Theoretical study on the mechanism of the reaction catalyzed by protein kinase

• Autores: Ayax Perez Gallegos
• Directores de la Tesis: Mireia García Viloca (dir. tes.), Àngels Gonzàlez Lafont (dir. tes.)
• Lectura: En la Universitat Autònoma de Barcelona ( España ) en 2016
• Idioma: inglés
• Tribunal Calificador de la Tesis: Jaime Rubio Martínez (presid.), José Ramon Bayascas Ramírez (secret.), Iñaki Tuñón García de Vicuña (voc.)
• Programa de doctorado: Programa Oficial de Doctorado en Química
• Materias:
  • Física
    • Química física
  • Química
    • Bioquímica
      • Enzimología
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en:  TESEO  TDX 
• Resumen

  • Malgrat el gran nombre d’estudis experimentals i computacionals sobre l’estructura i funció de les proteïnes quinases, els detalls exactes dels canvis estructurals i mecanístics dels passos individuals de la reacció catalítica de transferència del grup fosforil romanen incerts. En principi, els estudis computacionals poden subministrar informació minuciosa i una coneixença complementària al treball experimental, però aquest objectiu només es pot assolir si es fan servir els mètodes computacionals adequats i si el model teòric que s’utilitza representa correctament el sistema biològic. En aquesta Tesi, el mètode QM/MM a nivell DFT/MM s’ha utilitzat per a descriure els diferents mecanismes de reacció sobre la hipersuperfície d’energia potencial de la reacció global de transferència del grup fosforil catalitzada per la Proteïna Quinasa A (PKA). Cal destacar, que a més d’utilitzar models complets i solvatats del sistema biomolecular i nivells de teoria més alts que en treballs anteriors, s’han fet servir també diferents tècniques i algoritmes inclosos en el codi ChemShell, a fi de millorar els càlculs dels camins de reacció i les optimitzacions d’estats estacionaris. En particular, coordenades de reacció més flexibles i el mètode microiteratiu per a localitzar estructures d’estats de transició ens han permès aplicar una metodologia multiescala consistent i fiable per a analitzar minuciosament tant el mecanisme associatiu (que implica la transferència de fosforil simultàniament amb la protonació del grup fosfat transferit) com el dissociatiu (que implica dues etapes: la transferència de fosforil i la protonació del substrat fosforilat) de la reacció de transferència de fosforil catalitzada per la PKA. S’ha prestat especial atenció a les funcions específiques dels residus Asp166, Lys168 i Thr201, al Gly-rich loop, als ions metàl·lics, i a la conformació i l’estat de protonació al llarg de la reacció química de la cadena lateral del substrat i del fosfat que es transfereix. Els resultats d’aquesta Tesi han demostrat que la reacció catalitzada per la PKA no depèn del substrat i que el mecanisme dissociatiu és clarament favorable respecte el mecanisme associatiu. No obstant, els càlculs presentats també mostren que el mecanisme associatiu seria viable quan el dissociatiu està impedit, com amb el mutant D166A. Aquest punt reobre un debat sobre la viabilitat del mecanisme associatiu que semblava superat donat els darrers estudis teòrics. A més a més, els camins de reacció per a la retro-protonació del substrat fosforilat per part del residu Asp166 s’han localitzat, demostrant que Asp166 es comporta com un catalitzador àcid/base general al llarg del mecanisme dissociatiu. Per altra banda, els perfils d’energia potencial QM/MM calculats també demostren, per primera vegada, que la reacció catalítica de transferència de fosforil és viable amb ions metàl·lics alcalinoterris diferents del Mg2+, confirmant resultats experimentals recents que proposen el paper fisiològic del Ca2+ a l’activitat de les quinases. Tant pel mecanisme associatiu com pel dissociatiu, la localització precisa i l’orientació de la triada Asp166-Lys168-Thr201 i de la xarxa de ponts d’hidrogen que aquests residus estableixen al centre actiu, s’ha vist que són essencials per a la catàlisi i especialment per a l’estabilització de les estructures dels estats de transició involucrats. Finalment, els resultats d’aquesta Tesi han proveït amb una seqüència completa de l’evolució geomètrica de l’estructura del complex ternari al llarg de la reacció catalítica. Això permet una comparació acurada amb les estructures de raigs-X cristal·logràfiques que han estat proposades experimentalment com a imatges moleculars del procés catalític de fosforilació. En particular, el bon acord entre les estructures teòriques i els estudis experimentals validen la visió atòmica de la reacció presentada en aquesta Tesi, revelant canvis conformacionals, de coordinació i dels ponts d’hidrogen que tenen lloc durant la recció química i la seva relació amb la dinàmica de l’enzim.