2d-Orbital Steering

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
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O
O
Oxalosuccinate
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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.
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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
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