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How is the Reactivity of Cytochrome P450cam Affected by Thr252X Mutation? A QM/MM Study for X = Serine, Valine, Alanine, Glycine

化学 丙氨酸 丝氨酸 甘氨酸 缬氨酸 立体化学 突变体 质子化 氨基酸 生物化学 有机化学 离子 基因
作者
Muhannad Altarsha,Tobias Benighaus,Devesh Kumar,Walter Thiel
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:131 (13): 4755-4763 被引量:51
标识
DOI:10.1021/ja808744k
摘要

Proton transfer reactions play a vital role in the catalytic cycle of cytochrome P450cam and are responsible for the formation of the iron-oxo species called Compound I (Cpd I) that is supposed to be the active oxidant. Depending on the course of the proton transfer, protonation of the last observable intermediate (ferric hydroperoxo complex, Cpd 0) can lead to either the formation of Cpd I (coupling reaction) or the ferric resting state (uncoupling reaction). The ratio of these two processes is drastically affected by mutation of the Thr252 residue. In this work, we study the effect of Thr252X (X = serine, valine, alanine, glycine) mutations on the formation of Cpd I by means of hybrid quantum mechanical/molecular mechanical (QM/MM) calculations and classical simulations. In the wild-type enzyme, the coupling reaction is favored since its rate-limiting barrier is 13 kcal/mol lower than that for uncoupling. This difference is reduced to 7 kcal/mol in the serine mutant. In the case of valine, alanine, and glycine mutants, an additional water molecule enters the active site and lowers the activation energy of the uncoupling reaction significantly. With the additional water molecule, coupling and uncoupling have similar barriers in the valine mutant, and the uncoupling reaction becomes favored in the alanine and glycine mutants. These findings agree very well with experimental results and thus confirm the assumption that uncontrolled proton delivery by solvent water networks is responsible for the uncoupling reaction. The present study provides a detailed mechanistic understanding of the role of the Thr252 residue.

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