Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/11527/5328
Title: Fenil Alaninin Geçiş Metalleri Tarafından Oksidatif Yıkımının İncelenmesi
Other Titles: The Investigation Of Oxidative Decomposition Of Phenyl Alanine By Transition Metal Ions
Authors: Balta, Bülent
Özmaldar, Aydın
434792
Moleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji
Molecular Biology and Genetics
Keywords: kuantum mekaniği
yoğunluk fonksiyoneli teorisi
hibrid fonksiyonel
temel küme
geçiş metalleri
aromatik amino asit
fenil alanin
saccharomyces cerevisiae
fenil asetaldehit
quantum mechanics
density functional theory
hybrid functional
basis sets
transition metals
aromatic amino acids
phenyl alanine
saccharomyces cerevisiae
phenyl acetaldehyde
Issue Date: 2-Jul-2012
Publisher: Fen Bilimleri Enstitüsü
Institute of Science and Technology
Abstract: Aminoasitler metabolizmada hayati öneme sahip, proteinleri oluşturmada görevli monomerlerdir. Aminoasitler sahip oldukları yan zincirin kimyasal özelliklerine göre, asidik-bazik, polar-apolar, alifatik-aromatik gibi kategorilere ayrılabilirler. En basit aromatik aminoasit olan fenilalanin ise, yan zincirinde hidrofobik bir benzil halkasına sahip olan, dışarıdan beslenme yoluyla alınması zorunlu bir aminoasittir. Beslenme yoluyla süt ve süt ürünlerinden veya gıda takviyesi olarak alınabilir. Fenilalanin, bir diğer amino asit olan tirozin ve vücutta sinyal molekülleri olarak görev yapan dopamin, norepinefrin (noradrenalin) ve epinefrinin (adrenalin) üretilmesinde öncül moleküldür. Protein yapısına katılmayan serbest amino asitlerin parçalanması biyolojik sistemlerde büyük bir oranda enzimatik olarak gerçekleşir. Enzimatik olmayan parçalanma tepkimeleri bilinen en yavaş tepkimelerdendir. Yapılan çalışmalara göre bir amino asidin kendi kendine dekarboksile olabilme tepkimesinin yarı ömrü 1.1 milyar yıl olarak öngörülmüştür. Bu olası tepkime, fenilalanin amino asidi için hesapsal olarak da denenmiştir. Herhangi bir katalizörün olmadığı bir ortamda olası bir fenilalanin dekarboksilasyon tepkimesi için aktifleşme enerjisi 45.3 kcal/mol olarak hesaplanmıştır. Diğer yandan, olası bir deaminasyon tepkimesinin de aktifleşme enerjisi 50.6 kcal/mol olarak hesaplanmıştır. Bulunan her iki enerji değeri de herhangi bir enzimin aynı tür bir tepkimeyi başlatabilmesindeki aktifleşme enerjisinin çok üstünde olmaktadır. Biyoteknoloji ve genetik alanlarında çok yaygın bir şekilde model organizma olarak kullanılan ekmek mayası (Saccharomyces cerevisiae), hücre içinde serbest veya bağlı halde bulunan fenilalanin, tirozin ve triptofan gibi aromatik aminoasitleri Ehrlich yolağını kullanarak parçalamaktadır. Ehrlich yolağı, 3 ana adımdan oluşmaktadır, bunlar: 1- Aromatik amino asidin pirüvat veya alfa-ketoglutarat moleküllerinden birisi ile enzimatik tepkimeye girerek ilgili alfa-keto asidi oluşturması, 2- oluşan alfa-keto asidin ilgili aldehit ürününe dönüşümü, 3- aldehitin ilgili alkol ürününe enzimatik dönüşümüdür. Serbest amino asitlerin enzimler dışında çeşitli oksitleyici ajanlar (yükseltgen madde) tarafından da yükseltgenerek parçalanabildikleri bilinmektedir. Oksitleyici ajanlar, elektron donörlerinden kolayca elektron alabilen kimyasal bileşiklerdir. Bu elektronları yükseltenme-indirgenme tepkimeleri sonucunda alırlar. Yapılan çalışmalarda asidik-bazik ortamlar gibi koşullara veya iyonlaştırıcı radyasyon/metal iyonları gibi oksitleyici ajanın seçimine bağlı olarak belirli amino asitlerin bu yükseltgen maddeler ile verdikleri tepkimeler incelenmiştir. Çeşitli değişkenlerin değiştirilmesi ile birlikte ortam koşullarına bağlı olarak parçalanma ürünlerinin oluşum mekanizması önerilmiştir. Örneğin bu çalışmaların birinde, ortam koşulları asidik ve oksitleyici ajan olarak iyonlaştırıcı radyasyon kullanıldığında, amino asitlerin ilgili aldehit veya karboksilik aside parçalandığı gözlemlenmiştir. Deneysel bir çalışmada, kobalt iyonuna dirençli olması sağlanmış bir Saccharomyces cerevisiae mutantında, ayrıca hücre içinde kobalt iyonu taşınımını ve zehirsizleştirilmesini sağlayan COT1 geninin silindiği bir başka Saccharomyces cerevisiae mutantında, diğer genlerin seviyelerinin değişimi incelendiğinde, pirüvat dekarboksilaz enziminin üretimini sağlayan PDC5 geninin seviyesinin arttığı