Elucidating the Enzymatic Mechanism of Dihydrocoumarin Degradation: Insight into the Functional Evolution of Methyl-Parathion Hydrolase from QM/MM and MM MD Simulations

机制(生物学) 水解酶 化学 QM/毫米 降级(电信) 生物化学 计算化学 计算机科学 分子动力学 物理 电信 量子力学
作者
Yuzhuang Fu,Jun Yu,Fangfang Fan,Binju Wang,Zexing Cao
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry B [American Chemical Society]
卷期号:128 (23): 5567-5575
标识
DOI:10.1021/acs.jpcb.4c00970
摘要

Methyl-parathion hydrolase (MPH), which evolved from dihydrocoumarin hydrolase, offers one of the most efficient enzymes for the hydrolysis of methyl-parathion. Interestingly, the substrate preference of MPH shifts from the methyl-parathion to the lactone dihydrocoumarin (DHC) after its mutation of five specific residues (R72L, L273F, L258H, T271I, and S193Δ, m5-MPH). Here, extensive QM/MM calculations and MM MD simulations have been used to delve into the structure-function relationship of MPH enzymes and plausible mechanisms for the chemical and nonchemical steps, including the transportation and binding of the substrate DHC to the active site, the hydrolysis reaction, and the product release. The results reveal that the five mutations remodel the active pocket and reposition DHC within the active site, leading to stronger enzyme-substrate interactions. The MM/GBSA-estimated binding free energies are about -20.7 kcal/mol for m5-MPH and -17.1 kcal/mol for wild-type MPH. Furthermore, this conformational adjustment of the protein may facilitate the chemical step of DHC hydrolysis and the product release, although there is a certain influence on the substrate transport. The hydrolytic reaction begins with the nucleophilic attack of the bridging OH
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