Protein Electric Fields Enable Faster and Longer-Lasting Covalent Inhibition of β-Lactamases

化学 共价键 亲核细胞 电泳剂 静电学 离解(化学) 活动站点 计算化学 非共价相互作用 组合化学 催化作用 立体化学 分子 有机化学 物理化学 氢键
作者
Zhe Ji,Jacek Kozuch,I.I. Mathews,Christian S. Diercks,Yasmin Shamsudin,Mirjam A. Schulz,Steven G. Boxer
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:144 (45): 20947-20954 被引量:19
标识
DOI:10.1021/jacs.2c09876
摘要

The widespread design of covalent drugs has focused on crafting reactive groups of proper electrophilicity and positioning toward targeted amino-acid nucleophiles. We found that environmental electric fields projected onto a reactive chemical bond, an overlooked design element, play essential roles in the covalent inhibition of TEM-1 β-lactamase by avibactam. Using the vibrational Stark effect, the magnitudes of the electric fields that are exerted by TEM active sites onto avibactam's reactive C═O were measured and demonstrate an electrostatic gating effect that promotes bond formation yet relatively suppresses the reverse dissociation. These results suggest new principles of covalent drug design and off-target site prediction. Unlike shape and electrostatic complementary which address binding constants, electrostatic catalysis drives reaction rates, essential for covalent inhibition, and deepens our understanding of chemical reactivity, selectivity, and stability in complex systems.

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