Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu tính toán TRPC6, purine biosynthesis và azobenzene oligomers

Luận án tiến sĩ nghiên cứu tính toán điều hòa phân tử kênh canxi TRPC6, cơ chế sinh tổng hợp purine và cấu trúc oligomer azobenzene bằng phương pháp DFT.

Trường ĐH

The Ohio State University

Chuyên ngành

Chemistry

Tác giả

Luan An

Thể loại

luận án

Năm xuất bản

Số trang

500

Thời gian đọc

1 giờ 15 phút

Lượt xem

1

Lượt tải

0

Phí lưu trữ

60 Point

Tóm tắt nội dung

I. Kênh Canxi TRPC6 Cơ Chế Điều Hòa Phân Tử

Kênh canxi TRPC6 (Transient Receptor Potential-Canonical 6) đóng vai trò quan trọng trong điều hòa trương lực cơ trơn ở mạch máu và mô phổi. Nghiên cứu tập trung vào tương tác protein-protein giữa FKBP12 và vùng nội bào của TRPC6. Protein FKBP12 là điều kiện tiên quyết để hình thành phức hợp đa protein tham gia điều hòa kênh ion. Mô phỏng động lực học phân tử 20 nanosecond được thực hiện trên các mô hình peptide khác nhau. Các mô hình bao gồm peptide dạng hoang dại, dạng phosphoryl hóa tại Ser768, và các đột biến Ser768Asp, Ser768Glu. Phương pháp MM-GB/SA cho thấy peptide phosphoryl hóa có ái lực liên kết cao nhất. Tương tác mạnh giữa nhóm phosphate và hai gốc lysine (Lys44, Lys47) của FKBP12 tạo nên sự ổn định này. Homeostasis canxi nội bào phụ thuộc vào hoạt động chính xác của TRPC6 channel. Con đường tín hiệu canxi được điều chỉnh thông qua cơ chế phosphoryl hóa đặc hiệu.

1.1. Tương Tác FKBP12 Với Vùng Nội Bào TRPC6

Mô phỏng phân tử tiết lộ các tương tác thoáng qua, không đồng thời với nhóm ε-NH3⊕ của các gốc lysine. Đặc điểm này chỉ xuất hiện ở peptide phosphoryl hóa. Phân tích năng lượng liên kết tự do theo từng gốc amino acid xác định các yếu tố cấu trúc quan trọng. Vùng liên kết chứa Lys44 và Lys47 tạo thành túi gắn kết đặc hiệu. Nhóm phosphate tương tác tĩnh điện với các gốc lysine mang điện tích dương. Khoảng cách và góc liên kết tối ưu đảm bảo sự ổn định của phức hợp.

1.2. Vai Trò Phosphoryl Hóa Trong Điều Hòa Kênh Ion

Phosphoryl hóa tại Ser768 làm tăng đáng kể ái lực liên kết với FKBP12. Các đột biến Ser768Asp và Ser768Glu không tái tạo được hiệu ứng này. Nhóm phosphate mang hai điện tích âm tạo tương tác mạnh hơn nhóm carboxylate. Cơ chế điều hòa kênh thụ thể tiềm năng thoáng qua phụ thuộc vào trạng thái phosphoryl hóa. Kinase và phosphatase điều chỉnh quá trình thêm bớt nhóm phosphate. Điều hòa kênh ion qua phosphoryl hóa là cơ chế điều khiển nhanh và thuận nghịch.

1.3. Ý Nghĩa Sinh Lý Của Kênh TRPC6 Channel

TRPC6 channel điều chỉnh dòng canxi vào tế bào cơ trơn mạch máu. Sự gia tăng canxi nội bào kích hoạt co mạch. Rối loạn chức năng TRPC6 liên quan đến bệnh lý tim mạch và phổi. Homeostasis canxi nội bào duy trì các chức năng tế bào bình thường. Con đường tín hiệu canxi kết nối với nhiều quá trình sinh lý khác. Nghiên cứu phân tử giúp hiểu rõ cơ chế bệnh sinh và phát triển thuốc mới.

