Quantenchemische Untersuchungen zur Hydrolyse von Formamid und zum Mechanismus von Carboxypeptidase A

In der vorliegenden Arbeit wird der Mechanismus der Carboxypeptidase A mit Hilfe quantenchemischer Verfahren genauer beleuchtet. Die Reaktion von Acylderivaten wie Estern und Amiden ist im Zusammenhang mit enzymatischer Katalyse von allgemeiner Bedeutung. Die Arbeit gliedert sich in zwei Teile. Die...

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Bibliographische Detailangaben
1. Verfasser: Wichmann, Karin
Beteiligte: Frenking, Gernot (Prof. Dr.) (BetreuerIn (Doktorarbeit))
Format: Dissertation
Sprache:Deutsch
Veröffentlicht: Philipps-Universität Marburg 2003
Chemie
Schlagworte:
Online Zugang:PDF-Volltext
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Beschreibung
Zusammenfassung:In der vorliegenden Arbeit wird der Mechanismus der Carboxypeptidase A mit Hilfe quantenchemischer Verfahren genauer beleuchtet. Die Reaktion von Acylderivaten wie Estern und Amiden ist im Zusammenhang mit enzymatischer Katalyse von allgemeiner Bedeutung. Die Arbeit gliedert sich in zwei Teile. Die erste Untersuchung befaßt sich mit der Hydrolyse von Formamid. Dabei wurden neben der Reaktion mit Wasser auch die Reaktionen mit OH- und H3O+ untersucht. Lösungsmitteleffekte auf diese Reaktionen wurden mit Hilfe eines Kontinuumsmodels ebenso untersucht wie der Effekt von zwei zusätzlich an den Reaktionen teilnehmenden Wassermolekülen. An diesen Reaktionspfaden wurden Benchmarkrechnungen durchgeführt, die die Einordnung der Genauigkeit der zu Verfügung stehenden Dichtefunktionalmethoden erlauben sollte. Die Benchmark-Studie zur Reaktion von Formamid mit Wasser, OH- und H3O+ zeigt durchschnittliche Fehler von bis zu 9 kcal/mol für die rein gradientenkorrigierten Funktionale und bis zu 5 kcal/mol für die Hybridfunktionale. Bei der Untersuchung von Reaktionsmechanismen sollten deshalb bevorzugt Hybridfunktionale verwendet werden. Wenn keine anionischen Spezies an der untersuchten Reaktion beteiligt sind und Rechenzeit gespart werden soll, ist ein double-zeta-Basissatz mit Polarisationsfunktionen zur Berechnung relativer Energien ausreichend. Das parametrisierte CBS-QB3-Verfahren scheint für organische Reaktionen wie die Hydrolyse von Formamid gut geeignet zu sein, um genaue thermodynamische Daten zu erhalten. Die Mechanismen der neutralen, basischen und sauren Hydrolyse von Formamid verlaufen nach einem Additions-Eliminations-Mechanismus über ein tetraedrisches Intermediat. Dabei sind die Reaktionen mit dem Hydroxid- oder dem Hydronium-Ion wesentlich günstiger als mit Wasser. Die explizite Berücksichtigung von Lösungsmitteleffekten durch Beteiligung von zwei Wassermolekülen an den Reaktionen stellt sich als essentiell heraus. Im zweiten Teil wird der Mechanismus der katalytischen Hydrolyse von Peptiden durch Carboxypeptidase A anhand verschiedener Modellsysteme untersucht. Auch mit den Modellsystemen für CPA findet die hydrolytische Spaltung des Formamids nach einem Additions-Eliminations-Mechanismus statt. Mit dem größten verwendeten Modellsystem konnte ein Reaktionsweg gefunden werden, bei dem die Addition des Zink-gebundenen Hydroxids der einzige mit einer Aktivierungsenergie verbundene Schritt und damit geschwindigkeitsbestimmend ist. Auch wenn die relativen Energien der Übergangszustände von den verwendeten Dichtefunktionalmethoden möglicherweise unterschätzt werden, ist der gefundene Reaktionsweg energetisch zugänglich. Explizite Lösungsmitteleffekte brauchen im großen Modellsystem für die enzymatischen Hydrolyse nicht mehr berücksichtigt zu werden. Die Verwendung eines Kontinuumsmodells zur Beschreibung der elektrostatischen Wechselwirkung mit der enzymatischen Umgebung hat keine großen Auswirkungen auf die Energien der berechneten Reaktionspfade. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, daß ein modifizierter Mechanismus nach dem Vorschlag von Lipscomb möglich ist. Das Glutamat-270 dient als Protonenshuttle, aber die Polarisierung der Carbonylgruppe der Amid-bzw. Peptidbindung scheint nicht nur durch das Zink(II)-Ion zu geschehen, sondern auch durch Wasserstoffbrücken zum Arginin.