The Mechanistic Dissection of the Plunge in Enzymatic Activity upon Transition from Water to Anhydrous Solvents

化学 枯草杆菌素 无水的 乙腈 水溶液 酶动力学 活动站点 溶剂 滴定法 固定化酶 戊二醛 无机化学 酶分析 立体化学 有机化学
作者
Jennifer L. Schmitke,Charles R. Wescott,Alexander M. Klibanov
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:118 (14): 3360-3365 被引量:166
标识
DOI:10.1021/ja9539958
摘要

Subtilisin Carlsberg dissolved in aqueous solution is several orders of magnitude more active than the enzyme suspended in anhydrous acetonitrile. In order to ascertain why, we employed crystalline subtilisin lightly cross-linked with glutaraldehyde as a catalyst in both aqueous and organic media. The structure of this crystalline enzyme in acetonitrile had been previously found to be virtually identical to that in water, thus ruling out solvent-induced conformational changes as the cause of the enzymatic activity drop. Titration of the competent active centers of subtilisin revealed that kcat/KM is solely responsible for this activity plunge. Quantitative mechanistic analysis of the 7-order-of-magnitude difference in kcat/KM values between subtilisin dissolved in water and cross-linked subtilisin crystals suspended in anhydrous acetonitrile allowed accounting for at least 5.6 orders of magnitude. This drastic decline is due to (i) a marked shift in the activity vs pH profile of the cross-linked crystalline enzyme compared to its soluble counterpart; (ii) different (far less favorable in acetonitrile than in water) energetics of substrate desolvation; and (iii) very low thermodynamic activity of water in anhydrous acetonitrile resulting in a much more rigid and thus less active enzyme.

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