II. Sinh Tổng Hợp Purine Con Đường De Novo

Sinh tổng hợp purine là quá trình tạo ra nucleotide purine từ các tiền chất đơn giản. Enzyme PurE Class I xúc tác chuyển hóa N5-carboxyaminoimidazole ribonucleotide (N5-CAIR) thành 4-carboxyaminoimidazole ribonucleotide (CAIR). Nghiên cứu sử dụng phương pháp lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) để khảo sát cơ chế phản ứng. Bề mặt năng lượng tiềm năng (PES) của các quá trình mô hình được phân tích chi tiết. Kết quả xác định con đường phản ứng khả thi nhất về mặt năng lượng. Chuyển hóa nucleotide trong de novo purine synthesis tạo ra các base purine adenine và guanine. Purine metabolism cung cấp nguyên liệu cho tổng hợp DNA và RNA. Hiểu rõ cơ chế phản ứng enzyme giúp phát triển thuốc ức chế đặc hiệu. Các tế bào phân chia nhanh phụ thuộc nhiều vào con đường sinh tổng hợp này.

2.1. Cơ Chế Xúc Tác Của Enzyme PurE Class I

Bảy con đường phản ứng tiềm năng được xác định từ mô hình đơn giản hóa. Kết quả thực nghiệm loại trừ bốn con đường. Hai trong ba con đường còn lại liên quan đến khử proton tại carbon C4 của vòng imidazole. Năng lượng trạng thái chuyển tiếp của hai con đường này cao hơn con đường thứ ba. Mô hình đầy đủ bao gồm đơn vị ribose-5-phosphate và các trạng thái điện tích khác nhau. Có 48 cấu trúc của N5-CAIR và CAIR với các trạng thái proton hóa khác nhau. Bốn con đường phản ứng được xác định dựa trên các cấu trúc sau tối ưu hóa.

2.2. Vai Trò Của Histidine 45 Trong Xúc Tác

Con đường phản ứng qua cation là thuận lợi nhất trong cả hai mô hình. Một chất cho/nhận proton nội phân tử cần thiết trước và sau sự di chuyển nhóm carboxyl. Theo cấu trúc tinh thể PurE Class I, gốc histidine 45 (His45) bảo tồn có thể đóng vai trò này. His45 nằm tại vị trí không gian phù hợp ở trung tâm hoạt động. Cơ chế phản ứng enzyme theo từng bước được đề xuất. Đầu tiên, His45 proton hóa nitrogen amide của N5-CAIR. Tiếp theo, nhóm carboxyl di chuyển đến carbon C4 với hình thành liên kết C-C đồng thời.

2.3. Ý Nghĩa Của Chuyển Hóa Nucleotide

Purine metabolism cung cấp adenine và guanine cho tổng hợp acid nucleic. De novo purine synthesis không phụ thuộc vào nguồn purine ngoại sinh. Con đường này đặc biệt quan trọng trong tế bào phân chia nhanh. Tế bào ung thư thường tăng hoạt động sinh tổng hợp purine. Ức chế các enzyme trong con đường này là chiến lược điều trị ung thư. Thuốc kháng chuyển hóa nhắm vào sinh tổng hợp purine đã được sử dụng lâm sàng. Hiểu rõ cơ chế phân tử giúp thiết kế thuốc hiệu quả và đặc hiệu hơn.

III. Phương Pháp Tính Toán Hóa Học Trong Nghiên Cứu

Nghiên cứu áp dụng nhiều phương pháp hóa học tính toán khác nhau để giải quyết các vấn đề ở mức độ phân tử. Mô phỏng động lực học phân tử (MD) được sử dụng cho nghiên cứu tương tác protein-protein. Phương pháp lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) phân tích cơ chế phản ứng enzyme. Tính toán bề mặt năng lượng tiềm năng xác định con đường phản ứng khả thi. Phương pháp MM-GB/SA đánh giá năng lượng liên kết tự do. Các phương pháp này cung cấp thông tin chi tiết ở mức nguyên tử. Kết hợp tính toán và thực nghiệm tạo hiểu biết toàn diện. Hóa học tính toán tiết kiệm thời gian và chi phí so với thực nghiệm thuần túy. Khả năng dự đoán và giải thích hiện tượng phân tử ngày càng chính xác.

