Sulfonate/Nitro Bearing Methylmalonyl-Thioester Isosteres Applied to Methylmalonyl-CoA Decarboxylase Structure–Function Studies

化学 脱羧 硫酯 立体化学 水解 组氨酸 磺酸盐 生物化学 有机化学 催化作用
作者
L.M. Stunkard,Austin D. Dixon,T.J. Huth,Jeremy R. Lohman
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:141 (13): 5121-5124 被引量:22
标识
DOI:10.1021/jacs.9b00650
摘要

Malonyl-thioesters are reactive centers of malonyl-CoA and malonyl-S-acyl carrier protein, essential to fatty acid, polyketide and various specialized metabolite biosynthesis. Enzymes that create or use malonyl-thioesters spontaneously hydrolyze or decarboxylate reactants on the crystallographic time frame preventing determination of structure–function relationships. To address this problem, we have synthesized a panel of methylmalonyl-CoA analogs with the carboxylate represented by a sulfonate or nitro and the thioester retained or represented by an ester or amide. Structures of Escherichia coli methylmalonyl-CoA decarboxylase in complex with our analogs affords insight into substrate binding and the catalytic mechanism. Counterintuitively, the negatively charged sulfonate and nitronate functional groups of our analogs bind in an active site hydrophobic pocket. Upon decarboxylation the enolate intermediate is protonated by a histidine preventing CO2-enolate recombination, yielding propionyl-CoA. Activity assays support a histidine catalytic acid and reveal the enzyme displays significant hydrolysis activity. Our structures also provide insight into this hydrolysis activity. Our analogs inhibit decarboxylation/hydrolysis activity with low micromolar Ki values. This study sets precedents for using malonyl-CoA analogs with carboxyate isosteres to study the complicated structure–function relationships of acyl-CoA carboxylases, trans-carboxytransferases, malonyltransferases and β-ketoacylsynthases.
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