Enzymes catalyse biochemical reactions through their active centers. These reactions however are also affected by the so called secondary sphere -protein environment, aminoacid residues and solvent environment- effects. Available data on how the secondary sphere affect reaction mechanism and electronic structure led us to pose following questions; i) To what extent the secondary sphere steer the reaction mechanism and ii) can the effects of secondary sphere residues be mimicked on the enzyme active centers? These questions are tackled by studying an oxidative ring cleavage enzyme Homoprotocatechuate 2,3-Dioxygenase (HPCD) as a model system. The secondary sphere residues of utmost importance are; His200 in assisting proton migration to dioxygen, polypeptide chains in modulating His200's position and His248 for maintaining rigidity of the enzyme center. These residues are cautiously mimicked on the first coordination shell, mainly by modifying the immediate axial ligands to the metal center of HPCD. The dual basic/acidic role of His200 in the proton transfer pathway was reproduced via converting neutral ligand imidazole to a base. His248 and overall protein structure were mimicked by designing model systems with bi- and tri-dentate ligands. Reaction mechanism of HPCD is studied for six different ligand systems in additon to the active enzyme site without any secondary sphere residues. DFT is employed throughout the calculations. Energetically feasible reaction pathways on the synthetically promising ligand structures are identified. Key structural and electronic principles are outlined.

Enzimler aktif merkezleri aracılığı ile biyokimyasal tepkimeleri katalizlerler. Bununla beraber enzimler tarafından katalizlenen tepkimelerde aktif merkezin yanısıra ikincil koordinasyon küresi adı verilen protein ortamı, aminoasit rezidüleri ve çözücü ortamı da etkilidir. Literatürdeki veriler doğrultusunda, ikincil koordinasyon küresinin i) reaksiyon mekanizmasını ne derecede etkilediği ve ii) bu yapılara ait etkilerin enzim merkezinde taklit edilmesinin mümkün olup olmadığına dair sorular bu çalışmada incelenmiştir. Model sistem olarak oksidatif halka kırılma reaksiyonunu gerçekleştiren Homoprotokatekolat 2,3 Dioksijenaz (HPKD) enzimi seçilmiştir. Ancak bu çalışma enzim türünden bağımsız olarak genel bir yöntem oluşturmayı amaçlamaktadır. HPKD'de ikincil koordinasyon küresi rezidülerinden His200'ün tepkime başlangıç basamaklarında dioksijene proton transferini gerçekleştirdiği, His248 ve polipeptit zincirinin ise enzim merkezinin yapısal bütünlüğünü koruduğu bilinmektedir. Bu yapılara ait özelliklerin aktif merkezde gerçekleştirilen kimyasal değişiklikler ile taklit edilmesi hedeflenmiştir. His200'e atfedilern asit/baz rolü için aktif merkezdeki imidazöl ligandı baza dönüştürülmüş, His248 ve polipeptit zincirine ait görevler için ise iki ve üç dişli model sistemlerin tasarlanmıştır. Oluşturulan altı farklı model sistem ve ikincil koordinasyon küresi rezidülerinin olmadığı enzim merkezi için HPKD reaksiyon mekanizması incelenmiştir. Çalışma kapsamında DFT kullanılarak enerji açısından elverişli yollar incelenmiş ve senteze uygun ligand yapıları belirlenmiştir. Yapay katalitik sistem tasarımı için yol haritası oluşturacak yapısal ve elektronik sonuçlar vurgulanmıştır.