Báo cáo khoa học: L-Lactate dehydrogenation in flavocytochrome b2 A first principles molecular dynamics study

L-Lactate Dehydrogenation In Flavocytochrome B₂

Tên đề tài: L-Lactate dehydrogenation in flavocytochrome b₂

Tác giả: Gloria Tabacchi, Daniela Zucchini, Gianluca Caprini, Aldo Gamba, Florence Lederer, Maria A. Vanoni, Ettore Fois

Lĩnh vực: Hóa sinh, Khoa học phân tử, Động lực học phân tử

Nội dung tài liệu: Nghiên cứu này áp dụng phương pháp động lực học phân tử nguyên lý đầu tiên để khảo sát cơ chế của phản ứng oxy hóa L-lactate xúc tác bởi flavocytochrome b₂ (Fcb2). Các mô hình hóa học lượng tử của vị trí hoạt động của enzyme, tương tác với cơ chất L-lactate, đã được xây dựng và mô phỏng. Kết quả mô phỏng cho thấy phản ứng oxy hóa L-lactate xảy ra thông qua một cơ chế chuyển hydride không đồng bộ, trong đó quá trình chuyển proton từ nhóm hydroxyl alpha của lactate đến gốc histidine ở vị trí hoạt động xảy ra trước và hỗ trợ quá trình chuyển hydride của nguyên tử alpha-hydrogen đến vị trí N5 của flavin. Năng lượng rào cản hoạt hóa tính toán được là 12.1 kcal mol⁻¹, phù hợp với các giá trị thực nghiệm. Nghiên cứu cũng làm nổi bật vai trò của chuỗi ribityl của flavin mononucleotide và các phân tử nước trong vị trí hoạt động, cũng như vai trò tiềm năng của vùng C4a-C10a của isoalloxazine trong việc hỗ trợ chuyển proton.

Mục lục chi tiết:

• Keywords
• Correspondence
• First principles molecular dynamics studies on active-site models of flavocytochrome b₂ (L-lactate: cytochrome c oxidoreductase, Fcb2), in complex with the substrate, were carried out for the first time to contribute towards establishing the mechanism of the enzyme-catalyzed L-lactate oxidation reaction, a still-debated issue.
• Flavoenzymes are a class of oxidoreductases, widespread in nature, which catalyze fundamental oxidoreduction reactions of cell metabolism [1].
• Flavocytochrome b₂ (L-lactate cytochrome c oxidoreductase, EC 1.1.2.3, Fcb2) is a homotetrameric yeast enzyme that catalyzes the oxidation of L-lactate to pyruvate with a subsequent reduction of cytochrome c.
• Abbreviations
• Scheme 1. (A) The carbanion or proton abstraction (PA) mechanism. (B) The hydride transfer (HT) mechanism.
• Scheme 1. (A) The carbanion or proton abstraction (PA) mechanism. (B) The hydride transfer (HT) mechanism.
• Results and Discussion
• Choosing the minimal Fcb2 active-site model
• Table 1. Summary of residues included in the flavocytochrome b₂ (Fcb2) active-site models and their role as inferred from studies on the wild-type and engineered enzymes.
• Fig. 1. The minimum energy structure of Model 2 in complex with L-lactate.
• Procedures and Doc. S1.
• Fig. 2. (A) PA-prone orientation of L-lactate.
• Fig. 3. The S371-Wat609-D282-H373-pyruvate-FMN arrangement in 1fcb.
• The Michaelis complex
• Table 2. Relevant geometrical parameters for the optimized enzyme-lactate (hydride transfer- and proton abstraction-prone) and enzyme-pyruvate complexes obtained using Model 2.
• Fig. 4. Simulated free energy profile for the lactate dehydrogenation reaction with Model 2.
• Fig. 5. L-Lactate/FMN/H373 arrangement along the simulated lactate dehydrogenation.
• Fig. 6. Variation of relevant distances (in Å) and angles in (°) along the simulated reaction path as a function of the reaction coordinate Q.
• Fig. 7. Representation of electronic structure details of the substrate and the flavin ring at Q = -0.33 Å (A) and Q = 0 (B).
• Fig. 8. Representation of the contour plots of the electronic density of the Wannier orbitals along the C4a-C10a bond of the flavin, forming the ‘electron-paved path’ for a-hydroxyl proton transfer from lactate to H373 shown at Q = -0.7 Å.
• Conclusions
• Experimental procedures
• Model building
• Computational methods
• Simulation of the lactate oxidation reaction
• Acknowledgements
• References
• Supporting information