Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu tính toán cơ chế điều hòa kênh canxi TRPC6, tổng hợp purine và gấp cuộn oligomer azobenzene

• Tác giả: Peng Tao
• Người hướng dẫn: Professor Christopher M. Hadad, Advisor
• Trường học: The Ohio State University
• Chuyên ngành: Chemistry
• Đề tài: Computational Studies To Understand Molecular Regulation Of The Trpc6 Calcium Channel, The Mechanism Of Purine Biosynthesis, And The Folding Of Azobenzene Oligomers
• Loại tài liệu: dissertation
• Năm xuất bản: 2007
• Địa điểm: Columbus

• ABSTRACT
• DEDICATION
• ACKNOWLEDGMENTS
• FIELDS OF STUDY
• 1. CHƯƠNG 1: INTRODUCTION
• 1.1. TRPC ion channels
• 1.2. N5-CAIR mutase mechanism in purine biosynthesis pathway
• 1.3. Regioselective ring-opening of epoxides in 2,3-anhydrosugars
• 1.4. References for Chapter 1
• 2. CHƯƠNG 2
• 2.1. Density functional theory
• 2.2. Monte Carlo simulations
• 2.3. Molecular dynamics simulations
• 2.4. Quantum molecular dynamics
• 2.5. References for Chapter 2
• 3. CHƯƠNG 3: MOLECULAR DETERMINANTS OF TRPC6 CHANNEL RECOGNITION BY FKBP12
• 3.1. TRPC6 peptide docking
• 3.2. Molecular dynamics simulation of FKBP12-TRPC6 peptide complexes and separated FKBP12 and TRPC6 peptides
• 3.3. MM/GB-SA free energy of binding calculations
• 3.4. Results and discussion
• 3.4.1. TRPC6 peptide docking
• 3.4.2. RMSD fluctuation of complexes
• 3.4.3. Residue fluctuation in each simulation
• 3.4.4. Binding free energy calculations by MM-GBSA based on Single-Trajectory
• 3.4.5. Free energy of binding calculations of FKBP12 with unphosphorylated and phosphorylated wild-type peptide complexes based on Single-Trajectory
• 3.4.6. Free energy of binding calculations of Ser768Asp and Ser768Glu mutants based on Single-Trajectory
• 3.4.7. Entropic contribution of each complex based on Single-Trajectory
• 3.4.8. Free energy of binding calculations of WT complex based on Three-Trajectory
• 3.4.9. Free energy of binding calculations of mutant complexes based on Three-Trajectory
• 3.4.10. Decomposition analysis of the free energy of binding based on Single-Trajectory
• 3.4.11. Decomposition analysis of the free energy of binding based on Three-Trajectory
• 3.4.12. Spatial distribution of residues with major contributions to the free energy of binding
• 3.4.13. Interactions among Lys44, Lys47 and Residue768
• 3.4.14. Comparison of RMSD fluctuation between bound and unbound peptides
• 3.4.15. Comparison of RMSD fluctuation between bound and unbound FKBP12
• 3.5. References for Chapter 3
• 4. CHƯƠNG 4: COMPUTATIONAL STUDIES OF THE N5-CAIR MUTASE MECHANISM IN THE PURINE BIOSYNTHESIS PATHWAY
• 4.1. Results and Discussions
• 4.2. Thermochemistry for transformation of AMI to AMIC
• 4.3. From MICA to AMIC through cationic or anionic pathways: a brief glance
• 4.4. Exploring the PES of carboxyl unit migration
• 4.5. Complete mechanism involved with enzyme active site starting with MICAp1
• 4.6. Verification of the Simplified Model
• 4.7. References for Chapter 4
• 5. CHƯƠNG 5: POTENTIAL ENERGY SURFACE OF N5-CAIR MUTASE CATALYZED REACTION
• 5.1. Optimization in the gas phase
• 5.2. Aqueous phase calculation with the PCM method
• 5.3. PCM calculations in chlorobenzene
• 5.4. Transition states search related to previous calculations
• 5.5. Thermochemistry of N5-CAIR and CAIR
• 5.6. Transition States of Carboxyl Group Migrations
• 5.7. References for Chapter 5
• 6. CHƯƠNG 6: SUBSTITUENT EFFECTS IN THE N5-CAIR MUTASE MECHANISM
• 6.1. Analogs with either R1 or R2 as a methyl group
• 6.2. Analogs with either R1 or R2 as a trifluoromethyl group
• 6.3. Analogs with either R1 or R2 as a cyano group
• 6.4. Analogs with either R1 or R2 as a carboxylic ester group
• 6.5. Analogs with either R1 or R2 as a nitro group
• 6.6. References for Chapter 6
• 7. CHƯƠNG 7: FOLDING OF HELICAL STRUCTURES OF ALTERNATING PYRIDINEDICARBOXAMIDE/M-(PHENYLAZO) AZOBENEZE OLIGOMERS
• 7.1. Monte Carlo Conformational Search of 7
• 7.2. Monte Carlo Conformational Search of 7
• 7.3. Molecular Dynamics of 7
• 7.4. Molecular Dynamics of 7
• 7.5. Replica Exchange Molecular Dynamics Simulation (REMD) of 7
• 7.6. Replica Exchange Molecular Dynamics Simulation (REMD) of 7
• 7.7. References for Chapter 7
• 8. CHƯƠNG 8: POTENTIAL OF MEAN FORCE OF OLIGOMER FOLDING
• 8.1. Results and Discussion
• 8.2. Replica Exchange Diagnostics
• 8.3. REMD simulations of 7
• 8.4. REMD simulations of 7
• 8.5. REMD simulations of 8
• 8.6. REMD simulations of 8
• 8.7. References for Chapter 8
• 9. CHƯƠNG 9: COMPUTATIONAL INVESTIGATIONS OF THE REGIOSELECTIVE RING-OPENING OF EPOXIDES IN 2,3-ANHYDROSUGARS: THE ROLE OF (-)-SPARTEINE
• 9.1. Epoxide ring-opening reactions
• 9.2. Molecular Dynamics simulation of sparteine, sugar ring and lithium system
• 9.3. CPMD simulation method
• 9.4. Results and Discussion
• 9.4.1. Gas-phase and PCM potential energy surfaces
• 9.4.2. Molecular Dynamics simulations
• 9.4.3. Molecular Dynamics Simulation for MD9
• 9.4.4. Molecular Dynamics Simulation for MD9
• 9.4.5. Molecular Dynamics Simulation for MD9
• 9.4.6. Molecular Dynamics Simulation for the System MD9
• 9.4.7. Molecular Dynamics Simulation for the System MD9
• 9.4.8. ab initio Molecular Dynamics Simulation Results
• 9.5. References for Chapter 9
• Appendix A: Supporting information for Chapter 3
• Appendix B: Supporting information for Chapter 4
• Appendix C: Supporting information for Chapter 5
• Appendix D: Supporting information for Chapter 7
• Appendix E: Supporting information for Chapter 9
• LIST OF TABLES

