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An electrostatic duel: subtle differences in the catalytic performance of monoamine oxidase A and B isoenzymes elucidated at the residue level using quantum computations

化学 静电学 催化作用 同工酶 活动站点 静电 计算化学 偶极子 部分 立体化学 化学物理 有机化学 物理 量子力学 物理化学
作者
Alja Prah,Janez Mavri,Jernej Stare
出处
期刊:Physical Chemistry Chemical Physics [Royal Society of Chemistry]
卷期号:23 (46): 26459-26467 被引量:11
标识
DOI:10.1039/d1cp03993h
摘要

The origin of the immense catalytic power of enzymes remains one of the biggest unresolved questions in biochemistry, with electrostatics being one of the main contenders. Herein, we report results that not only confirm that electrostatics is the driving force behind enzyme catalysis, but also that it is capable of tuning subtle differences in the catalytic performance between structurally similar enzymes, as demonstrated using the example of isoenzymes, monoamine oxidases A and B. Using our own computationally efficient multiscale model [A. Prah, et al., ACS Catal., 2019, 9, 1231] we analyzed the rate-limiting step of the reaction between phenylethylamine and both isoenzymes and deduced that the electrostatic environment provided by isoenzyme B has a perceivably higher catalytic influence on all the considered parameters of the reaction (energy barrier, charge transfer, dipole moment, and HOMO-LUMO gap). This is in full agreement with the available experimental kinetic data and with our own simulations of the reaction in question. In-depth analysis of individual amino acid contributions of both isoenzymes to the barrier (based on the interaction between the electric field provided by the enzyme and the dipole moment of the reacting moiety) shows that the majority of the difference between the isoenzymes can be attributed to a small number of sizable differences between the aligned amino acid pairs, whereas in most of the pairs the difference in contribution to the barrier is vanishingly small. These results suggest that electrostatics largely controls the substrate selectivity of enzymes and validates our approach as being capable of discerning fine nuances in the selectivity of structurally related isoenzymes.
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