Proteins equipped with flavin adenine dinucleotides (FAD) or flavin mononucleotides (FMN) are named flavoproteins and constitute about 1% of all existing proteins. They catalyze redox, acid-base and photochemical reactions in a variety of biochemical phenomena that goes from energy metabolism to DNA repair and light sensing. The versatility observed in flavoproteins is ultimately a balance of flavin intrinsic properties modulated by a protein environment. This thesis aims to investigate how flavoproteins work by systematic evaluating flavin properties and reactivity. In particular, the mechanism of fumarate reduction by the flavoenzyme fumarate reductase Fcc₃ was determined. Electronic-structure calculations were used for this task based on rigorous calibration with experimental data and error assessment. Flavin properties at chemical accuracy were obtained with single reference coupled-cluster CCSD(T) calculations at the complete basis set limit. Density functional theory was demonstrated an excellent alternative with lower computational costs and slightly less accuracy. Flavin protonation and tautomerism were shown to be important modulators of flavin properties and reactivity, with the possibility of various tautomers existing at neutral pH. Regarding flavin redox properties, an analysis based on multiconfigurational wave function weights was proposed for categorizing flavin redox reactions as hydride or hydrogen-atom transfers. This analysis is an upgrade over traditional partial charges methods and can be applied not only to flavin reactions but to any protoncoupled electron transfer. In the investigation of the enzymatic mechanism of fumarate reduction, the reaction was determined as a nucleophilic addition by hydride transfer with carbanion formation. Fumarate reductase employs electrostatic catalysis in contrast to previous proposals of substrate straining and general-acid catalysis. Also, hydride transfer was shown to be vibronically adiabatic with low tunneling contribution. These findings give new insights into the mechanisms of fumarate reductases and provide a framework for future computational studies of flavoproteins in general. The analyses and benchmark studies presented can be used to build better models of properties and reactivity of flavins and flavoproteins.

Proteínas equipadas com dinucleotídeos de flavina-adenina (FAD) e mononucleotídeos de flavina (FMN) são chamadas flavoproteínas e constituem cerca de 1% de todas as proteínas existentes. Elas catalisam reações redox, ácido-base e fotoquímicas numa variedade de fenômenos bioquímicos que vão desde o metabolismo energético até reparo de DNA e captação de luz. A versatilidade observada em flavoproteínas é em última instância um balanço das propriedades intrínsecas de flavinas moduladas por um ambiente proteico. Esta tese busca investigar como flavoproteínas funcionam através de avaliações sistemáticas de propriedades e reatividade de flavinas. Em particular, o mecanismo de redução de fumarato pela flavoenzima fumarato redutase Fcc₃ foi determinado. Cálculos de estrutura eletrônica foram usados para esta tarefa com base em rigorosa calibração com dados experimentais e avaliação de erros. As propriedades de flavinas foram determinadas com acurácia química com cálculos monoconfiguracionais de coupled-cluster CCSD(T) no limite de conjunto base completo. A teoria do funcional da densidade mostrou-se uma alternativa excelente com menor custo computacional e um pouco menos de acurácia. Protonação e tautomerismo de flavinas mostraram-se moduladores importantes de suas propriedades e reatividade, com a possibilidade de vários tautômeros existirem em pH neutro. Em relação às propriedades redox de flavinas, uma análise baseada nos pesos de funções de onda multiconfiguracionais foi proposta para categorizar as reações redox de flavinas como transferências de hidreto ou hidrogênio. Esta análise é uma melhoria em relação aos métodos tradicionais de cargas parciais e pode ser aplicada não apenas para reações de flavinas mas para qualquer transferência de próton acoplada a elétrons. Na investigação do mecanismo enzimático de redução de fumarato, a reação foi designada como uma adição nucleofílica por transferência de hidreto e formação de carbânion. A fumarato redutase usa catálise eletrostática diferentemente de prospostas anteriores envolvendo distorção do substrato e catálise ácida geral. Além disso, a transferência de hidreto mostrou-se vibronicamente adiabática com pouca contribuição de tunelamento. Estas descobertas abrem novas perspectivas sobre os mecanismos de fumarato redutases e fornecem uma base para estudos computacionais futuros sobre flavoproteínas em geral. As análises e estudos comparativos apresentados podem ser usados para construir melhores modelos para propriedades e reatividade de flavinas e flavoproteínas.