3.1. Mô Phỏng Động Lực Học Phân Tử 20 Nanosecond

Mô phỏng MD theo dõi chuyển động của các nguyên tử theo thời gian. Thời gian mô phỏng 20 nanosecond đủ dài để quan sát các tương tác quan trọng. Hệ thống bao gồm phức hợp protein-peptide trong môi trường dung môi. Điều kiện nhiệt độ và áp suất được kiểm soát trong suốt mô phỏng. Quỹ đạo chuyển động cung cấp thông tin về sự ổn định và linh hoạt của cấu trúc. Phân tích quỹ đạo xác định các tương tác quan trọng và thời gian tồn tại. Phương pháp này phù hợp cho nghiên cứu điều hòa kênh ion và tương tác protein.

3.2. Lý Thuyết Phiếm Hàm Mật độ Trong Nghiên Cứu Enzyme

DFT tính toán cấu trúc điện tử và năng lượng của phân tử. Phương pháp này cân bằng giữa độ chính xác và chi phí tính toán. Bề mặt năng lượng tiềm năng mô tả sự thay đổi năng lượng dọc theo con đường phản ứng. Trạng thái chuyển tiếp và trung gian phản ứng được xác định. Năng lượng hoạt hóa cho biết tốc độ phản ứng tương đối. DFT phù hợp cho nghiên cứu sinh tổng hợp purine và chuyển hóa nucleotide. Kết quả tính toán giúp đề xuất cơ chế phản ứng chi tiết ở mức nguyên tử.

3.3. Phân Tích Năng Lượng Liên Kết Tự Do

Phương pháp MM-GB/SA kết hợp cơ học phân tử và mô hình dung môi liên tục. Năng lượng liên kết tự do dự đoán ái lực giữa các phân tử. Phân tích theo từng gốc amino acid xác định đóng góp của mỗi phần. Thông tin này quan trọng cho thiết kế thuốc và protein engineering. Các tương tác tĩnh điện, van der Waals, và solvation được tính riêng. Tổng hợp các thành phần cho năng lượng liên kết tổng thể. Phương pháp này hiệu quả cho nghiên cứu tương tác FKBP12 với TRPC6.

IV. Ứng Dụng Trong Y Sinh Và Phát Triển Thuốc

Nghiên cứu điều hòa kênh canxi TRPC6 có ý nghĩa lâm sàng quan trọng. Rối loạn chức năng TRPC6 liên quan đến bệnh lý tim mạch, thận, và phổi. Hiểu rõ cơ chế điều hòa giúp phát triển thuốc điều chỉnh hoạt động kênh ion. Nghiên cứu sinh tổng hợp purine mở ra hướng điều trị ung thư mới. Các enzyme trong con đường de novo purine synthesis là mục tiêu thuốc tiềm năng. Thuốc ức chế đặc hiệu có thể ngăn chặn tăng sinh tế bào ung thư. Phương pháp tính toán giúp sàng lọc và thiết kế thuốc hiệu quả. Chi phí và thời gian phát triển thuốc được giảm đáng kể. Kết hợp tính toán, sinh học cấu trúc, và thử nghiệm sinh học tạo quy trình nghiên cứu toàn diện.

4.1. Mục Tiêu Điều Trị Từ Kênh TRPC6

Điều chỉnh hoạt động TRPC6 channel có thể điều trị tăng huyết áp phổi. Bệnh thận mạn tính liên quan đến đột biến và rối loạn chức năng TRPC6. Thuốc ức chế hoặc kích hoạt kênh ion cần tính đặc hiệu cao. Hiểu rõ con đường tín hiệu canxi giúp tránh tác dụng phụ. Phosphoryl hóa là cơ chế điều hòa có thể can thiệp bằng thuốc. Ức chế kinase hoặc kích hoạt phosphatase điều chỉnh trạng thái phosphoryl hóa. Homeostasis canxi nội bào là yếu tố quan trọng trong nhiều bệnh lý.

4.2. Ức Chế Sinh Tổng Hợp Purine Trong Điều Trị Ung Thư

Tế bào ung thư phân chia nhanh cần nhiều nucleotide cho tổng hợp DNA. De novo purine synthesis là nguồn cung cấp chính trong tế bào ung thư. Ức chế PurE và các enzyme khác ngăn chặn purine metabolism. Thuốc kháng chuyển hóa như methotrexate đã được sử dụng lâu đời. Thiết kế thuốc mới dựa trên cấu trúc enzyme và cơ chế phản ứng. Thuốc đặc hiệu hơn giảm độc tính với tế bào bình thường. Kết hợp nhiều thuốc nhắm vào các bước khác nhau tăng hiệu quả điều trị.

