Theoretical Studies of Drug-Metabolizing Cytochrome P450 Enzymes

• The family of cytochrome P450 enzymes (P450s) belongs to one of the most important enzyme families in the human body. P450s are involved in the synthesis of endogenous compounds and metabolism of exogenous substances. In mammalian species, drug metabolizing P450s are anchored in the bilayer lipid membrane, which allows the enzymes to interact with other proteins and ligand molecules. A wealth of knowledge about the structures, functions, and mechanisms of P450s have been obtained from both experimental and theoretical studies. However, the mechanisms behind some experimental results, such as the regio- and stereoselectivity and structural flexibility are still elusive.In this thesis, I present the work done in my doctoral studies, which was focused on the catalytic selectivity and structural flexibility of P450s. Multiple theoretical modeling approaches, such as homology modeling, molecular docking, molecular dynamics, quantum mechanics, and quantum mechanics/molecular mechanics, were applied in the studies. In papers I and II, the regio- and stereoselectivity of CYP4F2, CYP3A4, and CYP19A1 catalyzed C–H hydroxylation of different substrates were studied. The results indicate that the ligand reactivity and accessibility can be decisive for the regio- and stereoselectivity. However, which of them is more important is system-dependent. The quantum mechanics/molecular mechanics calculation results imply that the distribution of spin natural orbitals could be used for discriminating the roles of the reactivity and accessibility. In papers III and IV, the conformational dynamics of the open and closed structures of CYP2B4 and the ligand cooperativity phenomenon of midazolam metabolized by CYP3A4 were investigated using molecular dynamics simulations. From the simulation results, we identified the key residues for the conformational dynamics for the open-to-intermediate transition and found that the ligand cooperativity is also caused by the large flexibility of P450. The results also indicated that the homotropic cooperativity mainly occurs in the large and flexible productive site, rather than in the remote allosteric site.

• Familjen av cytokrom P450-enzymer (P450) tillhör en av de viktigaste enzymfamiljerna i människokroppen. P450 är involverade i syntesen av endogena föreningar och metabolism av exogena substanser. Hos däggdjursarter är läkemedelsmetaboliserande P450s bundna till lipidmembranet i cellerna, vilket påverkar P450s förmåga att interagera med andra proteiner och ligandmolekyler. En mängd kunskap om P450:s struktur, funktion och mekanism har erhållits från både experimentella och teoretiska studier. Däremot är mekanismerna bakom vissa experimentella resultat, såsom regio- och stereoselektivitet och strukturell flexibilitet fortfarande svårfångade. I denna avhandling presenterar jag det arbete som gjorts under mina doktorandstudier, som fokuserade på den katalytiska selektiviteten och strukturella flexibiliteten hos P450. Flera teoretiska modelleringsmetoder, såsom homologimodellering, molekylär dockning, molekyldynamik, kvantmekanik och kvantmekanik/molekylmekanik har använts i studierna. I artikel I och II studerades regio- och stereoselektiviteten för CYP4F2, CYP3A4 och CYP19A1 C-H hydroxylering av olika substrat. Resultaten indikerar att ligandreaktiviteten och tillgängligheten kan vara avgörande för regio- och stereoselektiviteten. Vilken av dem som är viktigare är emellertid systemberoende. Resultaten av beräkningen med kvantmekanik/molekylmekanik innebär att fördelningen av naturliga spin orbitaler kan användas för att urskilja rollen för substratets reaktivitet och tillgänglighet. I artiklarna III och IV undersöktes konformationsdynamiken för de öppna och slutna strukturerna av CYP2B4 och ligandkooperativitetsfenomenet för midazolam metaboliserat genom CYP3A4 med hjälp av molekyldynamiksimuleringar. Från simuleringsresultaten identifierade vi nyckelaminosyrorna för konformationens dynamik för den öppen-till-intermediär-övergången och fann att ligandens kooperativitet också orsakas av den stora flexibiliteten hos P450. Resultaten indikerade även att den homotropa kooperativiteten huvudsakligen inträffar på det stora och flexibla produktiva sätet, snarare än på det avlägsna allosteriska sätet.

Nyckelord

Cytochrome P450 enzymes

molecular dynamics

quantum chemistry

structural flexibililty

ONIOM

Teoretisk kemi och biologi

Theoretical Chemistry and Biology

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

dok (ämneskategori)