Flavin redoks tepkimesine sübstitüent etkisinin modellenmesi - Topal, Arzu (My University, 2017)
Flavin, birçok flavoenzimde bulunmakta ve biyolojik redoks proseslerinde kofaktör olarak davranmaktadır. Son yıllarda bazı flavoenzimlerin kimyasal mekanizma detayları hala tartışıldığı için, monoamin oksidaz (MAO), D-amino asit oksidaz (DAAO) ve lizin spesifik demetilaz (LSD1) gibi birçok flavoenzimin mekanizmaları önemli derecede ilgi görmektedir. Flavoenzimler flavin izoalloksazin halkası ile birçok kovalent olmayan etkileşim yaparlar. Flavoproteinlerin sadece %10’u flavin halkasına kovalent olarak bağlı olmasına rağmen kovalent flavinin rolü tam olarak anlaşılamamıştır. Bu yüzden flavinin elekronik yapısına yönelik araştırmalar da ilgi çekmektedir. Bu çalışmada, flavoenzimlerdeki flavinin redoks kimyası üzerine yeni bilgiler sağlamak için flavin indirgenme eğilimine sübstitüent etkisi ve izoalloksazin halkasının konformasyonu incelendi. Araştırmada kullanılan sübstitüentler, monoamin oksidazdaki C8-α kovalent bağını ve flavin adenin dinükleotit (FAD)’de bulunan N10’a kovalent bağlı triol grubunu temsil edecek şekilde seçilmiştir. İzoalloksazin halkasının C8 (X= -H, CH3, -Cys-Tyr) ve N10 (Y= -H, -CH3,-CH2(CHOH)3CH2OCH3) pozisyonlarına farklı sübstitüentler eklenerek, yükseltgenmiş (Flox) ve indirgenmiş (Flred) durumları M06-2X/ 6-3+1G(d,p) metoduyla optimize edilmiştir. Sübstitüe flavinin indirgenme eğilimi hidrojenleme reaksiyonu Gibbs serbest enerjisi baz alınarak hesaplanmıştır. İzoalloksazin halkasının yükseltgenmiş ve indirgenmiş durumlarının optimize konformasyonları birçok flavoproteinin deneysel kristal yapısı ile karşılaştırılmıştır. Tez çalışması sonucunda N10’a bağlı büyük sübstitüentlerin izoalloksazin halkasının indirgeme eğilimini azalttığı tespit edilmiştir. İzoallaksazin halkasının N10 pozisyonuna H (Y= -H), C8 alfa pozisyonuna kovalent Cys-Tyr proteini bağlı iken en yüksek indirgenme eğilimine sahip olduğu görülmüştür. Halka konformasyonunun sübstitüentlerin doğal yapısından da etkilendiği ve molekül için hidrojen bağları ve steroelektronik etkilerin izoalloksazin halkasını eğik konformasyon oluşturmaya yönlendirdiği tespit edilmiştir.

Flavin is found in many flavoenzymes and acts as a cofactor in biological redox processes. The mechanism of flavin reduction in several flavoenzymes such as monoamine oxidases (MAO), N-methyltryptophan oxidase (MTO), D-aminoacid oxidase (DAAO) and lysine-specific demethylase (LSD1) attract great attention in recent years because the details of the chemical mechanism of some flavoenzymes are still debated. Flavoenzymes have many non-covalent interactions with the isoalloxazine ring of flavin. In only 10% of all flavoproteins, flavin ring is covalently bound to the protein and the role of covalent flavin is not completely understood. Therefore, flavin electronic structure attracts interest. In this study, we explore the effect of substituents on the reduction tendency and conformations of the flavin isoalloxazine ring in order to provide new insights into flavin redox chemistry of flavoenzymes. The substituents were chosen so as to represent the flavin C8-α covalent linkage in monoamine oxidase and the N10-covalent bond to triol moeity in FAD.The oxidized (Flox) and reduced states (Flred) of the isoalloxazine rings having different substituents on C8 (X=-H, CH3,-Cys-Tyr) and N10 (Y= -H,-CH3,-CH2(CHOH)3CH2OCH3) were optimized with M06-2X/ 6-3+1G(d,p) method. Reduction tendencies of substituted flavins were calculated based on the Gibbs free energy of hydrogenation reactions. Optimized conformations of the oxidized and reduced states of the isoalloxazine rings were compared with the experimental crystal structures of various flavoproteins.The results revealed that the large substituents on N10 decrease the reduction tendency of isoalloxazine ring. Isoalloxazine ring (Y= -H on N10) having a C8-α covalent bond to Cys-Tyr aminoacid linkage exhibits the greatest reduction tendency. Ring conformation is also influenced by the nature of the substituent. Intramolecular H-bonds and stereoelectronic effects lead to bent conformation.
Keywords: Flavin; Isoallokxazine ring; İndirgenme eğilimi Flavin; İzoalloksazin Halkası; Kimya, Organik; Reduction tendency; Substituent; Substitüent