Fitxers
Embargament
Document embargat fins el 2027-05-15Tipus de document
TesiVersió
Versió publicadaData de publicació
Llicència de publicació
Si us plau utilitzeu sempre aquest identificador per citar o enllaçar aquest document: https://hdl.handle.net/2445/229819
Modeling of rare ligands and non-classical reaction mechanisms in glycoprocessing enzymes
Títol de la revista
Autors
Director/Tutor
ISSN de la revista
Títol del volum
Recurs relacionat
Resum
[eng] Carbohydrates and their derivatives are among the most structurally diverse biomolecules. They range from simple monosaccharides such as glucose—a primary metabolic fuel—to disaccharides like sucrose, lactose, and maltose, and to complex polysaccharides including starch and the structural biopolymers cellulose and chitin, as well as cell-surface glycans that mediate recognition and signaling. This structural space is further expanded by rare carbohydrate ligands, including septanoses, bicyclic sugars, and sugar acids. Matching this structural space, carbohydrate-active enzymes, which are the machinery responsible for this vast structural space by as-sembling and remodeling glycans, display distinct catalytic mechanisms. Arguably, some glycoprocessing enzymes adopt non-classical strategies—for example, retaining glycosyltransferases that form glycosyl–enzyme intermediates and engage in substrate-assisted proton relay—thereby expanding, not just structural, but also mechanistic diversity in carbohydrate chemistry. This thesis pursues three goals: (i) to enable quantitative conformational sampling of seven-membered rings by implementing specific puckering collective variables (CVs) compatible with metadynamics, and apply them to assess the stereoelectronic and conformational mimicry of glycoside hydrolase (GH) substrate analogs; (ii) to map catalytic residues and elucidate the reaction mechanism of a GH that accommodates a rare marine bicyclic sugar; (iii) to assess whether retaining glycosyltransferases (GTs) can form glycosyl–enzyme intermediates (GEIs). To address these questions, this thesis (i) introduces seven-membered-specific CVs for metadynamics by implementing an expansion to Cremer–Pople puckering–based CVs for seven-membered rings, and (ii) integrates classical molecular dynamics and/or quantum mechanical/molecular mechanical (QM/MM) simulations with free energy methodologies to elucidate enzymatic reactions that adopt uncommon mechanisms and accomodate rare ligands. Both physical (enhanced sampling via metadynamics) and unphysical (“alchemical”) approaches (thermodynamic integration and hamiltonian replica exchange with multistate Bennett acceptance ratio estimators) are used to quantify conformational landscapes, ligand binding, protonation equilibria, and re-action energetics, yielding quantitative, atomistic and thermodynamic insights. Collectively, by using methodologies to map conformational landscapes, estimate relative binding free energies, resolve protonation equilibria, and quantify reaction energetics, our results provide information with potential utility for carbohydrate-mimetic inhibitor design and mechanistic studies in glycobiology.
[cat] Els carbohidrats i els seus derivats es troben entre les biomolècules més diverses des del punt de vista estructural. Abarquen des de monosacàrids simples com la glucosa —un combustible metabòlic primari— fins a disacàrids com la sacarosa, la lactosa i la maltosa, i polisacàrids complexos, inclosos el midó i els biopolímers estructurals cel·lulosa i quitina, així com els glicans de superfície cel·lular que assisteixen processos de reconeixement i senyalització. Aquest espai estructural s’amplia encara més amb lligands glucídics rars, com ara septanoses, sucres bicíclics i àcids de sucre, que desafien les intuïcions establertes sobre forma, flexibilitat i estereoquímica. En paral·lel a aquesta diversitat, els enzims actius sobre carbohidrats (CAZymes), que constitueixen la maquinària responsable d’assemblar i remodelar glicans en tots els organismes, presenten mecanismes catalítics molt variats. De manera significativa, alguns enzims de processament de glicans adopten estratègies no clàssiques —per exemple, glicosil-transferases retenidores que formen intermedis glicosil–enzim i poden implicar relleus protònics assistits pel substrat—, ampliant no només la diversitat estructural, sinó també la diversitat mecanística de la química dels carbohidrats. Aquesta tesi persegueix tres objectius principals: (i) permetre el mostreig conformacional quantitatiu d’anells de set membres mitjançant la implementació de variables col·lectives (CVs) de puckering específiques i compatibles amb metadinàmica, i aplicar-les per avaluar la mímica estereoelectrònica i conformacional d’anàlegs de substrat d’hidrolases de glicosidis (GH); (ii) cartografiar residus catalítics i dilucidar el mecanisme de reacció d’una GH que acomoda un sucre bicíclic marí rar, on la ge-ometria i la reactivitat poden diferir substancialment de les de substrats més comuns; (iii) demostrar que dues glicosiltransferases (GTs) retenidores poden formar intermedis glicosil–enzim (GEIs), una hipòtesi mecanística rellevant per entendre com es controla l’estereoquímica i com es modula el perfil energètic de la reacció. Per abordar aquestes qüestions, la tesi (i) introdueix CVs específiques per a anells de set membres mitjançant una expansió de les coordenades d’arrugament (Cremer–Pople) adaptada a set membres i integrada en marcs de metadinàmica, cosa que permet descriure perfils d’energia lliure amb resolució i interpretabilitat; i (ii) combina dinàmica molecular clàssica i/o simulacions mecanoquàntiques/mecànica molecular (QM/MM) amb metodologies d’energia lliure per caracteritzar reaccions enzimàtiques que adopten mecanismes poc comuns i acomoden lligands rars. S’utilitzen tant enfocaments físics (mostreig millorat via metadinàmica) com enfocaments alquímics (integració termodinàmica i intercanvi de rèpliques hamiltonià, amb estimadors multiestat de Bennett, MBAR) per quantificar perfils conformacionals, energies lliures relatives d’unió de lligands, equilibris de protonació i l’energètica de passos químics clau. En conjunt, aquesta estratègia proporciona una connexió quantitativa entre estructura, dinàmica, termodinàmica i reactivitat, i permet generar hipòtesis mecanístiques teste-ables sobre quins factors governen la selectivitat i l’eficiència catalítica. En síntesi, mitjançant metodologies per aplicar paisatges conformacionals, estimar energies lliures d’unió, resoldre equilibris de protonació i quantificar l’energètica de reacció, els resultats d’aquesta tesi ofereixen una descripció atomística i termodinàmica de sistemes glucídics d’alta complexitat. Aquest coneixement té potencial utilitat per al disseny racional d’inhibidors mimètics de carbohidrats, per a l’enginyeria d’enzims amb noves especificitats i per a estudis mecanístics en glicobiologia, on la diversitat química dels glicans continua sent una font inesgotable de funció biològica i d’innovació molecular.
