Mayada Metal-protein Etkileşimlerinin Biyonanoteknoloji İçin Hesapsal Olarak İncelenmesi

Abstract

Fet3p bir çoklu-bakır oksidaz enzimi olup, ekmek mayası olan Saccharomyces cerevisiae’da hücre içerisine yüksek afinitede demir alımında rol alır. Fet3p mayanın hücre zarının üzerinde Ftr1p proteini ile birlikte kompleks olarak bulunur. Fet3p dioksijen molekülünü suya indirgerken, aynı zamanda 4 demir(II) iyonunu birer birer yükseltgeyerek Ftr1p proteinin yardımıyla hücre içerisine taşınmasını sağlar. Literatürde tamamen indirgenmiş yapıdan, dioksijen ayrımına kadar olan tepkimeler ayrıntılı bir şekilde çalışılmıştır. Ancak, substrat oksidasyonu, bakır indirgenme ve su oluşumu tepkimeleri daha önce hiç çalışılmamıştır. Bu yüzden bu çalışmanın başlıca amaçlarından biri, bu redoks tepkimeleri, protonlanma etkileri ve olay sıralarının araştırılmasıdır. Olası tepkimelerin yapıları tasarlanıp, tepkime enerjileri M06-2X kuantum mekaniği/ moleküler mekanik (QM/MM) yöntemiyle hesapsal olarak hesaplanmıştır. Ayrıca, Fet3p’nin mayanın diğer metal streslerine karşı direncine de katkı sağladığı bilinmektedir. Bu nedenle, bakır, kobalt ve nikel, demir substratıyla yer değiştirilerek, Fet3p ile tepkimeye girip girmeyecekleri de araştırmanın amaçlarından biridir. Elde edilen sonuçlara göre, herhangi bir protonlanma olmaksızın reaksiyon gerçekleşmeyeceği düşünülmüş ve şöyle bir olası mekanizma önerilmiştir: Önce bir protonlanma ardında da bir substrat yükseltgenmesi gerçekleşir ve bu döngü 4 defa tekrar eder. Diğer yandan, elde edilen veriler deneylerle de tutarlılık göstermekte ve Fet3p enzimi bakırı da yükseltgemektedir. Ancak, kobaltı sadece düşük pH koşullarında yükseltgeyebilmiştir. Nikel ise Fet3p tarafından yükseltgenmemiştir.

Fet3p is a multicopper oxidase protein found in yeast, Saccharomyces cerevisiae and responsible for the high affinity iron uptake into the cell. It is a membrane-bound protein and in complex with the Ftr1p protein. Fet3p reduces O2 into H2O by 4 iron oxidations. Then the iron ions are transported into the cell by Ftr1p. In the literature, there are bunch of informations about the reduction of dioxygen. However, from that point, the copper ion reductions by iron oxidations and protonations of the oxygen derivatives are not studied before. Therefore, these unstudied reactions and the order of these reactions are the interest of this study. The possible reactions are designed and the reaction energies are calculated computationally with quantum mechanics/molecular mechanics methods (QM/MM) with M06-2X. Moreover, in yeast, Fet3p contributes to resistance to transtion metal stresses other than Fe+2. In order to determine whether Fet3p can oxidize other transiton metals as well, Fe+2 has been replaced with Cu+, Co+2 and Ni+2 and the reaction energies have been calculated. The results show that the reactions do not seem the happen without any protonations. A possible mechanism of the reactions is proposed as follows: First a protonation occurs then a substrate oxidation occurs and this cycle repeats 4 times. Consistent with experiments, Fet3p oxidizes Cu+ into Cu+2. On the other hand, the enzyme oxidizes cobalt ions only under extremly low pH conditions. In the case of nickel, Fet3p cannot oxidize the substrate.