Two-dimensional reaction free energy surfaces of catalytic reaction: effects of protein conformational dynamics on enzyme catalysis

Journal of Physical Chemistry B

Volumn 112, Issue 2, 2008, Pages 454-466

  Min, Wei ^a   Xie, X Sunney ^a   Bagchi, Biman ^a,b  

^a HARVARD UNIVERSITY   (United States)

^b INDIAN INSTITUTE OF SCIENCE   (India)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

CATALYST ACTIVITY; ENZYME ACTIVITY; PHASE TRANSITIONS; PROTEINS; REACTION KINETICS; TWO DIMENSIONAL;

ENZYME CATALYSIS; MICHAELIS-MENTEN EXPRESSION; NONEQUILIBRIUM RELAXATION;

FREE ENERGY;

EID: 38749105098     PISSN: 15206106     EISSN: None     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/jp076533c     Document Type: Article

References (68)

1. Wolfenden, R.; Snider, M. J. Acc. Chem. Res. 2001, 34, 938.
2. Michaelis, L.; Menten, M. L. Biochem. Z. 1913, 49, 333.
3. Welch, G. R. ed. The Fluctuating Enzyme; Wiley: New York, 1986.
4. Hammes, G. G. Biochemistry 2002, 41, 8221.
5. See the thematic issue on the principle of enzymatic catalysis of Chem. Rev. 2006, 106, 8.
6. Hammes-Schiffer, S.; Benkovic, S. J. Annu. Rev. Biochem. 2006, 75, 519.
7. Garcia-Viloca, M.; Gao, J.; Karplus, M.; Truhlar, D. G. Science 2004, 303, 186.
8. Wolf-Watz, M.; Thai, V.; Henzler-Wildman, K.; Hadjipavlou, G.; Eisenmesser, E. Z.; Kern, D. Nat. Struct. Mol. Biol. 2004, 11, 945.
9. Kern, D.; Eisenmesser, E. Z.; Wolf-Watz, M. Methods Enzymol. 2005, 394, 507.
10. Eisenmesser, E. Z.; Millet, O.; Labeikovsky, W.; Korzhnev, D. M.; Wolf-Watz, M.; Bosco, D. A.; Skalicky, J. J.; Kay, L. E.; Kern, D. Nature 2005, 438, 117.
11. Yang, H.; Luo, G.; Karnchanaphanurach, P.; Louie, T.-M.; Rech, I.; Cova, S.; Xun, L.; Xie, X. S. Science 2003, 302, 262.
12. Kou, S. C.; Xie, X. S. Phys. Rev. Lett. 2004, 93, 180603-180607.
13. Min, W.; Luo, G.; Cherayil, B. J.; Kou, S. C.; Xie, X. S. Phys. Rev. Lett. 2005, 94, 198302(1)-198302(4).
14. Kramers, H. A. Physica 1940, 7, 284.
15. Zwanzig, R. Nonequilibrium Statistical Mechanics; Oxford University Press: New York, 2001.
16. Grote, R. F.; Hynes, J. T. J. Chem. Phys. 1980, 73, 2715;
17. Hynes, J. T. Annu. Rev. Phys. Chem. 1985, 36, 573.
18. Min, W.; Xie, X. S. Phys. Rev. E 2006, 73, 010902.
19. Chaudhury, S.; Cherayil, B. J. J. Chem. Phys. 2006, 125, 114106.
20. Florián, J.; Goodman, M. F.; Warshel, A. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2005, 102, 6819.
21. Pauling, L. Chem. Eng. News 1946, 24, 1375.
22. Schowen, R. L. In Transition States of Biochemical Processes; Gandour, R. D., Schowen, R. L., Eds.; Plenum: New York, 1978; p 77.
23. Shokat, K. M.; Schultz, P. G. Annu. Rev. Immunol. 1990, 8, 335.
24. Koshland, D. E. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1958, 44, 98.
25. Fersht, A. Structure and Mechanism in Protein Science: A Guide to Enzyme Catalysis and Protein Folding; Freeman: New York, 1999.
26. Bustamante, C.; Chemla, Y. R.; Forde, N. R.; Izhaky, D. Annu. Rev. Biochem. 2004, 73, 705.
27. McCammon, J. A.; Northrup, S. H. Nature 1981, 293, 316.
28. Szabo, A.; Shoup, D.; Northrup, S. H.; McCammon, J. A. J. Chem. Phys. 1982, 77, 4484.
29. Austin, R. H.; Beeson, K. W.; Eisentein, L.; Frauenfielder, H.; Gunsalus, I. C. Biochemistry 1975, 14, 5355.
30. Lim, M.; Jackson, T. A.; Anfinrud, P. A. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1993, 90, 5801.
31. Hagen, S. T.; Eaton, W. A. J. Chem. Phys. 1996, 104, 3395.
