QM/MM Study of a VIM-1 Metallo-β-Lactamase Enzyme: The Catalytic Reaction Mechanism

水解 美罗培南 化学 催化作用 从头算 碳青霉烯 亲核细胞 QM/毫米 吉布斯自由能 反应机理 活动站点 协同反应 计算化学 立体化学 活化能 组合化学 酶催化 酶动力学 有机化学 抗生素耐药性 热力学 抗生素 生物化学 物理
作者
Fabiola E. Medina,Gonzalo A. Jaña
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:12 (1): 36-47 被引量:14
标识
DOI:10.1021/acscatal.1c04786
摘要

The hydrolysis of carbapenem antibiotics by metallo-β-lactamase enzymes (MBLs) is a biologically crucial reaction that promotes the antibiotic resistance, and consequently, MBLs cause human infections. Therefore, the enzymes that catalyze this reaction are among the most important pharmacological targets, especially those of the VIM type. Despite its relevance in the increase of antimicrobial resistance, the fundamental mechanism of meropenem (carbapenem antibiotic) hydrolysis catalyzed by this enzyme is not fully understood. Here, we report the catalytic mechanism of the meropenem hydrolysis by a VIM-1 metallo-β-lactamase enzyme. We explored the chemical reaction with hybrid quantum mechanics/molecular mechanics (QM/MM) calculations, using three layers, two of them described by high-level ab initio methods at DLPNO-CCSD(T)/CBS plus M06-2X/6-311+G(2d,2p):AMBER. Our results demonstrate that the reaction occurs in three stages: nucleophilic addition, water orientation, and proton transfer. The rate-limiting step in the hydrolysis reaction was the initial stage with a Gibbs energy barrier of 15.7 kcal·mol–1. This energy value is in excellent agreement with the experimental data of 15.9 kcal·mol–1 (derived from the kcat value of 13 s–1). The Gibbs activation energy for the overall reaction was −14.5 kcal·mol–1. Our biochemical understanding of the enzymatic regulation of meropenem hydrolysis by VIM-1 not only resolves the mechanism but also allows us to identify noncatalytic residues with an effect on the rate-limiting step of the reaction. That is, revisiting the electrostatic role of the residues in the second coordination sphere yields rationally identified mutants that can be used to inhibit the activity of the metallo-β-lactamase enzyme or as a starting point for the design of β-lactam antibiotics.

科研通智能强力驱动
Strongly Powered by AbleSci AI
科研通是完全免费的文献互助平台,具备全网最快的应助速度,最高的求助完成率。 对每一个文献求助,科研通都将尽心尽力,给求助人一个满意的交代。
实时播报
2秒前
zhh完成签到,获得积分10
3秒前
4秒前
雨晴完成签到 ,获得积分10
6秒前
孙畅完成签到,获得积分10
7秒前
jjl完成签到 ,获得积分10
7秒前
稳重的秋天完成签到,获得积分10
9秒前
YY完成签到,获得积分10
10秒前
凶狠的盼柳完成签到,获得积分10
11秒前
apocalypse完成签到 ,获得积分10
11秒前
蜡笔小z完成签到 ,获得积分10
13秒前
云ch完成签到,获得积分10
14秒前
JW完成签到,获得积分10
15秒前
18秒前
煎饼果子完成签到 ,获得积分10
18秒前
April完成签到 ,获得积分10
19秒前
20秒前
asdmwhx完成签到,获得积分10
21秒前
Vicky完成签到,获得积分10
22秒前
23秒前
量子星尘发布了新的文献求助10
24秒前
25秒前
量子星尘发布了新的文献求助10
26秒前
27秒前
wanci应助森林采纳,获得30
28秒前
28秒前
小宇宙发布了新的文献求助10
34秒前
李秉烛完成签到 ,获得积分10
38秒前
39秒前
四月是你的谎言完成签到 ,获得积分10
40秒前
林大侠完成签到,获得积分10
42秒前
wfw完成签到,获得积分10
43秒前
郑阔完成签到,获得积分10
43秒前
量子星尘发布了新的文献求助10
47秒前
online1881发布了新的文献求助10
47秒前
48秒前
顺利的雁梅完成签到 ,获得积分10
48秒前
高大的清涟完成签到 ,获得积分10
48秒前
dddddw完成签到,获得积分10
48秒前
赘婿应助霍焱采纳,获得10
48秒前
高分求助中
(应助此贴封号)【重要!!请各用户(尤其是新用户)详细阅读】【科研通的精品贴汇总】 10000
Encyclopedia of Quaternary Science Reference Third edition 6000
Encyclopedia of Forensic and Legal Medicine Third Edition 5000
Introduction to strong mixing conditions volume 1-3 5000
Aerospace Engineering Education During the First Century of Flight 3000
Electron Energy Loss Spectroscopy 1500
Tip-in balloon grenadoplasty for uncrossable chronic total occlusions 1000
热门求助领域 (近24小时)
化学 材料科学 生物 医学 工程类 计算机科学 有机化学 物理 生物化学 纳米技术 复合材料 内科学 化学工程 人工智能 催化作用 遗传学 数学 基因 量子力学 物理化学
热门帖子
关注 科研通微信公众号,转发送积分 5789530
求助须知:如何正确求助?哪些是违规求助? 5720862
关于积分的说明 15474819
捐赠科研通 4917334
什么是DOI,文献DOI怎么找? 2646933
邀请新用户注册赠送积分活动 1594542
关于科研通互助平台的介绍 1549081