Ionty mědi jsou kromě iontů železa a zinku jedny z nejčastěji se vyskytujících iontů kovů v biologických systémech, především pak v metaloproteinech. Jejich elektronová struktura – obzvláště jde-li o polynukleární Cu centra - z nich činí jednu z výzev v současné bioanorganické (a teoretické) chemii. Na druhou stranu pak vede k unikátním spektroskopickým vlastnostem a celé řadě tzv. „fingerprints“, které po sobě zanechávají jednotlivé, zpravidla krátce žijící, intermediáty v katalytických cyklech Cu-metaloenzymů. Spojením experimentálních a teoretických dat lze pak plně popsat reakční mechanismus studovaných metaloenzymu, což nejen umožnuje pochopit fyzikálně-chemické principy těchto biologických dějů, ale zároveň otvírá velké možnosti ke konstrukci umělých (biomimetických) systémů, které nesou stejnou nebo lepší funkci jako původní biologický systém. Cílem disertační je charakterizace a pochopení reakčních mechanismů Cu-metaloenzymů využívajících k aktivaci molekulový kyslík a následně pak katalyzujících kaskádu chemických dějů vedoucích k hydroxylaci substrátu. Konkrétně bude popsán reakční mechanismu tyrosinasy, tj. enzymu obsahujícího binukleární centrum s ionty mědi a katalyzujícím hydroxylaci tyrosinu na katechol a jeho následnou oxidaci na chinon. Experimentální část projektu bude prováděna ve spolupráci se zahraničním pracovištěm, které patří mezi absolutní světovou špičku ve spektroskopické a kinetické charakterizaci metaloproteinů (skupina Prof. Edwarda Solomona ze Stanfordovy university) za použití rozmanitých (komplementárních) technik - nízkoteplotní resonanční Ramanova a elektronová paramagnetická rezonanční spektroskopie. Výpočetní část, která bude tvořit hlavní náplň disertační práce pak bude zahrnovat „state-of-the-art“ metody výpočetní chemie, včetně multireferenčních ab initio výpočtů. Úspěšné dokončení doktorského projektu otevře nové horizonty v pochopení základních bioanorganických systémů a umožní vývoj nových katalytických systémů inspirovaných přírodou.
Preliminary scope of work in English
Copper ions are, along with iron and zinc, one of the most commonly occurring metal ions in biological systems, especially in metalloproteins. Their electronic structure - especially when it comes to polynuclear Cu centers - makes them one of the challenges in contemporary bioinorganic (and theoretical) chemistry. On the other hand, it leads to unique spectroscopic properties and a number of so-called "fingerprints" that help to characterize individual, usually short-lived intermediates in catalytic cycles of Cu-metalloenzymes. By combining experimental and theoretical data, the reaction mechanism of the studied metalloenzymes can be fully described, which not only allows us to understand the physico-chemical principles of these biological processes, but also opens up great possibilities to construct artificial (biomimetic) systems that carry the same or better function as the original biological system. The aim of the dissertation is to characterize and understand the reaction mechanisms of Cu-metalloenzymes that employ = as a cofactor - molecular oxygen to activate and subsequently to catalyze a cascade of chemical processes leading to substrate hydroxylation. In particular, the reaction mechanism of tyrosinase, i.e. an enzyme containing a binuclear center with copper ions and catalyzing the hydroxylation of tyrosine to catechol and its subsequent oxidation to quinone, will be described. The experimental part of the project will be carried out in collaboration with a group of Prof. Edward Solomon (Stanford University, U. S. A.), one of the world-renowned leaders in spectroscopic and kinetic characterization of metalloproteins, using various (complementary) techniques - low temperature resonance Raman and electron paramagnetic resonance spectroscopy. The computational part, which will comprise the main part of the dissertation, will include state-of-the-art methods of computational chemistry, including multireference ab initio calculations. Successful completion of the PhD project will open new horizons in understanding the fundamental biophysics of bioinorganic systems and help in the development of new nature-inspired catalytic systems.
- assigned by the advisor