Unveiling Protein-Substrate Interactions and Conformations that Influence Catalysis in Carbohydrate-Active Enzymes

Abstract

Enzymes have attracted the attention of chemists and biologists since long ago due to their molecular complexity and tremendous efficiency. They are highly specific catalysts that make chemical reactions possible at mild conditions with an astonishing rate enhancement. For this reason there have been many efforts to understand how these macromolecules work, trying to find out crucial factors that influence their activity. Whereas it is difficult to settle on how enzymes work in general, with hot debates over many years, significant progress has been made in elucidating specific catalytic mechanisms by means of experimental and computational approaches. In this thesis we have focused on the study of glycoside hydrolases and transferases, enzymes that are known as “carbohydrate-active enzymes” (CAZymes) and that are essential for the processing and remodeling of carbohydrates in living organisms. In spite of the enormous advances in the understanding of how these enzymes work, with several factors that are known or presumed to enhance their reaction rates (such as certain sugar conformations, enzyme-substrate interactions or the flexibility of the enzyme fold), there are still many aspects that remain poorly understood due to the lack of atomistic insights. Given this, in the present thesis we have used cutting-edge computational methods, including all-atom molecular dynamics simulations, hybrid quantum mechanics/molecular mechanics approaches and enhanced sampling techniques, to unveil some of the essential enzymatic interactions and conformations that influence catalysis in CAZymes. With these techniques we have provided proofs for general concepts that are usually assumed, as well as insights for the specific enzymes that have been studied. In particular, we have evaluated the reaction free energy contribution of sugar conformations to catalysis in β-xylanases, the influence of crucial hydrogen bond interactions in β-glucosidases, the importance of enzymatic residues that bind water in the active site of inverting β-mannanases, and the structural flexibility of a human enzyme called glycogenin.

Desde los primeros descubrimientos en el campo de la enzimología, las enzimas han atraído la atención de numerosos químicos y biólogos debido a su gran complejidad molecular y su elevada eficiencia. Estas macromoléculas son catalizadores altamente específicos que hacen posible reacciones químicas en condiciones suaves y a velocidades asombrosas. Por esta razón se han destinado muchos esfuerzos en tratar de comprender su funcionamiento, intentando descubrir los factores fundamentales que influyen en su actividad. En la presente tesis doctoral hemos ahondado en la comprensión de una clase de enzimas llamadas “glicosil hidrolasas” y “glicosil transferasas”, englobadas bajo la denominación de “enzimas activas en carbohidratos”. Estas enzimas están encargadas de la degradación y de la síntesis de carbohidratos, moléculas que debido a su diversidad y flexibilidad añaden un grado de complejidad adicional en su estudio. Aún a pesar de los grandes avances en la comprensión general de estas enzimas, habiéndose destacado distintos factores involucrados en su rendimiento catalítico (e.g. ciertas conformaciones del sustrato, interacciones enzima-sustrato o la flexibilidad de la estructura enzimática), la falta de información a nivel molecular dificulta la racionalización de muchas de estas evidencias. Debido a ello, en esta tesis hemos hecho uso de técnicas computacionales de vanguardia, incluyendo simulaciones atomísticas de dinámica molecular, enfoques híbridos de mecánica cuántica/mecánica molecular y técnicas de exploración avanzada del espacio de fases, para revelar el origen molecular de ciertas interacciones y conformaciones esenciales para la catálisis de enzimas activas en carbohidratos. Con estas técnicas hemos proporcionando pruebas que refuerzan concepciones generalmente asumidas, así como detalles específicos para cada una de las enzimas que hemos estudiado. En particular, hemos analizado la contribución de las conformaciones del sustrato en la catálisis de β-xilanasas, la contribución de puentes de hidrógeno en la catálisis de β-glucosidasas, la importancia de residuos que enlazan agua en β-mananasas y la flexibilidad estructural de una enzima humana llamada glicogenina.