gözlemlenmiştir. Pirüvat dekarboksilaz enzimi ise, yukarıda bahsedilen Ehrlich yolağındaki ikinci adımı katalizleyen enzimlerden bir tanesidir. Ayrıca aromatik aminoasitlerin ilgili pirüvata dönüşmesini katalizleyen aromatik aminoasit aminotransferaz enzimini kodlayan ARO9 geninin de seviyesinin arttığı gözlenmiştir. Diğer yandan aromatik amino asit sentezinin ilk dört adımını katalizleyen enzimi kodlayan ARO1 geninin ifadesi azalmıştır. Hücrede serbest aromatik aminoasit konsantrasyonunu azaltmaya yarayan bu yönelimler, kobaltın aromatik amino asitlerle tepkimelerinin ürünlerinin organizma için zararlı olduğunu düşündürmektedir. Bu çalışmada hem mekanizması aydınlatılmamış bu konunun kuantum mekaniksel yöntemlerin bir parçası olan Yoğunluk Fonksiyoneli Teorisi (DFT) ile araştırılarak kobalt ile aromatik amino asitler arasındaki ilişkiye dair bir fikir sunulması, hem de amino asitlerin parçalanmasında oksitleyici ajan olarak kobalt iyonunun kullanılmasının literatürde bir örneğine daha rastlanmadığı için bu eksiğin tamamlanması amaçlanmıştır. Hesapsal modelleme aracılığıyla çok kısa ömürlü komplekslerin ve geçiş yapılarının geometri ve enerjilerinin tespit edilmesi mümkün olmaktadır. Farklı yolaklar üzerinde bulunan yapıların enerjilerinin elde edilmesi ve bu enerjilerin karşılaştırılmasıyla en düşük aktivasyon enerjisi gerektiren yolak öngörülebilmektedir. Kuantum mekaniksel hesaplamaların bir dalı olan yoğunluk fonksiyoneli teorisine (DFT) dayanan yöntemlerin son yıllardaki gelişimiyle beraber, enerjiler oldukça doğru ve hızlı bir şekilde hesaplanabilmektedir. Bu çalışmada kuantum yöntemi olarak 2006 yılında geliştirilmiş M06-2X hibrid fonksiyoneli kullanılmaktadır. Yöntem seçilirken, kobalt da dahil olmak üzere çeşitli geçiş metallerinin iyonlaşma enerjisi, saf ve hibrid fonksiyonellerden oluşan bir düzine fonksiyonel ile hesaplanmış ve deneysel değerlere en yakın sonucu veren fonksiyonel olarak M06-2X hibrid fonksiyoneli bulunmuştur. Bu fonksiyonelin geçiş yapıları içermeyen sistemlerin kinetiğinin incelenmesinde oldukça başarılı olduğu literatürde bilinmektedir. Geçiş metalleri sözkonusu olduğunda ise bu fonksiyonelin %54 miktarında bir Hartree-Fock değiş-tokuş enerjisi içermesi ve geçiş metalleri haricindeki atom veya moleküller için parametrize edilmiş olması nedeniyle daha başarısız olma olasılığı göz önünde bulundurulmuştur. Yüksek miktarda Hartree-Fock değiş-tokuş katkısının özellikle statik korelasyonun önemli olduğu sitemlerede sorun yaratabileceği bilinmektedir. Statik korelasyonun öneminin belirlenmesi için oluşturulmuş T1 testine göre, T1 değeri 0.02’nin altında çıkan fonksiyoneller için yüksek miktarda Hartree-Fock değiş-tokuş katkısı içeren yöntemlerin kullanılması uygun olmaktadır. M06-2X fonksiyonelinin T1 testi sonucu 0.02’nin altında bulunmuş ve buradan hareketle çalışmanın ilerleyen bölümlerinde kullanılmak üzere bu fonksiyonel uygun görülmüştür. Moleküler orbitallerin tanımlanması için de cc-pVDZ taban kümesi kullanılmış, elektronlara daha yüksek bir hareket serbestisi tanımlanması için de optimize edilen bütün yapı ve geçiş halleri cc-pVTZ taban kümesi ile tekrar hesaplanmıştır. Hesaplamalarda çözücü etkisi SMD adlı sürekli ortam çözücü yöntemiyle hesaba katılmış, yük transfer etkileşimlerinin önemli olduğu durumlarda gerçek su molekülleri de sisteme dahil edilmiştir. Nötr pH’da kobalt(III)’ün koordinasyon kabuğunda yer alan sulardan birinin deprotone olduğu deneysel olarak bilindiğinden, hesaplamalarda metal ve koordinasyon kabuğu Co3+(OH-)(5H2O) formunda betimlenmiştir. Hesaplamaların ilk adımı olarak, kobalt(III) iyonunun sulu ortamda zwitteriyonik fenilalanin ile 3 farklı şekilde etkileşimi incelenmiştir. Bu komplekslerin oluşum enerjilerine bakıldığında kobalt iyonunun fenilalaninin karboksil grubu ile etkileşime girdiği kompleks en ideal yapı olarak görülmüştür. Ancak kobalt(III)’ün etrafında bulunan hidroksit iyonunun etkisi ile kobalt(III) iyonu kobalt(II)’ye indirgenememekte, dolayısıyla redoks tepkimesini yapamamakta ve fenilalaninin parçalanma tepkimesini başlatamamaktadır. Reaksiyonun ilerleyebilmesi için, hidroksit iyonunun fenilalaninin amino grubundan veya solventten bir proton alması gerekmektedir. Amino grubundan proton transferinin geçiş hali incelenmiş ve