Monoamin oksidaz (MAO) enzimlerinin hidrür transferi mekanizması tek basamaklı mı çok basamaklı mıdır?

Abstract

Monoamin oksidaz A ve B dopamin, serotonin, adrenalin ve noradrenalin gibi nörotransmitter aminlerin oksidasyonundan sorumlu enzimlerdir. Bu enzimleri inhibe eden bileşikler Parkinson, Alzheimer depresyon gibi nörodejeneratif hastalıkların tedavisinde kullanılırlar. Literatürdeki birçok çalışmaya rağmen bu önemli enzimlerin amin oksidasyon mekanizmaları için bir uzlaşmaya varılamamıştır. Bu tez çalışmasında hidrür transferi mekanizmasına odaklanılmıştır.Mekanizma hakkında bilinmeyen birçok konuya ışık tutmak için PM6 ve ONIOM (M06-2X/6-31+G(d,p):PM6) yöntemleri ile kuantum kümeleme yaklaşımı hesaplamaları gerçekleştirilmiştir. MAO-A ve MAO-B'nin reaksiyonları doğal substratlar ile (serotonin, dopamin, adrenalin ve noradrenalin) modellenerek giren kompleksi, geçiş konumu, ara ürün ve ürün kompleksi yapıları karakterize edilmiştir. Tez çalışmasından elde edilen önemli sonuçlar şöyle özetlenebilir:M06-2X/6-31+G(d,p) optimizasyonları hem proton transferi hem de hidrür transferinin birlikte bulunduğu hibrit bir mekanizmayı işaret etmektedir. Hibrit mekanizmanın tek basamaklı mı yoksa N5 yilidi üzerinden çok basamaklı mı olduğu substratın yapısına ve enzimin aktif bölgesinin büyüklüğüne bağlıdır. NBO yükleri N5 yilidinin enzimin aktivitesini geciktirdiğini ortaya çıkarmıştır. Bu bulgular zamana bağımlı geri dönüşümlü kovalent bağlı MAO inhibitörlerinin akılcı bir şekilde tasarımına yardımcı olabilirler.Kuantum kümeleme yaklaşımı MAO'ın optimum büyüklükteki aktif bölge yapısında sistein amino asidinin FAD'a kovalent bağlı olmasının kataliz hızını 22 kat arttırdığını ortaya koymuştur.

Monoamine oxidase A and B are the enzymes catalyzing the oxidation of important neurotransmitter amines such as dopamine, serotonin, adrenaline and noradrenaline. Therefore, their inhibitors are used in the treatment of neurodegenerative diseases such as depression, Parkinson, Alzheimer. However, despite overwhelming efforts in the literature, amine oxidation mechanism of this pharmacologically important enzymes has been controversial. This study has focused on hydride transfer mechanism. We employed full PM6 and ONIOM (M06-2X/6-31+G(d,p):PM6) calculations incorporated with the quantum cluster approach in order to provide new insights to several unsolved issues about the mechanism. The reactions of MAO-A and MAO-B with their natural substrates (serotonin, dopamine, adrenalin and noradrenaline) were modeled by optimizing and characterizing the reactant complex, transition states, intermediates and product complex structures. The important outcomes of the study can be summarized as:M06-2X/6-31+G(d,p) optimizations give rise to a hybrid mechanism exhibiting both proton transfer and the hydride transfer character. Whether the hybrid mechanism is concerted or stepwise through a N5-ylide depends on the nature of the substrate and the active site environment. NBO charges reveal that the formation of N5-ylide retards the enzyme activity. This finding can be quite usefull in rational design of time-dependent reversible covalent inhibitors of MAO. Quantum cluster approach reveals that the optimum active site model of MAO should contain the cystein covalently bound to FAD, which increases the rate of catalysis by 22 times.