Advanced

Mechanistic Studies of Dinuclear Metalloenzymes - A Model Approach

Carlsson, Håkan LU (2003)
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Enzymer är viktiga ämnen i naturen. Vi talar då och då om att vi förbränner vår mat. Trots detta känner vi oss oftast inte särskilt varma, i alla fall inte så att det bränns. Visst bränner vi vår mat. Socker omvandlas till koldioxid och vatten precis som om vi hade eldat upp det utanför kroppen. Skillnanden är att kroppen omvandlar sockret långsammare och mer kontrollerat. Istället för att enbart värma omgivningen med reaktionen, så tas en stor det av energin tillvara, vilket faktiskt är själva anledningen till att vi äter. Förvandlingen från socker till kodioxid sker skegvis och enzymer är ämnen som deltar i och kontrollerar varje steg. De ser till att reaktionerna går till på rätt sätt och i... (More)
Popular Abstract in Swedish

Enzymer är viktiga ämnen i naturen. Vi talar då och då om att vi förbränner vår mat. Trots detta känner vi oss oftast inte särskilt varma, i alla fall inte så att det bränns. Visst bränner vi vår mat. Socker omvandlas till koldioxid och vatten precis som om vi hade eldat upp det utanför kroppen. Skillnanden är att kroppen omvandlar sockret långsammare och mer kontrollerat. Istället för att enbart värma omgivningen med reaktionen, så tas en stor det av energin tillvara, vilket faktiskt är själva anledningen till att vi äter. Förvandlingen från socker till kodioxid sker skegvis och enzymer är ämnen som deltar i och kontrollerar varje steg. De ser till att reaktionerna går till på rätt sätt och i lagom grad. Enzymer är komplexa ämnen. Det ställe i enzymet, där själva reaktionen sker, kallas enzymets aktiva säte. Där kommer ämnen in, reaktionen genomförs och från detta släpps nya ämnen ut.



Denna avhandling handlar om aktiva säten och enzymer. Även om enzymen är komplexa, så kan vi försöka förstå hur de fungerar. Detta kan i långa loppet t.ex. ge oss nya läkemedel eller billigare bränsle. Till vår hjälp har vi många moderna tekniker. Vi kan lysa med röntgenstrålning på vårt enzym och få fram strukturen och vi kan se hur fort enzymet låter reaktionen gå och vi kan få fram detaljer om hur reaktionen är organiserad. Problemet kan dock ofta vara att vi inte har tillräckligt rent enzymprov. Det kan vara oerhört svårt och ta många år att få fram ett rent enzym. Ett alternativt sätt att förstå mer om enzymet i fråga kan vara att göra en modell. Modellen kan vara enkel eller komplicerad. Den kan vara en liten modell, som motsvarar precis stukturen hos de aktiva sätet eller den kan till och med bara finnas enbart i en dator. Om modellen är bra och liknar det aktiva sätet väl, så kan den leda till mycket information på vägen mot fullständig förståelse av hur enzymer fungerar.



Jag har i denna avhandling försökt berätta om hur jag har gjort modeller för några olika enzym och vad vi kan lära oss från dessa modeller. Ett gemensamt tema för alla de modeller jag har tillverkat är att de alla innehåller minst två metalljoner. De två jonerna kommer från flera olika grundämnen och kan vara lika eller av inbördes olika slag. För att få dessa båda joner att på ett ordnat sätt hålla sig närma varandra, så har jag gjort organiska ämnen som har speciella förutbestämda platser för jonerna. De organiska ämnena har varit en stor del av det arbete jag utfört och avhandlingen beskriver hur jag gjorde för att få fram dem. Detta då de är helt nya ämnen, specialtillverkade för ändamålet och inte går att köpa.