4.3. Vai Trò Của Hóa Học Tính Toán Trong Thiết Kế Thuốc

Sàng lọc ảo giúp chọn lọc hợp chất tiềm năng từ thư viện lớn. Mô hình hóa phân tử dự đoán ái lực liên kết và tính chất dược động. Tối ưu hóa cấu trúc thuốc dựa trên tương tác với mục tiêu. Dự đoán độc tính và tính chất ADME giảm tỷ lệ thất bại lâm sàng. Chi phí phát triển thuốc giảm từ hàng tỷ đô la. Thời gian đưa thuốc ra thị trường rút ngắn đáng kể. Hóa học tính toán là công cụ không thể thiếu trong nghiên cứu dược phẩm hiện đại.

V. Cấu Trúc Protein Và Tương Tác Phân Tử

Cấu trúc ba chiều của protein quyết định chức năng sinh học. Tương tác protein-protein điều khiển nhiều quá trình tế bào. FKBP12 là protein liên kết với nhiều mục tiêu khác nhau. Vùng liên kết của FKBP12 chứa các gốc amino acid bảo tồn. Nhận dạng phân tử phụ thuộc vào hình dạng và phân bố điện tích. Tương tác tĩnh điện, liên kết hydro, và lực van der Waals đóng góp vào sự ổn định. Sự linh hoạt của cấu trúc protein cho phép điều chỉnh khi liên kết. Mô phỏng phân tử tiết lộ các chi tiết không thấy được từ cấu trúc tĩnh. Phân tích động học cung cấp thông tin về cơ chế nhận dạng và liên kết.

5.1. Đặc Điểm Cấu Trúc Của Protein FKBP12

FKBP12 thuộc họ protein liên kết immunophilin. Cấu trúc gấp nếp đặc trưng tạo túi liên kết sâu. Các gốc lysine Lys44 và Lys47 nằm ở vị trí chiến lược. Nhóm ε-NH3⊕ của lysine tương tác với nhóm mang điện âm. Cấu trúc bậc ba ổn định bởi lõi kỵ nước và vòng lặp linh hoạt. Vùng liên kết có thể thích nghi với các đối tác khác nhau. Sự bảo tồn cao của FKBP12 qua các loài cho thấy tầm quan trọng chức năng.

5.2. Cơ Chế Nhận Dạng Phân Tử Giữa FKBP12 Và TRPC6

Nhận dạng phân tử bắt đầu với sự tiếp cận ban đầu do lực tĩnh điện. Hình dạng bổ sung giữa bề mặt protein và peptide tạo sự khớp nối. Liên kết hydro hình thành giữa xương sống và chuỗi bên. Tương tác kỵ nước đóng góp vào năng lượng liên kết. Phosphoryl hóa thay đổi phân bố điện tích và tăng ái lực. Hai gốc lysine tạo tương tác bidentate với nhóm phosphate. Sự ổn định của phức hợp phụ thuộc vào tổng hợp nhiều tương tác yếu.

5.3. Ý Nghĩa Của Tương Tác Protein Protein

Tương tác protein-protein điều khiển hình thành phức hợp tín hiệu. Phức hợp đa protein tạo nền tảng cho điều hòa kênh ion. FKBP12 kết nối TRPC6 với các protein điều hòa khác. Sự hình thành và phân ly phức hợp là cơ chế điều khiển động. Phosphoryl hóa và dephosphoryl hóa điều chỉnh tương tác này. Hiểu rõ cơ chế giúp thiết kế peptide hoặc phân tử nhỏ can thiệp. Can thiệp vào tương tác protein-protein là chiến lược điều trị mới.

