Enzyme Promiscuity versus Fidelity in Two Sesquiterpene Cyclases (TEAS versus ATAS)

化学 立体化学 催化循环 部分 酶催化 活动站点 残留物(化学) 土曲霉 催化作用 生物化学
作者
Fan Zhang,Tianyue An,Xiaowen Tang,Jiachen Zi,Hai‐Bin Luo,Ruibo Wu
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:10 (2): 1470-1484 被引量:32
标识
DOI:10.1021/acscatal.9b05051
摘要

Catalytic promiscuity, as a modern and imperfect understanding concept in enzyme catalysis community, is prevailing in plant-derived sesquiterpene cyclases (FPPC) and highly related to the chemical diversity of sesquiterpenoid natural products. Both the Nicotiana tabacum 5-epi-aristolochene synthase (TEAS) and Aspergillus terreus aristolochene synthase (ATAS) belong to FPPC, involve the same reaction pathway, and yield their ultimate main product (aristolochene) with different stereochemistries. The catalytic promiscuity of TEAS and fidelity of ATAS have been observed in previous experimental studies, but the detailed catalytic mechanism is still not clear. Herein, by employing the quantum classical multiscale molecular dynamics simulations and site-directed mutagenesis experiments, the complete enzyme catalytic pathways from the substrate to aristolochene and various side products (in TEAS) are investigated and the important mechanism insights are included: (1) the PPi moiety (diphosphate group, released from the substrate) would further act as the general acid/base in both TEAS and ATAS enzyme catalysis, which likely plays a general role in FPPC. (2) The Asp444–Tyr520 dyad acts as an additional general acid/base residue pair to increase promiscuity in TEAS. (3) The enriched aromatic residues are essential for the catalytic fidelity of ATAS. Finally, we further discuss the three critical chemical control factors which are proposed to be responsible for the catalytic promiscuity and fidelity in most FPPC, that is, substrate folding mode, intermediate flexibility, and key residue, owing to the more or less plasticity of the active pocket in various FPPC.

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