Fast product release requires active-site water dynamics in carbonic anhydrase

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作者
Jin Kyun Kim,Seon Woo Lim,Hannah Jeong,Cheol Lee,Seoyoon Kim,Dong Woo Son,Rajeev Kumar,Jacob T. Andring,Carrie L. Lomelino,Jennifer L. Wierman,Aina E. Cohen,Tae Joo Shin,Cheol-Min Ghim,Robert McKenna,Byung Hoon Jo,Duyoung Min,Jeong‐Mo Choi,Chae Un Kim
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:16 (1): 4404-4404 被引量:2
标识
DOI:10.1038/s41467-025-59645-x
摘要

Water plays an essential role in enzyme structure, stability, and the substantial rate enhancement of enzyme catalysis. However, direct observations linking enzyme catalysis and active-site water dynamics pose a significant challenge due to experimental difficulties. By integrating an ultraviolet (UV) photolysis technique with temperature-controlled X-ray crystallography, we track the catalytic pathway of carbonic anhydrase II (CAII) at 1.2 Å resolution. This approach enables us to construct molecular movies of CAII catalysis, encompassing substrate (CO2) binding, conversion from substrate to product (bicarbonate), and product release. In the catalytic pathway, we identify an unexpected configuration in product binding and correlate it with sub-nanosecond rearrangement of active-site water. Based on these experimental observations, we propose a comprehensive mechanism of CAII and describe the detailed structure and dynamics of active-site water in CAII. Our findings suggest that CAII has evolved to utilize the structure and fast dynamics of the active-site waters for its diffusion-limited catalytic efficiency.
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