VI. Triển Vọng Nghiên Cứu Và Phát Triển Tương Lai

Nghiên cứu tính toán mở ra nhiều hướng phát triển mới. Công nghệ máy tính ngày càng mạnh cho phép mô phỏng lớn hơn và chính xác hơn. Trí tuệ nhân tạo và học máy được tích hợp vào hóa học tính toán. Dự đoán cấu trúc protein đạt độ chính xác cao với AlphaFold. Thiết kế thuốc dựa trên cấu trúc ngày càng hiệu quả. Kết hợp dữ liệu thực nghiệm và tính toán tạo mô hình toàn diện. Nghiên cứu đa quy mô từ nguyên tử đến tế bào đang phát triển. Y học cá nhân hóa dựa trên mô hình tính toán đặc thù bệnh nhân. Tương lai của nghiên cứu sinh y nằm ở sự kết hợp chặt chẽ giữa tính toán và thực nghiệm.

6.1. Công Nghệ Mới Trong Hóa Học Tính Toán

Máy tính lượng tử hứa hẹn giải quyết bài toán phức tạp hơn. Thuật toán học máy tăng tốc sàng lọc và tối ưu hóa. Mô phỏng động lực học phân tử đạt quy mô microsecond. Phương pháp QM/MM kết hợp cơ học lượng tử và phân tử. Tính toán đám mây cho phép truy cập tài nguyên tính toán lớn. Phần mềm nguồn mở tạo cộng đồng nghiên cứu rộng lớn. Cơ sở dữ liệu cấu trúc và dữ liệu tính toán ngày càng phong phú.

6.2. Hướng Nghiên Cứu Mở Rộng Cho TRPC6 Và Purine

Nghiên cứu các thành viên khác của họ kênh TRP. Khảo sát tương tác với nhiều protein điều hòa khác. Phát triển chất điều biến đặc hiệu cho TRPC6 channel. Nghiên cứu toàn bộ con đường sinh tổng hợp purine. Xác định cơ chế các enzyme khác trong purine metabolism. Thiết kế ức chế đa mục tiêu cho điều trị ung thư. Kết hợp ức chế sinh tổng hợp purine với liệu pháp khác.

6.3. Ứng Dụng Lâm Sàng Và Chuyển Giao Công Nghệ

Chuyển kết quả nghiên cứu cơ bản thành ứng dụng lâm sàng. Phát triển kit chẩn đoán dựa trên biomarker liên quan TRPC6. Thử nghiệm lâm sàng thuốc nhắm vào kênh canxi TRPC6. Phát triển thuốc kháng ung thư mới ức chế sinh tổng hợp purine. Cá nhân hóa điều trị dựa trên đặc điểm di truyền bệnh nhân. Hợp tác giữa học viện và công nghiệp đẩy nhanh chuyển giao. Đầu tư vào nghiên cứu tính toán mang lại lợi ích kinh tế và xã hội lớn.

Xem trước tài liệu
Tải đầy đủ để xem toàn bộ nội dung
Luận án tiến sĩ: Computational studies to understand molecular regulation of the TRPC6 calcium channel, the mechanism of purine biosynthesis, and the folding of azobenzene oligomers

Tải xuống file đầy đủ để xem toàn bộ nội dung

Tải đầy đủ (500 trang)

Trích đoạn nội dung luận án

Tải xuống để đọc toàn bộ

COMPUTATIONAL STUDIES TO UNDERSTAND MOLECULAR REGULATION OF THE TRPC6 CALCIUM CHANNEL, THE MECHANISM OF PURINE BIOSYNTHESIS, AND THE FOLDING OF AZOBENZENE OLIGOMERS DISSERTATION Presented in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree Doctor of Philosophy in the Graduate School of The Ohio State University By Peng Tao, M. ***** The Ohio State University 2007 Dissertation Committee: Approved by Professor Christopher M. Hadad, Advisor Professor Russell M. Pitzer _________________________________ Professor James V.

Coe Advisor Graduate Program in Chemistry UMI Number: 3241692 UMI Microform 3241692 Copyright 2007 by ProQuest Information and Learning Company. All rights reserved. This microform edition is protected against unauthorized copying under Title 17, United States Code. ProQuest Information and Learning Company 300 North Zeeb Road P.

Box 1346 Ann Arbor, MI 48106-1346 ABSTRACT Different computational chemistry methods were applied to study a variety of problems at the molecular level. These problems concern protein-protein interactions, the mechanism of reaction for enzymatic purine biosynthesis, structural interconversion in non-natural oligomeric folding, and carbohydrate synthesis. Transient receptor potential-canonical 6 (TRPC6) calcium channels are currently the subject of intense investigation for their role in modulating smooth muscle tone in blood vessels and lung tissue. Binding of a protein, FKBP12, is a prerequisite for the formation of a multiprotein complex involved in channel regulation.

