Fundamental computational studies of the structural dynamical relationships of multifunctional enzyme type 1 (MFE-1)
| dc.contributor.advisor | Mroginski, Maria Andrea | |
| dc.contributor.author | Herder, Nico | |
| dc.contributor.grantor | Technische Universität Berlin | |
| dc.contributor.referee | Mroginski, Maria Andrea | |
| dc.contributor.referee | Scheerer, Patrick | |
| dc.contributor.referee | Forest, Katrina | |
| dc.date.accepted | 2022-09-22 | |
| dc.date.accessioned | 2022-11-10T10:09:04Z | |
| dc.date.available | 2022-11-10T10:09:04Z | |
| dc.date.issued | 2022 | |
| dc.description.abstract | The multifunctional enzyme type 1 (MFE-1) plays a crucial role in the fatty acid metabolism. It is a monomeric enzyme that catalyzes three reactions in the β-oxidation pathway: the isomerization, the hydrogenation, and the dehydrogenation. These three reactions occur at two different active sites. The MFE-1 consists of a total of five domains A, B, C, D and E. The first active site is located in the crotonase part which is formed by domain A, while domain C (in the HAD part) hosts the second active site. Isomerization and hydrogenation are carried out at the first active site, while the third reaction (dehydrogenation) occurs at the second active site. To date, the detailed mechanistic functions as well as the basic structure-dynamics relations are not known in detail. Moreover, no crystal structures of MFE-1 with embedded substrates in the second active site or intermediates from the first active site have been shown so far. This dissertation addresses these issues by the investigation of various MFE-1 constructs through molecular dynamics simulations in the form of classical and accelerated MD. Regarding the first active site, two residues are proposed to be essential for the catalytic functionality of MFE-1. Therefore, in the first step, these two residues, the glutamates E103 and E123, were investigated. Their protonation state, which was previously unknown, was determined and their function was investigated in relation to the mechanism concerning the hydrogenation reaction. In addition to the protonation state, within the scope of this dissertation hitherto undiscovered conformational as well as distance dependencies could be identified for the first time. Furthermore, the MFE-1 has been investigated for fundamental dynamic structure-function relations using dynamic cross correlation and normal mode analysis. Based on these domain-dynamics-structure relations, correlations of MFE-1 were revealed which possibly indicate potential substrate channeling to enable the substrate transport from the first to the second active site. Previously no structural model with an embedded substrate in the second active site was available. For this reason, an MFE-1 model with a substrate in the second active site was generated by docking. These calculations provide essential insights into the mechanism of MFE-1 that were undiscovered so far. Additionally, the results serve as a model and fundamental basis for future investigations on its mechanistic properties. | en |
| dc.description.abstract | Das multifunktionale Enzym Typ 1 (MFE-1) spielt eine entscheidende Rolle im Fettsäurestoffwechsel. Es ist ein monomeres Enzym, das drei Reaktionen des β-Oxidationsweges katalysiert: die Isomerisierung, die Hydrierung und die Dehydrierung. Diese drei Reaktionen laufen an zwei verschiedenen aktiven Zentren ab. Das MFE-1 besteht aus insgesamt fünf Domänen A, B, C, D und E. Das erste aktive Zentrum befindet sich im Crotonase-Abschnitt, der von der Domäne A gebildet wird, während die Domäne C (im HAD-Abschnitt) das zweite aktive Zentrum beherbergt. Die Isomerisierung und Hydrierung laufen im ersten aktiven Zentrum ab, während die dritte Reaktion (Dehydrierung) im zweiten aktiven Zentrum stattfindet. Bis heute sind die detaillierten mechanistischen Funktionen sowie die grundlegenden Struktur-Dynamik-Beziehungen nicht im Detail bekannt. Außerdem wurden bisher keine Kristallstrukturen von MFE-1 mit eingebetteten Substraten im zweiten aktiven Zentrum oder Zwischenprodukten aus dem ersten aktiven Zentrum gezeigt. In dieser Dissertation werden diese Fragen durch die Untersuchung verschiedener MFE-1-Konstrukte mittels Molekulardynamiksimulationen in Form von klassischer und beschleunigter MD angegangen. Für das erste aktive Zentrum stehen dabei zwei Aminosäuren im Fokus, die für die katalytische Funktionalität von MFE-1 essenziell sind. Daher wurden im ersten Schritt der Protonierungszustand, der bisher unbekannt war, beider Aminosäuren (Glu103 und Glu123) berechnet. Darüber hinaus wurde die Funktion der Glutamate in Bezug auf den Mechanismus hinsichtlich der Hydrierungsreaktion untersucht. Neben dem Protonierungszustand konnten im Rahmen dieser Dissertation erstmals bisher unentdeckte Konformations- sowie Abstandsabhängigkeiten identifiziert werden. Außerdem wurde das MFE-1 mittels dynamic Cross Correlation und Normalmodenanalyse auf grundlegende dynamische Struktur-Funktions-Beziehungen untersucht. Basierend auf diesen Dynamik-Struktur-Beziehungen wurden Domänen-Korrelationen aufgedeckt, die möglicherweise auf ein potentielles Substrat-Channelling hinweisen, um den Substrattransport vom ersten zum zweiten aktiven Zentrum zu ermöglichen. Zuvor war kein 3D-Modell mit einem eingebetteten Substrat im zweiten aktiven Zentrum verfügbar. Aus diesem Grund wurde ein MFE-1-Modell mit einem Substrat im zweiten aktiven Zentrum durch Docking erstellt. Diese Berechnungen liefern wesentliche Einblicke in den Mechanismus von MFE-1, die bisher unentdeckt waren. Darüber hinaus dienen die Ergebnisse als Modell und grundlegende Basis für künftige Untersuchungen der mechanistischen Eigenschaften. | de |
| dc.identifier.uri | https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/17651 | |
| dc.identifier.uri | https://doi.org/10.14279/depositonce-16435 | |
| dc.language.iso | en | |
| dc.rights.uri | http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/ | |
| dc.subject.ddc | 540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften | de |
| dc.subject.ddc | 572 Biochemie | de |
| dc.subject.other | MFE-1 | en |
| dc.subject.other | multifunctional enzymes | en |
| dc.subject.other | molecular dynamics | en |
| dc.subject.other | docking | en |
| dc.subject.other | substrate channeling | en |
| dc.subject.other | multifunktionelle Enzyme | de |
| dc.subject.other | Moleküldynamik | de |
| dc.subject.other | Docking | de |
| dc.subject.other | Substrat-Channeling | de |
| dc.title | Fundamental computational studies of the structural dynamical relationships of multifunctional enzyme type 1 (MFE-1) | en |
| dc.title.translated | Fundamentale computergestützte Studien der strukturdynamischen Zusammenhänge des multifunktionalen Enzyms Typ 1 (MFE-1) | de |
| dc.type | Doctoral Thesis | |
| dc.type.version | acceptedVersion | |
| tub.accessrights.dnb | free | |
| tub.affiliation | Fak. 2 Mathematik und Naturwissenschaften::Inst. Chemie::FG Modellierung biomolekularer Systeme | |
| tub.publisher.universityorinstitution | Technische Universität Berlin |