Theoretical Evaluation of the Reaction Mechanism of Serine

5 days ago - ... were modelled explicitly. This knowledge has the potential to impact the design and development of new inhibitors. View: PDF | PDF w/...
0 downloads 0 Views 2MB Size
Subscriber access provided by University of Winnipeg Library

B: Biophysics; Physical Chemistry of Biological Systems and Biomolecules

Theoretical Evaluation of the Reaction Mechanism of Serine Hydroxymethyltransferase Jirapat Santatiwongchai, Duangkamol Gleeson, and Matthew Paul Gleeson J. Phys. Chem. B, Just Accepted Manuscript • DOI: 10.1021/acs.jpcb.8b10196 • Publication Date (Web): 06 Dec 2018 Downloaded from http://pubs.acs.org on December 11, 2018

Just Accepted “Just Accepted” manuscripts have been peer-reviewed and accepted for publication. They are posted online prior to technical editing, formatting for publication and author proofing. The American Chemical Society provides “Just Accepted” as a service to the research community to expedite the dissemination of scientific material as soon as possible after acceptance. “Just Accepted” manuscripts appear in full in PDF format accompanied by an HTML abstract. “Just Accepted” manuscripts have been fully peer reviewed, but should not be considered the official version of record. They are citable by the Digital Object Identifier (DOI®). “Just Accepted” is an optional service offered to authors. Therefore, the “Just Accepted” Web site may not include all articles that will be published in the journal. After a manuscript is technically edited and formatted, it will be removed from the “Just Accepted” Web site and published as an ASAP article. Note that technical editing may introduce minor changes to the manuscript text and/or graphics which could affect content, and all legal disclaimers and ethical guidelines that apply to the journal pertain. ACS cannot be held responsible for errors or consequences arising from the use of information contained in these “Just Accepted” manuscripts.

is published by the American Chemical Society. 1155 Sixteenth Street N.W., Washington, DC 20036 Published by American Chemical Society. Copyright © American Chemical Society. However, no copyright claim is made to original U.S. Government works, or works produced by employees of any Commonwealth realm Crown government in the course of their duties.

Page 1 of 27 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Physical Chemistry

Theoretical Evaluation of the Reaction Mechanism of Serine  Hydroxymethyltransferase  Jirapat Santatiwongchai,1 Duangkamol Gleeson2 and M .Paul Gleeson1,3*   1 2

Department of Chemistry, Faculty of Science, Kasetsart University, Bangkok 10900, Thailand.

Department of Chemistry, Faculty of Science, King Mongkut's Institute of Technology Ladkrabang, Bangkok 10520, Thailand. 3

Department of Biomedical Engineering, Faculty of Engineering, King Mongkut's Institute of Technology Ladkrabang, Bangkok 10520, Thailand.

  To whom correspondence should be addressed. Phone+ :66-8-69779678 .Fax+ :66-2-3298346 AUTHOR EMAIL ADDRESS :[email protected]    

 

1   

ACS Paragon Plus Environment

The Journal of Physical Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 2 of 27

ABSTRACT Serine hydroxymethyltransferase (SHMT) is a pyridoxal phosphate (PLP) dependent enzyme that  catalyzes the reversible conversion of serine and tetrahydrofolate (THF) to glycine and 5,10‐methylene  THF. SHMT is a folate pathway enzyme and is therefore of considerable medical interest due to its role as  an  important  intervention  point  for  anti‐malarial,  anti‐cancer  and  anti‐bacterial  treatments.  Despite  considerable experimental effort the precise reaction mechanism of SHMT remains unclear. In this study  we explore the mechanism of SHMT to determine the roles of active site residues and the nature and the  sequence of chemical steps. Molecular dynamics (MD) methods were employed to generate a suitable  starting structure which then underwent analysis using hybrid quantum mechanical/molecular mechanical  (QM/MM) simulations. The QM region consisted of 12 key residues, two substrates and explicit solvent.  Our  results  show  that  the  catalytic  reaction  proceeds  according  to  retro‐aldol  synthetic  process  with  His129 acting as the general base in the reaction. This rate determining step involves the cleavage of the  PLP‐serine aldimine C‐C bond and the formation of formaldehyde in line with experimental evidence.  The pyridyl ring of the PLP‐serine aldimine substrate exists in deprotonated form, being stabilized directly  by Asp208 via a strong H‐bond, as well as through interactions with Arg371, Lys237 and His211, and with  the surrounding protein which was included electrostatically. This knowledge has the potential to impact  the design and development of new inhibitors.   

 

2   

ACS Paragon Plus Environment

Page 3 of 27 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Physical Chemistry

1.0 Introduction Malaria is a major public health issue worldwide, particularly in tropical and subtropical countries  where almost half of the world’s population reside. It was reported in 2017 that over 200 million people  worldwide are infected with this parasitic disease, approximately 450 thousand of whom will die.1 Despite  the existence of numerous antimalarial drugs, the treatment of malaria continues to be a major challenge  due  to  disease  resistance.2‐5  Efforts  to  tackle  this  endemic  problem  involve  the  use  of  combination  therapies, however, there is a clear understanding that new chemical classes acting at known targets, or  new drugs that act at novel targets are urgently needed.6‐7 This has prompted renewed effort by non‐ governmental  organizations  and  academic  groups  to  work  in  collaboration  with  the  pharmaceutical  industry to develop more effective strategies and treatments.8‐10  The folate pathway plays an essential role in one‐carbon metabolic biosyntheses of methionine,  purines  and  pyrimidines  needed  for  DNA  reproduction  and  cell  growth.11‐12  Cells  that  are  required  to  undergo rapid division are very sensitive to the inhibitors of the folate pathway and therefore make good  targets  for  medicines.  Folate  inhibitors  have  therefore  emerged  as  effective  agents  to  treat  cancer,  bacteria  and  parasitic  infections.13  Three  clinically  validated  folate  targets  exist  at  present;  dihydropteroate  synthase  (DHPS),  dihydrofolate  reductase  (DHFR)  and  thymidylate  synthase  (TS).14‐16  While the combination therapy of sulfadoxine (DHPS inhibitor) and pyrimethamine (DHFR inhibitor) was a  mainstay in the treatment of malaria, it is now employed to treat only uncomplicated malaria infections.17  Current front line malaria treatments typically involve artemisinin‐based combination therapies.18 which  are themselves are beginning to face drug resistance issues.19‐20   Efforts to develop new DHFR inhibitors21‐23 and as inhibitors for other folate targets are currently  underway.15, 21 Serine hydroxymethyltransferase (SHMT) is a folate pathway enzyme located one step after  DHFR  and  has  received  considerable  attention  from  the  medicinal  chemistry  and  structural  biology  community.24‐29 SHMT is a pyridoxal‐5’‐phosphate (PLP)‐dependent enzyme, that catalyzes the conversion  of L‐serine and tetrahydrofolate (THF) to glycine and 5, 10‐methylenetetrahydrofolate (5,10‐MTHF). SHMT  is a highly versatile enzyme that can also catalyze THF‐independent aldolytic cleavage, decarboxylation,  racemization, and transamination reactions.30 This versatile enzyme has evolved to stabilize a diverse set  of  intermediates  and  transition  states.  Experimental  data  and  QM  calculations  point  to  the  rate  determining step in the formation of 5,10‐MTHF as being the breaking of the C‐C bond of the external‐ serine aldimine substrate (Scheme 1).31‐32 The enzyme exists in homodimeric or homotetrameric form, the 

3   

ACS Paragon Plus Environment

The Journal of Physical Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 4 of 27

former being the minimum necessary for catalytic function. The active site is located at the interface of  two individual monomers and is surrounded by five conserved loops from the first chain and the second  chain (Figure 1).33   The active site requires two substrates as shown in Scheme 1, a PLP aldimine and tetrahydrofolate  (THF). The PLP aldimine can exist in two forms within SHMT, bonded to Lysine as an internal aldimine, and  to a serine residue in the so called external aldimine form or PLP‐serine aldimine. The latter is believed to  be involved in the rate determining chemical transform step.31, 34     PO4

2-

H2C N

N

OH

H N

OH

CH

OH

+

O

PLP-serine aldimine

R

NH

N H

N

NH2

PO4

H

NH O

H N

2-

N N

OH

CH

OH

+

N

NH

N

O

N CH2

NH2 H2O

O

R

tetrahydrofolate (THF)

PLP-glycine aldimine 5,10-methylenetetrahydrofolate

 

Scheme 1 SHMT proposed mechanism based on retro‐aldol reaction. Shown in the enolimine form. 

 

  Figure 1 Model of SHMT showing active site region at the interface of the dimeric protein structure.  

