Molecular Dynamics and QM/MM Calculations Predict the Substrate-Induced Gating of Cytochrome P450 BM3 and the Regio- and Stereoselectivity of Fatty Acid Hydroxylation

化学 QM/毫米 分子动力学 羟基化 区域选择性 立体化学 立体选择性 位阻效应 氢键 基质(水族馆) 细胞色素P450 分子模型 脂肪酸 计算化学 有机化学 分子 催化作用 生物化学 海洋学 地质学
作者
Kshatresh Dutta Dubey,Binju Wang,Sason Shaik
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:138 (3): 837-845 被引量:95
标识
DOI:10.1021/jacs.5b08737
摘要

Theory predicts herein enzymatic activity from scratch. We show that molecular dynamics (MD) simulations and quantum-mechanical/molecular mechanics (QM/MM) calculations of the fatty acid hydroxylase P450 BM3 predict the binding mechanism of the fatty acid substrate and its enantio/regioselective hydroxylation by the active species of the enzyme, Compound I. The MD simulations show that the substrate's entrance involves hydrogen-bonding interactions with Pro25, Glu43, and Leu188, which induce a huge conformational rearrangement that closes the substrate channel by pulling together the A helix and the β1 sheet to the F/G loop. In turn, at the bottom of the substrate's channel, residue Phe87 controls the regioselectivity by causing the substrate's chain to curl up and juxtapose its CH2 positions ω-1/ω-2/ω-3 to Compound I while preventing access to the endmost position, ω-CH3. Phe87 also controls the stereoselectivity by the enantioselective steric blocking of the pro-S C–H bond, thus preferring R hydroxylation. Indeed, the MD simulations of the mutant Phe87Ala predict predominant ω hydroxylation. These findings, which go well beyond the X-ray structural data, demonstrate the predictive power of theory and its insight, which can potentially be used as a partner of experiment for eventual engineering of P450 BM3 with site-selective C–H functionalization capabilities.
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