I. Kênh canxi TRPC6 và cơ chế điều hòa

Nghiên cứu tập trung vào kênh canxi TRPC6, một yếu tố quan trọng trong điều hòa trương lực cơ trơn ở mạch máu và mô phổi. Cơ chế điều hòa của kênh này liên quan đến sự tương tác giữa protein FKBP12 và vùng nội bào của TRPC6. Các mô phỏng động lực học phân tử kéo dài 20 nanosecond đã được thực hiện để nghiên cứu sự nhận biết phân tử của FKBP12 với peptide mô hình của TRPC6. Kết quả cho thấy peptide phosphoryl hóa có ái lực liên kết cao nhất, nhờ tương tác mạnh giữa nhóm phosphate và các lysine (Lys44 và Lys47) của FKBP12. Điều này làm sáng tỏ cơ chế phân tử đằng sau sự điều hòa kênh canxi TRPC6.

1.1. Tương tác protein protein

Sự tương tác giữa FKBP12 và TRPC6 được phân tích chi tiết thông qua mô phỏng động lực học phân tử. Các tương tác không đồng thời với nhóm ε-NH3⊕ của lysine được quan sát, đặc biệt ở peptide phosphoryl hóa. Điều này cho thấy vai trò quan trọng của các yếu tố cấu trúc bổ sung trong tương tác hóa học giữa hai protein.

1.2. Ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu này cung cấp cơ sở để phát triển các phân tử điều chỉnh hoạt động của kênh canxi TRPC6, có tiềm năng ứng dụng trong điều trị các bệnh liên quan đến mạch máu và hô hấp.

II. Tổng hợp purine và cơ chế enzyme PurE Class I

Nghiên cứu tập trung vào tổng hợp purine, đặc biệt là cơ chế xúc tác của enzyme PurE Class I trong quá trình chuyển đổi N5-CAIR thành CAIR. Các phương pháp nghiên cứu tính toán như lý thuyết hàm mật độ (DFT) đã được sử dụng để khám phá bề mặt năng lượng tiềm năng (PES) của các phản ứng enzyme. Kết quả chỉ ra rằng con đường phản ứng cation là con đường thuận lợi nhất, với sự tham gia của histidine 45 (His45) như một chất nhận/cho proton.

2.1. Cơ chế phản ứng enzyme

Cơ chế phản ứng của PurE Class I được đề xuất gồm ba bước: proton hóa nitơ amide của N5-CAIR bởi His45, di chuyển nhóm carboxyl đến carbon 4 (C4) với sự hình thành liên kết C-C, và cuối cùng là khử proton của CAIR để tạo sản phẩm cuối cùng. Đây là lần đầu tiên cơ chế phân tử của PurE Class I được mô tả chi tiết.

2.2. Ứng dụng trong dược phẩm

Thông tin này có thể được sử dụng để thiết kế các chất ức chế dựa trên cơ chế của PurE Class I, mở ra hướng phát triển các loại thuốc mới trong điều trị các bệnh liên quan đến tổng hợp purine.

III. Gấp cuộn oligomer azobenzene

Nghiên cứu tập trung vào gấp cuộn oligomer của các đơn vị azobenzene, một loại foldamer có khả năng tạo cấu trúc ba chiều xác định. Các mô phỏng Monte Carlo và động lực học phân tử (MD) đã được thực hiện để nghiên cứu tính chất động học của các oligomer này. Kết quả cho thấy hai cấu trúc xoắn ốc là cực tiểu toàn cục trong các cấu hình được tạo ra. Mô phỏng trao đổi phân tử (REMD) đã thành công trong việc lấy mẫu cả hai cấu trúc xoắn ốc trái và phải.

3.1. Tính chất động học

Các mô phỏng REMD cho thấy sự chuyển đổi giữa hai cấu trúc xoắn ốc có thể xảy ra ở giữa cấu trúc, không nhất thiết ở đầu phân tử. Điều này làm sáng tỏ cơ chế phân tử đằng sau sự gấp cuộn của các oligomer azobenzene.

3.2. Ứng dụng trong thiết kế vật liệu

Nghiên cứu này cung cấp cơ sở để thiết kế các vật liệu nano với cấu trúc xác định, có tiềm năng ứng dụng trong lĩnh vực hóa sinh học và công nghệ vật liệu.