Det enzym som jag arbetat mest med heter ureas och har två nickeljoner i sitt aktiva säte. Ureas bryter ner urinämne, som finns i vår urin och som är ett vanligt gödselmedel. Om vi kunde förstå ureas bättre så kanske vi skulle kunna minska vår gödselanvändning och spara vår natur. Jag har tittat närmare på hur ureas fungerar. Till min hjälp har jag haft de modeller jag har gjort. Jag har också använt en del datorberäkningar. Mina slutsatser är flera. Vi vet nu ganska väl hur urinämne fastnar på ureas och vi har kunnat motbevisa en speciell teori om hur resten av omvandlingen sker. Det sätt som vi föreslår att urinämne omvandlas på har jag valt att kalla en "samarbetesreaktion" (collaborator reaction) med tanke på de olika uppgifter som de två nickeljonerna har och hur de samarbetar för att få jobbet slutfört.



Den organiska förening som jag använt för lära mig mer om ureas fungerar också bra som bas för en modell med två zinkjoner. Med dessa på plats, så har vi en användbar modell för ett enzym som heter zinkfosfotriesteras (ZFT). Detta enzym bryter ner organiska fosfater och är också av intresse. ZFT delar till stor del samma aktivasätestruktur med ureas, men i ZFT finns två zinkjoner istället för nickel. Med hjälp av två olika organiska ämnen har vi kunnat visa att det är viktigt att det finns en öppen plats på en av zinkjonerna för att reaktionen ska gå relativt snabbt. Detta har vi gjort även för ureas med samma resultat. En annan likhet mellan de två enzymen är vi kommit fram till att den speciell grupp av atomer som hittats mitt emellan metallatomerna (OH-grupp) i de strukturer som finns tillgängliga, troligtvis inte har någon speciell betydelse i reaktionen.



Jag har också arbetat med järn. En modell med två järnatomer har tillverkats tillsammans med flera modeller med blandade joner, t.ex. järn/zink och järn/koppar. Dessa modeller kan användas i studier av bl.a. purple acid fosfataser, som är ansvarigt för nedbrytningen av fosfater i sura miljöer.



Mitt mål med avhandlingen och det arbete som lett fram till den har varit att göra enzym-modeller som kan vara användbara i sökandet efter en bättre förståelse av de olika enzymerna. Mina resultat kommer att publiseras i internationella tidskrifter och även om vi inte löst alla gåtor om de olika enzymerna redan nu, så kommer kunskapen att föras vidare. I framtiden är det inte omöjligt att det vi lärt oss om enzymen i fråga kan vara en del i arbetet mot en ny medicin eller kanske ett nytt gödselpreparat. (Less)
Abstract
With the goal to study the mechanisms of dinuclear metalloenzymes, a new line of synthetic and computational models were prepared and studied. Mixed imidazole and carboxylate multidentate complexes were synthesized to better simulate carboxylate-rich ligand environments. Of the compounds, which showed to be the most useful, were one symmetric and the other one asymmetric and in both cases they were both found to be based on a central phenoxide moiety.



To study the mechanism of the dinickel enzyme urease, complexes containing two nickel ions were prepared from the two ligands. Analysis of the crystal structures of the synthesized model complexes indicated that the urea prefers the coordinatively unsaturated ion for its... (More)
With the goal to study the mechanisms of dinuclear metalloenzymes, a new line of synthetic and computational models were prepared and studied. Mixed imidazole and carboxylate multidentate complexes were synthesized to better simulate carboxylate-rich ligand environments. Of the compounds, which showed to be the most useful, were one symmetric and the other one asymmetric and in both cases they were both found to be based on a central phenoxide moiety.



To study the mechanism of the dinickel enzyme urease, complexes containing two nickel ions were prepared from the two ligands. Analysis of the crystal structures of the synthesized model complexes indicated that the urea prefers the coordinatively unsaturated ion for its initial coordination. From kinetic studies comparing the complexes it became apparent that an open coordination site is important in facilitating hydrolytic catalytic activity. Computational models, based on the native crystal structure of the enzyme, were also used. The conclusions showed that the first coordination of urea most likely occurs on Ni1 trans to the carbamylated lysine ligand and that the published proposal based on the attack of the bridging hydroxy group is less likely due to the high energy barrier for the formation of the tetrahedral intermediate.