  THF  is  bound  alongside  PLP  in  the  SHMT  active  site  as  illustrated  in  Figure  2.33  The  para‐ aminobenzoic acid (pABA) portion of THF binds within the active site, making interactions with Tyr63 (π‐π  stacking), Phe134 and Phe266 (edge‐to‐face). Interactions are made between the pterin ring of THF and  active site bound water molecules which themselves connect to Asn356. PLP is surrounded by a network  of H‐bond interactions with Arg371, Lys237, His211, Thr183 and Asp208 (Figure 2).35 Asp208 H‐bonds to  the pyridyl nitrogen of PLP and is considered important for the stabilization of PLP during the catalytic  4   

ACS Paragon Plus Environment

Page 5 of 27 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Physical Chemistry

reaction. The protonation state of PLP within PLP‐dependent proteins shows a marked dependence on the  specific residue adjacent to the pyridyl nitrogen as well as other aspects of the active site environment.  The pyridyl nitrogen can exist in deprotonated36‐37  and protonated forms38 depending on residue adjacent  to the pyridyl nitrogen amongst other factors.39 Molecular dynamics (MD) simulations on SHMT suggest it  exists in the protonated form.40 PLP can also exist in either a keto or enol form (Figure 3). The relative  preference for the keto or enol form is known to depend on its environment.32, 40‐42 Theoretical studies on  SHMT suggest PLP exists in the keto form based on MD40 and gas‐phase QM calculations.32 This is in line  with  suggestions  from  more  extensive  studies  on  related  PLP  dependent  protein  aspartate  aminotransferase.41 Nevertheless, hybrid quantum mechanics/molecular mechanics (QM/MM) studies of  other PLP dependent proteins such as alanine racemase and L‐DOPA decarboxylase42 suggest that the enol  PLP tautomers can be observed.41 Interestingly, neutron structures of the PLP dependent protein aspartate  aminotransferase indicated that local active site effects, as well as the protonation state of the pyridyl  nitrogen, can significantly affect the relative stability of the two tautomers.38    

 

5   

ACS Paragon Plus Environment

The Journal of Physical Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 6 of 27

 

  Figure 2 2D (left) and 3D representations of the SHMT active site model employed in this study. H‐bonds and ‐ stacking interactions are illustrated with dashed red and grey lines respectively. The N5‐C bond formed during the  reaction is indicated with a blue dashed line.  

 

  Figure 3 Potential protonation states on PLP aldimine structure. Two tautomers which a proton protonated on the  phenolic oxygen (a) enolimine and imine nitrogen (b) ketoenamine. (c) pyridyl nitrogen in deprotonated form and  (d) pyridyl nitrogen is protonated. 

  Two  catalytic  mechanisms  for  SHMT  have  been  put  forward  for  SHMT  involving  (a)  retro‐aldol  cleavage30, 32, 35, 43‐44 and (b) direct nucleophilic attack of PLP by THF.30, 43, 45 The retro‐aldol mechanism  sees the cleavage of PLP‐serine C‐C bond followed by the condensation of formaldehyde with THF. This  is the most commonly accepted proposal (Scheme 2). The direct displacement of the Cα atom of PLP‐serine 

6   

ACS Paragon Plus Environment

Page 7 of 27 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Physical Chemistry

aldimine has been proposed to occur via nucleophilic attack by the N5 of THF. QM calculations of the two  mechanisms indicate that the enzyme preferentially follows a retro‐aldol process.32  Two  primary  candidates  for  the  role  of  general  base  in  the  SHMT  catalytic  reaction  His129  are  Glu56.30,  32,  43  Structural  analysis  of  Threonine  aldolase,  a  structurally  related  PLP‐dependent  enzyme,  which follows a very similar retro‐aldol process involving acetaldehyde46 is reported to utilize histidine as  the general base.47 Glu56 was an early candidate for general base, however more recent experimental  data has indicated that it is not involved in the proton abstraction.44, 48‐49 Mutational analysis of Glu75 in  rcSHMT  and  Glu74  in  scSHMT  (Glu56  in  PvSHMT)  suggested  that  Glu56  is  instead  involved  in  the  condensation step and not the retro‐aldol cleavage step.49 Further structural studies suggested that Glu56  could serve as the acid catalyst in the later steps but not for the retro‐aldol mechanism,44 that it is a critical  residue in binding  SHMT substrates and can exist in both protonated30, 35 and deprotonated forms.27  Hybrid QM/MM methods have been used extensively to probe the sequence of event of many  enzymatic processes. In these calculations the protein molecule is treated using two different levels of  theory.50‐56  QM/MM  methods  have  been  used  recently  to  study  other  critical  enzymes  on  the  folate  pathway57‐60  as  well  as  other  PLP‐dependent  enzymes.36,  41  However,  to  date  only  rather  limited  QM  studies on small gasphase calculations on SHMT have been performed but have not considered many of  the  unanswered  questions  regarding  the  reaction  mechanism.32  In  this  study  an  ONIOM‐based61‐62  electrical embedding methodology has been used to investigate aspects of the SHMT catalytic mechanism.  The QM/MM model has been used to (a) identify the general acid/base involved in the SHMT catalytic  reaction, (b) the most probable protonation states of the active site residues, and (c) the lowest energy  pathway associated with the formation of products. A clearer understanding of the catalytic process that  occurs within SHMT will have significant implications for future structure based drug design applications  associated with SHMT. 

7   

ACS Paragon Plus Environment

The Journal of Physical Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

tetrahydrofolate (THF)

PLP-serine aldimine Asp208-H

PO4

N

Page 8 of 27

R

2-

NH HN

HO Arg 371 H2N

+ NH2

N O

O

O

CH2 O H

N N H



PO4

NH

NH H

HN

O N

N N H



O

PO4

NH

NH

O

H-Base O

NH +

H O

N O

N N H



O

NH

NH

H2O

N O

H2C N O



NH

2-

R

NH N

N H

O

PO4

NH2

R

2-

+

HO

NH

H

O

PO4

NH2

R

2-

N HO

NH2

R

2-

H

HO

NH

Base:

NH2

+

NH H2C

HO

H2O

N O

N

NH

O



O

N N H

NH2

 

Scheme 2 The retro‐aldol reaction mechanism proposed for SHMT.30, 32, 35, 43‐44      

8   

ACS Paragon Plus Environment

Page 9 of 27 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Physical Chemistry

2.0 Methods A crystal structure of SHMT was downloaded from the RCSB protein databank and prepared as  follows  (PDB  ID:  4OYT,  resolution  of  2.4  Å,33).  All  amino  acids  in  chain  C  of  the  crystal  structure  were  removed since the catalytic mechanisms requires a tight dimer active site pocket which is located between  chain  A  and  chain  B.  The  protein  was  prepared  for  QM/MM  by  performing  restrained  MD  on  5‐ hydroxymethyl‐THF and PLP‐glycine aldimine bound to the active site. To this end the N5‐formyl group of  the THF analog present in the X‐ray structure was modified to give the corresponding alcohol and D‐serine  was  converted  to  glycine  (Figure  S3).  The  pyridyl  nitrogen  of  PLP‐serine‐aldmine  was  modelled  in  the  protonated form. The protonation state of the amino acid residues were defined based on their predicted  pKa calculated using Propka3.163‐64 and a visual assessment of the local interactions. Histidine residues  were defined as HID except for His274 on chain A and His129, His132, His211 and His326 of the chain B,  which  were  defined  as  HIE.  His236  was  modelled  as  HIP  due  to  the  possibility  of  interacting  with  the  phosphate group of PLP substrate.     2.1 Molecular Dynamics Simulations The  dimeric  SHMT  complex  underwent  a  short  equilibration  procedure  to  produce  a  suitable  starting structure for QM/MM. Molecular mechanics optimization and dynamics (MD) simulations were  performed in Gromacs program v4.5.465 using the AMBER99SB forcefield.66‐67 The restrained electrostatic  potential (RESP) charge of the ligands were determined from a Hartree‐Fock calculation with the 6‐31G(d)  basis set. Ligands topology files were created using the ACPYPE script with the GAFF forcefield.68‐69 The  complex was solvated in a cubic box of TIP3P water70‐71 with a minimum distance of 12 Å between the  protein and box edge. An NaCl ionic strength (0.15 M) was used to neutralize the system. Prior to molecular  dynamics (MD) simulations, the system was minimized to an RMS gradient of 10 kJ mol‐1 nm‐1 to relax any  steric conflicts. The system was then heated to 300K and equilibrated under the NVT ensemble for 500 ps,  followed by 1 ns of MD simulations under NPT scheme with the Parrinello‐Rahman barostat72 at 1 atm and  a restraint protein backbone (force constant 1000 kJ/mol nm2) to maintain their active site in its active  conformation. Simulations utilized a step of 0.001 ps, in conjunction with the LINCS algorithm, a 2 fs time  step and particle mesh Ewald.73 The structure obtained from the final step of MD was then minimized to  an RMS gradient of 10 kJ mol‐1 nm‐1. The 5‐hydroxymethyl‐THF and PLP‐glycine aldimine substrates were  then used to generate the THF and L‐serine substrate coordinates used in the QM/MM analysis. 

