Allosteric regulation of β-reaction stage I in tryptophan synthase upon the α-ligand binding

变构调节 色氨酸合酶 化学 配体(生物化学) 二面角 立体化学 蛋白质亚单位 氢键 ATP合酶 吲哚试验 结晶学 色氨酸 分子 氨基酸 受体 生物化学 基因 有机化学
作者
Shingo Ito,Kiyoshi Yagi,Yuji Sugita
出处
期刊:Journal of Chemical Physics [American Institute of Physics]
卷期号:158 (11)
标识
DOI:10.1063/5.0134117
摘要

Tryptophan synthase (TRPS) is a bifunctional enzyme consisting of α- and β-subunits that catalyzes the last two steps of L-tryptophan (L-Trp) biosynthesis. The first stage of the reaction at the β-subunit is called β-reaction stage I, which converts the β-ligand from an internal aldimine [E(Ain)] to an α-aminoacrylate [E(A-A)] intermediate. The activity is known to increase 3-10-fold upon the binding of 3-indole-D-glycerol-3'-phosphate (IGP) at the α-subunit. The effect of α-ligand binding on β-reaction stage I at the distal β-active site is not well understood despite the abundant structural information available for TRPS. Here, we investigate the β-reaction stage I by carrying out minimum-energy pathway searches based on a hybrid quantum mechanics/molecular mechanics (QM/MM) model. The free-energy differences along the pathway are also examined using QM/MM umbrella sampling simulations with QM calculations at the B3LYP-D3/aug-cc-pVDZ level of theory. Our simulations suggest that the sidechain orientation of βD305 near the β-ligand likely plays an essential role in the allosteric regulation: a hydrogen bond is formed between βD305 and the β-ligand in the absence of the α-ligand, prohibiting a smooth rotation of the hydroxyl group in the quinonoid intermediate, whereas the dihedral angle rotates smoothly after the hydrogen bond is switched from βD305-β-ligand to βD305-βR141. This switch could occur upon the IGP-binding at the α-subunit, as evidenced by the existing TRPS crystal structures.
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