ホスホトリエステラーゼのCd/Cd活性部位によって促進されるリン酸トリエステルの加水分解への塩基機構.計算科学的研究

Base Mechanism to the Hydrolysis of Phosphate Triester Promoted by the Cd/Cd Active site of Phosphotriesterase: A Computational Study.

• Marcelo A Chagas
• Eufrásia S Pereira
• Marina P B Godinho
• Júlio Cosme S Da Silva
• Willian R Rocha

抄録

本研究では、Pseudomonas diminuta由来のCd/Cd-phosphotriesterase(PTE)の活性部位のクラスターモデルを用いて、B3LYP/6-31+G(d)における密度汎関数理論(DFT)計算を行い、分散効果を含めてパラオキソンの加水分解を調べた。ここで提案されたメカニズムは、(i)配位された水分子の交換と基質の溶媒に露出したCd中心への配位が単座で行われること、(ii)μ-ヒドロキソ橋のプロトン化、および非配位水分子による核親水性のその場形成、（iii）離脱基への著しい結合破壊および核親水性への結合形成を伴う五配位中間体の形成、および（iv）Asp301残基のプロトン化、および媒体の別の水分子の配位を介した活性部位の回復。活性部位に最初に配位した水分子は、遷移状態と五配位中間体の安定化に重要な役割を果たします。反応は2段階(A + D)のメカニズムで行われ、第1段階と第2段階のエネルギー障壁はそれぞれ12.9kcal/molと1.9kcal/molであり、B3LYP-D3/6-311++G(2d,2p)レベルの理論で計算され、実験結果と非常によく一致した。分散効果だけでもエネルギー障壁が26%も減少することがわかった。本研究で提案したCd/Cd-PTEの基底機構は、実験結果とエネルギー障壁の値が一致していることから、Cd置換PTE酵素によって促進されるリン酸トリエステルの加水分解について、一貫した運動論的に実行可能な機構を提案するものであると考えられる。

In the present work, density functional theory (DFT) calculations at the B3LYP/6-31+G(d) and including dispersion effects were used to investigate the hydrolysis of paraoxon, using a cluster model of the active site of Cd/Cd-phosphotriesterase (PTE) from Pseudomonas diminuta. The mechanism proposed here consist of (i) Exchange of the coordinated water molecule and coordination of the substrate to the more solvent exposed Cd center in monodentate fashion, (ii) protonation of the μ-hydroxo bridge by the uncoordinated water molecule and in situ formation of the nucleophile, (iii) formation of a pentacoordinate intermediate with significant bond breaking to the leaving group and bond formation to the nucleophile, and (iv) protonation of the Asp301 residue and restoration of the active site through the coordination of another water molecule of the medium. The water molecules initially coordinated to the active site play a crucial role in stabilizing the transition states and the pentacoordinate intermediate. The reaction takes place in a two-step (A + D) mechanism, with energy barriers of 12.9 and 1.9 kcal/mol for the first and second steps, respectively, computed at the B3LYP-D3/6-311++G(2d,2p) level of theory, in excellent agreement with the experimental findings. Dispersion effects alone contribute to diminish the energy barriers as much as 26%. The base mechanism for the Cd/Cd-PTE proposed here, in conjunction with the agreement found with the experimental energetic value for the energy barrier, makes it a consistent and kinetically viable mechanistic proposal for the hydrolysis of phosphate triesters promoted by the Cd substituted PTE enzyme.