When ICIMP is reacted with zinc, a tetranuclear zinc complex is formed. It can easily be dissociated to dinuclear complexes. Both the structure of the complex and the structure of the environment around the avtive site in the enzyme resemble the nickel model. The complex has also been found to be very potent as a functional model for hydrolytic enzymes. Homo- and heteronuclear iron complexes were also synthesized. As a useful precursor, a mononuclear complex could be isolated and crystallographically characterized. Based on the mononuclear system, four new heterodinuclear iron complexes were isolated. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Prof Dr Meyer, Franc
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
models, Enzymes, bioinorganic chemistry, dinuclear, urease, nickel, zinc triphosphoesterase, Oorganisk kemi, Inorganic chemistry
pages
122 pages
publisher
Håkan Carlsson, Inorganic Chemistry, Kemicentrum, Lund University, P.O. Box 124, SE-221 00 Lund, Sweden,
defense location
Hörsal D, Kemicentrum
defense date
2003-12-19 10:15
ISBN
91-7422-030-6
language
English
LU publication?
yes
id
4d4ae4ed-0b1d-4eea-b39c-94b6e07e1d7d (old id 466452)
date added to LUP
2007-10-10 21:25:56
date last changed
2016-09-19 08:45:08
@phdthesis{4d4ae4ed-0b1d-4eea-b39c-94b6e07e1d7d,
  abstract     = {With the goal to study the mechanisms of dinuclear metalloenzymes, a new line of synthetic and computational models were prepared and studied. Mixed imidazole and carboxylate multidentate complexes were synthesized to better simulate carboxylate-rich ligand environments. Of the compounds, which showed to be the most useful, were one symmetric and the other one asymmetric and in both cases they were both found to be based on a central phenoxide moiety.<br/><br>
<br/><br>
To study the mechanism of the dinickel enzyme urease, complexes containing two nickel ions were prepared from the two ligands. Analysis of the crystal structures of the synthesized model complexes indicated that the urea prefers the coordinatively unsaturated ion for its initial coordination. From kinetic studies comparing the complexes it became apparent that an open coordination site is important in facilitating hydrolytic catalytic activity. Computational models, based on the native crystal structure of the enzyme, were also used. The conclusions showed that the first coordination of urea most likely occurs on Ni1 trans to the carbamylated lysine ligand and that the published proposal based on the attack of the bridging hydroxy group is less likely due to the high energy barrier for the formation of the tetrahedral intermediate.<br/><br>
<br/><br>
When ICIMP is reacted with zinc, a tetranuclear zinc complex is formed. It can easily be dissociated to dinuclear complexes. Both the structure of the complex and the structure of the environment around the avtive site in the enzyme resemble the nickel model. The complex has also been found to be very potent as a functional model for hydrolytic enzymes. Homo- and heteronuclear iron complexes were also synthesized. As a useful precursor, a mononuclear complex could be isolated and crystallographically characterized. Based on the mononuclear system, four new heterodinuclear iron complexes were isolated.},
  author       = {Carlsson, Håkan},
  isbn         = {91-7422-030-6},
  keyword      = {models,Enzymes,bioinorganic chemistry,dinuclear,urease,nickel,zinc triphosphoesterase,Oorganisk kemi,Inorganic chemistry},
  language     = {eng},
  pages        = {122},
  publisher    = {Håkan Carlsson, Inorganic Chemistry, Kemicentrum, Lund University, P.O. Box 124, SE-221 00 Lund, Sweden,},
  school       = {Lund University},
  title        = {Mechanistic Studies of Dinuclear Metalloenzymes - A Model Approach},
  year         = {2003},
}