9   

ACS Paragon Plus Environment

The Journal of Physical Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 10 of 27

  2.2 QM/MM Calculations QM/MM calculations were performed using the Gaussian  09 program. The MD derived protein  structure  was  prepared  for  by  removing  solvent  beyond  16  Å  of  the  active  site  residues.  Amino  acid  residues  beyond  25  Å  from  the  active  site  were  also  removed  for  computational  considerations.  The  sidechains of charged amino acids excluded were replaced with Na+ or Cl‐ atoms respectively to preserve  the unique electrostatic effects of the protein dimer. 52 positively charged amino acids and 59 negatively  charged amino acids were therefore added. The QM subsystem consisted of the key amino acid sidechain  and backbone atoms that are reported to play a direct role in ligand binding or catalysis. The QM region  includes  the  two  substrates,  tetrahydrofolate  (THF)  and  PLP  serine  aldimine,  the  side  chains  of  Tyr63,  Gly128, His129, Phe134, Thr183, Asp208, His211, Lys237, Phe266, Arg371 and six water molecules. The  interactions present in QM region are illustrated in Figure 2. Additional 3D illustrations of the active site  be found in Figure S1 and S2.   Atoms within 10 Å of active site were treated flexibly during the QM/MM calculations, apart from  those that crossed the QM/MM interface. The QM region consisted of 198 atoms while the MM region  consisted  of  9,259  atoms.  QM/MM  calculations  were  performed  in  Gaussian  09  using  the  ONIOM  electronic embedding scheme.74 All structures were fully optimized using the M062x functional, developed  by Truhlar and co‐workers,75‐76 and the 6‐31G(d) basis set. The MM region was treated using the AMBER  forcefield.69 Minima were confirmed as having no imaginary frequencies and transitions states a single  major  imaginary  frequency  corresponding  to  the  expected  bond  breaking/forming  process  under  investigation. The free energies were calculated at M062x‐6‐31G(d) method. A further correction in the  form of single‐point energies at 6‐31+G(d,p) level (∆Esp) were also performed.   

 

10   

ACS Paragon Plus Environment

Page 11 of 27 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Physical Chemistry

3.0 Results & Discussion Molecular dynamics (MD) was employed to generate a suitable starting structure for the QM/MM  study.  The  protein  backbone  was  restrained  to  maintain  a  structure  in  what  was  already  an  ideal  catalytically  relevant  conformation.  Both  substrates  were  bound  in  conformations  suitable  to  undergo  reaction  negating  the  need  to  explore  additional  protein‐ligand  conformational  space.  We  therefore  restrained the protein backbone but allowed the substrates, amino acid sidechains and water molecules  to move freely. The system was equilibrated for 1 ns of MD followed by minimization to produce a low  strain, protein in an experimentally relevant, catalytically active conformation suitable for further analysis.   The Cα atom RMSD between the structure obtained from MD and the X‐ray structure was found to  be 0.298 Å showing the structure remained in its catalytically relevant conformation (Figure S4, Figure S5).  The Cα‐Cβ distance between the methanol carbon and the C of PLP‐glycine aldimine was 4.9 Å on average  over the course of the MD simulations indicating the substrates remained in a configuration capable of  reacting (Figure S6). THF was shown to display greater flexibility in the SHMT active site pocket, primarily  as a result of the solvent exposed carboxylate groups (Figure S7). This structure was subsequently used to  investigate the protonation states of PLP and adjacent residues, the identity of the general base in the  reaction,  and  the  relative  stability  of  different  intermediate,  products  and  transition  states  needed  to  connect  the  reactant  to  product.  The  structures  of  the  ketoenamine  and  enolimine  stationary  points  obtained  using  the  QM/MM  model  are  illustrated  in  Figure  4  and  Figure  5    respectively.  Additional  geometric parameters for the enolimine based reaction mechanism are provided in Table 1 and Mulliken  charge distributions per substrate/residue in Table S1.   We have compared the QM/MM energies at the M062x/6‐31G(d)//AMBER level to single point  energies at the M062x/6‐31+G(d,p)//AMBER (r2>0.98) and free energy corrected values (r2>0.96), finding  a  strong  correlation  (Table  S2).  Following  suggestions  from  the  reviewers,  additional  single  point  calculations were obtained at the M062x/6‐311+G(d,p) level and were found to be in good agreement  with  the  former  single  point  energies  (r2>0.99,  Figure  S8).  We  henceforth  refer  only  to  the  vibrational  corrected  single  point  energies  unless  otherwise  stated.  Imaginary  frequencies  obtained  for  transition  state are given in Table S3.   

 

11   

ACS Paragon Plus Environment

The Journal of Physical Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 12 of 27

  Figure 4  Illustration of the QM/MM optimized stationary points obtained for the ketoenamine tautomer. Key  distances for each structure are reported in Angstroms (Å).  

 

 

12   

ACS Paragon Plus Environment

Page 13 of 27 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Physical Chemistry

 

  Figure 5 Illustration of the QM/MM optimized stationary points obtained for the enolimine tautomer. Key  distances for each structure are reported in Angstroms (Å).  

13   

ACS Paragon Plus Environment

The Journal of Physical Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 14 of 27

    Table 1 Key distances associated with stationary points of the SHMT catalyzed reaction for the enolamine process.  Distances are reported in Å.  

  Structure  REACT  TS1  INTA  TS2  INTB  TS3‐I (II)  INTC‐I (II)  TS4‐I (II)  INTD  TS5  PROD 

d1  1.55  2.99  2.96  2.99  4.08  4.06  (4.10)  4.04  (4.08)  4.49  (4.63)  5.11  5.46  6.36 

d2  2.26  1.32  1.02  1.32  1.70  1.70  (1.70)  1.69  (1.70)  1.69  (1.77)  1.84  1.81  1.81 

d3  3.28  3.05  2.62  3.04  1.53  1.50  (1.49)  1.46  (1.46)  1.40  (1.30)  1.28  1.33  1.45 

d4  5.37  5.05  4.42  5.05  3.28  3.07  (3.16)  3.14  (3.20)  2.88  (3.02)  2.84  2.04  1.52 

d5  1.40  1.21  1.22  1.21  1.37  1.41  (1.40)  1.43  (1.42)  1.49  (1.97)  2.89  2.88  3.08 

d6  1.77  1.79  1.80  1.79  1.74  1.69  (1.72)  1.69  (1.71)  1.73  (1.70)  1.70  1.72  1.78 

d7  0.99  1.90  1.78  1.91  0.98  0.98  (0.97)  0.98  (0.97)  1.04  (0.98)  0.98  0.98  0.97 

d8  2.44  2.42  2.47  2.42  2.42  3.02  (1.23)  3.51  (0.98)  3.26  (1.79)  3.83  3.89  4.74 

d9  2.49  2.44  2.43  2.44  2.19  1.32  (3.06)  1.04  (3.93)  1.40  (3.64)  5.68  5.09  3.43 

1Distances: d1 = PLPA‐C2‐‐‐PLPA‐CH OH, d2 = H O ‐‐‐His129, d3 = THF—N5‐‐‐PLPA‐CH OH, d4 = THF—N10‐‐‐PLPA‐CH OH, d5 = H O ‐‐‐H O,  2 2 2 2 2 2

d6 = PLPA‐N‐‐‐Asp208, d7 = H2O ‐‐‐H2O, d8 = THF‐N5H‐‐‐ THF‐O4’, d9 = THF‐N5H‐‐‐THF‐N10. 

