Estudio computacional multiescala de procesos dinámicos en hemoproteínas.

• Autores: Julió Plana, Laia
• Año de publicación: 2019
• Idioma: español castellano
• Tipo de recurso: tesis doctoral
• Colaborador/a o director/a de tesis: Capece, Luciana
• Materia: HEMOPROTEINA; DINAMICA MOLECULAR; QM-MM; UMBRELLA SAMPLING; TERMOESTABILIDAD; THB1; CBS; HEMEPROTEIN; MOLECULAR DYNAMIC; QM-MM; UMBRELLA SAMPLING; THERMOESTABILITY; THB1; CBS
• Institución: Universidad Nacional de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales

Las hemoproteínas son una extensa familia de proteínas que tienen como grupo prostético un hemo. Las hemoproteínas están entre las metalo-proteínas más versátiles, presentando una gran diversidad de funciones que van desde la transferencia electrónica, la catálisis, el transporte y almacenamiento de oxígeno, la unión de ligandos hasta la transducción de señales. Esta gran variedad de funciones viene dada por la gran variabilidad de interacciones que el grupo hemo puede tener con la proteína. En la presente tesis, y mediante el uso de diversas técnicas computacionales, se estudiaron los procesos dinámicos relevantes para la actividad proteica de algunas hemoproteínas con distintos entornos e interacciones de la proteína con el hemo. Según el problema a abordar, se seleccionaron los modelos y las técnicas que mejor pudieran abordar los interrogantes planteados en cada caso. De esta forma, se utilizaron modelos cuánticos, híbridos cuántico-clásico (QM-MM), y puramente clásicos. Por otra parte, las técnicas utilizadas incluyeron optimizaciones de geometría, estudios de reacciones enzimáticas utilizando optimizaciones restringidas sobre coordenadas de reacción, simulaciones de dinámica molecular clásica y técnicas de muestreo avanzado para la obtención de perfiles de energía libre de diversos procesos. En primer lugar se estudió, a través de extensas simulaciones de dinámica molecular y un análisis avanzado de ellas, las contribuciones de la hexa y pentacoordinación del hemo con la diferencia de termoestabilidad de tres globinas que presentan distintos estados de coordinación. En segundo lugar, en un estudio mixto teórico y experimental, se usaron simulaciones de dinámica molecular, cálculos de Umbrella Sampling, cálculos QM-MM y titulaciones seguidas por espectroscopia UV-visible para estudiar el proceso de hexacoordinación de la hemoglobina truncada THB1. En tercer y último lugar, se analizó el rol del hemo en la hemoproteína Cistationina beta-sintasa (CBS), dado su inusual efecto en la actividad aun encontrándose a una distancia considerable del sitio activo, mediante simulaciones de dinámica molecular, cálculos cuánticos y QM-MM. Al final de la tesis, los resultados obtenidos son analizados de manera conjunta, concluyéndose sobre los diferentes factores que pueden gobernar la reactividad y la unión de ligandos en hemoproteínas.
Hemeproteins is an extensive protein family that contain an heme group as prosthetic group. Heme proteins are between the most versatile metalo-proteins, presenting a wide range of functions, ranging from electron transfer, catalysis, oxygen bonding and transport, ligand union to signal transduction. This broad amount of functions come from the vast interactions that the heme group can establish with the protein matrix and with external ligands. In the present thesis, and by using a wide range of computational techniques, it was studied the relevant dynamical processes for protein activity of some hemeproteins with different environments and interactions of the protein with the heme. According to the characteristics of each problem, appropriate models and techniques were selected to address the questions raised in each case. In this context, quantum models, hybrid quantum-classic models (QM-MM), and purely classical models were applied. On the other hand, the techniques used included geometry optimizations, enzymatic reactions studied by restricted optimizations along a reaction coordinate, molecular dynamic classic simulations and advanced sampling techniques to obtain free energy profiles of several processes. In the first place, the contribution of the heme hexa and pentacoordination to the thermoestability of three different globins was studied, through extensive molecular dynamics simulations and an advanced study of them. Secondly, a theoretic and experimental mixed study was done, using molecular dynamic simulations, Umbrella Samling calculations, QM-MM calculations and pH titration followed with UV-visible spectroscopy, to study the hexacoordination process of the truncated hemoglobin THB1. In third and last place, the role of the heme group in human Cystathionine betasynthase (CBS) hemeprotein was analyzed, through molecular dynamic simulations, quantum calculations and QM-MM. In the final part of this thesis, the obtained results were analyzed together, concluding about the different factors that can govern the reactivity and the ligand union in hemeproteins.
Fil: Julió Plana, Laia. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.