شماره ركورد
25758
شماره راهنما
CHE3 268
عنوان
مطالعه محاسباتي بهدامانداختن و پايداري ساختاري آنزيم سيتوكرومسي درون يك چارچوب فلز-آلي
مقطع تحصيلي
دكتري
رشته تحصيلي
شيمي - شيمي فيزيك
دانشكده
شيمي
تاريخ دفاع
1404/07/28
صفحه شمار
120 ص .
استاد راهنما
ناهيد فرضي
استاد مشاور
اكبر اميدوار
كليدواژه فارسي
پروتئين سيتوكرومسي , IR-MOF-74-VI , انكپسوله نمودن , تثبيت آنزيم , شبيه سازي ديناميك مولكولي , نظريه ي تابعي چگالي
چكيده فارسي
اين پژوهش به بررسي پايداري حرارتي آنزيم سيتوكرومسي درون ساختار چارچوب فلز–آلي IRMOF-74-VI و برهمكنش بين آنها ميپردازد. هدف اصلي پژوهش، تحليل نقش ساختارهاي متخلخل در افزايش پايداري پروتئينها و درك ويژگيهاي الكتروني و ترموديناميكي اين برهمكنشها در دو مقياس ديناميكي و كوانتومي است.
در بخش نخست، از شبيهسازيهاي ديناميك مولكولي هدايتشده و آناليز نمونهگيري چتري براي مطالعهي رفتار آنزيم در حضور چارچوب فلز–آلي استفاده شد. محاسبات تغيير انرژي آزاد نشان داد كه فرآيند انكپسولهسازي داراي انرژي آزاد معادل 30 كيلوكالري برمول است كه بيانگر تمايل به پايداري در حضور چارچوب فلز-آلي ميباشد. بهمنظور ارزيابي اثر دما بر پايداري ساختاري، شبيهسازيها در بازهي دمايي 300 تا 500 كلوين براي حالت آزاد و انكپسولهشده انجام گرفت. تحليل شاخصهاي ساختاري از جمله RMSD، RMSF، RDF و B-factor نشان داد كه در دماهاي بالا (450 و 500 كلوين)، نوسانات فضايي و تغييرات ساختاري در حالت انكپسولهشده كاهش مييابد. اين نتايج تأييد ميكند كه حضور چارچوب فلز–آلي با ايجاد شبكهاي از برهمكنشهاي هيدروژني، واندروالسي و الكترواستاتيكي، موجب افزايش پايداري حرارتي آنزيم ميشود.
در بخش دوم، از محاسبات نظريهي تابعي چگالي بههمراه تحليل توپولوژيكي بر اساس نظريهي اتم در مولكول براي تبيين ويژگيهاي الكتروني و ماهيت پيوندي برهمكنشهاي ميان چارچوب فلز–آلي و اسيدآمينهها استفاده گرديد. نتايج اين بخش نشان داد كه برهمكنشهاي الكتروني غالباً ماهيتي تلفيقي از نوع كووالانسي–الكترواستاتيكي دارند. مقايسهي نتايج ديناميكي و كوانتومي نشان داد كه شرايط محيطي و مقياس مدل محاسباتي نقش تعيينكنندهاي در نوع و شدت برهمكنشها دارند. در محيط آبي و در حضور ساختار كامل پروتئين، برهمكنشهاي جمعي و چندنقطهاي عامل اصلي پايداري سيستم هستند، در حاليكه در مدلهاي كوانتومي در فاز گازي، برهمكنشهاي موضعي و الكتروني غالباند.
در مجموع، نتايج اين پژوهش نشان ميدهد كه IRMOF-74-VI با برخورداري از پايداري حرارتي و الكترونيكي بالا، ميتواند بهعنوان سامانهاي كارآمد براي تثبيت آنزيمها و طراحي مواد هيبريدي مورد استفاده قرار گيرد. يافتههاي اين تحقيق تصويري دقيق از ماهيت فضايي و الكترونيكي برهمكنشهاي پروتئين- چارچوب فلز-آلي ارائه ميدهد و مبنايي علمي براي طراحي نسل جديد چارچوبهاي فلز–آلي با عملكرد بهينه فراهم ميسازد.
كليدواژه لاتين
Cytochrome c (Cyt c) , IR-MOF-74-VI , Encapsulation , Enzyme immobilization , Density Functional Theory (DFT) , Quantum Theory of Atoms in Molecules (QTAIM)
عنوان لاتين
Computational Study of Entrapment and Structural Stability of Cytochrome C in a Metal-Organic Framework
گروه آموزشي
شيمي فيزيك
چكيده لاتين
This dissertation investigates the thermal stability and molecular interaction mechanisms between the cytochrome c enzyme and the metal–organic framework IRMOF-74-VI. The primary objective is to elucidate the role of porous architectures in enhancing protein stability and to gain a fundamental understanding of the electronic and thermodynamic characteristics of these interactions at both dynamic and quantum levels.
In the first part, steered molecular dynamics (SMD) simulations combined with umbrella sampling analysis were employed to examine the behavior of the enzyme in the presence of the metal–organic framework. The calculated free-energy change of approximately –30 kcal mol⁻¹ indicates a thermodynamically favorable stabilization of the enzyme in proximity to the MOF. To evaluate the effect of temperature on structural stability, independent simulations were conducted in the temperature range of 300–500 K for both the free and encapsulated enzyme states. Structural descriptors such as RMSD, RMSF, RDF, and B-factor revealed that at elevated temperatures (450 and 500 K), the structural fluctuations and conformational deviations of the encapsulated enzyme were significantly reduced. These findings confirm that the presence of the metal–organic framework, through an extensive network of hydrogen bonds, van der Waals, and electrostatic interactions, enhances the thermal and conformational stability of the enzyme.
In the second part, density functional theory (DFT) calculations combined with quantum theory of atoms in molecules (QTAIM) analysis were performed to characterize the electronic features and bonding nature of interactions between the metal–organic framework and amino-acid fragments. The results indicate that the electronic interactions generally exhibit a hybrid covalent–electrostatic character. A comparison between the dynamic and quantum approaches revealed that environmental conditions and computational scale play a decisive role in determining the nature and strength of the interactions. In the aqueous environment with the full protein structure, collective and multipoint interactions govern the system’s stability, whereas in gas-phase quantum models, localized electronic interactions predominate.
Overall, the results demonstrate that IRMOF-74-VI, owing to its high thermal and electronic stability, can serve as an efficient platform for enzyme immobilization and the design of hybrid functional materials. The findings provide a detailed molecular-level perspective on the spatial and electronic nature of protein–MOF interactions and establish a solid scientific basis for the rational design of next-generation metal–organic frameworks with optimized functionality.
تعداد فصل ها
3
فهرست مطالب pdf
158012
نويسنده