セルロースの酵素加水分解のQM/MMシミュレーション：反転セルラーゼのエンドサイクリックメカニズムの生存率を調査する

グリコシドヒドロラーゼ（GH）は、炭水化物グリコシド結合を切断し、生物や多くの産業プロセスで極めて重要な役割を果たします。環境中の炭水化物の酸触媒加水分解とは異なり、環状または非環式オキソカルベニウム様遷移状態のいずれかを介して発生する可能性があり、環状オキソカルベニウム様遷移状態を含む一般的な酸性メカニズムを介してGH触媒加水分解を介して進行することが広く受け入れられています。グリコシド酸素。The GH45 subfamily C inverting endoglucanase from Phanerochaete chrysosporium (PcCel45A) defies the classical inverting mechanism as its crystal structure conspicuously lacks a general Asp or Glu base residue.代わりに、PCCEL45Aには、位置92の触媒残基の1つとして、溶液中の悪名高い弱い塩基であるASN残基があります。さらに、他の逆GHSとは異なり、PCCEL45Aの触媒残基の相対位置は、核形成水からのプロトン抽象化を損ないます。古典的なメカニズムの重要なステップであるアノマー炭素を攻撃します。ここでは、ハイブリッド量子力学/分子力学（QM/mm）シミュレーションを使用して、PCCEL45Aのエンドサイクリックメカニズムの生存率を調査し、QM領域は自己矛盾した充電密度密度機能のタイトバインディングレベルの理論で処理されます。このメカニズムでは、無循環オキソカルベニウム様遷移状態が安定化され、グルコピラノース環の開口部と、加水分解生成物に容易に分解できる不安定な非環式半球の形成に至ります。ミカエリス複合体のシリコ特性評価は、PCCEL45Aが、リングパッカリングが重要である古典的なエキソサイクリックメカニズムとは対照的に、基板結合裂の-1サブサイトで4C1椅子の立体構造に糖リングを著しく抑制することを示しています。また、PCCEL45Aは、標準的なアミド型の触媒ASN92残基が協調性水素結合ネットワークに関与し、酸素原子の負電荷が増加するために核形成性の増加をもたらす環境を提供することを示しています。PCCEL45Aの結果は、GHSによって触媒される炭水化物加水分解が古典的なメカニズムから代替ルートをとる可能性があることを示唆しています。

Glycoside hydrolases (GH) cleave carbohydrate glycosidic bonds and play pivotal roles in living organisms and in many industrial processes. Unlike acid-catalyzed hydrolysis of carbohydrates in solution, which can occur either via cyclic or acyclic oxocarbenium-like transition states, it is widely accepted that GH-catalyzed hydrolysis proceeds via a general acid mechanism involving a cyclic oxocarbenium-like transition state with protonation of the glycosidic oxygen. The GH45 subfamily C inverting endoglucanase from Phanerochaete chrysosporium (PcCel45A) defies the classical inverting mechanism as its crystal structure conspicuously lacks a general Asp or Glu base residue. Instead, PcCel45A has an Asn residue, a notoriously weak base in solution, as one of its catalytic residues at position 92. Moreover, unlike other inverting GHs, the relative position of the catalytic residues in PcCel45A impairs the proton abstraction from the nucleophilic water that attacks the anomeric carbon, a key step in the classical mechanism. Here, we investigate the viability of an endocyclic mechanism for PcCel45A using hybrid quantum mechanics/molecular mechanics (QM/MM) simulations, with the QM region treated with the self-consistent-charge density-functional tight-binding level of theory. In this mechanism, an acyclic oxocarbenium-like transition state is stabilized leading to the opening of the glucopyranose ring and formation of an unstable acyclic hemiacetal that can be readily decomposed into hydrolysis product. In silico characterization of the Michaelis complex shows that PcCel45A significantly restrains the sugar ring to the 4C1 chair conformation at the -1 subsite of the substrate binding cleft, in contrast to the classical exocyclic mechanism in which ring puckering is critical. We also show that PcCel45A provides an environment where the catalytic Asn92 residue in its standard amide form participates in a cooperative hydrogen bond network resulting in its increased nucleophilicity due to an increased negative charge on the oxygen atom. Our results for PcCel45A suggest that carbohydrate hydrolysis catalyzed by GHs may take an alternative route from the classical mechanism.