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Catalytic Mechanism of Collagen Hydrolysis by Zinc(II)-Dependent Matrix Metalloproteinase-1

化学 易裂键 亲核细胞 四面体羰基加成物 催化作用 分子 氢键 协同反应 酰胺 立体化学 键裂 亲核加成 分子动力学 活动站点 反应机理 氢氧化物 计算化学 有机化学
作者
Ann Varghese,Sodiq O. Waheed,Koteswara Rao Gorantla,Isabella DiCastri,Ciara LaRouche,Brendan Kaski,Gregg B. Fields,Tatyana G. Karabencheva‐Christova
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry B [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acs.jpcb.3c04293
摘要

Human matrix metalloproteinase-1 (MMP-1) is a zinc(II)-dependent enzyme that catalyzes collagenolysis. Despite the availability of extensive experimental data, the mechanism of MMP-1-catalyzed collagenolysis remains poorly understood due to the lack of experimental structure of a catalytically productive enzyme–substrate complex of MMP-1. In this study, we apply molecular dynamics and combined quantum mechanics/molecular mechanics to reveal the reaction mechanism of MMP-1 based on a computationally modeled structure of the catalytically competent complex of MMP-1 that contains a large triple-helical peptide substrate. Our proposed mechanism involves the participation of an auxiliary (second) water molecule (wat2) in addition to the zinc(II)-coordinated water (wat1). The reaction initiates through a proton transfer to Glu219, followed by a nucleophilic attack by a zinc(II)-coordinated hydroxide anion nucleophile at the carbonyl carbon of the scissile bond, leading to the formation of a tetrahedral intermediate (IM2). The process continues with a hydrogen-bond rearrangement to facilitate proton transfer from wat2 to the amide nitrogen of the scissile bond and, finally, C–N bond cleavage. The calculations indicate that the rate-determining step is the water-mediated nucleophilic attack with an activation energy barrier of 22.3 kcal/mol. Furthermore, the calculations show that the hydrogen-bond rearrangement/proton-transfer step can proceed in a consecutive or concerted manner, depending on the conformation of the tetrahedral intermediate, with the consecutive mechanism being energetically preferable. Overall, the study reveals the crucial role of a second water molecule and the dynamics for effective MMP-1-catalyzed collagenolysis.
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