Le guidage des orbitales dans la puissance catalytique des enzymes Petits changements structurels avec de grandes conséquences catalytiques De petites perturbations structurelles dans l'enzyme isocitrate déshydrogénase (IDH) ont été faites afin d'évaluer la contribution de l’alignement précis du substrat à la puissance catalytique d'une enzyme. Principe : Le guidage des orbitales dans des réactions catalysées par des enzymes peut mener (A) à l’alignement correct des substrats par le recouvrement maximal des orbitales de liaison et à la minimisation du recouvrement des orbitaux anti-liants ou peuvent mener (B) à l’alignement incorrect des substrats si la trajectoire des coordonnées de réaction est perturbée par des modifications. La réaction catalysée par IDH est : Mg2+ Mg2+ Isocitrate + NADP+ oxalosuccinate α-ketoglutarate + NADPH + CO2 Réaction 1 : Oxydation d’un alcool en cétone Réaction 2 : Décarboxylation d’un groupement carboxylate β de la cétone - la cétone agit comme puits d’électron; le Mg2+ coordonne la cétone nouvellement formée et polarise sa charge électronique COO CH2 COO O H C C HO C H O CH2 + NADP+ H + NADPH H C O C C C O O O O CO2 Mg2+ C Isocitrate BCM 2505 O O Oxalosuccinate Concepts en enzymologie – Guidages des orbitales Page 1/3 La trajectoire de la réaction d’IDH a été : (i) modifiée après la partie adénine du NADP+ et changée en hypoxanthine (le 6-amino a été changé en 6-hydroxyl), Modification Transfert d’hydrure et (ii) en remplaçant Mg2+, qui a six ligands coordonnés, avec Ca2+, qui a huit ligands coordonnés. Les deux changements provoquent de grands changements (10-3 à 10-5) dans la vitesse de réaction, mais seulement de petits changements dans l'orientation des substrats (distance et angle) comme indiqué par piégeage cryo-cristallographique des complexes actifs d'IDH montré ci-bas. BCM 2505 Concepts en enzymologie – Guidages des orbitales Page 2/3 Figure : (A) Superpositions de divers complexes d’IDH, incluant isocitrate-Mg2+NHDP (vert) et isocitrate-Ca2+-NADP (rose), Y160F-IDH isocitrate- Mg2+-NADP (bleu) résolu par cristallographie de Laue en temps réel, et IDH-NADP (jaune). (B) Une vue rapprochée des anneaux de la nicotinamide et de l'isocitrate, ainsi que la trajectoire des transferts d'hydrure (1 1', 2 2', 3 3'). Le positionnent de l'atome donneur d'hydrure (C2 d'isocitrate) plus près de son atome accepteur (C4 de l'anneau de la nicotinamide) n’accélère pas le taux de la réaction; plutôt il diminue le taux de la réaction, indiquant que l'orientation (angle) fait une contribution majeure au taux catalytique. Ces résultats fournissent l'évidence que le chevauchement des orbitales produit par le guidage optimal des orbitales, qui réagissent, joue un rôle quantitatif majeur dans la puissance catalytique des enzymes. Andrew D. Mesecar, Barry L. Stoddard, Daniel E. Koshland Jr. (1997) Science, 277, 202-206. http://www.sciencemag.org BCM 2505 Concepts en enzymologie – Guidages des orbitales Page 3/3