JBIC Journal of Biological Inorganic Chemistry ( IF 2.7 ) Pub Date : 2021-07-09 , DOI: 10.1007/s00775-021-01875-7 Atanuka Paul 1 , Sabyashachi Mishra 1, 2
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Abstract
Metalloenzymes are ubiquitous in nature catalyzing a number of crucial biochemical processes in animal and plant kingdoms. For better adaptation to the relative abundance of different metal ions in different cellular fluids, many of these enzymes exhibit metal promiscuity. The microbial enzyme DapE, an essential enzyme for bacterial growth and survival and a potentially safe target for antibiotics, continues to show enzyme activity when the two zinc ions in its active site are replaced by other transition metal ions. The effect of metal–ion substitution at the second metal-binding site of DapE on its substrate affinity and catalytic efficiency is investigated by QM/MM treatment of the enzyme–substrate complex, by modelling the enzyme with Mn(II), Co(II), Ni(II), or Cu(II) ion in place of Zn(II) at its second metal-binding site, while retaining Zn(II) ion at the first metal-binding site. On the basis of substrate binding energy and activation energy barrier for the chemical catalysis, it is found that Zn–Mn DapE shows poor binding affinity as well as inefficient chemical catalysis. Although Zn–Cu and Zn–Ni DapEs show activation energy barriers comparable to that of wild-type Zn–Zn DapE, their weaker substrate affinity renders these mixed-metal enzymes less efficient. On the other hand, Zn–Co DapE is found to outperform the naturally occurring Zn–Zn DapE, both in terms of substrate affinity and chemical catalysis. The observed metal promiscuity may have played an important role in the survival of bacteria even in those cellular media where Zn ions are in limited supply.
Graphic abstract
Metal nonspecificity in the catalysis of DapE enzyme allows bacteria to thrive in different cellular media
中文翻译：
微生物酶 DapE 在其第二个金属结合位点的金属离子混杂
摘要
金属酶在自然界中无处不在，可催化动植物界的许多关键生化过程。为了更好地适应不同细胞液中不同金属离子的相对丰度，许多这些酶表现出金属混杂。微生物酶 DapE 是细菌生长和存活的必需酶，也是抗生素的潜在安全靶点，当其活性位点的两个锌离子被其他过渡金属离子取代时，它会继续显示酶活性。通过对酶-底物复合物进行 QM/MM 处理，通过用 Mn(II)、Co(II )、Ni(II) 或 Cu(II) 离子在其第二个金属结合位点代替 Zn(II)，同时在第一个金属结合位点保留 Zn(II) 离子。基于化学催化的底物结合能和活化能垒，发现Zn-Mn DapE表现出较差的结合亲和力以及低效的化学催化。尽管 Zn-Cu 和 Zn-Ni DapE 显示出与野生型 Zn-Zn DapE 相当的活化能垒，但它们较弱的底物亲和力使这些混合金属酶的效率较低。另一方面，发现 Zn-Co DapE 在底物亲和力和化学催化方面都优于天然存在的 Zn-Zn DapE。观察到的金属混杂可能在细菌的存活中发挥了重要作用，即使在锌离子供应有限的那些细胞介质中也是如此。基于化学催化的底物结合能和活化能垒，发现Zn-Mn DapE表现出较差的结合亲和力以及低效的化学催化。尽管 Zn-Cu 和 Zn-Ni DapE 显示出与野生型 Zn-Zn DapE 相当的活化能垒，但它们较弱的底物亲和力使这些混合金属酶的效率较低。另一方面，发现 Zn-Co DapE 在底物亲和力和化学催化方面都优于天然存在的 Zn-Zn DapE。观察到的金属混杂可能在细菌的存活中发挥了重要作用，即使在锌离子供应有限的那些细胞介质中也是如此。基于化学催化的底物结合能和活化能垒，发现Zn-Mn DapE表现出较差的结合亲和力以及低效的化学催化。尽管 Zn-Cu 和 Zn-Ni DapE 显示出与野生型 Zn-Zn DapE 相当的活化能垒，但它们较弱的底物亲和力使这些混合金属酶的效率较低。另一方面，发现 Zn-Co DapE 在底物亲和力和化学催化方面都优于天然存在的 Zn-Zn DapE。观察到的金属混杂可能在细菌的存活中发挥了重要作用，即使在锌离子供应有限的那些细胞介质中也是如此。尽管 Zn-Cu 和 Zn-Ni DapE 显示出与野生型 Zn-Zn DapE 相当的活化能垒，但它们较弱的底物亲和力使这些混合金属酶的效率较低。另一方面，发现 Zn-Co DapE 在底物亲和力和化学催化方面都优于天然存在的 Zn-Zn DapE。观察到的金属混杂可能在细菌的存活中发挥了重要作用，即使在锌离子供应有限的那些细胞介质中也是如此。尽管 Zn-Cu 和 Zn-Ni DapE 显示出与野生型 Zn-Zn DapE 相当的活化能垒，但它们较弱的底物亲和力使这些混合金属酶的效率较低。另一方面，发现 Zn-Co DapE 在底物亲和力和化学催化方面都优于天然存在的 Zn-Zn DapE。观察到的金属混杂可能在细菌的存活中发挥了重要作用，即使在锌离子供应有限的那些细胞介质中也是如此。
图形摘要
DapE 酶催化中的金属非特异性使细菌能够在不同的细胞介质中茁壮成长
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