Structure, Mutagenesis, and QM:MM Modeling of 3-Ketosteroid Δ 1 -Dehydrogenase from Sterolibacterium denitrificans ─The Role of a New Putative Membrane-Associated Domain and Proton-Relay System in Catalysis

酮甾体 突变 领域(数学分析) QM/毫米 化学 质子 继电器 立体化学 物理 突变 生物化学 催化作用 异构酶 量子力学 基因 数学分析 功率(物理) 数学
作者
Patrycja Wójcik,Michał Glanowski,B. Mrugala,Magdalena Procner,Olga Zastawny,Monika Flejszar,Katarzyna Kurpiewska,E. Niedzialkowska,W. Minor,Maria Oszajca,Andrzej J. Bojarski,Agnieszka M. Wojtkiewicz,Maciej Szaleniec
出处
期刊:Biochemistry [American Chemical Society]
卷期号:62 (3): 808-823 被引量:14
标识
DOI:10.1021/acs.biochem.2c00576
摘要

3-Ketosteroid Δ1-dehydrogenases (KstD) are important microbial flavin enzymes that initiate the metabolism of steroid ring A and find application in the synthesis of steroid drugs. We present a structure of the KstD from Sterolibacterium denitrificans (AcmB), which contains a previously uncharacterized putative membrane-associated domain and extended proton-relay system. The experimental and theoretical studies show that the steroid Δ1-dehydrogenation proceeds according to the Ping–Pong bi–bi kinetics and a two-step base-assisted elimination (E2cB) mechanism. The mechanism is validated by evaluating the experimental and theoretical kinetic isotope effect for deuterium-substituted substrates. The role of the active-site residues is quantitatively assessed by point mutations, experimental activity assays, and QM/MM MD modeling of the reductive half-reaction (RHR). The pre-steady-state kinetics also reveals that the low pH (6.5) optimum of AcmB is dictated by the oxidative half-reaction (OHR), while the RHR exhibits a slight optimum at the pH usual for the KstD family of 8.5. The modeling confirms the origin of the enantioselectivity of C2-H activation and substrate specificity for Δ4-3-ketosteroids. Finally, the cholest-4-en-3-one turns out to be the best substrate of AcmB in terms of ΔG of binding and predicted rate of dehydrogenation.
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