Desarrollo de coordenadas del entorno para el estudio de la catálisis enzimática

Abstract

El impacto de la dinámica de proteínas en la constante de velocidad de la etapa química sigue siendo objeto de debate en la literatura científica. La cuestión que se plantea es si el efecto de los movimientos de la proteína sobre la constante de velocidad puede ser descrito con un marco teórico basado en la Teoría del estado de Transición (TST). Esta teoría proporciona las herramientas para el cálculo de la velocidad de la reacción, sin tener en cuenta explícitamente los efectos dinámicos. Sin embargo, es fácil imaginar que éstos podrían desempeñar un papel importante. Para un mejor entendimiento de los efectos dinámicos, necesitamos controlar la evolución del entorno y su comportamiento a lo largo de la transformación química. En estos términos proponemos dos diferentes soluciones: • Una opción es proyectar la superficie multidimensional de energía libre de la reacción enzimática en un modelo 2D obtenido como función de dos coordenadas, una de soluto y otra de entorno. Una superficie de energía libre como ésta nos permitirá estimar el acoplamiento entre el soluto y los movimientos del solvente a lo largo de la reacción. • La segunda solución es definir la RC en términos de las coordenadas de entorno, asumiendo que las partículas ligeras involucradas en la reacción se adaptan al entorno, permitiéndonos la inclusión de los efectos cuánticos en el cálculo de la constante de velocidad. El objetivo de esta tesis ha sido el desarrollo e implementación de dos coordenadas colectivas. Una de ellas es, la coordenada electrostática, que toma el potencial electrostático, creado por la parte MM en un sistema QM/MM, sobre un átomo directamente involucrado en el proceso de reacción, normalmente uno que sufre un cambio significativo de distribución de carga a lo largo de la reacción química. Esta metodología nos permitió estudiar los efectos del entorno y su importancia durante el paso químico de la reacción en tres sistemas diferentes, la Haloalkano Dehalogenasa, la Catecol O-metiltransferasa y la Dihidrofolato Reductasa. Los resultados obtenidos muestran una mejor preorganización del entrono en los sistemas enzimáticos frente a la reacción equivalente en agua, lo que implica una mayor reorganización en el sistema acuoso y por tanto una mayor implicación de los grados de libertad de las moléculas de agua en la transformación química. La segunda coordenada colectiva, que llamaremos coordenada de diferencia energética, está diseñada para el cálculo de reacciones enzimáticas en las que tiene lugar la transferencia de una partícula ligera como un protón o un hidruro. La definición de esta coordenada se basa en la diferencia de energía entre dos estados de referencia de “Reactivos” y “Productos” definidos en base a unas consideraciones geométricas y pretende capturar los cambios conformacionales, en el sistema químico y en el entorno, esenciales para que la reacción tenga lugar. Esta coordenada colectiva toma valores negativos en los reactivos, positivos en productos y cercanos a cero en el TS. Este tipo de coordenadas tienen la ventaja adicional de que permiten una introducción más sencilla del efecto túnel ya que no presuponen que el entorno se adapta a los cambios en la posición de la partícula ligera. Esto nos permitió el cálculo de los KIEs en la reacción de transferencia de hidruro catalizada por la Formato Deshidrogenasa con la inclusión de las propiedades quánticas del hidruro transferido y del hidrógeno secundario en el aceptor mostrando teniendo en cuenta el acoplamiento en el movimiento de ambos hidrógenos. También hemos podido comprobar que el conjunto de TS definido según esta coordenada muestra un amplio rango de distancias dador aceptor a los que la transferencia de hidruro puede ocurrir, cambiando la naturaleza de la transferencia de hidruro de adiabática (a distancias cortas dador-aceptor) a no-adiabática ( a distancias dador-aceptor mayores de 3.0 Å ).