  3.1 QM/MM SHMT Michaelis Complex Asp208 was simulated in the deprotonated form based on Propka predictions. However, QM/MM  optimization in both the ketoamine or enolimine form led to the immediate transfer of a proton from the  pyridyl nitrogen to Asp208. This is likely due to a combination of the large QM region employed coupled  with  the  electrical  embedding  of  the  atomic  charges  of  protein  residues  in  the  MM  region.  We  also  observed that a proton from Lys237 preferentially transferred to carboxyl group of PLP aldimine following  optimization.  This  is  consistent  with  the  role  of  Lys237  which  acts  as  the  nucleophile  that  forms  the  external aldimine product in an earlier step in the SHMT.  77‐78 Lys237, His211 and Arg371 form strong H‐ bonds to the PLP substrate, as well as His129, which is involved in ‐stacking. The calculations reveal that  14   

ACS Paragon Plus Environment

Page 15 of 27 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Physical Chemistry

the direct inclusion of the charged active site residues into the QM region dramatically affect the pKa of  the active site residues in SHMT. In earlier QM studies on SHMT, pyridine was assumed protonated and  the  catalytic  Asp208  residue  was  excluded.  Furthermore,  only  Arg371  was  included  in  the  model.  It  appears  that  protonation  of  the  PLP  substrate  in  the  SHMT  Michaelis  complex  is  undesirable  due  to  repulsive interactions with 3 positively charged residues directly adjacent to it as well as less effective ‐ stacking interaction with His129.   Our QM/MM calculation using a large active site representation suggests that the ketoenamine  tautomer is 3.8 kcal/mol higher in energy than the enolimine form. Theoretical calculations of other PLP  analogs in the gas‐phase generally point to keto form of PLP being preferred. However, studies in aqueous  solution  or  in  enzymatic  systems  point  to  the  energies  of  both  tautomers  being  much  closer.42,  79  Our  findings  are  consistent  with  experimental  observation  on  the  PLP‐dependent  protein  aspartate  aminotransferase where neutron diffraction studies showed that when both pyridyl and imine nitrogens  were  deprotonated,  the  Schiff  base  pyridyl  ring  torsion  angle  was  found  to  be  coplanar.38  Indeed,  we  observed a planar dihedral angle in our optimized QM/MM model,  which is consistent with the SHMT  structure of PLP‐(L)serine aldimine.33 It should be noted that our results differ from those of Soniya et al40  on SHMT. Their research suggested that the enolimine form was 2.7 and 6.7 kcal/mol less favorable than  the ketoamine form for the internal and external aldimine substrates, respectively. Crucially, the latter  authors employed relatively small QM models (68 vs 198 atoms here) and simulated PLP with pyridine  protonated throughout.   

15   

ACS Paragon Plus Environment

The Journal of Physical Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Arg371

Arg371

INTA

REACT HN

O

O

N

R

H

O N

NH

O N

NH

HN H

H

H

O

HO

N

O

2-

R

(OPO3)

H

N

N

N

O

C

H

H

2-

(OPO3)

O

H H O H H N+

H

NH His129

H

H

N

H

O HO

N

O

NH

HO

NH

HN

O

Asp208

O H

O–

NH2

TS1

O

H

N

++ NH2

HO

+

NH2

Asp208

H

O

NH2

+

HN

NH+2

+ NH2

N

Page 16 of 27

NH

His129

TS2 Arg371

Arg371

INTC-I

INTB

+

HN

NH2 ++ O H NH2 NH2 HO O– N N NH O R

HN

O N

NH +

O

N

O HO

N

TS3-I

H

O

H

R

2-

(OPO3)

O N+ CH2

HN

O

H

H

H H

NH2 ++ O H NH 2 NH2 O– HO N N NH

Asp208

O

CH2

+

HN

NH

H

O

H

N N

HO

H 2-

H

H

O

(OPO3) H N

His129

NH

O N

O

H

H

Asp208

NH

His129

TS4-I Arg371

Arg371

INTD

PROD +

HN

HN

NH2 ++ O H NH2 NH2 HO O– N H N NH O R

O

HN N+

NH

H

NH2 N

O HO

N

O

TS5

2-

H H

O

O

+

NH2 ++ O H NH2 HO O– N H

(OPO3)

N+ R

H N NH

His129

2-

H H

O

(OPO3) H N

O

O HO

H O

CH2 H

HN

Asp208

N

H O

N

O

CH2

NH

HN

H

N H

Asp208

NH

His129

 

Scheme 3 2D representation of the lowest energy pathway associated with the SHMT catalytic process. The key  residues involved in the process and truncated ligands are shown for the purpose of clarity. 

  3.2 SHMT Catalytic Mechanism An investigation of the retro‐aldol and direct displacement reactions for both the enolimine and  ketoamine  Michaelis  complex  structures  were  undertaken.  Experimental  observations  have  confirmed  that the rate determining step in the SHMT catalytic reaction is the formation of formaldehyde in the first  step.31‐32  Efforts  to  obtain  a  pathway  involving  a  direct  displacement  were  not  successful  due  to  the  sizeable distance between the N5 of THF and the Cof the PLP‐serine aldimine substrate (~3.3 Å).  16   

ACS Paragon Plus Environment

Page 17 of 27 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Physical Chemistry

Our investigation led to the identification of a mechanism consistent with a modified retro‐aldol  process  involving  five  steps  (Scheme  3).  The  first  step  sees  the  breaking  of  the  C‐C  bond  which  necessitates  the  loss  of  a  proton  to  a  proximal  basic  residue.  We  observed  that  the  enolimine  based  process  resulted  in  lower  barrier  to  reaction  than  the  ketoenamine  for  this,  the  rate  determining  step  (Figure 6). Henceforth, we shall focus our discussion on the former tautomer (Table S2). The second step  identified involved the nucleophilic attack of the formaldehyde C atom by the N5 of THF. This was followed  by the intramolecular proton transfer which could occur in two different ways. Next, the formation of an  iminium cation intermediate was predicted (step 4) followed by cyclization of N10 with the methylene  group at N5 atom (step 5) (Figure 7).  In step 1, a quinoid aldimine was formed by the transfer of a proton from the serine hydroxyl group  to His129. Proton transfer was found to be facilitated by shuttling via 2 active site water molecules similar  to phosphobase methylation in PfPMT57 and β‐hydroxy amino acid degradation in AxDTA, both of which  are PLP‐dependent enzymes.80 The serine C‐C bond distance increases from 1.54 Å in the reactant to  2.99 Å in TS1 indicating the C‐C bond is broken well before proton transfer has occurred (Table 1). The  imaginary frequency associated with TS1 is understandably therefore dominated by proton transfer to  histidine. The proton is located 1.32 Å from the histidine H. The sum of the Mulliken charges on His129  during step 1 increases considerably from ‐0.02 in reactant to 0.61 in TS1 (Table S1). The corresponding  Mulliken charge of the PLP aldimine quinoid intermediate decreases from ‐0.07 in the reactant to ‐0.86.  This also leads to a small increase in charge transfer to residues His211, Lys237 and Arg371. The N5‐‐‐ C(CH2O) distance is found to be 2.62 Å and the C‐‐‐C(CH2O) being 2.96 Å.  The barrier to reaction for step 1 was predicted to be 16.6 kcal/mol for the enolimine tautomer  and 18.7 kcal/mol for the ketoamine (Figure 6). The barrier associated with C‐C bond breaking in SHMT  are in good agreement with experimental Ea values obtained for related substrates at htSHMT (17.04 ± 0.6  – 19 ± 0.4 kcal/mol)32 and Ea and for mjSHMT (16.7 ± 0.5 kcal/mol).81 The results are also broadly consistent  with reports of similar reactions in the literature. QM/MM metadynamics simulations of the retro‐aldol  reaction catalyzed by pyruvate class II aldolase predict a barrier to C‐C bond cleavage of ~14 kcal/mol.82  QM/MM studies in 2,4′‐Dihydroxyacetophenone dioxygenase enzyme estimate C−C bond breaking to be  24.9 kcal/mol83 and in (2R, 3S)‐dimethylmalate lyase (DMML) C‐C bond breaking requires 17.3 kcal/mol.84  QM/MM  studies  of  the  dehydration  of  methanediol  giving  formaldehyde  displayed  a  barrier  of  approximately 20 kcal/mol.85  

17   

ACS Paragon Plus Environment

The Journal of Physical Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 18 of 27

Although the ketoamine form of the PLP substrate is also able to undergo reaction to form the  quinoid intermediate, however it is less favourable than the enolimine form. Firstly, the Michaelis complex  of the enolimine tautomer is 3.8 kcal/mol lower in energy and its rate determining barrier is lower by 2.1  kcal/mol.  This  would  appear  to  suggest  that  the  former  will  play  a  more  important  role  in  the  SHMT  catalyzed reaction. We have therefore neglected to study the ketoenamine tautomer beyond the first two  steps (which includes rate determining step) due to its lower relevance. Furthermore, it can be assumed  that it reacts in an analogous manner to the ketoamine tautomer given that the subsequent steps involve  the THF substrate alone.  

  Figure 6 Reaction profile associated with the rate determining step for the enolimine and ketoenamine tautomers  with His129 acting as a general base.  