geçiş halinin enerjisinin düşük olması, tepkimenin buradan ilerleyeceği kanısına götürmüştür. Eğer hidroksit iyonu solventten proton alır ve kobaltın koordinasyon kabuğu 6’ya tamamlanırsa, kobalt(III) redoks tepkimesi oluşturmak için etrafından 2 su molekülünü uzaklaştırmalıdır. Bu şekilde oluşan redoks tepkimesinden sonra, amino grubundan suya proton transferi kolayca gerçekleşerek, amino grubundan ilerleyen reaksiyon ile aynı yapı oluşmaktadır. Üzerinde radikal bulunduran bu yapı, düşük enerjili bir geçiş halinden geçmekte ve alfa-karbon ile karboksil karbonu arasındaki bağın henüz tam kırılmadığı bir yapıyı oluiturmaktadır. Buradan dekarboksilasyon reaksiyonu da kolayca gerçekleşebilmektedir. Tepkime bitiminde oluşacak yapı ikinci bir kobalt(III) iyonu ile karşılaştığı zaman oluşacak kompleks modellenmiş, bu durumda kobalt(III) iyonunun solvatasyon kabuğunda bulunan hidroksil iyonunun alfa-karbon atomuna saldırarak bir katılma reaksiyonu verdiği görülmüştür. Bu reaksiyonun devamında yolağın ikiye ayrıldığı gözlemlenmiştir. Birinci yolak, alfa-karbon atomuna katılan hidroksil grubunun protonun amino grubuna transfer olması ile bir molekül içi düzenlenme gerçekleşmesi ve amino grubunun amonyak molekülü halinde ayrılması, bunun sonucunda fenilasetaldehit molekülünün oluşmasıdır. İkinci yolak ise redoks tepkimelerinin devam ederek bir fenilasetamid oluşturmasıdır. Her iki yapı da enerjetik açıdan incelenmiş ve her iki yapının da oluşumunun zincirleme tepkime boyunca gerçekleşebileceği kanısına varılmıştır. Kobaltın yanı sıra, Ni3+ ve Mn3+ iyonlarının da fenilalanini yükseltgeyebileceği, ancak Fe3+ iyonunun bu tepkimeye girmeyeceği görülmüştür.
Amino acids are the molecules of fundamental interest and critical to life as they have many functions in metabolism. Phenyl alanine (abbreviated as Phe or F) is an α-amino acid with the formula C6H5CH2CH(NH2)COOH. This essential amino acid is classified as nonpolar because of the hydrophobic nature of the benzyl side chain. L-Phenyl alanine is an electrically neutral amino acid, one of the twenty common amino acids used to biochemically form proteins, coded for by DNA. Phenylalanine is a precursor for tyrosine, the monoamine signaling molecules dopamine, norepinephrine (noradrenaline), and epinephrine (adrenaline), and the skin pigmentmelanin. Amino acids with an aromatic side chain, such as phenyl alanine, are targets for oxidation by transition metals. For instance, there are experimental reports indicating that expression of genes coding the enzymes involved in the synthesis and breakdown of aromatic amino acids are affected by metal stress, in particular by cobalt stress. A literature survey revealed that there are no reports on oxidative decomposition of zwitterionic phenyl alanine by cobalt(III) ions at neutral pH. Therefore, in the present work, the reactions of cobalt(III) with the simplest aromatic aromatic amino acid, phenyl alanine have been studied with quantum mechanical approaches. For that reason, all the ground and transition state structures are optimized with the M06-2X functional. The basis set is chosen as aug-cc-pVDZ basis set (except transition metals where the cc-pVDZ basis set is used). For getting more accurate results, single-point energy calculations were carried out with the aug-cc-pVTZ basis set (except transition metals where the cc-pVTZ basis set is used). The standard states of all the molecules have been taken as 1 M, except water for which a standard state of 55 M has been used. Then, in the light of these optimized structures, it has been seen that the zwitterionic phenyl alanine can form complexes with Co(OH)2+.(5H2O) and decomposes to phenyl acetamide and/or phenyl acetaldehyde, depending on the reaction pathway. These reaction have low activation free energies and can proceed at biologically relevant time scales.
Description: Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2012
Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2012
URI: http://hdl.handle.net/11527/5328
Appears in Collections:Moleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Lisansüstü Programı - Yüksek Lisans

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
12719.pdf1.65 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.