To study the elements of molecular recognition in FKBP12 for binding to the TRPC6 intracellular domain, 20 nanosecond molecular dynamic simulations were performed on the complex of FKBP12 and a peptide model of the wild-type TRPC6 intracellular domain, a phosphorylated Ser768 analog of the wild-type peptide as well as Ser768Asp and Ser768Glu mutants. The phosphorylated peptide demonstrated the greatest binding affinity by the MM-GB/SA method, due to the strong interaction between the phosphate group and two lysine (Lys44 and Lys47) residues of FKBP12 at the binding site. These trajectories also revealed transient, non-simultaneous interactions with the ε-NH3⊕ group of these lysine residues. This feature was not observed in simulations containing the other peptides.

Decomposition of the binding free energies into each amino acid residue ii identified important additional structural elements necessary for this protein-protein interaction. Potential catalytic reaction mechanisms of the enzyme PurE Class I, which catalyzes the transformation from N5-carboxyaminoimidazole ribonucleotide (N5-CAIR) to 4-carboxyaminoimidazole ribonucleotide (CAIR) in the purine biosynthetic pathway, were investigated by density functional theory (DFT) methods. The potential energy surfaces (PES) of model processes for these enzymatic reactions have been explored, and have aided in identifying the most energetically feasible pathway. Calculations using a simplified model system, containing only the essential atoms involved in the chemical process, revealed seven potential reaction pathways for transformation of N5-CAIR to CAIR.

The experimental results exclude four of these pathways. Two of the remaining three pathways involve deprotonation of one carbon atom (C4) of the imidazole ring. This process makes the relative energy of transition states of these two pathways higher than the third pathway. The full N5-CAIR structure was studied via PES calculations, including consideration of the ribose-5-phosphate unit and its different charge states.

There are 48 structures of N5-CAIR and CAIR regarding the different protonation states of the substrate. Four reaction pathways were identified based on the available structures after optimization. One pathway involved a cationic substrate. Two involved anionic iii substrates.

A fourth one involved a neutral substrate. These four pathways have similar PES to their counterparts in the simplified model. The cationic pathway is the most favorable pathway in both the simplified and full reaction models. In this pathway, an intramolecular proton donor/acceptor is required before and after migration of the carboxyl group (-CO2H).

According to the spatial arrangement of catalytic amino acids at the active site of the PurE Class I crystal structure (PDB ID: 1D7A), a conserved histidine 45 (His45) residue could be such a proton donor/acceptor. Based on these results, a stepwise enzymatic reaction mechanism for PurE Class I is proposed. First, His45 at the PurE Class I active site protonates the amide nitrogen of N5-CAIR. Second, the carboxyl group migrates to carbon 4 (C4) with concomitant C-C bond formation.

This step generates the protonated CAIR intermediate. In the final step, His45 deprotonates the protonated CAIR intermediate to produce the final product, CAIR, and regenerates its initial state. For the first time, an atomistic description of the PurE Class I enzyme catalytic mechanism is provided. This information can be applied to the development of transition state analogs and mechanism- based inhibitors of PurE Class I.

These newly designed molecules could be used as potential new drug leads for optimization by synthetic and medicinal chemistry. Foldamers are defined as unnatural polymers/oligomers with a well-defined, compact, three-dimensional folding capability. Azobenzene units are common linkages in foldamer designs. Four alternating pyridinedicarboxamide/m-(phenylazo)azobenzene iv oligomers which could fold into both right- and left-handed helices were studied computationally for their dynamical properties.

Two helices were shown as the global minimum among the conformations generated by Monte Carlo simulation. Extended conformations have higher potential energies than compact ones. Molecular dynamics simulations (100 ns) at a single temperature were also performed to study the interconversion process between two helices of these oligomers. However, the molecules were trapped at the local minimum, and no interconversion was observed.

To overcome this difficulty, replica-exchange molecular dynamic (REMD) simulations which apply a parallel tempering algorithm were performed on the azobenzene oligomers. Both right- and left-handed helices were successfully sampled in the simulation for all four oligomers. Careful investigation of REMD trajectories revealed twisted conformations as intermediate structures in the interconversion pathway between two helices. The temperature weighted histogram analysis method (T-WHAM) was applied on the REMD simulation results to generate contour maps of the potential of mean force (PMF).