  X‐ray crystallization studies support the role of His129 (His122 in bsSHMT and His83 in threonine  aldolase) as the general catalytic base in the retro‐aldol mechanism.30, 47 Nevertheless, Glu56 is another  residue that has been proposed as a candidate in the catalytic reaction. Glu56 was added as an explicit  residue in the QM region of our QM/MM model and rotated from its original position in the 4OYT crystal  structure  to  face  the  Serine  hydroxyl  group  in  order  to  investigate  this  issue  further  (Figure  S9).  The  breaking of the C‐C bond in the PLP aldimine substrate and proton transfer was subsequently simulated  (Figure S10). The results showed a very low barrier to reaction inconsistent with step 1 being the rate  determining  step.31  Furthermore,  the  resulting  quinoid  intermediate  displayed  a  strong  interaction  between the N5 of THF and protonated carboxylate. This resulted in a much poorer interaction between 

18   

ACS Paragon Plus Environment

Page 19 of 27 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Physical Chemistry

the N5 of THF and the formaldehyde molecule (3.1 Å vs 2.6 Å when compared with His129 acting as the  base). While proton transfer to Glu56 is low (7.5 kcal/mol), further reaction of the substrates to give the  required 5,10‐methylenetetrahydrofolate product is not possible (Figure S11). Mutational studies suggest  Glu56 is not critical for SHMT function43, 48 and structural data that suggest it may already be protonated  within the active site30, 35 rather than being in the required deprotonated form.27  Step 2 involves the condensation of formaldehyde at N5 of the THF substrate and results in a barrier  of approximately 1 kcal/mol. The transition state involves the attack of the formaldehyde carbonyl by the  N5  of  THF leading to the formation of 5‐hydroxymethyl‐THF (INTB)  The N‐‐‐H distance associated with  proton transfer from Histidine shows the N‐H distance increases from 1.02 Å in INTA to 1.32 Å at the  transition state. The corresponding N5—C distance decreases from 3.04 Å to 2.62 Å indicating a concerted  process.  In  INTB,  proton  transfer  is  complete  and  the  N5‐C  bond  is  1.53  Å.  The  Mulliken  charge  of  5‐ hydroxymethyl‐THF is found to be 0.85 A.U., compared to 0.11 in INTB, as a result of the formation of the  tertiary ammonium group. INTB is found to be ‐7.67 kcal/mol lower in energy than the reactant.   Next,  we  investigated  the  sequence  of  events  leading  to  the  formation  of  the  iminium  cation  intermediate  (INTC).  In  step  3  it  was  found  that  the  required  proton  transfer  and  water  liberation  processes could not occur in a concerted manner. This step required proton transfer from the N5 of THF  to a proximal base for which two possibilities existed. The first of these was intramolecular proton transfer  from  N5  atom  of  5‐hydroxymethyl‐THF  to  two  possible  intermolecular  basic  centers.  INTC‐I  can  form  through the transfer of a proton from N5 of THF to the amine (N10) of pABA. INTC‐II can form by the  transfer of a proton to the carbonyl group at the 4‐position resulting in an enol. It was found that INTC‐I  was  considerably  more  favourable  than  INTC‐II  on  account  of  the  weaker  basicity  of  C4  carbonyl.  The  predicted barriers to reaction were found to be 1.1 vs 12.6 kcal/mol, both of which are lower than TS1  (Figure 7). The sum of Mulliken charges on THF for structures involving pathway–I are generally lower as  a result of the more effective delocalization of charge to adjacent active site residues, particularly His129.  INTC‐I was found to be 4.8 kcal/mol lower in energy than INTB.    

19   

ACS Paragon Plus Environment

The Journal of Physical Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 20 of 27

  Figure 7 Reaction profile associated with the rate determining step for the enolimine tautomer with His129 acting  as a general base. Two possible routes leading to the interconversion of INTB to INTD are feasible. 

  Step 4 requires the protonation of the methylene hydroxyl group and the loss of water thereby  leading to the iminium cation intermediate. Again, two possible pathways to INTD exist, one from INTC‐I  and the other from INTC‐II. The process involving the C4 enol is markedly higher in energy than the N10  anilino group with barrier of 5.8 vs 4.0 kcal/mol respectively. Again, more effective delocalization of charge  within the active site was observed in the latter.  Finally, step 5 requires the nucleophilic attack of the 5‐iminium cation in INTD by the anilino N10  atom to form the 5,10‐methylene tetrahydrofolate product. The N‐‐‐C distance is found to be 2.84 Å at  INTD and 2.04 Å at the transition state (TS5). The barrier to reaction is found to be 13.0 kcal/mol, which is  3.6  kcal/mol  lower  in  energy  compared  to  the  rate  determining  TS1.  The  process  results  in  a  slight  translation  of  pABA  ring  on  N‐C  bond  formation  (1.52  Å),  altering  its  position  somewhat  within  the  hydrophobic cavity and its interactions with the atoms of Tyr63, Phe134 and Phe266. While Lys237 was  found to be slightly more stable than deprotonated form by 2.7 kcal/mol.    

20   

ACS Paragon Plus Environment

Page 21 of 27 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Physical Chemistry

4.0 Conclusions The reaction mechanism of SHMT is to‐date not fully understood despite a wealth of structural and  biochemical information. We utilized a QM/MM based model of the SHMT dimer protein with a QM region  of 198 atoms representing 12 residues and the two substrates and explicit solvent. We investigated the  catalytic  mechanism  of  SHMT  as  well  as  the  protonation  state  of  pyridyl  ring  in  the  PLP‐substrate,  the  relative energies of the ketoamine and enolimine tautomers.   The catalytic reaction in SHMT is predicted to follow a retro‐aldol synthetic process with His129  acting as the general base in the reaction. The PLP‐serine aldimine and THF substrates, each undergoes  reaction in SHMT in a separate, sequential process. The first step, and rate determining step, sees the  breaking of the C‐C bond in the PLP‐serine aldimine substrate leading to the formation of formaldehyde.  This observation is in line with experimental observations31, 34 and the predicted barriers of ~ 16 kcal/mol  are similar to experimental reports of ~17‐19 kcal/mol.32, 81 Our results suggests that His129 the general  base in the catalytic reaction,30, 32, 43‐44 facilitated by active site bound water molecules which form a water  network as observed in other PLP‐dependent proteins.80 We observed that Glu56 was able to catalyze the  breaking of the C‐C bond, the resultant intermediate was not in a configuration capable of forming the  final  product  5,10‐methylene  tetrahydrofolate.  Nevertheless,  it  may  help  to  explain  the  weak  residual  activity  displayed  in  some  His129  mutant  enzymes.86  Finally,  we  found  that  Asp208  is  preferentially  protonated  in  the  Michaelis  complex  and  that  the  enolimine  tautomer  was  lower  in  energy  than  the  ketoamine form. These observations appear to be due to the inclusion of protein charges surrounding the  active site directly in the QM calculation via electrical embedding.   The findings reported herein on the catalytic mechanism of SHMT could prove useful in the ongoing  efforts to develop inhibitors of SHMT. Indeed, the design of inhibitors of in inhibitors for folate enzymes   such as DHPS and DHFR have relied heavily on the exploitation of structural knowledge of the reaction  mechanism and their natural substrates to design tight binding substrate‐analog inhibitors. 15, 21‐23 

  Supporting Information The Supporting Information is available free of charge on the ACS Publications website at DOI: 

21   

ACS Paragon Plus Environment

The Journal of Physical Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 22 of 27

Associated  content  includes  an  illustration  of  the  SHMT  active  site  models,  RMSD  and  distances  observed  during  the  MD  simulations,  correlation  between  single  point  energies  at  the  M062x/6‐ 31+G(d,p)  and  the  M062x/6‐311+G(d,p)  levels,  optimized  geometries  and  QM/MM  energy  profiles  obtained using the enolimine substrate in which Glu56 acts as the general base, tables detailing the  Mulliken charges on the QM residues of stationary points and imaginary frequencies associated with  the transition states. 

Acknowledgments MPG would like to acknowledge financial support from the Thailand Research Fund (RSA6180073)  and King Mongkut’s Institute of Technology Ladkrabang. JS would like to acknowledge financial support  from the Development and Promotion for Science and Technology talents project (DPST, Thailand). All  authors acknowledge the National e‐Science Infrastructure Consortium for providing computing resources  that have contributed to the research results reported within this paper. URL:http://www.e‐science.in.th.    

