GABA-AT reaktivitesinin moleküler modellemesi: Küçük temsili modellerden tüm proteine, moleküler mekanikten kuantum kimyasına, statikten dinamiğe

Enzimlerin yapısal özelliklerinin ve katalitik mekanizmalarının anlaşılması daha etkili ve yan etkisi azaltılmış ilaçların geliştirilmesi açısından önem taşımaktadır. Enzimin aktif bölgesinde yer alan amino asitler enzimatik reaksiyonların gerçekleşmesinde etkin rol alabilir ya da sadece substratın aktif bölgede tutulmasına yardımcı olabilir. Enzimlere ait katalitik özellikler kuantum mekanik, moleküler dinamik, ve kuantum mekanik/moleküler mekanik yöntemler ile araştırılabilir ve sonuçlar birbirleri ile ilişkilendirilebilir. Kimyasal dönüşümlerin modellenmesinde elektronik özelliklerinde incelenmesi nedeniyle kuantum kimyasal yöntemler güvenilir yöntem olarak kullanılmaktadır. Ancak, Schrödinger denkleminin sayısal olarak çözülmesi, sistem boyutunun artması ile hesaplama zamanını arttırmakta ve sonuç olarak hesaplamaları zorlaştırmaktadır. Kuantum kimyasında sayısal prosedürler birçok integralin ve doğrusal/doğrusal olmayan denklemlerin çözülmesini gerektirmektedir. Bu nedenden ötürü, modellenebilecek sistem boyutu kısıtlanmaktadır. Günümüzde doğrusal ölçeklenmeyi sağlayan kuantum kimyası yöntemlerin kullanılması, gerek hız ve gerekse güvenilirliği sağlayarak kabul edilebilir işlemci zamanı ile büyük biyomoleküllerin modellenmesine izin vermektedir. SEBOMD (SemiEmpirik Born-Oppenheimer Moleküler Dinamik), Born-Oppenheimer yaklaşımına dayanmakta olan bir yöntem olup moleküler dinamik hesaplamaları yapmak için semiempirik NDDO Hamiltonunu kullanmaktadır. Bu yöntem lineer ölçekleme için Böl ve Yönet (Divide & Conquer, D&C) algoritması kullanmaktadır. Ancak, bu algoritma işlemci sayısının çok fazla olması durumunda, Fock matrisinin köşegenleştirilmesi nedeni ile verimliliği azaltmaktadır. Bu nedenden ötürü köşegenleştirme prosedürü büyük moleküler sistemlere ait simülasyonların gerçekleştirilebilmesi için optimize edilmelidir. Bu tezin ana amacı farklı ölçeklerde yöntemler kullanarak piridoksal 5-fosfat (PLP) bağımlı olan γ-aminobütirik asit aminotransferaz (GABA-AT) enziminin reaktivite ve dinamik özelliklerinin daha iyi anlaşılmasını sağlamaktır. GABA-AT enzimi GABA molekülünün süksinik semialdehide parçalanmasında görev almaktadır. GABA konsantrasyonunun beyinde azalması çeşitli nörolojik rahatsızlıkların ortaya çıkmasında ana etkenlerden biridir. GABA molekülünün kan-beyin bariyerini geçememesi nedeniyle GABA'nın enjeksiyon yolu ile verilmesi bir tedavi yöntemi olarak uygulanamamaktadır. Bu nedenden ötürü GABA-AT enziminin inaktivasyonu antiepileptik ilaçların geliştirilmesinde doğruluğu tespit edilmiş bir hedef haline gelmiştir. GABA-AT enziminin bir çok PLP bağımlı enzim ile benzer özellikler sergilemesi, benzer enzimlerin de anlaşılmasını sağlaması açısından önemlidir. Rapor edilmiş deneysel ve teorik çalışmalar, GABA-AT reaktivitesini etkileyebilecek faktörlerin incelenmesi gerekliliğini doğurmuştur. GABA-AT enziminin seçici inaktivasyonunun sebebinin araştırılması gerekmektedir. Seçici inaktivasyon, sübstratın bağlanma özelliğinden ya da gerçekleşen reaksiyonlara ait aktivasyon enerjilerinden kaynaklanabilmektedir. İnaktivasyon mekanizmalarında elektrostatik etkileşimler ve steryoelektronik farklılıklar ayrıca önem teşkil edebilmektedir. Modelleme çalışmalarında farklı aktif bölge amino asitlerinin modellere dahil edilmesi, elde edilecek aktivasyon enerjilerinin değişmesine neden