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Tese de Doutorado
DOI
https://doi.org/10.11606/T.75.2019.tde-10052021-111538
Documento
Autor
Nome completo
Marcelo Tavares de Oliveira
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Carlos, 2019
Orientador
Banca examinadora
Silva, Albérico Borges Ferreira da (Presidente)
Canduri, Fernanda
Galembeck, Sergio Emanuel
Morgon, Nelson Henrique
Porto, André Luiz Meleiro
Tormena, Cláudio Francisco
Título em português
Estudo Químico Quântico Computacional da Biossíntese do Triterpeno Pentacíclico Friedelina
Palavras-chave em português
biosíntese
carbocátion
DFT
friedelina
triterpeno
Resumo em português
Terpenos representam a maior classe de produtos naturais com variadas aplicações na agricultura, medicina, como fragrâncias e aromatizantes. Na natureza, terpenos possuem importante função na comunicação química. Apesar da grande variedade de compostos, as enzimas responsonsáveis realizam as transformações em apenas alguns poucos substratos. Terpeno sintetases são enzimas importantes no processo sendo responsáveis por ciclizações e diversos rearranjos conduzindo a variados núcleos e configurações a partir de uma estrutura base. Após o terpeno sofrer ativação, carbocátions estão presentes por todo mecanismo. Para esta tese, exploramos uma série de ciclizações e rearranjos envolvidos na biossíntese do triterpeno friedelina utilizando métodos de química quântica. Partiu-se do cátion damarenila, precursor-chave na biossíntese de triterpenos em plantas. Objetivou-se investigar a reatividade intrínseca dos diversos carbocátions na cascata de reações. Todas estruturas relevantes foram localizadas permitindo se determinar as barreiras. Os resultados mostram um mecanismo mais detalhado do que aquele apresentado anteriorment, que permite avançar em novos estudos computacionais e/ou experimentais. Entre as estruturas de carbocátions do mecanismo destacamos alguns, dentre os quais dois são secundários. Na ciclização do cátion bacharenila, um carbocátion não-clássico muito próximo ao estado de transição foi localizado. Para a conversão do cátion germanicila I em germanicila II, inferiu-se a existência de interações intermoleculares envolvidas na estabilização do carbocátion favorecendo uma conformação menos estável necessária à transformação, que sugere a participação da enzima para a conversão. O carbocátion glutinila foi o único a apresentar a hidroxila do anel A na posição axial sendo responsável parcialmente pela maior barreira de toda a sequência. Ainda observamos ainda que o momento de dipolo dos cátions aumenta seguindo um padrão do centro para os extremos da estrutura; implicações são discutidas. Os métodos utilizados no estudo foram comparados e não se observou nenhuma diferença siginificativa para o desvio absoluto médio entre os funcionais mPW1PW91 e B3LYP.
Título em inglês
Quantum Chemical Explorations into the Biosynthesis of Pentacyclic Triterpene Friedelin
Palavras-chave em inglês
biosynthesis
carbocation
DFT
friedelin
triterpene
Resumo em inglês
Terpenes comprise the largest class of natural products. These metabolites have several applications in agriculture, as flavours and fragrances, and medicines. In Nature, terpenes play key roles in chemical communication. The vast diversity in the family is achieved by enzymes working on a limited number of building blocks. Terpene synthases are major enzymes in the process responsible for cyclisations and various rearrangements, which produce numerous scaffolds and configurations from a template structure. After activation, carbocation structures are present throughout the biosynthesis process. We explored by means of quantum chemistry, a series of cyclisations/rearrangements in the pathway towards the pentacyclic triterpene friedelin starting from dammarenyl cation, a key precursor in the biosynthesis of triterpenes in plants. The sequence of transformations represents the longest route in pentacyclic triterpenes. We aimed at investigating the intrinsic reactivity of carbocations in the cascade of reactions. By locating all structures relevant to the mechanisms and determining associated energy barriers, we expand knowledge on the topic by providing an improved and more detailed mechanism, which should open up possibilities for further computational and experimental work. Of particular interest to the sequence, we highlight three structures including two secondary carbocations. In the cyclisation of baccharenyl, a non-classical carbocation very close to the transition state was located. Due to considerable strain, conversion of germanicyl I to germanicyl II requires stabilisation by non-covalent interactions to occur, which should implicate in the participation of the enzyme in pre-organising the substrate to a favourable conformation. Lastly, tertiary carbocation glutinyl proved to be the only structure with the hydroxyl group in ring A in axial position accounting partly for the highest barrier in the route. A pattern in dipole moments increasing from the centre to the edges was observed and implications discussed. Regarding methods, by comparison to BB1K, B3LYP showed very similar mean absolute deviation to mPW1PW91.
 
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Data de Publicação
2021-05-12
 
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