22   

ACS Paragon Plus Environment

Page 23 of 27 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Physical Chemistry

References 1.  WHO, World Malaria Report 2017; World Health Organization: Geneva, 2017.  2.  Packard, R. M. The Origins of Antimalarial‐Drug Resistance. N. Engl. J. Med. 2014, 371, 397‐399.  3.  Sa, J. M.; Chong, J. L.; Wellems, T. E. Malaria Drug Resistance: New Observations and Developments. Essays  Biochem. 2011, 51, 137‐160.  4.  Anderson,  T.;  Nkhoma,  S.;  Ecker,  A.;  Fidock,  D.  How  Can  We  Identify  Parasite  Genes  That  Underlie  Antimalarial Drug Resistance? Pharmacogenomics J. 2011, 12, 59‐85.  5.  Roper, C.; Pearce, R.; Bredenkamp, B.; Gumede, J.; Drakeley, C.; Mosha, F.; Chandramohan, D.; Sharp, B.  Antifolate Antimalarial Resistance in Southeast Africa: A Population‐Based Analysis. Lancet 2003, 361, 1174‐1181.  6.  Raphemot, R.; Lafuente‐Monasterio, M. J.; Gamo‐Benito, F. J.; Clardy, J.; Derbyshire, E. R. Discovery of Dual‐ Stage Malaria Inhibitors with New Targets. Antimicrob. Agents Chemother. 2016, 60, 1430‐1437.  7.  Lotharius, J.; Gamo‐Benito, F.J.; Angulo‐Barturen, I.; Clark, J.; Connelly, M.; Ferrer‐Bazaga, S.; Parkinson, T.;  Viswanath,  P.;  Bandodkar,  B.;  Rautela,  N.,  et  al.  Repositioning:  The  Fast  Track  to  New  Anti‐Malarial  Medicines?  Malar. J. 2014, 13, 1‐15.  8.  Flannery,  E. L.; Chatterjee, A. K.; Winzeler, E. A., Antimalarial Drug Discovery—Approaches and Progress  Towards New Medicines. Nat. Rev. Microbiol. 2013, 11, 849‐862.  9.  Gelb, M. H. Drug Discovery for Malaria: A Very Challenging and Timely Endeavor. Curr. Opin. Chem. Biol.  2007, 11, 440‐445.  10.  Van Voorhis, W. C.; Adam, J. H.; Adelfio, R.; Ahyong, V.; Akabas, M. H.; Alano, P. A.; Alday, A.; Resto, Y. A.; Alsibaee, A.; Alzualde, A.,  et  al.  Open  Source  Drug  Discovery  with  the  Malaria  Box  Compound  Collection  for  Neglected Diseases and Beyond. PLoS Pathog. 2016, 12, e1005763.  11.  Ferone, R. Folate Metabolism in Malaria. Bull. World Health Organ. 1977, 55, 291‐298.  12.  Hyde, J. E. Exploring the Folate Pathway in Plasmodium Falciparum. Acta Trop. 2005, 94, 191‐206.  13.  Bertacine  Dias,  M.  V.;  Santos,  J.  C.;  Libreros‐Zúñiga,  G.  A.;  Ribeiro,  J.  A.;  Chavez‐Pacheco,  S.  M.  Folate  Biosynthesis Pathway: Mechanisms and Insights into Drug Design for Infectious Diseases. Future Med. Chem. 2018,  10, 935‐959.  14.  John, J. M. Anticancer Antifolates: Current Status and Future Directions. Curr. Pharm. Des. 2003, 9, 2593‐ 2613.  15.  Nzila, A. Inhibitors of De Novo Folate Enzymes in Plasmodium Falciparum. Drug Discov. Today 2006, 11, 939‐ 944.  16.  Aleem,  G.;  Hiteshkumar,  D.  J.;  Sonali,  K.  Recent  Advances  in  Classical  and  Non‐Classical  Antifolates  as  Antitumor and Antiopportunistic Infection Agents: Part I. Anti‐Cancer Agents Med. Chem. 2007, 7, 524‐542.  17.  Okell, L. C.; Griffin, J. T.; Roper, C. Mapping Sulphadoxine‐Pyrimethamine‐Resistant Plasmodium Falciparum  Malaria in Infected Humans and in Parasite Populations in Africa. Sci. Rep. 2017, 7, 7389.  18.  Jeremy,  N.  B.;  Kelly,  C.;  Timothy,  N.  C.  W.  The  State  of  the  Art  in  Anti‐Malarial  Drug  Discovery  and  Development. Curr. Top. Med. Chem. 2011, 11, 1226‐1254.  19.  White, N. Artemisinin Resistance ‐ the Clock Is Ticking. Lancet 2010, 376, 2051‐2052.  20.  Ashley, E. A.; Dhorda, M.; Fairhurst, R. M.; Amaratunga, C.; Lim, P.; Suon, S.; Sreng, S.; Anderson, J. M.; Mao,  S.; Sam, B., et al. Spread of Artemisinin Resistance in Plasmodium Falciparum Malaria. N. Engl. J. Med. 2014, 371,  411‐423.  21.  Yuthavong,  Y.;  Tarnchompoo,  B.;  Vilaivan,  T.;  Chitnumsub,  P.;  Kamchonwongpaisan,  S.;  Charman,  S.  A.;  McLennan, D. N.; White, K. L.; Vivas, L.; Bongard, E., et al. Malarial Dihydrofolate Reductase as a Paradigm for Drug  Development against a Resistance‐Compromised Target. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2012, 109, 16823‐16828.  22.  Lam, T.; Hilgers, M. T.; Cunningham, M. L.; Kwan, B. P.; Nelson, K. J.; Brown‐Driver, V.; Ong, V.; Trzoss, M.;  Hough,  G.;  Shaw,  K.  J.,  et  al.  Structure‐Based  Design  of  New  Dihydrofolate  Reductase  Antibacterial  Agents:  7‐ (Benzimidazol‐1‐Yl)‐2,4‐Diaminoquinazolines. J. Med. Chem. 2014, 57, 651‐668.  23.  Patel, T. S.; Vanparia, S. F.; Patel, U. H.; Dixit, R. B.; Chudasama, C. J.; Patel, B. D.; Dixit, B. C. Novel 2,3‐ Disubstituted Quinazoline‐4(3H)‐One Molecules Derived from Amino Acid Linked Sulphonamide as a Potent Malarial  Antifolates for DHFR Inhibition. Eur. J. Med. Chem. 2017, 129, 251‐265. 

23   

ACS Paragon Plus Environment

The Journal of Physical Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 24 of 27

