بررسی نظری اثر ایزوتوپی-سینتیکی بر روی واکنش کاتالیستی آنزیم گلی‌اکسالازI از باکتری ایشریچیاکولای‌

حسینی, خالد; فرشیدفر, بهناز; ایرانی, مهدی

doi:10.22036/cr.2021.284416.1142

بررسی نظری اثر ایزوتوپی-سینتیکی بر روی واکنش کاتالیستی آنزیم گلی‌اکسالازI از باکتری ایشریچیاکولای‌

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

گروه شیمی، دانشکده علوم پایه، دانشگاه کردستان، سنندج، ایران

10.22036/cr.2021.284416.1142

چکیده

در این پژوهش از نظریه تابعی چگالی برای مطالعه اثر ایزوتوپی-سینتیکی روی واکنش کاتالیستی انانتیومر S سوبسترای آنزیم گلی‌اکسالاز I از باکتری اشریشیاکلی استفاده شده است. مدل‌سازی جایگاه فعال، بر اساس ساختار کریستالی آنزیم، با استفاده از روش کوانتوم-کلاستر انجام شد. ساختار نقاط ایستا در طول مسیر واکنش بهینه و انرژی مولکول‌ها محاسبه شدند. اثر حلال روی نیمرخ انرژی پتانسیل با مدل CPCM محاسبه گردید. نتایج نشان می‌دهند، هنگامی که اتم H1 (اتم هیدروژن متصل به کربن کایرال سوبسترا) با دوتریم جایگزین می‌شود، انرژی حالت‌های گذار اول و دوم نسبت به واکنشگر و حدواسط اول به مقدار کمتری کاهش می‌یابد، به طوری که انرژی فعال‌سازی افزایش می‌یابد و مقدار kH/kD بزرگتر از 2 به دست می‌آید (اثر ایزوتوپی-سینتیکی نوع اول مشاهده می‌شود). این نتیجه، در توافق با مکانیسم واکنش کاتالیستی آنزیم گلی‌اکسالاز I است که در آن شکستن پیوند C1-H1 در مرحله تعیین کننده سرعت قرار دارد. همچنین مشخش شد که با جایگزینی اتم H2 (هیدروژن گروه الکلی سوبسترا) با دوتریم، انرژی حالت‌های گذار اول و دوم به اندازه‌ای کاهش می‌یابند که مقدار kH/kD کمتر از 1 به دست آید و اثر ایزوتوپی معکوس مشاهده می‌شود.

چکیده تصویری

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Theoretical Study of the kinetic-isotope effect on the catalytic reaction of the Escherichia coli Glyoxalase I

نویسندگان [English]

Khaled Hoseyni
Behnaz Farshidfar
Mehdi Irani

Department of Chemistry, Faculty of Science, University of Kurdistan, Sanandaj, Iran

چکیده [English]

In this work, the density functional theory is used to study the kinetic-isotope effect on the catalytic reaction on the S-substrate of Escherichia coli Glyoxalase I. The quantum mechanical cluster approach was used to model the enzyme’s active site based on its crystal structure. Energies of the stationary structure along the reaction path were optimized, and their energies were calculated. The effect of the solvent on the energy profiles was calculated by the CPCM model. Results show that replacing H1 (hydrogen atom attached to the chiral carbon of substrate) with deuterium increases the activation energy of the reaction and gives a value greater than 2 for kH/kD. This result confirms that breaking the H1-C1 happens in the rate-determining step of the reaction. Also, results showed that replacing the H2 atom (hydrogen atom of the alcohol group of the substrate) gives a kH/kD less than 1.0 and introduces a reverse isotopic effect to the reaction.

کلیدواژه‌ها [English]

DFT
Glyoxalase I
Kinetic-Isotope
Mechanism

مراجع

D. Roston, Z. Islam, A. Kohen, Mol. 18, (2013).
P. Georgieva, F. Himo, J. Comput. Chem. 31, 1707, (2010).
P.E.M. Siegbahn, F. Himo, Wiley Interdiscip. Rev. Comput. Mol. Sci. 1, 323, (2011).
A.T. Lee, A. Plump, C. DeSimone, A. Cerami, R. Bucala, Diabetes. 44, 20, (1995).
N. Murata-Kamiya, H. Kamiya, H. Kaji, H. Kasai, Mutat. Res. Genet. Toxicol. Environ. Mutagen. 468, 173, (2000).
C. Sibbersen, J. Palmfeldt, J. Hansen, N. Gregersen, K.A. Jørgensen, M. Johannsen, Chem. Commun. 49, 4012, (2013).
S. Yamazoye, J. Biochem. 23, 319, (1936).
M.M. He, S.L. Clugston, J.F. Honek, B.W. Matthews, Biochemistry. 39, 8719, (2000).
A.D. Cameron, M. Ridderström, B. Olin, M.J. Kavarana, D.J. Creighton, B. Mannervik, Biochemistry. 38, 13480, (1999).
S. Jafari, U. Ryde, A.E.A. Fouda, F.S. Alavi, G. Dong, M. Irani, Inorg. Chem. 59, 2594, (2020).
U. Richter, M. Krauss, J. Am. Chem. Soc. 123, 6973, (2001).
D.J. Creighton, D.S. Hamilton, Arch. Biochem. Biophys. 387, 1, (2001).
A.D. Becke, Phys. Rev. A. 38, 3098, (1988).
C. Lee, W. Yang, R.G. Parr, Phys. Rev. B. 37, 785, (1988).
D.J. Frisch, M. J.; Trucks, G. W.; Schlegel, H. B.; Scuseria, G. E.; Robb, M. A.; Cheeseman, J. R.; Scalmani, G.; Barone, V.; Mennucci, B.; Petersson, G. A.; Nakatsuji, H.; Caricato, M.; Li, X.; Hratchian, H. P.; Izmaylov, A. F.; Bloino, J.; Zheng, G.; Sonnenb, Gaussian, Inc. Wallingford CT. (2009).
G.A. Petersson, M.A. Al‐Laham, J. Chem. Phys. 94, 6081, (1991).
P.J. Hay, W.R. Wadt, J. Chem. Phys. 82, 270, (1985).
V.B. and M. Cossi, V. Barone, M. Cossi, J. Phys. Chem. A. 102, 1995, (1998).
S. Parvaneh, H. Parsa, M. Irani, Comput. Theor. Chem. 1188, 112944, (2020).
P.E.M. Siegbahn, ChemPhysChem. 12, 3274, (2011).
F. Himo, P.E.M. Siegbahn, J. Am. Chem. Soc. 123, 10280, (2001).
I. Feierberg, A.D. Cameron, J. Åqvist, FEBS Lett. 453, 90, (1999).
K.Y. Mullings, N. Sukdeo, U. Suttisansanee, Y. Ran, J.F. Honek, J. Inorg. Biochem. 108, 133, (2012).
M.J. Maroney, S. Ciurli, Chem. Rev. 114, 4206, (2014).