Insights into the Interaction Mechanism of Protocatechuate 3,4-Dioxygenase with Substrates via Multispectroscopy and Molecular Docking

化学 猝灭(荧光) 突变 氢键 对接(动物) 机制(生物学) 生物物理学 劈开 生物化学 荧光 分子动力学 活动站点 合理设计 组合化学 定点突变 原儿茶酸 催化作用 立体化学 分子模型 疏水效应 DNA 芳香族氨基酸 蛋白质结构 静电 半胱氨酸 结合位点 蛋白质-蛋白质相互作用 发色团 劈理(地质)
作者
Jiliang Cheng,Huan Du,Shanshan Jiang,Xiaojie Liu,Nianjue Zheng,Jin-Cheng Ye,D.-W. Zhang,Kun Xin,Lei Xiang,Yan-Wen Li,Quan-Ying Cai,Ce-Hui Mo,Hai-Ming Zhao
出处
期刊:Journal of Agricultural and Food Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:73 (40): 25222-25237
标识
DOI:10.1021/acs.jafc.5c05630
摘要

Protocatechuic acid (PCA) is a key intermediate in aromatic pollutant biodegradation, and protocatechuate 3,4-dioxygenase (3,4-PCD) can efficiently cleave its aromatic ring. The interaction mechanism remains incompletely understood. This study investigated the interaction mechanism between PCA and a 3,4-PCD from Rhodococcus sp. 2G. The recombinant enzyme was heterologously expressed in Escherichia coli, yielding 2.7 mg/L with high catalytic efficiency. Fluorescence quenching confirmed static quenching and efficient complex formation. Multispectral analysis revealed conformational and microenvironmental changes upon PCA binding. Integrated molecular dynamics simulations and site-directed mutagenesis identified Tyr253, Tyr337, His389, His391, and Arg386 as synergistic residues for PCA ring cleavage, with hydrogen bonds and electrostatic interactions being crucial. A refined catalytic mechanism was proposed. These findings provide deep biophysical insights into 3,4-PCD/PCA interactions, advance mechanistic knowledge of dioxygenases in aromatic catabolism, and offer a basis for enzyme engineering to reduce pollutants in agricultural and food systems.
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