Transition State Analysis of SAMHD1 from Primary 18O, 33P, and Solvent Kinetic Isotope Effects

化学 动力学同位素效应 动能 同位素 小学(天文学) 放射化学 溶剂 化学反应动力学 物理化学 化学动力学 动力学 核物理学 有机化学 物理 量子力学 天文
作者
Ananda K. Ghosh,D. Groom,Vern L. Schramm
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/jacs.5c00521
摘要

Human sterile alpha motif and HD-domain-containing protein 1 (SAMHD1) is an allosterically regulated dNTP triphosphohydrolase (dNTP + H2O → dNuc + PPPi) involved in deoxynucleotide regulation and DNA repair. We characterized the chemical features of the SAMHD1 transition state for 2′-deoxyadenosine 5′-triphosphate (dATP) hydrolysis by analysis of 18O and 33P primary kinetic isotope effects (KIEs) at the α-phosphoryl of the leaving triphosphate group. The intrinsic KIE values for [5′-18O]dATP of 1.028 ± 0.003 and for [α-33P]dATP of 1.015 ± 0.004 provide insights into the mechanistic details of the SAMHD1 transition state. Solvent 2H2O isotope effects for the hydrolysis of dATP indicate that a single proton is being transferred at the transition state to give a solvent KIE of 3.2 ± 0.1. Quantum chemical matching of the isotope effects supports a concerted, loose, highly asymmetric DNAN transition state with a Pauling bond order of 0.17 to the attacking hydroxide oxygen nucleophile and 0.53 to the departing deoxyadenosine. The reaction coordinate distance is 4.7 Å from attacking the hydroxyl oxygen to departing 5′-deoxyadenosine oxygen. The solvent KIE is consistent with a near-midpoint proton transfer from the His215 catalytic site proton donor to the deoxyadenosine 5′-oxygen in the transition state. This is the first triphosphohydrolase transition state to be characterized and the first use of a 33P primary isotope effect to characterize a phosphotransferase transition state.

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