olabilmektedir. Bu nedenden ötürü, modelleme çalışmalarında önem teşkil edebilecek aktif bölge amino asitlerinin de tanımlanması gerekmektedir. Enzim reaktivitesine etki edebilecek bir diğer faktör ise dinamik etkilerdir. Ancak, GABA-AT enziminin dinamik özellikleri ve inaktivatör varlığında enzimin bir bütün olarak nasıl davrandığı henüz incelenmemiştir. Bununla birlikte, GABA-AT enzimi ile gerçekleşen reaksiyonlarda olası dinamik etkiler henüz rapor edilmemiştir. Tüm bu faktörler göz önüne alınarak, GABA-AT enzimine ait reaktivite ve dinamik özelliklerin daha iyi anlaşılmasını sağlamak için gerçekleştirilen bu çalışma, beş farklı bölümden oluşmaktadır. İlk bölümde, doğal substrat olan GABA molekülüne ait seçici bağlanma modu ile bu molekül ile enzim arasında gerçekleşen tepkime farklı izomerlerin de kullanılması ile kuantum mekanik seviyede incelenmiştir. Çalışmada Yoğunluk Fonksiyonel Teorisi (DFT) kullanılmıştır. Elde edilen sonuçlar, yapılar arasındaki stereo-elektronik farklılıkların, transiminasyon ve HF eliminasyon tepkimeleri üzerindeki etkilerinin aydınlatılmasını sağlamıştır. İkinci bölümde, GABA-AT enziminin dinamik özelliklerini incelemek üzere apoenzim, holoenzim ve inaktivatör bağlı holoenzimden oluşan üç farklı sistem tasarlanmış ve moleküler dinamik hesaplamaları gerçekleştirilmiştir. Elde edilen sonuçlar aktif bölge amino asitlerinin görevlerini ve aminoasitler ile PLP kofaktörünün yük değerlerinin aktif bölge açısından önemini ortaya çıkarmıştır. Üçüncü olarak, aktif bölge amino asitlerinin inaktivasyon mekanizmasına etkisi kuantum mekanik seviyesinde küme modelleri kullanılarak incelenmiştir. En büyük küme 165 atom içermektedir ve çözücü etkisi sürekli ortam yöntemi ile incelenmiştir. Aktif bölge amino asitlerinin modellere eklenmesi, bu amino asitlerin GABA-AT reaktivitesine olan etkisinin incelenmesini sağlamıştır. Benzer amino asitlerin bir çok PLP bağımlı enzimin aktif bölgesinde de bulunması, bu enzimlere ait modelleme çalışmalarına genel bir bakış açısı sağlamaktadır. Dördüncü olarak, Amber program paketi içerisinde yer alan SEBOMD yaklaşımı için yeni köşegenleştirme rutinleri eklenmiştir. Yeni rutinler LAPACK ve SCALAPACK kütüphanelerinden seçilmiş, test edilmiş ve değerlendirilmiştir. Elde edilen sonuçlar D&C algoritmasında en önemli kısıtlamanın Fock matrisinin köşegenleştirilmesinden kaynaklandığını ve paralel bilgisayarlarda verimliliğin bu nedenden ötürü düşük olduğunu göstermiştir. Ancak, büyük moleküllere ait SEBOMD simülasyonlarında fazla miktarda işlemci kullanılması durumunda, Intel MKL kütüphanesi tarafından sağlanan LAPACK ile işlem parçacıklarının kullanılmasının verimliliği artırdığı görülmüştür. Son olarak, GABA-AT inaktivasyonunda yer alan ve PLP kompleksleri içeren moleküllere ait reaksiyon serbest enerjileri, SEBOMD simülasyonları ile incelenmiştir. Her moleküler sistem PLP kompleksleri ile su moleküllerinden oluşturulmuştur ve toplam 747 atom içermektedir. Reaktivite, şemsiye örneklendirilmesi (umbrella sampling) ve bir önceki bölümde gerçekleştirilen çalışmalarda elde edilen ve programa eklenen köşegenleştirme rutinleri ile gerçekleştirilmiştir. Bu bölüm, SEBOMD simülasyonlarının kimyasal geçişlerin modellenmesinde ilk defa kullanılmasına ait bir örnek teşkil etmesi açısından önemlidir. Aynı zamanda bu çalışma, SEBOMB yönteminin kimyasal tepkimelerin modellenmesinde ve tepkime serbest enerjilerinin hesaplanmasındaki yeteneklerine ait genel kavramları öne çıkarması açısından önem taşımaktadır.