Molekulske simulacije encimov monoamin-oksidaz in njihovih inhibitorjev
Molekulske simulacije razgradnje živcnih prenašalcev z encimom monoamin-oksidaze, ki je vpleten v nastanek Parkinsonove bolezni in depresije
Monoamin-oksidazi A in B sta ključna encima v metabolizmu živčnih prenašalcev noradrenalina, serotonina in dopamina. Encima uravnavata koncentracije nevrotransmiterjev v centralnem in perifernem živčnem sistemu in s tem odločilno vplivata na srčno funkcijo, krvni tlak, spanje, počutje, mišljenje in gibanje. Inhibitorji, ki delujo na MAO A, se zaradi zaviranja razgradnje serotonina uporabljajo v zdravljenju depresije, medtem ko se inhibitorji MAO B uporabljajo pri zdravljenju Parkinsonove bolezni, saj zmanjšujejo hitrost razgradnje dopamina in izboljšajo gibalno funkcijo. Inhibicija MAO encimov ima lahko tudi znaten nevroprotektivni učinek, saj so produkti katalitične reakcije vodikov peroksid, aldehidi in amonijak, kar prispeva k oksidativnemu stresu v celici.
Slika 1: Shema katalitičnega cikla monoamin-oksidaze. Amin vstopi v encim, kjer se oksidira v imin, nato pa zunaj encima reagira z molekulo vode in razpade v aldehid in amonijak. Reducirani FADH2 se z molekularnim kisikom regenerira v FAD, iz encima pa izstopi vodikov peroksid. Hitrost-omejujoča stopnja reakcije je označena z rdečo, notranjost encima pa s sivo.
V okviru naših raziskav preučujemo hitrost-omejujočo stopnjo encimske reakcije z namenom pridobivanja novih informacij o poteku reakcije. Znan potek kemijske reakcije v encimu nam omogoča, da predlagamo nove potencialne inhibitorje monoamin-oksidaze, ki bi jih potencialno razvili v nova zdravil.
1. Preučevanje encimske reakcije monoamin-oksidaze (MAO)
S kvantini metodami na osnovi gručnega modela smo preučevali reakcijo med dopaminom in flavinom. Izračunali smo aktivacijske bariere za reakcije po polarnem nukleofilnem mehanizmu, radikalskem mehanizmu in hidridnem mehanizmu in ugotovili, da je hidridni mehanizem daleč najbolj energetsko ugoden. V skladu z ugotovitvami smo predlagali tudi nov dvostopenjski hidridni mehanizem. Z metodo empirične valenčne vezi smo preučevali reakcijo razgradnje dopamina z encimom monoamin-oksidaza. Encim je specifično prilagojen za odcepitev hidrida z dopamina in tako v enem koraku oksidira dopamin v odgovarjajoč imin. Ugotovili smo tudi, da encim pospeši reakcijo za devet velikostnih redov v primerjavi z reakcijo v vodni raztopini.
Slika 2. Odkrit nov dvostopenjski hidridni mehanizem.
Izbrane publikacije
1. Borštnar Rok, Repič Matej, Kamerlin Shina Caroline Lynn, Vianello Robert, Mavri Janez, Computational study of the pK[sub]a values of potential catalytic residues in the active site of monoamine oxidase B, Journal of chemical theory and computation, 2012, vol. 8, iss. 10, str. 3864-3870.
2. Vianello Robert, Repič Matej, Mavri Janez, How are biogenic amines metabolized by monoamine oxidases?, European journal of organic chemistry, 2012, vol. 2012, iss. 36, str. 7057-7065.
3. Repič Matej, Purg Miha, Vianello Robert, Mavri Janez, Examining electrostatic preorganization in monoamine oxidases A and B by structural comparison and pK [sub] a calculations, The journal of physical chemistry. B, Condensed matter, materials, surfaces, interfaces & biophysical, 2014, vol. 118, iss. 16, str. 4326-4332.
4. Poberžnik Matic, Purg Miha, Repič Matej, Mavri Janez, Vianello Robert. Empirical valence bond simulations of the hydride-transfer step in the monoamine oxidase A catalyzed metabolism of noradrenaline. The journal of physical chemistry. B, Condensed matter, materials, surfaces, interfaces & biophysical, 2016, vol. 120, iss. 44, str. 11419-11427.
5. Pregeljc, Domen, Jug, Urška, Mavri, Janez, Stare, Jernej. Why does the Y326I mutant of monoamine oxidase B decompose an endogenous amphetamine at a slower rate than the wild type enzyme? Reaction step elucidated by multiscale molecular simulations. PCCP. Physical chemistry chemical physics : a journal of European chemical societies, 2018, vol. 20, iss. 6, str. 4181-4188.
6. Mavri Janez, Matute Ricardo A, Chu Zhen T, Vianello Robert. Path integral simulation of the H/D kinetic isotope effect in monoamine oxidase B catalyzed decomposition of dopamine. The journal of physical chemistry. B, Condensed matter, materials, surfaces, interfaces & biophysical, 2016, vol. 120, iss. 14, str. 3488-3492.
7. Prah Alja, Ogrin Peter, Mavri Janez, Stare Jernej. Nuclear quantum effects in enzymatic reactions: simulation of the kinetic isotope effect of phenylethylamine oxidation catalyzed by monoamine oxidase A. Phys Chem Chem Phys. 2020, vol 13, str. 6838-6847.
2. Preučevanje zaviranja monoamin-oksidaze (MAO)
Prikazan je način vezave acetilenskega inhibitorja na N5 atom flavina v encimu monoamin-oksidaza B.
Izbrane publikacije
1. Borštnar Rok, Repič Matej, Kržan Mojca, Mavri Janez, Vianello Robert, Irreversible inhibition of monoamine oxidase B by the antiparkinsonian medicines rasagiline and selegiline : a computational study, European journal of organic chemistry, 2011, 2011, issue 32, str. 6419-6433.
2. Pavlin Matic, Mavri Janez, Repič Matej, Vianello Robert, Quantum-chemical approach to determining the high potency of clorgyline as an irreversible acetylenic monoamine oxidase inhibitor, 15th Amine Oxidase Conference : Re-Examining Amines : [16 to 18 July 2012, Toulouse, France], 2013, vol. 120, iss. 6, str. 875-882.
3. Tandarič, Tana, Prah, Alja, Stare, Jernej, Mavri, Janez, Vianello, Robert. Hydride abstraction as the rate-limiting step of the irreversible inhibition of monoamine oxidase B by rasagiline and selegiline : a computational empirical valence bond study. International journal of molecular sciences. 2020, vol. 21, str. 6151-1-6151-13.