Simulación de reactividad química en hemoproteínas

El trabajo de tesis puede subdividirse en dos incisos generales: el desarrollode técnicas de simulación computacional orientadas al tratamiento de losefectos del entorno en sistemas moleculares de gran tamaño, y la aplicaciónde estas y otras metodologías de cálculo a diversos problemas atenientes a lareactividad de las hemoproteínas. En relación con el primer ítem, se halla la implementación de un métodohíbrido que combina el cálculo de estructura electrónica con un campo defuerzas clásico, introduciendo de manera autoconsistente en el hamiltonianomecanocuántico el potencial electrostático proveniente de una distribuciónde cargas parciales. Esta clase de técnicas, denotada habitualmente conlas siglas QM-MM (Quantum Mechanics-Molecular Mechanics), resulta útilpara el estudio de los efectos del entorno, por ejemplo un solvente o una proteína. La implementación del método híbrido fue realizada sobre el programa SIESTA, un algoritmo de cómputo basado en la teoría de los funcionales de ladensidad (DFT) que utiliza funciones de base numéricas y pseudopotenciales. En lo que respecta al segundo inciso, se realiza en primer término unestudio metodológico tendiente a evaluar la aptitud de los diferentes tratamientosmecanocuánticos para describir la configuración electrónica de lasmetaloporfirinas. Seguidamente la investigación se focaliza sobre tres problemasespecíficos: (i) inhibición del citocromo P450 por el óxido nítrico; (ii)relación entre la afinidad por el oxígeno molecular y las uniones hidrógeno enla cavidad distal de la hemoglobina; (iii) modulación del efecto trans negativodel NO en el sitio activo de diferentes hemoenzimas, y sus implicancias en laactivación de la guanilato ciclasa. A través de estos ejemplos se realiza unalectura microscópica de la actividad de las hemoproteínas, de sus propiedadesreactivas, y de la modulación que sobre el sitio activo ejerce el entorno. Seestudian los efectos de los residuos proximales y distales, y se caracterizandistintos aspectos energéticos, estructurales y electrónicos que contribuyen ala interpretación de observaciones experimentales. This thesis has two main goals: the development of computer simulationschemes to model environment effects in large systems and the application ofthese techniques to the investigation of chemical reactivity in heme proteins. Regarding the first goal, we have implemented a hybrid methodologycombining an electronic structure calculation with a classical force field, includingthe electrostatic effects of the classical subsystem self-consistently inthe Hamiltonian of the quantum subsystem. This kind of techniques, knownusually as QM-MM (Quantum Mechanics- Molecular Mechanics), are speciallyuseful to model environment effects in solution and in proteins. Wehave employed the SIESTA pseudopotential numerical basis set implementationof density functional theory (DFT) to describe the quantum subsystem,due to its computational performance. The implemented computational schemes have been used to investigatethe following problems: (i) inhibition of cytochrome P450 by nitric oxide; (ii)role of hydrogen bonding in oxygen affinity of hemoglobins; (iii) modulationof nitric oxide negative trans effect in the active site in different heme proteinsand its connection with the activation of guanylate cyclase. Throughthese examples, we have tried to provide a microscopic insight of the roleof the environment on the chemical reactivity of heme proteins. We haveinvestigated the effects of the distal and proximal residues, characterizingstructural and energetical parameters which contribute to the interpretationof experimental results. Fil: Scherlis Perel, Damián Ariel. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.