Theoretical Investigation of the Enzymatic Reactivity of Coupled Binuclear Copper System(s) "Strongly Correlated" with Experiments

Abstract

Copper ions are, along with iron and zinc, one of the most commonly occurring metal ions in biological systems. Their electronic structure - especially when it comes to (coupled) polynuclear Cu centers in metalloproteins - makes them one of the most challenging systems in contemporary bioinorganic (and theoretical) chemistry. On the other hand, the presence of copper ions leads to unique spectroscopic properties. Several spectroscopic "fingerprints" exist which are used to characterize the individual, usually short-lived intermediates in the catalytic cycles of copper metalloenzymes. By correlating experimental and theoretical data, the reaction mechanism of the copper metalloenzymes can be revealed and ultimately fully understood at the atomic and electronic levels. This not only allows us to understand the physicochemical principles underlying fundamental biological processes, but also opens up possibilities to construct artificial (biomimetic) systems that carry the same or even better function as the original biological system. The aim of this dissertation is to characterize and understand the reaction mechanism of coupled binuclear copper (CBC) (metallo)enzymes. The redox chemistry catalyzed by CBC enzymes often employs molecular oxygen as a cofactor. This enables them to activate and...

Ionty mědi patří, spolu se železem a zinkem, k nejčastěji se vyskytujícím kovovým iontům v biologických systémech. Jejich elektronová struktura, zejména pokud jde o (spřažená) polynukleární centra v metaloproteinech, z nich činí jedny z nejnáročnějších systémů v současné bioanorganické (a teoretické) chemii. Na druhou stranu přítomnost iontů mědi vede k jedinečným spektroskopickým vlastnostem. Existuje několik spektroskopických znaků ("fingerprints"), které se používají k charakterizaci jednotlivých, obvykle krátce žijících meziproduktů v katalytických cyklech měďn(at)ých metaloenzymů. Pečlivou korelací experimentálních a teoretických dat lze popsat reakční mechanismus těchto metaloenzymů a nakonec jej plně pochopit na atomární či dokonce elektronové úrovni. Získané porozumění nejen umožňuje pochopit fyzikálně-chemické principy, které jsou podstatou základních biologických procesů, ale také otevírá možnosti pro návrhy umělých (biomimetických) systémů, které mají stejnou nebo dokonce lepší funkci jakou měl původní biologický systém. Cílem disertační práce je charakterizovat a pochopit reakční mechanismus (metalo)enzymů se dvěma spřaženými ionty mědi (tzv. "CBC enzymes"). Oxidačně-redukční chemické reakce katalyzované CBC enzymy často využívající vyžadují molekulu kyslíku jako kofaktor. To jim...