Atomic pair distances and dihedral angles were used as reaction coordinates for PMF contour plots. Analysis showed that right- and left-handed helices are equally sampled in REMD simulations. In large oligomers, both right- and left-handed helices could be adopted by different parts of the molecule simultaneously. The interconversion between two helices could occur in the middle of the helical structure, which is not necessarily at the end of the molecule.

v Oligosaccharides play a variety of important roles in a number of biological events, and the stereoselective synthesis of carbohydrates is critical. Computational studies have been done to understand the mechanism of the regioselective epoxide ring- opening process catalyzed by the presence of (-)-sparteine in the synthesis of β- arabinofuranosides. Using a simple diamine, N,N,N’,N’-tetramethylpropanediamine, to mimic (-)-sparteine, DFT was applied to search for transition states connected to two unique epoxide ring-opening events for attack at two different carbons of the epoxide ring. However, the reaction barriers calculated by DFT in this simplified model could not explain the observed experimental regioselectivity.

DFT single-point energy calculations using (-)-sparteine lead to similar results to those of the simplified model. Molecular dynamics (MD) methods were applied to simulate five systems containing the (-)- sparteine-Li+ complex and different substrates. MD simulations revealed interesting conformational changes of the (-)-sparteine unit. By switching between two conformers, (-)-sparteine could push Li+ toward the epoxide oxygen in a catalytically useful fashion.

Since the relative orientation of (-)-sparteine with respect to the furanose ring is largely influenced by steric effects due to the substituent group at the C5 position of substrate, (-)-sparteine helps Li+ selectively approach the epoxide oxygen on one face, which leads to specific ring-opening at the C3 position. In addition to traditional MD, ab initio molecular dynamics methods were applied to simulate four systems for the epoxide ring- opening process. The conformations of (-)-sparteine during the ring-opening process vi agree with the observation in our earlier classical MD simulations, and this conformational control provides the origin of the experimental selectivity. vii Dedicated to my beautiful wife Jin viii ACKNOWLEDGMENTS In the past five years, my advisor Dr.

Hadad gave me tremendous support for my study and research at the Ohio State University. Without his help, none of this would have been possible. His enthusiasm about science and high productivity in research set up a lifetime model for me to follow. I also would like to thank Dr.

Pitzer for allowing me to attend his group meetings in the past year. This enjoyable experience gave me lots of education in quantum chemistry. Many other faculty members in the physical division also educated me about physical chemistry. I would give my special thanks to Dr.

Coe as my committee member. Hadad’s research group members are always friends and colleagues for me. John C Hackett provided much help in my research and in critical reading of my manuscripts. Hayes and Mr.

DeMatteo also helped me with their collaboration and critical reading. I also want to thank all other group members for their friendship and help. Financial support from the National Science Foundation and the National Institute of Health is gratefully acknowledged. ix My mother, Mrs.

Xiuying Liang, my father, Mr. Junhe Tao, my mother-in-law, Mrs. Qiaoyun Liu, and my father-in-law, Mr. Binyan Liu all gave me strong support when I was far away from my home country, People’s Republic of China.

I want to dedicate this dissertation to the most important person in my whole life, my beautiful wife Dr. Your support was always with me during the completion of this dissertation. Your intelligence sheds lights on many of my scientific problems. Your enthusiasm about life always encourages me to move forward.

Any achievement would be meaningless for me without your sharing. You make me the luckiest person in the whole world with your endless love, support, and encouragement. No words are adequate enough to express my gratitude. A journey with you is the most beautiful thing I can ask for in my life.Born – Xinxiang, Henan Province, P.

Chemistry Peking University, Beijing, China 1994 – 1998. Chemistry Peking University, Beijing, China 2001 – 2005. Graduate Teaching and Research Associate, The Ohio State University. PUBLICATIONS Research Publications 1.

“Synthesis of L-Daunosamine and L-Ristosamine Glycosides via Photoinduced Aziridination. Conversion to Thioglycosides for Use in Glycosylation Reactions” J. “Protein ligand docking based on empirical method for binding affinity estimation. “Calculating partition coefficients of peptides by the addition method.

