| Abstract: | Nikiel jest pierwiastkiem odgrywającym ważną rolę w biologii roślin oraz beztlenowych bakterii i archeonów. Jest on obecny w centrach reaktywności enzymów katalizujących wiele reakcji biochemicznych tych organizmów. Siedem z ośmiu metaloenzymów niklu katalizuje reakcje w których produkowane lub przetwarzane są następujące gazy: CO, CO2, CH4, H2, NH3 i O2. Ich poznanie jest ważne dla zrozumienia procesu powstawania życia na Ziemi, utrzymania równowagi ekologicznej oraz ze względu na potencjalne zastosowanie w przemyśle. Obiektem badan z zakresu teoretycznych metod w chemii wchodzących w zakres prezentowanej
pracy doktorskiej jest dwucentrowy kompleks niklu, [Fe4S4]–NipNid, nazywany klasterem A.
Stanowi on centrum aktywne syntazy acetylo-koenzymu A (ACS), enzymu który katalizuje reakcje
powstawania acetylokoenzymu A z CO, CH3 i koenzymu A (CoASH) w bakteriach: Moorella
thermoacetica i Carboxydothermus hydrogenoformans. Krystalografia oraz spektroskopia
Mössbauera i EPR dostarczają wielu danych eksperymentalnych dotyczących złożonej struktury
i reaktywności klastera, niewiele jest jednak prac obliczeniowych z nim związanych. Prezentują one ponadto różne podejścia do omawianego zagadnienia. Do zasadniczych celów pracy należą: (i) Wypracowanie modelu i metodyki obliczeń, która prawidłowo odtwarza doświadczalne dane strukturalne oraz potencjały redoks i wartości pKa dla klastera A. (ii) Zaproponowanie mechanizmu redukcji utlenionej formy klastera A (Aox).
(iii) Wskazanie mechanizmu reakcji metylacji klastera A, będącej jednym z etapów powstawania acetylokoenzymu A.
Przedstawione w pracy doktorskiej obliczenia wykonano przy pomocy programu Gaussian09.
Wyniki otrzymano stosując metodę DFT oraz funkcjonał BP86 i bazę funkcyjna TZVP. W celu uwzględnienia efektów oddziaływania molekuły z rozpuszczalnikiem posłużono się modelem ciągłym PCM, ze stała dielektryczna "=4, 12, 20 i 80. W obliczeniach sprawdzono kilka typów modeli strukturalnych klastera A. Dla modeli tych przeprowadzono optymalizacje geometrii dla trzech form utlenienia klastera: Aox, Ared1, Ared2, oraz dla klastera A z ligandami ważnymi w cyklu katalitycznym enzymu. Pozwoliło to na ocenę wpływu wielkości modelu oraz otoczenia białkowego na właściwości redoksowe klastera A. Najważniejsze wnioski wynikające z pracy można sformułować następująco: (a) Geometria oraz właściwości redoksowe klastera A (potencjały redukcji i wartości pKa) zależą silnie od wielkości modelu strukturalnego, oraz od stałej dielektrycznej rozpuszczalnika w obliczeniach PCM. (b) Przeprowadzone obliczenia wyraźnie wskazują na protonacje na proksymalnym atomie niklu (Nip) w strukturach zredukowanych. (c) Zależność potencjałów redukcji od stałej dielektrycznej rozpuszczalnika pokazuje, ze na przebieg reakcji enzymatycznej silny wpływ ma środowisko
reakcji. W mniej polarnych rozpuszczalnikach może ona mieć charakter rodnikowy, natomiast w rozpuszczalnikach polarnych przebiega prawdopodobnie według mechanizmu SN2. (d) Ważną rolę w procesie redukcji odgrywa ligand skoordynowany na atomie Nip w klasterze A. |