32. Suckau, D.; Shi, Y.; Beu, S. C.; Senko, M. W.; Quinn, J. P.; Wampler, F. M., III; McLafferty, F. W. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1993, 90, 790.
33. Lu, H. P.; Xun, L.; Xie, X. S. Science 1998, 282, 1877.
34. van Oijen, A. M.; Blainey, P. C.; Crampton, D. J.; Richardson, C. C.; Ellenberger, T.; Xie, X. S. Science 2003, 301, 1235.
35. Velonia, K.; Flomenbom, O.; Loos, D.; Masuo, S.; Cotlet, M.; Engelborghs, Y.; Hofkens, J.; Rowan, A. E.; Klafter, J.; Nolte, R. J. M.; de Schryver, F. C. Angew. Chem., Int. Ed. 2005, 44, 560.
36. Flomenbom, O.; Velonia, K.; Loos, D.; Masuo, S.; Cotlet, M.; Engelborghs, Y.; Hofkens, J.; Rowan, A. E.; Nolte, R. J. M.; van der Auweraer, M.; de Schryver, F. C.; Klafter, J. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2005, 102, 2368.
37. English, B. P.; Min, W.; van Oijen, A. M.; Lee, K. T.; Luo, G.; Sun, H.; Cherayil, B. J.; Kou, S. C.; Xie, X. S. Nat. Chem. Biol. 2006, 2, 87.
38. Hatzakis, N. S.; Engelkamp, H.; Velonia, K.; Hofkens, J.; Christianen, P. C. M.; Svendsen, A.; Patkar, S. A.; Vind, J.; Maan, J. C.; Rowan, A. E.; Nolte, R. J. M. Chem. Commun. 2006, 19, 2012.
39. Zwanzig, R. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1988, 85, 2029.
40. Onuchic, J. N.; Luthey-Schulten, Z.; Wolynes, P. G. Annu. Rev. Phys. Chem. 1997, 48, 545.
41. Leopold, P. E.; Montai, M.; Onuchic, J. N. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1992, 89, 8721.
42. Onuchic, J. N.; Wolynes, P. G. Curr. Opin. Struct. Biol. 2004, 14, 70.
43. Roca, M.; Moliner, V.; Tuñón, I.; Hynes, J. T. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 6186.
44. Skinner, J. L.; Wolynes, P. G. J. Chem. Phys. 1978, 69, 2143.
45. Neria, E.; Karplus, M. Chem. Phys. Lett. 1997, 267, 23.
46. Okuyama, S.; Oxtoby, D. W. J. Chem. Phys. 1986, 84, 5824.
47. Hynes, J. T. J. Phys. Chem. 1986, 90, 3701.
48. Min, W.; Gopich, I. V.; English, B. P.; Kou, S. C.; Xie, X. S.; Szabo, A. J. Phys. Chem. B 2006, 110, 20093.
49. Wang, H.; Oster, G. Nature 1998, 396, 279.
50. Luo, G.; Wang, M.; Konigsberg, W. H.; Xie, X. S. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2007, 104, 12610.
51. Akesson, E.; Walker, G. C.; Barbara, P. F. J. Chem. Phys. 1991, 95, 4188.
52. Zusman, L. D. Chem. Phys. 1980, 49, 295.
53. Min, W; Xie, X. S.; Bagchi, B. To be submitted for publication.
54. Bagchi, B.; Fleming, G. R.; Oxtoby, D. W. J. Chem. Phys. 1983, 78, 7375.
55. Agmon, N.; Hopfield, J. J. J. Chem. Phys. 1983, 78, 6947.
56. Sumi, H.; Marcus, R. A. J. Chem. Phys. 1986, 84, 4894.
57. Min, W.; English, B. P.; Luo, G.; Cherayil, B. J.; Kou, S. C.; Xie, X. S. Acc. Chem. Res. 2005, 38, 923.
58. Yang, S.; Cao, J. J. Chem. Phys. 2002, 117, 10996.
59. Agmon, N. J. Phys. Chem. B 2000, 104, 7830.
60. (a) Gopich, I. V.; Szabo, A. J. Chem. Phys. 2006, 124, 154712.
61. (b) Kou, S. C.; Cherayil, B. J.; Min, W.; English, B. P.; Xie, X. S. J. Phys. Chem. B 2005, 109, 19068.
62. Xing, J. Phys. Rev. Lett. 2007, 99, 168103.
63. Lerch, H. P.; Rigler, R.; Mikhailov, A. S. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2005, 102, 10807.
64. Karplus, M. J. Phys. Chem. B 2000, 104, 11.
65. Engelkamp, H.; Hatzakis, N. S.; Hofkens, J.; De Schryver, F. C.; Nolte, R. J. M.; Rowan, A. E. Chem. Commun. 2006, 37, 935.
66. Luo, G.; Andricioaei, I.; Xie, X. S.; Karplus, M. J. Phys. Chem. B 2006, 110, 9363.
67. B1olhuis, P. G.; Chandler, D.; Dellago, C.; Geissler, P. Annu. Rev. Phys. Chem. 2002, 53, 291.
68. Qian, H. J. Phys. Chem. B 2006, 110, 15063.