QM/MM酶催化反应机制研究

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酶反应机理的研究是化学和生物学中的核心问题之一,并且长期以来受到广泛关注。然而,酶催化反应的研究相当复杂,实验和计算模拟都充满挑战,主要是因为酶反应过程的多尺度特征[1]:如图1所示,化学键裂解和反应底物的产生,蛋白质局部氨基酸残基碱基的运动通常在飞秒到皮秒的时间尺度上。为了描述诸如水的溶剂分子的动态行为,至少需要皮秒时标,并且蛋白质α-螺旋,b-片等的二级结构运动循环在纳秒级别。较高时间的结构如蛋白质(酶)折叠形成较长的时间尺度,范围从微秒到毫秒。目前,基于经典力学和量子力学的QM/MM组合方法被认为是研究酶催化机理的最可靠的计算模拟方法之一。特别是在结合分子动力学模拟(MD)之后,QM/MM MD可以从原子模拟。在电子层面,深入了解关键信息,如酶反应过程中涉及的一系列结构和能量演变。 Levitt教授和QM/MM方法的原始支持者Warshel教授以及在MD领域培养了大量人才的学术大师Karplus教授分享了2013年诺贝尔化学奖。以SpnF酶的催化机理为例,与您分享QM/MM计算在酶催化机理研究中的应用。

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图1.不同类型蛋白质运动的时间尺度

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图2. SpnF酶中可能的[4 + 2]和[6 + 4]环化机制

周环反应广泛用于有机合成。许多有机名称反应可以在自然界中找到相关的功能酶[2]。例如,已经通过实验报道了催化[4 + 2]型Diels-Alder周环反应的酶。 [3,4],理论模拟,以SpnF酶为例,Houk团队揭示了SpnF酶在早期气相模拟中的潜在[6 + 4]环化分支反应潜力[5],因此对于这些酶无论是单功能Diels-Alderases,还是[4 + 2]和[6 + 4]环化反应异质性的可能性,仍然存在争议。最近,Houk团队[6]基于过渡态采样的扰动理论,和Hess等人。 [7]基于完整的酶系统QM/MM MD计算澄清了催化[4 + 2]反应是SpnF酶的主要活性,尽管确实存在[4 + 2]和[4 + 2]共享的过渡态区域。 [6 + 4]分支反应,如图2所示。

赫斯等人。选择二维反应坐标进行QM/MM MD模拟,QM部分选择M06-2X方法,广泛应用于环化反应研究。他们通过考虑不同大小的QM区域获得关键氨基酸残基以调节酶促反应。如图3所示,考虑到QM区域,关键氨基酸残基如Tyr23,Thr196和Trp256,[6 + 4]支化反应的可能性由于它们与配体的相互作用而逐渐降低(氢键)和p-堆积),其促进[4 + 2]反应性构象的底物。特别是,Thr196的作用最显着。它与底物的相互作用削弱了C13→C14双键性质并抑制了[6 + 4]反应性。在Thr196Ala突变模拟中,[6 + 4]反应概率增加到90%。野生型中的[6 + 4]环化反应仅占5.6%。计算还发现,即使反应形成[6 + 4]副产物,关键的氨基酸残基Thr196促进其进一步重排以得到最终的[4 + 2]产物。 Tyr23/Trp256和衬底的p-堆叠使得C2=C3双键周围的电子更加离域。 SpnF具有一定[6 + 4]环化反应概率的原因主要是Asn148和Leu198残基对配体的影响,这更有利于[6 + 4]反应。然而,过渡分支区域的详细QM/MM MD取样结果表明[4 + 2]环化是SpnF催化的主要反应(图4)。作者进一步分析说,与其他已知的DielsAlderases酶不同,SpnF酶不仅利用氢键结合,还利用芳香膨胀效应增加[4 + 2]和[6 + 4]中的酶促反应。之间的选择性。这些发现为未来的DielsAlderases蛋白质设计提供了重要的理论指导。

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图3.在不同QM区域获得的反应自由能谱及其[6 + 4]产物比重。 AàC三种模型中关键氨基酸的数量逐渐增加

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图4.来自过渡区域的QM/MM非限制性MD采样结果的统计分析。蓝线表示通向[4 + 2]产物的反应轨迹,绿线表示返回反应底物状态的轨迹数,红线表示[6 + 4]支链反应的数量

为了研究SpnF酶和水溶液对分叉反应的影响,Houk团队[6]使用研究小组开发的基于环境扰动的过渡态采样方法(EPTSS)来比较SpnF中的DA反应机理。酶和水溶液。他们的计算模拟发现,在不同的水和酶载体中,基质分子的过渡态在主要构象上差别很大。结果表明,SpnF酶中存在[4 + 2]和[6 + 4]的分叉。过渡状态和[4 + 2]/[6 + 4]产物在分水过渡态的水 - 酶环境中的比例在水中的1.6: 1.0的水中为1.1×:并且它们也显示出来这个酶的细节。催化调节关键氨基酸。最后,他们提出了从传统PnF反应的热力学控制和动力学控制的不同观点,这被认为是一种全新的蛋白质氨基酸“动态效应”(动态效应)控制酶的催化调节。

参考

1.Osuna,S.et al。Molecular Dynamics Explorations of Active Site Structure in Designed and Evolved Enzymes。化学研究,2015。48(4): p。 1080至1089年。

2. Lin,CI,RM McCarty和HW Liu,有机转化的酶学:生物系统中名称反应的调查。 Angewandte Chemie-International Edition,2017。56(13): p。 3446-3489。

3.Fage,C.D。等,SpnF的结构,一种催化4 + 2环加成的独立酶。 Nature Chemical Biology,2015。11(4): p。 256 - +

4.Ohashi,M。等,天然产物生物合成中SAM依赖性酶催化的周环反应。自然,2017。549(7673): p。 502 - +

5.Patel,A。等人,Spinosyn A的生物合成中的动态复合物6 + 4和4 + 2环加成。美国化学学会杂志,2016.138(11): p。 3631-3634。

6. Yang,ZY,et al。水和酶SpnF对ambimodal 6 + 4/4 + 2环加成的动力学和能量学的影响。美利坚合众国国家科学院院刊,2018年。(5): p。 E848-E855。

7. Chen,N.H。等,Spinosyn A的生物合成A: A 4 + 2或6 + 4环加成? Acs Catalysis,2018。8(3): p。 2353-2358。

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