人工设计逆醛缩酶RA95.5-8F催化β-羟基酮C—C裂解的理论研究

doi:10.7503/cjcu20210125

摘要/Abstract

摘要：

采用量子力学与分子力学组合(QM/MM)方法对人工设计逆醛缩酶RA95.5-8F催化β-羟基酮化合物裂解反应的机理进行了研究. 结果表明, 裂解反应主要包括赖氨酸Lys1083对底物的亲核进攻、 Schiff碱形成、烯胺水解及C—N断裂等过程, C—N键裂解生成丙酮为整个反应的决速步骤, 能垒为106.27 kJ/mol; 活性中心的赖氨酸Lys1083、酪氨酸Tyr1051、天冬酰胺Asn1110和酪氨酸Tyr1180构成一个催化四联体, Lys1083通过与底物形成席夫碱对底物进行活化, Tyr1051作为催化酸碱参与质子转移过程, 催化四联体的氢键网络有利于反应过渡态的稳定并使R-构型的底物更容易结合在活性位点, 导致RA95.5-8F对R构型底物具有高的选择性和催化活性.

关键词: 量子力学与分子力学组合方法, 逆醛缩酶, 酶催化反应, 反应机理

Abstract:

The mechanism of the cleavage of β-hydroxy ketone catalyzed by the artificial retro-aldolase RA95.5-8F was studied by the combined quantum mechanics and molecular mechanics（QM/MM） method. The results show that the cleavage reaction includes the nucleophilic attack of Lys1083 on the substrate， formation of Schiff base intermediate， hydrolysis of enamine， C—N cleavage and so on. The final step of the cleavage of C—N bond to generate acetone is the rate-limiting step with the energy barrier of 106.27 kJ/mol. Lys1083， Tyr1051， Asn1110 and Tyr1180 form a catalytic tetrad， in which Lys1083 and Tyr1051 act as nucleophile and catalytic acid-base， respectively. The hydrogen bond network of the catalytic tetrad stabilizes the reaction transition states and makes it easier for R-configuration substrate to bind to the active site， resul?ting in the high selectivity and reactivity of RA95.5-8F for R-configuration substrate.

Key words: Combined quantum mechanics/molecular mechanics（QM/MM） method, Retro-aldolase, Enzymatic reaction, Reaction mechanism

中图分类号:

O641

TrendMD:

李心怡, 刘永军. 人工设计逆醛缩酶RA95.5-8F催化β-羟基酮C—C裂解的理论研究. 高等学校化学学报, 2021, 42(7): 2306.

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图/表 10

Scheme 1 Catalytic reaction catalyzed by retro aldolase

Scheme 2 Crystal structures of the engineered retro?aldolase RA95.5?8F with a bound 1,3?diketone inhibitor(PDB ID: 5AN7)(A) and active site of the retro?aldolase RA95.5?8F in which the inhibitor has been manually modified to the reaction intermediate(B)

Fig.1 RMSD for the backbone atoms of the enzyme in complex with a Schiff base intermediate in 35 ns MD simulation

Fig.2 Selected QM region for the QM/MM calculations

Fig.3 Optimized structures of species involved in the formation of the aldehyde and enamine（A） R；（B） TS1；（C） IM1；（D） TS2；（E） IM2；（F） TS3；（G） IM3；（H） TS4；（I） IM4.All distances are given in nm.

Fig.4 Potential energy profile for the formation of the aldehyde and enamineThe energy was calculated at B3LYP/6-311++G（2d，2p） level with the correction of empirical dispersion.

Fig.5 Optimized structures of species involved in the hydrolysis of the enamine and the release of acetone（A） TS5；（B） IM5；（C） TS6；（D） IM6；（E） TS7；（F） P. All distances are given in nm.

Fig.6 Potential energy profile for the hydrolysis of the enamine and the release of acetoneThe energy was calculated at B3LYP/6-311++G（2d，2p） level with the correction of empirical dispersion.

Fig.7 Optimized structures of R′ to IM1′ after the mutation of Tyr1051Phe, Asn1110Ser and Tyr1180Phe（A） R′；（B） TS′；（C） IM1′. All distances are given in nm.

Fig.8 Suggested catalytic mechanism of the retro?aldolase RA95.5?8F based on the QM/MM calculations

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