Computer modeling of the catalytic activity of coupled binuclear copper enzymes

Abstract

Coupled binuclear copper (CBC) enzymes is an important family of redox active metalloenzymes. They catalyze various chemical transformations, typically oxidation reactions. Using hybrid quantum and molecular mechanical calculations (QM/MM), we computationally characterized initial steps in the reaction mechanism of two CBC enzymes: catechol oxidases and o-aminophenol oxidases. Catechol oxidases were represented by the polyphenol oxidase 6 (PPO6), and Ipomoea batatas catechol oxidase (IBCO). The o-aminophenol oxidases were represented by the NspF, a protein named after its gene code. By comparing the computed data with the previous work on tyrosinase (Ty), we attempted to answer the question why both NspF and Ty can hydroxylate phenols whereas catechol oxidases cannot. Our preliminary results indicate that there is a significant difference in the energy of the rate-determining transition state corresponding to the attack of the activated oxyl radical along with the phenol binding to the active site. The computed energy for the second transition state is lower for NspF in comparison with PPO6 and IBCO. Our work may help to understand the chemoselectivity of CBC enzymes, identify the second-sphere residues that are responsible for the diverse reactivities and potentially open new ways to design the CBC enzymes...

Enzymy s dvěma "spřaženými" měďnatými ionty v aktivním místě (coupled binuclear copper enzymes, CBC) jsou důležitou skupinou redoxně aktivních metaloenzymů. Katalyzují různé chemické přeměny, typicky oxidační reakce. Pomocí hybridních kvantových a molekulově mechanických výpočtů (QM/MM) jsme výpočetně charakterizovali počáteční kroky v reakčním mechanismu dvou CBC enzymů: katecholoxidáz a o-aminofenoloxidáz. Katecholoxidázy byly reprezentovány polyfenoloxidázou 6 (PPO6) a katecholoxidázou z Ipomoea batatas (IBCO), o-aminofenoloxidázy pak zastupoval protein NspF, pojmenovaný podle svého genového kódu. Porovnáním vypočtených údajů s předchozími prácemi zabývajícími se tyrosinázou (Ty) jsme se pokusili odpovědět na otázku, proč NspF a Ty hydroxylují fenoly, zatímco katecholoxidázy nikoli. Naše předběžné výsledky ukazují, že existuje významný rozdíl v energii tranzitního stavu určujícího rychlost reakce, který odpovídá radikálové reakci aktivovaného kyslíkového (oxylového) radikálu spolu s vazbou fenolu na jeden z iontů mědi v aktivním místě. Vypočtená energie tohoto (v pořadí druhého) tranzitního stavu je nižší pro NspF než pro PPO6 a IBCO. Naše práce tak může pomoci pochopit chemoselektivitu CBC enzymů, identifikovat aminokyselinové zbytky ze vzdálenější druhé koordinační sféry, které jsou zodpovědné za...