Theoretical studies on pyridoxal 5’-phosphate-catalyzed reactions of biological relevance

Abstract

El piridoxal fosfato (PLP) es cofactor de más de un centenar de enzimas que catalizan reacciones sobre aminoácidos como racemizaciones, transaminaciones o descarboxilaciones entre otras. Todas las reacciones catalizadas por PLP implican al menos una etapa de protonacion/desprotonación del carbono C del aminoácido o C4’ del PLP. El estudio experimental de la acidez de estos carbonos presenta muchas dificultades. En este trabajo se han diseñado estrategias computacionales para la determinación de pKas, obteniendo una metodología que proporciona pKas con incertidumbres equivalentes a las experimentales. Sehan calculado las energías de activación de la protonación/reprotonación de C por diversos residuos enzimáticos, así como simulaciones de metadinámica en la enzima Ornitina descarboxilasa que han permitido entender cómo se consigue una buena especificidad de reacción en las enzimas PLP-dependientes. Los resultados indican que las enzimas PLP-dependientes controlan la especificidad de la reacción deseada favoreciendo estados de protonación específicos para el cofactor PLP.

El piridoxal fosfat (PLP) és cofactor de més d’un centenar d’enzims que catalitzen reaccions d’aminoàcids com ara racemitzacions, transaminacions o descarboxilacions entre altres. Totes les reaccions catalitzades per PLP impliquen al menys una etapa de protonació/desprotonació del carboni C de l’aminoàcid o C4’ del PLP. L’estudi experimental d’acidesa de carbonis presenten molta dificultat. En aquest treball s’han dissenyat estratègies computacionals per la determinació de pKas, obtenint una metodologia que proporciona pKas amb una incertesa equivalent a la experimental. S’han calculat les energies d’activació de la protonació/ desprotonació de C per diversos residus enzimàtics, així com simulacions de metadinàmiques de l’enzim Ornitina descarboxilasa que han permès entendre com s’aconsegueix una bona especificitat de reacció als enzims PLP-dependents. Els resultats indiquen que aquests enzims controlen l’especificitat de la reacció desitjada afavorint estats de protonació específics del cofactor PLP.

Pyridoxal phosphate (PLP) is a cofactor of more than a hundred enzymes that catalyze amino acid reactions like racemizations, transaminations and decarboxylations amongst others. All the PLP-catalyzed reactions entail, at least, one step of protonation/deprotonation of the C carbon of the amino acid or C4’ of the PLP. The experimental study of carbon acidities involves significant difficulties. Several computational strategies for pKa predictions were designed in this work, obtaining a methodology that provides pKas with uncertainties equivalent to experiment. The activation energies of protonation/deprotonation of C by diverse enzymatic residues were calculated and the metadynamics simulations on Ornithine decarboxylase allowed understanding how PLP-dependent enzymes achieve good reaction specificities. The results indicate that PLP-dependent enzymes control the specificity of the desired reaction by favoring certain protonation states of the PLP cofactor.