アセチルコリンエステラーゼ触媒における触媒トライアドとオキシアニオン穴の役割：ab initio qm/mm研究

アセチルコリンエステラーゼ（AChE）によって触媒されるアシル化反応の初期ステップは、組み合わせたAB initio量子機械/分子機械（QM/mm）アプローチによって研究されています。反応は、Ser203 OのアセチルコリンのカルボニルCへの求核性添加を介して進み、反応はSer203からHis447への同時プロトン移動によって促進されます。MP2（6-31+g）QM/mmレベルでの計算されたポテンシャルエネルギー障壁は10.5 kcal/molであり、実験反応速度と一致しています。触媒トライアドの3番目の残基であるGlu334は、静電相互作用を介して遷移状態を安定化するのに不可欠であることがわかっています。Gly121、Gly122、およびALA204のペプチドNH基によって形成されたオキシアニオンの穴も、触媒作用に重要な役割を果たすことがわかっています。我々の計算は、ACh-ach Michayis複合体では、AChのカルボニル酸素とGly121およびGly122のペプチドNH基との間に2つの水素結合のみが形成されていることを示しています。反応が進むと、ACHのカルボニル酸素とALA204のNHグループ間の距離が小さくなり、3番目の水素結合は遷移状態と四面体中間体の両方で形成されます。

The initial step of the acylation reaction catalyzed by acetylcholinesterase (AChE) has been studied by a combined ab initio quantum mechanical/molecular mechanical (QM/MM) approach. The reaction proceeds through the nucleophilic addition of the Ser203 O to the carbonyl C of acetylcholine, and the reaction is facilitated by simultaneous proton transfer from Ser203 to His447. The calculated potential energy barrier at the MP2(6-31+G) QM/MM level is 10.5 kcal/mol, consistent with the experimental reaction rate. The third residue of the catalytic triad, Glu334, is found to be essential in stabilizing the transition state through electrostatic interactions. The oxyanion hole, formed by peptidic NH groups from Gly121, Gly122, and Ala204, is also found to play an important role in catalysis. Our calculations indicate that, in the AChE-ACh Michaelis complex, only two hydrogen bonds are formed between the carbonyl oxygen of ACh and the peptidic NH groups of Gly121 and Gly122. As the reaction proceeds, the distance between the carbonyl oxygen of ACh and NH group of Ala204 becomes smaller, and the third hydrogen bond is formed both in the transition state and in the tetrahedral intermediate.