Investigating coordination flexibility of glycerophosphodiesterase (GpdQ) through interactions with mono-, di-, and triphosphoester (NPP, BNPP, GPE, and paraoxon) substrates

文献情報

出版日 2019-02-14
DOI 10.1039/C8CP07031H
インパクトファクター 3.676
著者

Gaurav Sharma, Qiaoyu Hu, Vindi M. Jayasinghe-Arachchige, Thomas J. Paul, Gerhard Schenk, Rajeev Prabhakar


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要旨

In this study, interactions of the catalytically active binuclear form of glycerophosphodiesterase (GpdQ) with four chemically diverse substrates, i.e. NPP (a phosphomonoester), BNPP and GPE (both phosphodiesters), and paraoxon (a phosphotriester) have been investigated using all-atom molecular dynamics (MD) simulations. The roles of metal ions and key amino acid residues, coordination flexibility, and dynamic transformations in all enzyme–substrate complexes have been elucidated. The roles of important first and second coordination shell residues in substrate binding and coordination flexibility of the enzyme suggested by simulations are supported by experimental data. The chemical nature of the substrate is found to influence the mode of binding, electrostatic surface potential, metal–metal distance, and reorganization of the active site. The experimentally proposed association between the substrate binding and coordination flexibility is analyzed using principal component analysis (PCA), movements of loops, and root-mean-square-fluctuations (RMSF) as parameters. The PCA of these substrates provides different energy basins, i.e. one, three, two and five for NPP, BNPP, GPE, and paraoxon, respectively. Additionally, the area of an irregular hexagon (268.3, 288.9, 350.8, and 362.5 Å2) formed by the residues on these loops illustrates their distinct motions. The substrate binding free energies of NPP, BNPP, and GPE are quite close (22.4–24.3 kcal mol−1), but paraoxon interacts with the smallest binding free energy (14.1 kcal mol−1). The metal binding energies in the presence of these substrates are substantially different, i.e. the lowest for NPP and the highest for paraoxon. These results thus provide deeper insight into the chemical promiscuity and coordination flexibility of this important enzyme.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
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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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