| Autor(en): |
Jan Saam |
Titel: |
Identification of dynamic oxygen access channels in 12/15-lipoxygenase – molecular dynamics simulations and free-energy landscapes |
| Gutachter: |
Hermann-Georg Holzhütter; Hartmut Kühn; Jörg Grunenberg |
| Erscheinungsdatum: |
04.04.2008 |
| Volltext: |
pdf
(urn:nbn:de:kobv:11-10088100)
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| Fachgebiet(e): |
Biowissenschaften, Biologie |
| Schlagwörter (ger): |
Lipoxygenase, Sauerstoffkanäle, Molekulardynamik, Sauerstoffdiffusion, Metalloenzym, Kraftfeld, Freie-Entralpie Verteilung |
| Schlagwörter (eng): |
lipoxygenase, oxygen channels, molecular dynamics, oxygen diffusion, metalloenzyme, force field, free-energy distribution |
| Einrichtung: |
Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I |
| Zitationshinweis: |
Saam, Jan:
Identification of dynamic oxygen access channels in 12/15-lipoxygenase – molecular dynamics simulations and free-energy landscapes;
Dissertation,
Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I , publiziert am 04.04.2008, urn:nbn:de:kobv:11-10088100
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| Abstract (ger): |
| Zellen enthalten zahlreiche Enzyme, deren Reaktionen von molekularem
Sauerstoff abhängen. Oft sind deren aktive Zentren tief im inneren des
Proteins verborgen, was die Frage nach spezifischen Zugangskanälen, die
den Sauerstoff gezielt zum Ort der Katalyse leiten, aufwirft. In der
vorliegenden Arbeit wird dies am Beispiel der 12/15-Lipoxygenase, als
ein typisches Beipiel Sauerstoff verbrauchender Enzyme, untersucht. Die
Sauerstoffverteilung innerhalb des Proteins wurde bestimmt und mögliche
Routen für den Sauerstoffzugang definiert. Zu diesem Zweck wurden
theoretische Untersuchungen eng mit Experimenten verzahnt.
Zuerst wurden Molekulardynamik Simulationen des Proteins in Lösung
durchgeführt. Aus den Trajektorien konnte die dreidimensionale
Verteilung der Freien Enthalpie für Sauerstoff berechnet werden. Die
Analyse der günstigsten Pfade in dieser Energielandschaft führte zur
Identifikation von vier Sauerstoffkanälen im Protein. Alle Kanäle
verbinden die Proteinoberfläche mit einem Gebiet hoher
Sauerstoffaffinität am aktiven Zentrum. Diese Region liegt
bezüglich des Substrats gegenüber dem Eisenzentrum, wodurch eine
strukturelle Erklärung für die Reaktionsspezifität des Enzyms gegeben
ist. Der katalytisch bedeutsamste Weg des Sauerstoffs kann durch L367F
Austauschmutation blockiert werden, was zu einer stark erhöhten
Michaelis-Konstante für Sauerstoff führt. Diese experimentell
nachgewiesene Blockade konnte, mit Hilfe entsprechender Molekulardynamik
Simulationen, durch eine Umordnung eines Wasserstoffbrücken-Netzwerks
von Wassermolekülen innerhalb des Protein im Detail erklärt werden. Die
Ergebnisse ermöglichen den Schluss, dass die Hauptroute für Sauerstoff
zum aktiven Zentrum des Enzyms einem Kanal folgt, der aus vorübergehend
verbundenen Hohlräumen besteht. Hierbei unterliegt das Öffnen und
Schließen des Kanals der Dynamik der Proteinseitenketten.
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| Abstract (eng): |
| Cells contain numerous enzymes utilizing molecular oxygen for their
reactions. Often, their active sites are buried deeply inside the
protein which raises the question whether there are specific access
channels guiding oxygen to the site of catalysis. In the present thesis
this question is investigated choosing 12/15-lipoxygenase as a typical
example for such oxygen dependent enzymes. The oxygen distribution
within the protein was determined and potential routes for oxygen access
were defined. For this purpose an integrated strategy of structural
modeling, molecular dynamics simulations, site directed mutagenesis, and
kinetic measurements has been applied.
First, molecular dynamics simulations of the protein in solution were
performed. From the trajectories, the 3-dimensional free-energy
distribution for oxygen could be computed. Analyzing energetically
favorable paths in the free-energy map led to identification of four
oxygen channels in the protein. All channels connect the protein surface
with a zone of high oxygen affinity at the active site. This region is
localized opposite to the non-heme iron providing a structural
explanation for the reaction specificity of this lipoxygenase isoform.
The catalytically most relevant path can be obstructed by L367F exchange
which leads to a strongly increased Michaelis constant for oxygen. This
experimetally proven blocking mechanism can, by virtue of
molecular dynamics studies, be explained in detail through a reordering
of the hydrogen bonding network of water molecules. As a conclusion, the
results provide strong evidence that the main route for oxygen access to
the active site of the enzyme follows a channel formed by transiently
interconnected cavities whereby the opening and closure is governed by
sidechain dynamics.
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