24.  Sopitthummakhun,  K.;  Thongpanchang,  C.;  Vilaivan,  T.;  Yuthavong,  Y.;  Chaiyen,  P.;  Leartsakulpanich,  U.  Plasmodium Serine Hydroxymethyltransferase as a Potential Anti‐Malarial Target: Inhibition Studies Using Improved  Methods for Enzyme Production and Assay. Malar. J. 2012, 11, 194‐194.  25.  Schwertz, G.; Witschel, M. C.; Rottmann, M.; Bonnert, R.; Leartsakulpanich, U.; Chitnumsub, P.; Jaruwat, A.;  Ittarat,  W.;  Schäfer,  A.;  Aponte,  R.  A.,  et  al.  Antimalarial  Inhibitors  Targeting  Serine  Hydroxymethyltransferase  (SHMT) with in Vivo Efficacy and Analysis of Their Binding Mode Based on X‐Ray Cocrystal Structures. J. Med. Chem.  2017, 60, 4840‐4860.  26.  Witschel,  M.  C.;  Rottmann,  M.;  Schwab,  A.;  Leartsakulpanich,  U.;  Chitnumsub,  P.;  Seet,  M.;  Tonazzi,  S.;  Schwertz,  G.;  Stelzer,  F.;  Mietzner,  T.,  et  al.  Inhibitors  of  Plasmodial  Serine  Hydroxymethyltransferase  (SHMT):  Cocrystal Structures of Pyrazolopyrans with Potent Blood‐ and Liver‐Stage Activities. J. Med. Chem. 2015, 58, 3117‐ 3130.  27.  Schwertz, G.; Frei, M. S.; Witschel, M. C.; Rottmann, M.; Leartsakulpanich, U.; Chitnumsub, P.; Jaruwat, A.;  Ittarat,  W.;  Schäfer,  A.;  Aponte,  R.  A.  Conformational  Aspects  in  the  Design  of  Inhibitors  for  Serine  Hydroxymethyltransferase  (SHMT):  Biphenyl,  Aryl  Sulfonamide,  and  Aryl  Sulfone  Motifs.  Chem.  Eur.  J.  2017,  23,  14345‐14357.  28.  Ducker, G. S.; Ghergurovich, J. M.; Mainolfi, N.; Suri, V.; Jeong, S. K.; Li, S. H. J.; Friedman, A.; Manfredi, M.  G.; Gitai, Z.; Kim, H. Human SHMT Inhibitors Reveal Defective Glycine Import as a Targetable Metabolic Vulnerability  of Diffuse Large B‐Cell Lymphoma. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2017, 114, 11404‐11409.  29.  Paiardini, A.; Fiascarelli, A.; Rinaldo, S.; Daidone, F.; Giardina, G.; Koes, D. R.; Parroni, A.; Montini, G.; Marani,  M.;  Paone,  A.  Screening  and  in  Vitro  Testing  of  Antifolate  Inhibitors  of  Human  Cytosolic  Serine  Hydroxymethyltransferase. ChemMedChem 2015, 10, 490‐497.  30.  Trivedi, V.; Gupta, A.; Jala, V. R.; Saravanan, P.; Rao, G. S. J.; Rao, N. A.; Savithri, H. S.; Subramanya, H. S.  Crystal  Structure  of  Binary  and  Ternary  Complexes  of  Serine  Hydroxymethyltransferase  from  Bacillus  Stearothermophilus : Insights into the Catalytic Mechanism. J. Biol. Chem. 2002, 277, 17161‐17169.  31.  Amornwatcharapong,  W.;  Maenpuen,  S.;  Chitnumsub,  P.;  Leartsakulpanich,  U.;  Chaiyen,  P.  Human  and  Plasmodium Serine Hydroxymethyltransferases Differ in Rate‐Limiting Steps and pH‐Dependent Substrate Inhibition  Behavior. Arch. Biochem. Biophys. 2017, 630, 91‐100.  32.  Chiba,  Y.;  Terada,  T.;  Kameya,  M.;  Shimizu,  K.;  Arai,  H.;  Ishii,  M.;  Igarashi,  Y.  Mechanism  for  Folate‐ Independent Aldolase Reaction Catalyzed by Serine Hydroxymethyltransferase. FEBS J. 2012, 279, 504‐514.  33.  Chitnumsub, P.; Jaruwat, A.; Riangrungroj, P.; Ittarat, W.; Noytanom, K.; Oonanant, W.; Vanichthanankul, J.;  Chuankhayan,  P.;  Maenpuen,  M.;  Chen,  C.  J.,  et  al.  Structures  of  Plasmodium  Vivax  Serine  Hydroxymethyltransferase: Implications for Ligand‐Binding Specificity and Functional Control. Acta Crystallogr. D  2014, 70, 3177‐3186.  34.  Maenpuen,  S.;  Amornwatcharapong,  W.;  Krasatong,  P.;  Sucharitakul,  J.;  Palfey,  B.  A.;  Yuthavong,  Y.;  Chitnumsub,  P.;  Leartsakulpanich,  U.;  Chaiyen,  P.  Kinetic  Mechanism  and  the  Rate‐Limiting  Step  of  Plasmodium  Vivax Serine Hydroxymethyltransferase. J. Biol. Chem. 2015, 290, 8656‐8665.  35.  Scarsdale, J. N.; Radaev, S.; Kazanina, G.; Schirch, V.; Wright, H. T. Crystal Structure at 2.4 Å Resolution of E.  Coli Serine Hydroxymethyltransferase in Complex with Glycine Substrate and 5‐Formyl Tetrahydrofolate1. J. Biol.  Chem. 2000, 296, 155‐168.  36.  Shoji, M.; Hanaoka, K.; Ujiie, Y.; Tanaka, W.; Kondo, D.; Umeda, H.; Kamoshida, Y.; Kayanuma, M.; Kamiya,  K.; Shiraishi. K., et al. A QM/MM Study of the L‐Threonine Formation Reaction of Threonine Synthase: Implications  into the Mechanism of the Reaction Specificity. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 4525‐4533.  37.  Major, D. T.; Gao, J. A Combined Quantum Mechanical and Molecular Mechanical Study of the Reaction  Mechanism and ‐Amino Acidity in Alanine Racemase. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 16345‐16357.  38.  Dajnowicz, S.; Johnston, R. C.; Parks, J. M.; Blakeley, M. P.; Keen, D. A.; Weiss, K. L.; Gerlits, O.; Kovalevsky,  A.; Mueser, T. C. Direct Visualization of Critical Hydrogen Atoms in a Pyridoxal 5′‐Phosphate Enzyme. Nat. Commun.  2017, 8, 955‐955.  39.  Limbach, H.‐H.; Chan‐Huot, M.; Sharif, S.; Tolstoy, P. M.; Shenderovich, I. G.; Denisov, G. S.; Toney, M. D.  Critical Hydrogen Bonds and Protonation States of Pyridoxal 5′‐Phosphate Revealed by NMR. Biochim. Biophys. Acta  2011, 1814, 1426‐1437.  40.  Soniya, K.; Chandra, A. Free Energy Landscapes of Prototropic Tautomerism in Pyridoxal 5′‐Phosphate Schiff  Bases at the Active Site of an Enzyme in Aqueous Medium. J. Comput. Chem. 2018, 39, 1629‐1638. 

24   

ACS Paragon Plus Environment

Page 25 of 27 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Physical Chemistry

41.  Dutta Banik, S.; Chandra, A. A Hybrid QM/MM Simulation Study of Intramolecular Proton Transfer in the  Pyridoxal 5′‐Phosphate in the Active Site of Transaminase: Influence of Active Site Interaction on Proton Transfer. J.  Phys. Chem. B 2014, 118, 11077‐11089.  42.  Lin, Y.‐L.; Gao, J.; Rubinstein, A.; Major, D. T. Molecular Dynamics Simulations of the Intramolecular Proton  Transfer and Carbanion Stabilization in the Pyridoxal 5′‐Phosphate Dependent Enzymes L‐Dopa Decarboxylase and  Alanine Racemase. Biochim. Biophys. Acta 2011, 1814, 1438‐1446.  43.  Appaji Rao, N.; Ambili, M.; Jala, V. R.; Subramanya, H. S.; Savithri, H. S. Structure–Function Relationship in  Serine Hydroxymethyltransferase. Biochim. Biophys. Acta 2003, 1647, 24‐29.  44.  Schirch, V.; Szebenyi, D. M. E. Serine Hydroxymethyltransferase Revisited. Curr. Opin. Chem. Biol. 2005, 9,  482‐487.  45.  Matthews,  R.  G.;  Drummond,  J.  T.  Providing  One‐Carbon  Units  for  Biological  Methylations:  Mechanistic  Studies on Serine Hydroxymethyltransferase, Methylenetetrahydrofolate Reductase, and Methyltetrahydrofolate‐ Homocysteine Methyltransferase. Chem. Rev. 1990, 90, 1275‐1290.  46.  Kimura, T.; Vassilev, V. P.; Shen, G. J.; Wong, C.‐H. Enzymatic Synthesis of ‐Hydroxy‐‐Amino Acids Based  on Recombinant D‐ and L‐Threonine Aldolases. J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 11734‐11742.  47.  Kielkopf, C. L.; Burley, S. K., X‐Ray Structures of Threonine Aldolase Complexes:  Structural Basis of Substrate  Recognition. Biochemistry 2002, 41, 11711‐11720.  48.  Rao, J. V. K.; Prakash, V.; Rao, N. A.; Savithri, H. S. The Role of Glu74 and Tyr82 in the Reaction Catalyzed by  Sheep Liver Cytosolic Serine Hydroxymethyltransferase. Eur. J. Biochem. 2001, 267, 5967‐5976.  49.  Szebenyi, D. M. E.; Musayev, F. N.; di Salvo, M. L.; Safo, M. K.; Schirch, V. Serine Hydroxymethyltransferase:   Role of Glu75 and Evidence That Serine Is Cleaved by a Retroaldol Mechanism. Biochemistry 2004, 43, 6865‐6876.  50.  Senn, H. M.; Thiel, W. QM/MM Studies of Enzymes. Curr. Opin. Chem. Biol. 2007, 11, 182‐187.  51.  Li, X.; Hayik, S. A.; Merz, K. M., QM/MM X‐Ray Refinement of Zinc Metalloenzymes. J Inorg Biochem 2010,  104, 512‐522.  Menikarachchi, L. C.; Gascon, J. A., QM/MM Approaches in Medicinal Chemistry Research. Curr. Top. Med.  52.  Chem. 2010, 10, 46‐54.  53.  Senn, H. M.; Thiel, W., QM/MM Methods for Biomolecular Systems. Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 1198‐ 1229.  54.  Senn, H.; Thiel, W. QM/MM Methods for Biological Systems. In Atomistic Approaches in Modern Biology,  Reiher, M., Ed. Springer Berlin Heidelberg: 2007; Vol. 268, pp 173‐290.  55.  Lonsdale, R.; Harvey, J. N.; Mulholland, A. J. A Practical Guide to Modelling Enzyme‐Catalysed Reactions.  Chem. Soc. Rev. 2012, 41, 3025‐3038.  56.  Claeyssens, F.; Harvey, J. N.; Manby, F. R.; Mata, R. A.; Mulholland, A. J.; Ranaghan, K. E.; Schutz, M.; Thiel,  S.; Thiel, W.; Werner, H. J. High‐Accuracy Computation of Reaction Barriers in Enzymes. Angew. Chem. Int. Ed. Engl.  2006, 45, 6856‐6859.  57.  Saen‐oon,  S.;  Lee,  S.  G.;  Jez,  J.  M.;  Guallar,  V.  An  Alternative  Mechanism  for  the  Methylation  of  Phosphoethanolamine  Catalyzed  by  Plasmodium  Falciparum  Phosphoethanolamine  Methyltransferase.  J.  Biol.  Chem. 2014, 289, 33815‐33825.  58.  Chotpatiwetchkul, W.; Boonyarattanakalin, K.; Gleeson, D.; Gleeson, P. Exploring the Catalytic Mechanism  of Dihydropteroate Synthase: Elucidating the Differences between Substrate and Inhibitor. Org. Biomol. Chem. 2017,  15, 5593‐5601.  59.  Jongkon, N.; Gleeson, D.; Gleeson, M. P. Elucidation of the Catalytic Mechanism of 6‐Hydroxymethyl‐7,8‐ Dihydropterin Pyrophosphokinase Using QM/MM Calculations. Org. Biomol. Chem. 2018, 16, 6239‐6249.  60.  Doron, D.; Stojković, V.; Gakhar, L.; Vardi‐Kilshtain, A.; Kohen, A.; Major, D. T. Free Energy Simulations of  Active‐Site Mutants of Dihydrofolate Reductase. J. Phys. Chem. B 2015, 119, 906‐916.  61.  Chung, L. W.; Sameera, W. M. C.; Ramozzi, R.; Page, A. J.; Hatanaka, M.; Petrova, G. P.; Harris, T. V.; Li, X.;  Ke, Z.; Liu, F., et al. The ONIOM Method and Its Applications. Chem. Rev. 2015, 115, 5678‐5796.  62.  Dapprich,  S.;  Komáromi,  I.;  Byun,  K.  S.;  Morokuma,  K.;  Frisch,  M.  J.,  A  New  ONIOM  Implementation  in  Gaussian98. Part I. The Calculation of Energies, Gradients, Vibrational Frequencies and Electric Field Derivatives. J.  Mol. Struct.: THEOCHEM 1999, 461‐462, 1‐21.  63.  Olsson, M. H., Søndergaard, C. R.; Rostkowski, M.; Jensen, J. H. Propka3: Consistent Treatment of Internal  and Surface Residues in Empirical pKa Predictions. J. Chem. Theor. Comput. 2011, 7, 525‐537. 

