Comparing the catalytic strategy of ATP hydrolysis in biomolecular motors

文献情報

出版日 2016-06-01
DOI 10.1039/C6CP01364C
インパクトファクター 3.676
著者

Stefan Fischer


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要旨

ATP-driven biomolecular motors utilize the chemical energy obtained from the ATP hydrolysis to perform vital tasks in living cells. Understanding the mechanism of enzyme-catalyzed ATP hydrolysis reaction has substantially progressed lately thanks to combined quantum/classical molecular mechanics (QM/MM) simulations. Here, we present a comparative summary of the most recent QM/MM results for myosin, kinesin and F1-ATPase motors. These completely different motors achieve the acceleration of ATP hydrolysis through a very similar catalytic mechanism. ATP hydrolysis has high activation energy because it involves the breaking of two strong bonds, namely the Pγ–Oβγ bond of ATP and the H–O bond of lytic water. The key to the four-fold decrease in the activation barrier by the three enzymes is that the breaking of the Pγ–Oβγ bond precedes the deprotonation of the lytic water molecule, generating a metaphosphate hydrate complex. The resulting singly charged trigonal planar PγO3− metaphosphate is a better electrophilic target for attack by an OaH− hydroxyl group. The formation of this OaH− is promoted by a strong polarization of the lytic water: in all three proteins, this water is forming a hydrogen-bond with a backbone carbonyl group and interacts with the carboxylate group of glutamate (either directly or via an intercalated water molecule). This favors the shedding of one proton by the attacking water. The abstracted proton is transferred to the γ-phosphate via various proton wires, resulting in a H2PγO4−/ADP3− product state. This catalytic strategy is so effective that most other nucleotide hydrolyzing enzymes adopt a similar approach, as suggested by their very similar triphosphate binding sites.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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