[论文解读] Multiscale Modelling of Lytic Polysaccharide Monooxygenases

Erik D. Hedegård, Ulf Ryde|arXiv (Cornell University)|Dec 16, 2016

Enzyme-mediated dye degradation被引用 1

一句话总结

本研究采用QM/MM模拟方法，研究了裂解多糖单加氧酶（LPMOs）的初始催化步骤，重点关注Cu(II)还原为Cu(I)及O2结合过程。结果表明，由于二级球体Gln残基的氢键稳定作用，赤道构型超氧合物比轴向异构体更稳定60 kJ/mol以上，解决了以往小规模QM-簇模型存在的不一致问题，并支持了近期实验提出的假设。

ABSTRACT

Lytic polysaccharide monooxygenase (LPMO) enzymes have attracted considerable attention due to their ability to enhance polysaccharide depolymerization, making them interesting in respect to production of biofuel from cellulose. The LPMOs are metalloenzymes that contain a mononuclear copper active site that can active dioxygen. However, many details of this activation are unclear, and have previously been investigated from a computational angle. Yet, these studies have either employed only molecular mechanics (MM), which are inaccurate for metal active sites, or they have described only the active site with quantum mechanics (QM) and neglected the effect of the protein. Here, we employ hybrid QM and MM (QM/MM) methods to investigate the first steps of the LPMO mechanism, which is reduction of of Cu(II) to Cu(I) and formation of a Cu(II)-superoxide complex. In the latter complex, the superoxide can bind either in an equatorial or an axial position. For both steps we obtain structures that are markedly different from previous suggestions, based on vacuum calculations. Our calculations show that the equatorial isomer of the superoxide complex is over 60 kJ/mol more stable than the axial isomer, being stabilized by interactions with a second-coordination-sphere Gln residue, showing a possible role for this residue. Coordination of superoxide in this manner is in agreement with recent experimental suggestions.

研究动机与目标

• 为解决LPMOs机理中的矛盾，特别是Cu-超氧中间体的结构与稳定性问题。
• 研究二级配位 sphere，特别是Gln173在催化周转过程中稳定活性位点的作用。
• 通过结合量子力学与分子力学，提供对LPMO初始催化步骤更准确的描述。
• 挑战以往忽略蛋白质环境对金属位点几何结构与稳定性影响的QM-簇模型。

提出的方法

• 采用TPSS-D3泛函与def2-SV(P)基组的混合QM/MM方法，模拟LPMO活性位点。
• 对Cu(II)、Cu(I)及Cu(II)-超氧合物状态进行QM/MM几何优化，完整蛋白质环境通过点电荷表示。
• 采用更大的QM区域（最多628个原子）进行单点能量计算，结合COSMO溶剂模型与def2-TZVPP基组以提高精度。
• 对中间体状态采用弛豫与固定结构两种方式，评估结构弛豫对能量与几何结构的影响。
• 与较小的QM-簇模型进行对比，评估蛋白质环境对活性位点稳定性的影响。
• 通过使用其他泛函（B3LYP-D3）与基组验证关键结果，确保能量差值的稳健性。

实验结果

研究问题

• RQ1 LPMOs中Cu(II)-超氧合物的最稳定几何构型是什么？是赤道构型还是轴向构型？
• RQ2 二级球体残基Gln173如何影响超氧合物的稳定性？
• RQ3 为何以往的QM-簇模型无法再现超氧异构体的正确稳定性顺序？
• RQ4 蛋白质环境的结构弛豫如何影响催化循环中计算得到的能量景观？
• RQ5 蛋白质基质（包括氢键网络）在多大程度上稳定Cu(I)与Cu(II)-超氧合物状态？

主要发现

• 由于二级球体Gln173残基的有利氢键作用，赤道构型超氧合物比轴向异构体更稳定60 kJ/mol以上。
• Gln173侧链通过同时与活性位点酪氨酸（Tyr175）和Cu-结合水分子形成双重氢键，稳定赤道构型超氧合物。
• Gln173的构象（NH2基团朝向Tyr175）比另一种破坏氢键网络的构象更稳定约30 kJ/mol。
• 蛋白质环境的结构弛豫显著影响Cu(I)与Cu(II)-超氧合物状态的几何结构与能量，凸显完整蛋白质动力学的重要性。
• 使用小规模QM-簇模型会导致对超氧异构体稳定性的错误预测，因其忽略了关键的蛋白质相互作用。
• 研究结果与近期实验的EPR和X射线数据一致，支持赤道构型超氧结合模式为催化相关结构。