biomolecules. Catalases are the primary enzymes regulating these hydrogen peroxide levels and thus they have been implicated as an important factor in inflammation, mutagenesis, prevention of apoptosis and stimulation of a wide spectrum of tumors. <br/>Heme catalases are enzymes that decompose hydrogen peroxide into water and oxygen (2 H2O2 &#8594;2 H2O + O2). They are present in almost all aerobic organisms and are one of the most efficient enzymes known, with 106 molecules of H2O2 degraded per second. Indeed, because of the exceptional rate enhancement of H2O2 dismutation compared to catalysts that are not proteins, catalase was a key factor in the early recognition that enzymes are proteins and have substrate speci&#64257;city. <br/>It has been shown that some catalases contain a modified heme (heme d) instead of the most abundant heme b (i.e. iron-protoporphyrin IX). Although the reaction cycle performed by the two types of catalases is the same, the effect of the heme modification on the structure and electronic configuration of the reaction intermediates, as well as on their redox and acid-base properties is not known. <br/>The principal active species of the catalase reaction cycle is a high valent iron species (Por·+-FeIV=O) named Compound I (Cpd I). Cpd I reacts with a molecule of hydrogen peroxide releasing water and molecular oxygen. This reaction is also performed by other hemeproteins, although at much slower pace. The origin of this disparity has long been sought, and even though the catalase reaction has been known since 1940s, its detailed molecular mechanism has yet to be clari&#64257;ed. <br/>The present thesis is aimed at answering these questions, considering two catalases as a test case: Helicobacter pylori catalase (HPC, a heme b-containing catalase) and Penicillium vitale catalase (PVC, based on heme d). This investigation will be performed by means of molecular dynamics (classical and ab initio). <br/>The thesis is organized as follows. Chapter I introduces the enzymes under study, heme catalases, and presents the general objectives of this work. The basics of the methodologies used are given in Chapter II. Chapters III-VII contain a brief introduction to the problem investigated, followed by a description and discussion of the simulations performed. First, the effect of the heme modification on catalase intermediates is investigated in Chapter III by using gas phase models. In Chapter IV, we analyze the structure of the intermediates formed by HPC and PVC and ascertain the protonation state of catalase Compound II (Cpd II). The factors determining that HPC and PVC show different oxidized intermediates (i.e. Compound I* and Compound I, respectively) are investigated in Chapter V. In Chapter VI, we assess the validity of the arguments commonly used to predict the spin state of the molecular oxygen released by catalase. The molecular mechanism of the catalase reaction is studied in Chapter VII. Finally, Chapter VIII lists the main conclusions of this work. Additional information on the simulations performed in Chapters IV-VII can be found in Appendixes A-D.