Computational studies of epoxide hydrolase-catalyzed ring-opening reactions

Abstract

Chiral 1,2-amino alcohols are motifs widely present in different high valuable biologically active compounds. Many synthetic and enzymatic routes have been developed for producing optically active amino alcohols starting from diols, ketones, and esters. Enantiopure diols and epoxide substrates have shown to be highly versatile intermediates in organic synthesis, in particular these compounds have received attention due to their role as key chiral precursors to access enantiopure beta-blocker drugs, such as alprenolol and propranolol. These compounds have been traditionally prepared starting from alkene and epoxide substrates by using chemical catalysts. Nevertheless, epoxide hydrolases (EHs) offers an alternative and attractive route for the production of such compounds just starting from cheap and easy-to-access racemic mixtures of epoxides. In short, this is because some EHs have the ability to distinguish between different substrate enantiomers, while many others can preferentially attack one carbon atom of the epoxide ring moiety. In the present thesis, the EH that caught our attention was the one from Bacillus megaterium (BmEH), mainly due to its ability to accept bulkier substrates such as naphthyl glycidyl ether, and also for displaying the (R) selectivity toward aryl glycidyl ethers, which is opposite to that selectivity observed in many other similar EHs. Based on this information, the thesis have been focused computational studies of the reaction mechanism of BmEH, as well as the exploration of its conformational dynamics in order to understand the origins and the main factors having an influence on its enzymatic activity

Els compostos quirals amb un grup amino i alcohol en posició contigua es troben àmpliament presents en diferents compostos biològicament actius. S'han desenvolupat moltes vies sintètiques i enzimàtiques per produir aminoalcohols òpticament actius a partir de diols, cetones i èsters. Els diols enantiopurs, així com també els corresponents substrats epòxids, han demostrat ser intermedis molt versàtils en el camp de la síntesi orgànica, com ara en l’àmbit farmacèutic. En particular, aquestes molècules han rebut atenció degut al seu paper com a precursors quirals rellevants per accedir a productes farmacèutics, com ara els beta-bloquejant. Exemples coneguts inclouen medicaments basats en l'alprenolol i el propranolol. Aquests compostos d’alt interès s'han preparat tradicionalment mitjançant catalitzadors químics a partir de substrats com alquens i epòxids. Tot i així, les epòxid hidrolases (EHs) ofereixen una ruta alternativa per a la producció d'aquests intermediaris a partir de mescles racèmiques d'epòxids, les quals son productes de partida més econòmiques i de fàcil accés. En poques paraules, aquesta ruta és possible pel fet que algunes EH tenen la capacitat de distingir entre diferents enantiòmers d’un mateix substrat, mentre que moltes altres també poden atacar preferentment un sol àtom de carboni de l'anell de l’epòxid. En la present tesi, l’enzim hidrolasa d’epòxid que va captar la nostra atenció va ser la que prové del Bacillus megaterium (BmEH), principalment per la seva habilitat d'acceptar substrats més voluminosos com l’èter de naftil glicidil (NGE), així com també per mostrar una selectivitat R envers èters aril glicidil, la qual és oposada respecte la selectivitat observada en moltes altres EH similars. En base a aquesta informació, aquesta tesi presenta estudis del mecanisme de reacció de BmEH, així com també l’estudi de la dinàmica conformacional de l’enzim, amb l’objectiu final d’entendre i elucidar els orígens i principals factors que modulen la seva acció enzimàtica