Structural studies of nmda receptor and xanthine oxidase enzyme

Abstract

Tezin ilk bölümünde, N-Metil-D-Aspartat reseptörlerinin yapısal çalışmalarından bahsedilmiştir. NMDAR, merkezi sinir sisteminde önemli rollere sahip olan iyonotropik ligand kapılı reseptörlerdir, ancak ancak NMDAR'ların hiperaktivitesi, nörodejeneratif hastalıklara neden olmaktadır.Bu yüzden NMDAR mekanizmasının anlaşılması nörodejeneratif hastalıklar için yeni tedavilerin geliştirilmesinde önemli bir rol oynamaktadır.Bu tezde, insan GluN1/GluN2A tipi NMDAR, 2014 yılında çözülmüş olan GluN1/GluN2B tipi NMDAR X-ray yapılarına göre modellenmiştir. NMDAR dinamiklerini gözlemlemek için ligand-olmayan ve ligand-bağlı yapılar, 1.3 mikro saniye moleküler dinamik simülasyonu kullanılarak koşturulmuştur. Yapıların kolektif hareketlerinin farklılıklarını anlamak ve yörüngeyi analiz etmek için RMSD, RMSF ve temel bileşen analizleri kullanılmıştır. Bu analizler sonucunda, ligant içermeyen ve ligant bağlı simülasyonlar arasındaki farklar aşağıdaki gibi özetlenebilir; ligant bağlandığı bölgede kapanmaya sebep olurken değişimlerin transmembrane ilmeklerine yansıdığı görülmüştür. Korelasyon grafiklerine göre ligant bağlanması ile korelasyonların arttığı gözlemlenmiştir. Ligant, bağlandığı bölgede bir yapıştırıcı görevi görür ve bağlandığı bölgenin loblarını birlikte tutarak diğer alanların hareketini artırmaktadır.İkinci bölümde, bis-kalkon bileşiklerinin ksantin oksidaz (XO) enzimi üzerindeki inhibisyon etkisi dok çalışmaları ile gözlemlenmiştir. Serdar Burmalıoğlu araştırma grubu tarafından sağlanan 8 bis-kalkon bileşikler, XO üzerinde yüksek inhibisyon göstermektedir. Bu çalışmada sentezlenen 8 molekül XO katalitik birimine dok edilmiştir. Bütün bileşikler FDA onaylı allopurinolden daha iyi sonuç göstermiştir. En iyi sonuç beşinci ve yedinci bileşiklerde görülmüştür. Buna ek olarak bütün bileşiklerde 3 benzer dominant poz gözlenmiştir. İlk poz en düşük bağlanma enerjisine sahiptir.

The first part of the thesis deals with the structural studies of N-Methyl-D-Aspartate receptors (NMDARs). NMDARs are ionotropic ligand-gated receptors that have pivotal roles at the central neuronal system but, hyperactivity of NMDARs could contribute to neurodegenerative diseases. Therefore, understanding the activation mechanism of NMDARs is important as it may lead to the development of new treatments for neurodegenerative diseases.In this thesis, human GluN1/GluN2A type NMDAR is modeled based on GluN1/GluN2B type NMDA structures that were resolved in 2014. To observe the dynamics of NMDA, 1.3 microseconds molecular dynamics simulations are performed for ligand-free and ligand-bound structures in the physiological environment. RMSD, RMSF, and PCA have been used to analyze the trajectory to understand the differences in ligand-free and ligand-bound structures collective motions.From these analyses, the differences in between ligand-free and ligand-bound simulations can be summarized as the following: Ligand-binding domain closure is observed, and these rearrangements are reflected to the transmembrane linkers upon ligand binding. Correlation maps from PCA analysis display more correlated motions in ligand-bound simulations. As a summary, mainly ligands act like an adhesive for the binding-domain by bringing the bi-lobe structures together and consequently, this is reflected in the overall dynamics of the protein.In the second part of this thesis, Xanthine Oxidase (XO) enzyme has been studied for the potency of bis-chalcones compounds. 8 bis-chalcones compounds that were provided to us from Serdar Burmalıoğlu's research group, showed high inhibition behavior on XO. These 8 molecules are docked to XO catalytic unit and 1000 run is performed for each compound. All compounds show better results than its approved drug which is allopurinol, however, the best ones are fifth and seventh compounds. In addition, all these compounds have three similar binding modes but, the first pose has the lowest free binding energy.