“Calculation of peptide's partition coefficients by amino acid addition model.” Wuli Huaxue Xuebao 1999, 15, 449-453. xi FIELDS OF STUDY Major Field: Chemistry xii TABLE OF CONTENTS Page Abstract. xi List of Tables. xviii List of Figures.

xxiii Chapters: 1 Introduction .1 TRPC ion channels .2 N5-CAIR mutase mechanism in purine biosynthesis pathway .4 Regioselective ring-opening of epoxides in 2,3-anhydrosugars .5 References for Chapter 1 .1 Density functional theory .2 Monte Carlo simulations .3 Molecular dynamics simulations .4 Quantum molecular dynamics .5 References for Chapter 2. 31 xiii 3 Molecular determinants of TRPC6 channel recognition by FKBP12 .1 TRPC6 peptide docking .2 Molecular dynamics simulation of FKBP12-TRPC6 peptide complexes and separated FKBP12 and TRPC6 peptides .3 MM/GB-SA free energy of binding calculations .3 Results and discussion .1 TRPC6 peptide docking .2 RMSD fluctuation of complexes .3 Residue fluctuation in each simulation .4 Binding free energy calculations by MM-GBSA based on Single-Trajectory .5 Free energy of binding calculations of FKBP12 with unphosphorylated and phosphorylated wild-type peptide complexes based on Single-Trajectory .6 Free energy of binding calculations of Ser768Asp and Ser768Glu mutants based on Single-Trajectory .7 Entropic contribution of each complex based on Single- Trajectory .8 Free energy of binding calculations of WT complex based on Three-Trajectory.9 Free energy of binding calculations of mutant complexes based on Three-Trajectory .10 Decomposition analysis of the free energy of binding based on Single-Trajectory .11 Decomposition analysis of the free energy of binding based on Three-Trajectory .12 Spatial distribution of residues with major contributions to the free energy of binding .13 Interactions among Lys44, Lys47 and Residue768 75 3.14 Comparison of RMSD fluctuation between bound and unbound peptides .15 Comparison of RMSD fluctuation between bound and unbound FKBP12 .5 References for Chapter 3. 91 xiv 4 Computational studies of the N5-CAIR mutase mechanism in the purine biosynthesis pathway .3 Results and Discussions .2 Thermochemistry for transformation of AMI to AMIC .

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Từ khóa và chủ đề nghiên cứu


Câu hỏi thường gặp

Luận án "Nghiên cứu tính toán điều hòa kênh canxi TRPC6 và sinh tổng hợp purine" nghiên cứu về vấn đề gì?

Luận án tiến sĩ nghiên cứu tính toán điều hòa phân tử kênh canxi TRPC6, cơ chế sinh tổng hợp purine và cấu trúc oligomer azobenzene bằng phương pháp DFT.

Luận án "Nghiên cứu tính toán điều hòa kênh canxi TRPC6 và sinh tổng hợp purine" được bảo vệ tại trường nào?

Luận án này được bảo vệ tại The Ohio State University. Năm bảo vệ: 2007.

Luận án "Nghiên cứu tính toán điều hòa kênh canxi TRPC6 và sinh tổng hợp purine" thuộc chuyên ngành gì?

Luận án "Nghiên cứu tính toán điều hòa kênh canxi TRPC6 và sinh tổng hợp purine" thuộc chuyên ngành Chemistry. Danh mục: Hóa Lý Thuyết.

Luận án "Nghiên cứu tính toán điều hòa kênh canxi TRPC6 và sinh tổng hợp purine" có bao nhiêu trang?

Luận án "Nghiên cứu tính toán điều hòa kênh canxi TRPC6 và sinh tổng hợp purine" có 500 trang. Bạn có thể xem trước một phần tài liệu ngay trên trang web trước khi tải về.

Cách tải luận án "Nghiên cứu tính toán điều hòa kênh canxi TRPC6 và sinh tổng hợp purine" về máy như thế nào?

Để tải luận án về máy, bạn nhấn nút "Tải xuống ngay" trên trang này, sau đó hoàn tất thanh toán phí lưu trữ. File sẽ được tải xuống ngay sau khi thanh toán thành công. Hỗ trợ qua Zalo: 0559 297 239.

Luận án liên quan

Chia sẻ tài liệu: Facebook Twitter