Mecanismos de reação de flavinas e flavoproteínas por uma perspectiva de estrutura eletrônica

Autor(es)

Felipe Curtolo

• Tipo de documento: Tese de Doutorado
• Imprenta: São Paulo.
• Instituição: Universidade de São Paulo (USP). Conjunto das Químicas (IQ e FCF) (CQ/DBDCQ)
• Data de defesa: 2022-11-18

Membros da banca

Guilherme Menegon Arantes; Ataualpa Albert Carmo Braga; Troy Wayne Wymore

• Orientador: Guilherme Menegon Arantes

Resumo

Proteínas equipadas com dinucleotídeos de flavina-adenina (FAD) e mononucleotídeos de flavina (FMN) são chamadas flavoproteínas e constituem cerca de 1% de todas as proteínas existentes. Elas catalisam reações redox, ácido-base e fotoquímicas numa variedade de fenômenos bioquímicos que vão desde o metabolismo energético até reparo de DNA e captação de luz. A versatilidade observada em flavoproteínas é em última instância um balanço das propriedades intrínsecas de flavinas moduladas por um ambiente proteico. Esta tese busca investigar como flavoproteínas funcionam através de avaliações sistemáticas de propriedades e reatividade de flavinas. Em particular, o mecanismo de redução de fumarato pela flavoenzima fumarato redutase Fcc3 foi determinado. Cálculos de estrutura eletrônica foram usados para esta tarefa com base em rigorosa calibração com dados experimentais e avaliação de erros. As propriedades de flavinas foram determinadas com acurácia química com cálculos monoconfiguracionais de coupled-cluster CCSD(T) no limite de conjunto base completo. A teoria do funcional da densidade mostrou-se uma alternativa excelente com menor custo computacional e um pouco menos de acurácia. Protonação e tautomerismo de flavinas mostraram-se moduladores importantes de suas propriedades e reatividade, com a possibilidade de vários tautômeros existirem em pH neutro. Em relação às propriedades redox de flavinas, uma análise baseada nos pesos de funções de onda multiconfiguracionais foi proposta para categorizar as reações redox de flavinas como transferências de hidreto ou hidrogênio. Esta análise é uma melhoria em relação aos métodos tradicionais de cargas parciais e pode ser aplicada não apenas para reações de flavinas mas para qualquer transferência de próton acoplada a elétrons. Na investigação do mecanismo enzimático de redução de fumarato, a reação foi designada como uma adição nucleofílica por transferência de hidreto e formação de carbânion. A fumarato redutase usa catálise eletrostática diferentemente de prospostas anteriores envolvendo distorção do substrato e catálise ácida geral. Além disso, a transferência de hidreto mostrou-se vibronicamente adiabática com pouca contribuição de tunelamento. Estas descobertas abrem novas perspectivas sobre os mecanismos de fumarato redutases e fornecem uma base para estudos computacionais futuros sobre flavoproteínas em geral. As análises e estudos comparativos apresentados podem ser usados para construir melhores modelos para propriedades e reatividade de flavinas e flavoproteínas. (AU)

• Processo FAPESP: 17/26109-0 - Simulação computacional de reatividade e transferência de elétrons no complexo II respiratório
• Beneficiário: Felipe Curtolo
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado Direto