25   

ACS Paragon Plus Environment

The Journal of Physical Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 26 of 27

64.  Søndergaard, C. R., Olsson, M. H.; Rostkowski, M.; Jensen, J. H. Improved Treatment of Ligands and Coupling  Effects in Empirical Calculation and Rationalization of Pka Values. J. Chem. Theory Comput. 2011, 7, 2284‐2295.  65.  Hess, B.; Kutzner, C.; van der Spoel, D.; Lindahl, E. Gromacs 4: Algorithms for Highly Efficient, Load‐Balanced,  and Scalable Molecular Simulation. J. Chem. Theory Comput. 2008, 4, 435‐447.  66.  Hornak, V.; Abel, R.; Okur, A.; Strockbine, B.; Roitberg, A.; Simmerling, C. Comparison of Multiple Amber  Force Fields and Development of Improved Protein Backbone Parameters. Proteins: Struct., Funct., Bioinf. 2006, 65,  712‐725.  67.  Thompson, E.; DePaul, A.; Patel, S.; Sorin, E. Evaluating Molecular Mechanical Potentials for Helical Peptides  and Proteins. PLoS One 2010, 5, e10056.  68.  Wang, J.; Wang, W.; Kollman, P. A.; Case, D. A. Automatic Atom Type and Bond Type Perception in Molecular  Mechanical Calculations. J. Mol. Graph. Model. 2006, 25, 247‐260.  69.  Wang, J.; Wolf, R. M.; Caldwell, J. W.; Kollman, P. A.; Case, D. A. Development and Testing of a General  Amber Force Field. J. Comput. Chem. 2004, 25, 1157‐1174.  70.  Mark, P.; Nilsson, L. Structure and Dynamics of the TIP3P, SPC, and SPC/E Water Models at 298 K. J. Phys.  Chem. A 2001, 105, 9954‐9960.  71.  Price, D. J.; Brooks, C. L. A Modified TIP3P Water Potential for Simulation with Ewald Summation. J. Chem.  Phys. 2004, 121, 10096‐10103.  72.  Parrinello, M.; Rahman, A. Polymorphic Transitions in Single Crystals: A New Molecular Dynamics Method.  J. Appl. Phys. 1981, 52, 7182‐7190.  73.  Van Der Spoel, D.; Lindahl, E.; Hess, B.; Groenhof, G.; Mark, A. E.; Berendsen, H. J. C. Gromacs: Fast, Flexible,  and Free. J. Comput. Chem. 2005, 26, 1701‐1718.  74.  Frisch,  M.  J.;  Trucks,  G.  W.;  Schlegel,  H.  B.;  Scuseria,  G.  E.;  Robb,  M.  A.;  Cheeseman,  J.  R.;  Scalmani,  G.;  Barone, V.; Mennucci, B.; Petersson, G. A., et al.  Gaussian 09 Revision D.01; Gaussian, Inc.: Wallingford, CT, 2009.  75.  Valero,  R.;  Gomes,  J.  R.  B.;  Truhlar,  D.  G.;  Illas,  F.  Good  Performance  of  the  M06  Family  of  Hybrid  Meta  Generalized Gradient Approximation Density Functionals on a Difficult Case: CO Adsorption on MgO(001). J. Chem.  Phys. 2008, 129, 124710.  76.  Zhao,  Y.;  Truhlar,  D.  G.  The  M06  Suite  of  Density  Functionals  for  Main  Group  Thermochemistry,  Thermochemical Kinetics, Noncovalent Interactions, Excited States, and Transition Elements: Two New Functionals  and Systematic Testing of Four M06‐Class Functionals and 12 Other Functionals. Theor Chem Acc 2008, 120, 215‐ 241.  77.  Scarsdale, J. N.; Kazanina, G.; Radaev, S.; Schirch, V.; Wright, H. T. Crystal Structure of Rabbit Cytosolic Serine  Hydroxymethyltransferase at 2.8 Å Resolution:  Mechanistic Implications. Biochemistry 1999, 38, 8347‐8358.  78.  Schirch, D.; Delle Fratte, S.; Iurescia, S.; Angelaccio, S.; Contestabile, R.; Bossa, F.; Schirch, V. Function of the  Active‐Site Lysine in Escherichia Coli Serine Hydroxymethyltransferase. J. Biol. Chem. 1993, 268, 23132‐23138.  79.  Lin,  Y.‐l.;  Gao,  J.  Internal  Proton  Transfer  in  the  External  Pyridoxal  5′‐Phosphate  Schiff  Base  in  Dopa  Decarboxylase. Biochemistry 2010, 49, 84‐94.  80.  Uhl,  M. K.;  Oberdorfer, G.; Steinkellner, G.;  Riegler‐Berket, L.; Mink, D.; van  Assema, F.; Schürmann,  M.;  Gruber, K. The Crystal Structure of D‐Threonine Aldolase from Alcaligenes Xylosoxidans Provides Insight into a Metal  Ion Assisted PLP‐Dependent Mechanism. PLoS One 2015, 10, e0124056.  81.  Angelaccio, S.; Chiaraluce, R.; Consalvi, V.; Buchenau, B.; Giangiacomo, L.; Bossa, F.; Contestabile, R. Catalytic  and  Thermodynamic  Properties  of  Tetrahydromethanopterin‐Dependent  Serine  Hydroxymethyltransferase  from  Methanococcus Jannaschii. J. Biol. Chem. 2003, 278, 41789‐41797.  82.  Huang, G.‐T.; Yu, J.‐S. K. Catalytic Roles of Histidine and Arginine in Pyruvate Class II Aldolase: A Perspective  from QM/MM Metadynamics. ACS Catal. 2017, 7, 8130‐8133.  83.  Zhang,  S.;  Wang,  X.;  Liu,  Y.  Cleavage  Mechanism  of  the  Aliphatic  C–C  Bond  Catalyzed  by  2,4′‐ Dihydroxyacetophenone Dioxygenase from Alcaligenes Sp. 4hap: A QM/MM Study. Catal. Sci. Technol. 2017, 7, 911‐ 922.  84.  Chotpatiwetchkul, W.; Jongkon, N.; Hannongbua, S.; Gleeson, M. P. QM/MM Investigation of the Reaction  Rates of Substrates of 2,3‐Dimethylmalate Lyase: A Catabolic Protein Isolated from Aspergillus Niger. J. Mol. Graph.  Model. 2016, 68, 29‐38.  85.  Inaba, S.; Sameera, W. M. C. Dehydration of Methanediol in Aqueous Solution: An ONIOM(QM/MM) Study.  J. Phys. Chem. A 2016, 120, 6670‐6676. 

26   

ACS Paragon Plus Environment

Page 27 of 27 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Physical Chemistry

86.  Jagath, J. R.; Sharma, B.; Rao, N. A.; Savithri, H. S. The Role of His‐134, ‐147, and ‐150 Residues in Subunit  Assembly, Cofactor Binding, and Catalysis of Sheep Liver Cytosolic Serine Hydroxymethyltransferase. J. Biol. Chem.  1997, 272, 24355‐24362. 

 

  TOC Graphic   

27   

ACS Paragon Plus Environment