[cat] Els carbohidrats i els seus derivats es troben entre les biomolècules més diverses des del punt de vista estructural. Abarquen des de monosacàrids simples com la glucosa —un combustible metabòlic primari— fins a disacàrids com la sacarosa, la lactosa i la maltosa, i polisacàrids complexos, inclosos el midó i els biopolímers estructurals cel·lulosa i quitina, així com els glicans de superfície cel·lular que assisteixen processos de reconeixement i senyalització. Aquest espai estructural s’amplia encara més amb lligands glucídics rars, com ara septanoses, sucres bicíclics i àcids de sucre, que desafien les intuïcions establertes sobre forma, flexibilitat i estereoquímica. En paral·lel a aquesta diversitat, els enzims actius sobre carbohidrats (CAZymes), que constitueixen la maquinària responsable d’assemblar i remodelar glicans en tots els organismes, presenten mecanismes catalítics molt variats. De manera significativa, alguns enzims de processament de glicans adopten estratègies no clàssiques —per exemple, glicosil-transferases retenidores que formen intermedis glicosil–enzim i poden implicar relleus protònics assistits pel substrat—, ampliant no només la diversitat estructural, sinó també la diversitat mecanística de la química dels carbohidrats. Aquesta tesi persegueix tres objectius principals: (i) permetre el mostreig conformacional quantitatiu d’anells de set membres mitjançant la implementació de variables col·lectives (CVs) de puckering específiques i compatibles amb metadinàmica, i aplicar-les per avaluar la mímica estereoelectrònica i conformacional d’anàlegs de substrat d’hidrolases de glicosidis (GH); (ii) cartografiar residus catalítics i dilucidar el mecanisme de reacció d’una GH que acomoda un sucre bicíclic marí rar, on la ge-ometria i la reactivitat poden diferir substancialment de les de substrats més comuns; (iii) demostrar que dues glicosiltransferases (GTs) retenidores poden formar intermedis glicosil–enzim (GEIs), una hipòtesi mecanística rellevant per entendre com es controla l’estereoquímica i com es modula el perfil energètic de la reacció. Per abordar aquestes qüestions, la tesi (i) introdueix CVs específiques per a anells de set membres mitjançant una expansió de les coordenades d’arrugament (Cremer–Pople) adaptada a set membres i integrada en marcs de metadinàmica, cosa que permet descriure perfils d’energia lliure amb resolució i interpretabilitat; i (ii) combina dinàmica molecular clàssica i/o simulacions mecanoquàntiques/mecànica molecular (QM/MM) amb metodologies d’energia lliure per caracteritzar reaccions enzimàtiques que adopten mecanismes poc comuns i acomoden lligands rars. S’utilitzen tant enfocaments físics (mostreig millorat via metadinàmica) com enfocaments alquímics (integració termodinàmica i intercanvi de rèpliques hamiltonià, amb estimadors multiestat de Bennett, MBAR) per quantificar perfils conformacionals, energies lliures relatives d’unió de lligands, equilibris de protonació i l’energètica de passos químics clau. En conjunt, aquesta estratègia proporciona una connexió quantitativa entre estructura, dinàmica, termodinàmica i reactivitat, i permet generar hipòtesis mecanístiques teste-ables sobre quins factors governen la selectivitat i l’eficiència catalítica. En síntesi, mitjançant metodologies per aplicar paisatges conformacionals, estimar energies lliures d’unió, resoldre equilibris de protonació i quantificar l’energètica de reacció, els resultats d’aquesta tesi ofereixen una descripció atomística i termodinàmica de sistemes glucídics d’alta complexitat. Aquest coneixement té potencial utilitat per al disseny racional d’inhibidors mimètics de carbohidrats, per a l’enginyeria d’enzims amb noves especificitats i per a estudis mecanístics en glicobiologia, on la diversitat química dels glicans continua sent una font inesgotable de funció biològica i d’innovació molecular.
Matèries (anglès)
Citació
Citació
SAGIROGLUGIL, Mert. Modeling of rare ligands and non-classical reaction mechanisms in glycoprocessing enzymes. [consulted: 20 of July of 2026]. Available at: https://hdl.handle.net/2445/229819